專利名稱：一種塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及塑料熔體動態(tài)混合與多元場量作用下聚合物的成型加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備。
背景技術(shù)：
聚合物的成型加工過程涉及聚合物流體復(fù)雜流變行為和形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，加工過程中的工藝條件決定了聚合物材料最終使用性能的優(yōu)劣。尤其是對于聚合物共混或填充等復(fù)雜體系，開發(fā)新型具有復(fù)合功能的實驗儀器并研究聚合物熔體在多重外加作用場下微觀結(jié)構(gòu)的變化，對如何充分發(fā)揮聚合物及聚合物共混或填充體系材料的性能潛力、獲得均勻和接近理想的組織結(jié)構(gòu)，對合理選擇成型工藝參數(shù)、提出新的聚合物成型方法，無疑具有重要意義。國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)圍繞材料加工流變儀開展了實驗儀器方面的研究，但目前的研究成果大多局限于聚合物的流變特性研究，非均相體系的微結(jié)構(gòu)演變會分別對應(yīng)不同的特征流變行為，對這些特征流變響應(yīng)的系統(tǒng)研究也有助于優(yōu)化塑料的功能特性和最終力學(xué)性能。因此，研究塑料微結(jié)構(gòu)是意義重大的，而目前的儀器設(shè)備及方法尚不能滿足這一研究需要。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有相關(guān)儀器設(shè)備的不足，提供一種塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，包括:下音圈電機固定板、下光柵位移傳感器、下振動支柱、設(shè)備控制箱、設(shè)備底座、圖像接受裝置、壓力溫度傳感器接口、玻璃罩、液壓缸、活動梁、支柱、上光柵位移傳感器、上音圈電機固定板、上音圈電機、振動導(dǎo)套、上振動板、上振動支柱、上活塞桿、加熱圈、中心模具、可視化裝置、T型安裝面、油泵電機、下活塞桿、下振動板和下音圈電機；所述上振動板套接在上振動支柱上，并與上音圈電機的輸出軸相連，由上音圈電機驅(qū)動沿上振動支柱在垂直方向做振幅和頻率可調(diào)的振動運動，下振動板套接在下振動支柱上，并與下音圈電機的輸出軸相連，由下音圈電機驅(qū)動沿下振動支柱在垂直方向做振幅和頻率可調(diào)的振動運動，上活塞桿與上振動板螺紋連接，下活塞桿與下振動板螺紋連接，上活塞桿和下活塞桿將振動場施加給中心模具內(nèi)的實驗物料，上音圈電機固定在上音圈電機固定板上，下音圈電機固定在下音圈電機固定板上，上振動支柱支撐上振動板固定于活動梁上?；顒恿号c兩根支柱配合，支柱固定于設(shè)備底座，玻璃罩安裝在支柱上，活動梁由液壓系統(tǒng)液壓缸直接驅(qū)動，活動梁沿支柱做垂直方向運動，油泵電機安裝于設(shè)備底座，為設(shè)備液壓系統(tǒng)提供動力。上光柵位移傳感器和下光柵位移傳感器分別安裝于上音圈電機固定板和下音圈電機固定板上，監(jiān)測上振動板和下振動板的運動情況。振動導(dǎo)套與上振動支柱采用間隙配合。進(jìn)一步地，上音圈電機和下音圈電機分置于設(shè)備底座兩側(cè)。上音圈電機、下音圈電機、上振動板、下振動板的中心螺紋孔、上活塞桿、下活塞桿以及中心模具的中心線重合且垂直于設(shè)備底座平臺，中心模具安裝于設(shè)備T型安裝面，中心模具被加熱圈所包裹。進(jìn)一步地，所述中心模具包括:上活塞頭、上封頭、側(cè)夾板、螺栓、下活塞頭、下封頭、第一 T型夾具、下活塞體、第二 T型夾具、傳感器接口、冷卻水道和上活塞體；其中，所述上活塞頭及下活塞頭分別與上活塞桿及下活塞桿采用螺紋連接，上活塞頭和下活塞頭分別與上活塞體和下活塞體采用間隙配合，上活塞體和下活塞體分別嵌入上封頭和下封頭，模具中間處采用第一 T型夾具和第二 T型夾具組合形成薄膜模腔，輔以側(cè)夾板進(jìn)行夾緊，在第二T型夾具壁上開有一定尺寸的傳感器接口。本實用新型的有益效果是:1、本實用新型適用于聚合物動態(tài)流變性能檢測及多元作用場下塑料的微結(jié)構(gòu)檢測，集剪切、加壓、振動以及樣品加工成型功能于一體，功能齊全。2、獨特的模具結(jié)構(gòu)，可直接加工成樣品用于檢測，模具可獨立設(shè)計，不同形式的模具使設(shè)備適用于不同的實驗?zāi)康?。中心模具采用可拆組合式，在流道的設(shè)計上既可以實現(xiàn)一定的尺寸要求，同時可以通過模具不同零部件間的在線調(diào)整實現(xiàn)流道尺寸的改變，即在中心模具上設(shè)計有尺寸調(diào)整結(jié)構(gòu)，可以隨時改變流道的尺寸，這樣就可以通過僅安裝一套中心模具即可以完成不同L/D尺寸流道下的連續(xù)性流變實驗，既方便相關(guān)實驗?zāi)康牡膶崿F(xiàn)，又節(jié)約實驗成本和時間。3、設(shè)備振動場裝置可實現(xiàn)高頻振動，振動頻率及幅值可調(diào)且變化范圍較大，頻率范圍為0.0f200Hz，幅值范圍為(T40mm，可實現(xiàn)多種振動方式，包括正弦振動、三角波振動等，同時，上下兩側(cè)的活塞運動既可以獨立進(jìn)行異步運動，也可以協(xié)調(diào)進(jìn)行同步運動。4、設(shè)備可進(jìn)行壓力高至23MPa、溫度高至400°C的高溫高壓實驗。5、數(shù)據(jù)采集和 控 制系統(tǒng)便于記錄分析數(shù)據(jù)、設(shè)定操作參數(shù)、編程和自動控制。6、不同于目前現(xiàn)有相關(guān)實驗儀器的設(shè)計，振動力場的實現(xiàn)以及實驗部分運動部件的驅(qū)動力均由音圈電機提供，既具有足夠的負(fù)荷能力又能實現(xiàn)高精度運動，同時便于程序控制。7、設(shè)備通過可視化模具的設(shè)計與安裝，實現(xiàn)多種模式下的在線可視化實驗，方便實驗人員對實驗情況直接觀察與分析，同時可在設(shè)備上配備圖像采集裝置，在線連續(xù)獲取實驗狀態(tài)圖像，進(jìn)一步擴展設(shè)備的實驗功能。

圖1是塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備總裝配示意圖；圖2是薄膜中心模具結(jié)構(gòu)主視圖；圖3是薄膜中心模具結(jié)構(gòu)俯視圖；圖4是中心模具十字形結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是中心模具的其它幾種形式示意圖；圖6是控制系統(tǒng)原理示意圖；圖7是塑料振動加工與樣品成型一體化試驗方法流程示意圖；圖中:下音圈電機固定板1、下光柵位移傳感器2、下振動支柱3、設(shè)備控制箱4、設(shè)備底座5、圖像接受裝置6、壓力溫度傳感器接口 7、玻璃罩8、液壓缸9、活動梁10、支柱11、上光柵位移傳感器12、上音圈電機固定板13、上音圈電機14、振動導(dǎo)套15、上振動板16、上振動支柱17、上活塞桿18、加熱圈19、中心模具20、可視化裝置21、T型安裝面22、油泵電機23、下活塞桿24、下振動板25、下首圈電機26、上活塞頭27、上封頭28、側(cè)夾板29、螺檢30、下活塞頭31、下封頭32、第一 T型夾具33、下活塞體34、第二 T型夾具35、傳感器接口 36、冷卻水道37、上活塞體38。
具體實施方式
本實用新型的原理是:將振動等場量作用與直接樣品成型相結(jié)合，對實驗物料施加高頻振動及高壓作用，通過獨立的中心模具結(jié)構(gòu)直接獲得檢測混合樣品，同時配以在線數(shù)據(jù)采集分析與監(jiān)測功能。通過選用或設(shè)計中心模具不同的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合形態(tài)實驗；選用或設(shè)計毛細(xì)管結(jié)構(gòu)中心模具可進(jìn)行動態(tài)流變實驗；選用或設(shè)計開啟式中心模具可直接獲得微結(jié)構(gòu)試樣。通過不同形式及結(jié)構(gòu)的中心模具的使用以及相關(guān)多元外場的各參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)振動誘導(dǎo)作用下塑料加工形態(tài)、微結(jié)構(gòu)及流變性能變化檢測，分析常規(guī)情況和高頻、高壓振動作用下各類混合物微結(jié)構(gòu)形態(tài)、加工性能與工藝條件之間的影響規(guī)律。
以下結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明本實用新型，本實用新型的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，本實用新型塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，包括:下音圈電機固定板1、下光柵位移傳感器2、下振動支柱3、設(shè)備控制箱4、設(shè)備底座5、圖像接受裝置6、壓力溫度傳感器接口 7、玻璃罩8、液壓缸9、活動梁10、支柱11、上光柵位移傳感器12、上音圈電機固定板13、上音圈電機14、振動導(dǎo)套15、上振動板16、上振動支柱17、上活塞桿18、加熱圈19、中心模具20、可視化裝置21、Τ型安裝面22、油泵電機23、下活塞桿24、下振動板25、下音圈電機26,所述上振動板16套接在上振動支柱17上，并與上音圈電機14的輸出軸相連，由上音圈電機14驅(qū)動沿上振動支柱17在垂直方向做振幅和頻率可調(diào)的振動運動，下振動板25套接在下振動支柱3上，并與下音圈電機26的輸出軸相連，由下音圈電機26驅(qū)動沿下振動支柱3在垂直方向做振幅和頻率可調(diào)的振動運動，上活塞桿18與上振動板16螺紋連接，下活塞桿24與下振動 板25螺紋連接，上活塞桿18和下活塞桿24將振動場施加給中心模具20內(nèi)的實驗物料，上音圈電機14固定在上音圈電機固定板13上，下音圈電機26固定在下音圈電機固定板I上，上振動支柱17支撐上振動板16固定于活動梁10上?；顒恿?0與兩根支柱11配合，支柱11固定于設(shè)備底座5，玻璃罩8安裝在支柱11上，活動梁10由液壓系統(tǒng)液壓缸9直接驅(qū)動，活動梁10沿支柱11做垂直方向運動，油泵電機23安裝于設(shè)備底座5,為設(shè)備液壓系統(tǒng)提供動力。上光柵位移傳感器12和下光柵位移傳感器2分別安裝于上音圈電機固定板13和下音圈電機固定板I上，監(jiān)測上振動板16和下振動板25的運動情況。振動導(dǎo)套15與上振動支柱17米用間隙配合,設(shè)備包含上音圈電機14和下音圈電機26兩個振動場動力兀件,分置于設(shè)備底座5兩側(cè)，上音圈電機14、下音圈電機26、上振動板16、下振動板25的中心螺紋孔、上活塞桿18、下活塞桿24以及中心模具20的中心線重合且垂直于設(shè)備底座5平臺，中心模具20安裝于設(shè)備T型安裝面22，中心模具20被加熱圈19所包裹，中心模具20可根據(jù)實驗需要和設(shè)備要求進(jìn)行獨立設(shè)計，具體結(jié)構(gòu)采用可拆組合式，包括薄膜模具(如圖2、3)、十字形模具(如圖4)及其他不同模腔形狀的模具等(如圖5)。[0027]本實用新型中設(shè)備振動力場的實現(xiàn)及具體方式可根據(jù)實驗需要進(jìn)行具體設(shè)計和實施，振動場裝置包括上下兩個部分，基本為對稱結(jié)構(gòu)，通過兩側(cè)活塞組件的不同配合，實現(xiàn)多種形式的振動效果:活塞的同向同步運動可以為模具提供一個近似恒壓的振動場；上下兩個活塞也可以異步反向運動，可看做是一個加壓與減壓的交替震蕩過程。此外，振動效果可根據(jù)實驗的不同需要由實驗人員通過編程予以設(shè)計和調(diào)整，在較寬的振動頻率(0.0f200Hz)和振動幅值(OlOmm)內(nèi)實現(xiàn)多種波形(正弦波、三角波等)的振動，控制靈活方便，能夠更好地滿足實驗需求，為儀器本身的功能擴展提供較大空間?？刂萍皵?shù)據(jù)采集系統(tǒng)(原理如圖6所示)包括:上光柵位移傳感器12、下光柵位移傳感器2、壓力溫度傳感器接口 7、設(shè)備控制箱4等，設(shè)備運行過程中，上光柵位移傳感器12和下光柵位移傳感器2分別實時監(jiān)測上振動板16和下振動板25的運行狀況，即采集上振動板16和下振動板25的位移數(shù)據(jù)，上光柵位移傳感器12和下光柵位移傳感器2將采集的信號傳給設(shè)備控制箱4里的控制卡，同時，壓力溫度傳感器接口 7處連接的雙功能高溫熔體壓力傳感器會采集中心模具20模腔內(nèi)部壓力和溫度信號，同樣傳給控制卡，控制卡內(nèi)部程序根據(jù)傳入的信號通過運算產(chǎn)生控制信號，控制信號通過控制回路作用于控制系統(tǒng)驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)上音圈電機14和下音圈電機26的內(nèi)部電流，進(jìn)而控制上音圈電機14和下音圈電機26的運行狀況，包括運行位移和運行頻率等。加熱冷卻系統(tǒng)的主要功能是加熱中心模具，使模具內(nèi)部物料達(dá)到熔融狀態(tài)，并根據(jù)工藝所需要的加熱溫度調(diào)控加熱效果，使模腔溫度穩(wěn)定于設(shè)定溫度范圍內(nèi)。加熱系統(tǒng)主要包括加熱圈19、傳感器、溫控儀和繼電器等元件。儀器冷卻系統(tǒng)的功能是在實驗中進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和實驗結(jié)束后冷卻中心模具，其主要部分是為循環(huán)冷卻水提供機械動力的水泵。冷卻系統(tǒng)主要在振動場結(jié)束后開啟，一方面作為冷卻起模之用，另一方面可以通過調(diào)節(jié)流量控制冷卻速度，進(jìn)而影響塑料熔體的微結(jié)構(gòu)形態(tài)。中心模具20是實現(xiàn)儀器具體功能的主要部件，用于承裝實驗物料和成型加工，中心模具20的具體形式可根據(jù)實驗需要予以設(shè)計，這為儀器的功能實現(xiàn)提供了較大的靈活性。儀器所配備初始中心模具是薄膜型模具，其結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，模具結(jié)構(gòu)采用零件組合式，主要零部件包括:上活 塞頭27、上封頭28、側(cè)夾板29、螺栓30、下活塞頭31、下封頭32、第一 T型夾具33、下活塞體34、第二 T型夾具35、傳感器接口 36、冷卻水道37、上活塞體38:其中，所述上活塞頭27及下活塞頭31分別與上活塞桿18及下活塞桿24采用螺紋連接，上活塞頭(27和下活塞頭31分別與上活塞體38和下活塞體34采用間隙配合，上活塞體38和下活塞體34分別嵌入上封頭28和下封頭32，模具中間處采用第一 T型夾具33和第二 T型夾具35組合形成薄膜模腔，輔以側(cè)夾板29進(jìn)行夾緊，在第二 T型夾具35壁上開有一定尺寸的傳感器接口 36。薄膜型模具內(nèi)部模腔尺寸為100 X 23 X 5mm，其主要功能是實現(xiàn)聚合物共混研究以及對塑料在機械力下的誘導(dǎo)結(jié)晶特性的分析。中心模具20的具體形式可根據(jù)實驗需要進(jìn)行設(shè)計，可以采用啞鈴型模具、玻璃鋼模具及十字形模具等。如圖4所示為十字形模具結(jié)構(gòu)示意圖，該種模具是在薄膜模具的基礎(chǔ)上配有水平方向的雙側(cè)氣動活塞，其垂直方向的狹縫流道和水平方向的狹縫流道尺寸相當(dāng)，這樣就形成了一個十字形結(jié)構(gòu)，將原有的薄膜模具改進(jìn)為二維流動模具。如圖5所示為另外三種模腔形狀的模具，分別適用于不同的成型要求。玻璃鋼模具是為滿足儀器可視化在線測量要求而設(shè)計的，其整體主要構(gòu)件由透光度較好的玻璃鋼加工制作，主要特色是在實驗過程中，實驗人員可以實時觀察到試驗情況，且方便實驗圖像采集和相關(guān)光學(xué)檢測。本實用新型塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備適用于多種高聚物特性研究，包括常規(guī)及動態(tài)聚合物流變特性檢測，多元外作用場下塑料微結(jié)構(gòu)檢測與分析，并可進(jìn)一步開展剪切、壓力、振動等多元復(fù)合場量作用下聚合物的加工過程研究，以及復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)形態(tài)變化等研究，具體過程如圖7所示。本實用新型適用于多種實驗原料，包括熔融體，液體和軟固體等常用實驗原料。本實用新型塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備及方法能夠彌補以上儀器及方法的缺點:設(shè)備集剪切、加壓、振動以及樣品成型制作功能于一體，適用于高頻、高壓下進(jìn)行塑料微結(jié)構(gòu)試驗與檢測；設(shè)備配備獨特的中心模具結(jié)構(gòu)，可直接加工成樣品用于檢測，避免了傳統(tǒng)流變儀物料從試驗腔內(nèi)被拿出時混合結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的現(xiàn)象，同時不同形式及結(jié)構(gòu)的中心模具可以使設(shè)備適用于不同的實驗內(nèi)容及目的，實現(xiàn)設(shè)備的多功能性，擴大了設(shè)備的使用范圍。另外，冷實驗裝置采用全透明的有機玻璃外套，而熱試驗裝置則采用金屬壁面開透視孔，以實現(xiàn)對實·驗過程的監(jiān)控，可視化結(jié)構(gòu)便于觀察實驗過程。
權(quán)利要求1.一種塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，其特征在于，主要包括:下音圈電機固定板(I)、下光柵位移傳感器(2)、下振動支柱(3)、設(shè)備控制箱(4)、設(shè)備底座(5)、圖像接受裝置(6)、壓力溫度傳感器接口(7)、玻璃罩(8)、液壓缸(9)、活動梁(10)、支柱(11)、上光柵位移傳感器(12)、上音圈電機固定板(13 )、上音圈電機(14)、振動導(dǎo)套(15)、上振動板(16)、上振動支柱(17)、上活塞桿(18)、加熱圈(19)、中心模具(20)、可視化裝置(21)、T型安裝面(22)、油泵電機(23)、下活塞桿(24)、下振動板(25)和下音圈電機(26);其中，所述上振動板(16)套接在上振動支柱(17)上，并與上音圈電機(14)的輸出軸相連，下振動板(25)套接在下振動支柱(3)上，并與下音圈電機(26)的輸出軸相連，上活塞桿(18)與上振動板(16)螺紋連接，下活塞桿(24)與下振動板(25)螺紋連接，上音圈電機(14)固定在上音圈電機固定板(13)上,下音圈電機(26)固定在下音圈電機固定板(I)上，上振動支柱(17)固定于活動梁(10)上；活動梁(10)與兩根支柱(11)配合，支柱(11)固定于設(shè)備底座(5)，玻璃罩(8)安裝在支柱(11)上，活動梁(10)與液壓缸(9)相連，油泵電機(23)安裝于設(shè)備底座(5);上光柵位移傳感器(12)和下光柵位移傳感器(2)分別安裝于上音圈電機固定板(13)和下音圈電機固定板(I)上；振動導(dǎo)套(15)與上振動支柱(17)間隙配合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，其特征在于，所述上音圈電機(14)和下音圈電機(26)分置于設(shè)備底座(5)兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，其特征在于，上音圈電機(14)、下音圈電機(26)、上振動板(16)、下振動板(25)的中心螺紋孔、上活塞桿(18)、下活塞桿(24)和中心模具(20)的中心線重合且垂直于設(shè)備底座(5)平臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，其特征在于，所述中心模具(20)安裝于設(shè)備T型安裝面(22)，中心模具(20)由加熱圈(19)包裹。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，其特征在于，所述中心模具(20)包括:上活塞頭(27)、上封頭(28)、側(cè)夾板(29)、螺栓(30)、下活塞頭(31)、下封頭(32)、第一T型夾具(33)、下活塞體(34)、第二T型夾具(35)、傳感器接口(36)、冷卻水道(37 )和上活塞體(38 ):其中，所述上活塞頭(27 )與上活塞桿(18 )螺紋連接，下活塞頭(31)與下活塞桿(24 )螺紋連接，上活塞頭(27 )與上活塞體(38 )間隙配合，下活塞頭(31)和下活塞體(34 )間隙配合，上活塞體(38 )嵌入上封頭(28 )，下活塞體(34 )嵌入下封頭(32 )，第一 T型夾具(33 )和第二 T型夾具(35 )組合形成薄膜模腔，輔以側(cè)夾板(29 )進(jìn)行夾緊，在第二 T型夾具(35)壁上開有傳感器接口(36)。
專利摘要本實用新型公開了一種塑料振動加工與樣品成型一體化試驗設(shè)備，包括液壓動力系統(tǒng)、振動動力驅(qū)動系統(tǒng)、試驗臺、活塞組件、中心模具、可視化裝置、控制系統(tǒng)等。本實用新型將振動等場量作用與模具樣品成型相結(jié)合，集剪切、加壓、振動以及樣品加工成型功能于一體，不同于傳統(tǒng)流變儀局限于聚合物的流變特性研究，可避免試驗腔內(nèi)物料被拿出時塑料混合結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化，直接在線監(jiān)測微結(jié)構(gòu)，或者直接模具成型得到檢測樣品。本實用新型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)聚合物動態(tài)及穩(wěn)態(tài)流變特性檢測，同時還能夠用于多元場量作用下多種聚合物體系微結(jié)構(gòu)形態(tài)研究，以及加工性能與工藝條件之間的影響規(guī)律研究，可廣泛應(yīng)用于材料、化工、制藥、涂料、食品、建筑等行業(yè)。
文檔編號B29C67/00GK203093044SQ20132006657
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者許忠斌, 劉雨, 鄭素霞, 蘇良瑤, 沈雪明, 劉國林 申請人:浙江大學(xué), 浙江申達(dá)機器制造股份有限公司