王欣 王克儉

（北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

1. 前言

塑料加工又稱塑料成型加工，是將合成樹(shù)脂或塑料轉(zhuǎn)化為塑料制品的各種工藝的總稱，是塑料工業(yè)中一個(gè)較大的生產(chǎn)部門。

對(duì)在塑料工業(yè)中采用的許多工藝技術(shù)而言，產(chǎn)品的生產(chǎn)和檢驗(yàn)需要經(jīng)歷許多熱過(guò)程，工藝和生產(chǎn)中的溫度是一個(gè)十分重要的物理測(cè)量參數(shù)。在制造過(guò)程的各個(gè)階段，例如在注射成型工藝或熱成型中，必須監(jiān)測(cè)和分析幾個(gè)不同的溫度量程，以確保塑料產(chǎn)品的高質(zhì)量水平。因而當(dāng)前塑料加工對(duì)非接觸式溫度測(cè)量提出了挑戰(zhàn)。使用紅外傳感器系統(tǒng)的非接觸測(cè)溫被視為一項(xiàng)十分有效的工藝監(jiān)測(cè)與控制方法。紅外測(cè)溫儀則用來(lái)安全可靠地顯示相關(guān)弱點(diǎn)。此外，紅外測(cè)溫儀還可以幫助實(shí)現(xiàn)熱過(guò)程的可視化，進(jìn)而優(yōu)化并監(jiān)測(cè)具體過(guò)程。塑料加工者所生產(chǎn)的大量塑料制品通常在一卷或一板上的尺寸、厚度、質(zhì)地、色澤和壓花圖案等各不相同?；诳蚣軛l件，紅外測(cè)溫儀可適用于各種制品，以期完善和保障制造工藝。塑料工業(yè)中的拉伸定型、擠壓、吹塑、薄膜沖壓、吹膜冷卻、電線包膜、延壓被層、膠帶生產(chǎn)，熱熔膠等工藝都可應(yīng)用紅外測(cè)溫[1]。

2. 紅外測(cè)溫

2.1 紅外測(cè)溫儀的發(fā)展

紅外熱成像技術(shù)是將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)圖像的技術(shù)，利用這一技術(shù)研制的裝置統(tǒng)稱為紅外熱成像裝置或紅外熱像儀[2]。紅外測(cè)溫儀是一種非接觸、快速測(cè)溫度的儀器。通常它由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)處理電路和數(shù)字顯示構(gòu)成。從結(jié)構(gòu)上可把紅外測(cè)溫儀分成兩類，其中便攜式測(cè)溫儀是把前述各部件緊湊地結(jié)合在一起并以干電池作電源。它具有攜帶和使用方便的特點(diǎn)，因此其用途較廣，用量很大。它通用性強(qiáng)，專用性差，規(guī)格品種不多，使用精度不高。另一類合式紅外測(cè)溫儀是把光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換元件和前置放大器組合為一體，把信號(hào)處理電路和顯示器另外組合成一體，兩者之間用多芯電纜連接，用交流電源供電[3]。它的規(guī)格品種較多，專用性強(qiáng)，使用精度較高。紅外測(cè)溫儀能迅速有效地測(cè)量快速運(yùn)動(dòng)物體的溫度。他們易于集成到現(xiàn)有的過(guò)程控制系統(tǒng)中，直接測(cè)量產(chǎn)品的溫度，而不是測(cè)量爐子或者干燥箱的溫度，可以快速調(diào)整工藝參數(shù)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量[4]。

國(guó)外紅外測(cè)溫儀發(fā)展很快，應(yīng)用已經(jīng)很普及。發(fā)展如此迅速有以下幾種原因：①應(yīng)用紅外測(cè)溫儀可以節(jié)約大量鉑、鍺等貴重金屬，降低消耗，總經(jīng)濟(jì)效益好；②對(duì)檢測(cè)儀表投資強(qiáng)度大，通過(guò)加強(qiáng)生產(chǎn)工藝的檢測(cè)提高產(chǎn)品質(zhì)；③紅外測(cè)溫儀的質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高；④紅外測(cè)溫儀的規(guī)格品種多，適應(yīng)性強(qiáng)；⑤紅外測(cè)溫儀的輔助配套件齊全，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便；⑥生產(chǎn)廠對(duì)用戶服務(wù)好；⑦用戶技術(shù)素質(zhì)高。我國(guó)紅外測(cè)溫儀應(yīng)用的主要差距也就表現(xiàn)在上述幾個(gè)方面。影響測(cè)溫儀穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于紅外探測(cè)器。國(guó)外紅外探測(cè)器品種多、穩(wěn)定性好、他們使用的探測(cè)器有硅光電池[5][6]。

2.2 紅外測(cè)溫儀的原理及特點(diǎn)

圖1 紅外測(cè)溫儀[11]

了解紅外測(cè)溫儀的工作原理、技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境工作條件及操作和維修等是用戶正確地選擇和使用紅外測(cè)溫儀的基礎(chǔ)。紅外測(cè)溫儀由光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)放大器及信號(hào)處理、顯示輸出等部分組成[7]。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，視場(chǎng)的大小由測(cè)溫儀的光學(xué)零件以及位置決定。紅外能量聚焦在光電探測(cè)儀上并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器和信號(hào)處理電路按照儀器內(nèi)部的算法和目標(biāo)發(fā)射率校正后轉(zhuǎn)變?yōu)楸粶y(cè)目標(biāo)的溫度值[8]。

紅外熱像儀的主要特點(diǎn)為：①為非接觸式測(cè)量，能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、微小目標(biāo)及帶電目標(biāo)溫度；②測(cè)溫效率高，可直觀顯示物體表面溫度場(chǎng)；③溫度分辨率高，可同時(shí)顯示多點(diǎn)溫度值，并能準(zhǔn)確區(qū)分較小溫差；④顯示方式多樣，除一般的偽彩色和灰度顯示的熱成像，還可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理；⑤可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算機(jī)處理[9]。遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫儀優(yōu)勢(shì)在于雙頭定位的戶外專用模式，特別適用于戶外復(fù)雜環(huán)境下的精準(zhǔn)測(cè)溫，有效解決因環(huán)境溫度偏高、室外亮度過(guò)亮等導(dǎo)致普通測(cè)溫儀無(wú)法精準(zhǔn)測(cè)溫的頑疾。戶外即可快速檢測(cè)，無(wú)需進(jìn)入室內(nèi)，更安全，更實(shí)用。

3. 主要工藝流程和應(yīng)用

紅外測(cè)溫儀塑料成型生產(chǎn)中特點(diǎn)：①非破壞性，不接觸、不污染被測(cè)產(chǎn)品；②快速可靠，可連續(xù)、準(zhǔn)確、快速測(cè)量運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的溫度；③靈活性，可對(duì)較大目標(biāo)、或小目標(biāo)區(qū)域的溫度測(cè)量[10]。

主要應(yīng)用如下：

1）吹塑薄膜：精確的溫度監(jiān)控與適當(dāng)?shù)募訜岷屠鋮s相配合，可以確保塑料的抗張力和厚度均勻性。工作流程如圖2所示。

圖2 吹塑薄膜工藝流程

2）擠出薄膜：控制溫度以保持正確的薄膜厚度和表面光潔均勻性，對(duì)壓模螺栓加熱器或壓膜插銷故障的檢測(cè)。工藝流程如圖3所示。

圖 3擠出薄膜工藝流程

3）雙軸定向薄膜：熱像儀安裝在成形筒處以控制冷卻滾筒安裝在預(yù)熱和冷卻設(shè)備處以控制加熱和冷卻量。

4）片料成型：紅外測(cè)溫儀可讓操作人員監(jiān)視片料的溫度并及時(shí)調(diào)節(jié)壓膜加熱器和冷卻滾筒溫度，以均衡產(chǎn)品的質(zhì)量[11]。

5）膜層成型：紙張、膠片或金屬箔進(jìn)行膜層成型過(guò)程在一個(gè)通常狹小并且難以測(cè)量的目標(biāo)，采用紅外熱像儀時(shí)，操作人員就可連續(xù)監(jiān)控并可由人工或自動(dòng)及時(shí)調(diào)節(jié)壓膜加熱器和冷卻滾筒的溫度[12]。

6）疊層和壓花處理：使用紅外測(cè)溫儀去監(jiān)視橫向膜層的溫度并且控制加熱器[13]。

7）鋼板材熱沖壓成形的工藝流程：熱沖壓又常被稱為沖壓硬化技術(shù)。首先將初始強(qiáng)度為500～600 MPa的高強(qiáng)度板加熱到880～950℃，然后送入內(nèi)部帶有冷卻系統(tǒng)的模具內(nèi)沖壓成形，并處于保壓狀態(tài)，以20～300℃/秒的冷卻速度快速淬火冷卻，由于奧氏體轉(zhuǎn)變成了馬氏體，零件強(qiáng)度大幅提高，可以生產(chǎn)出強(qiáng)度高達(dá)1500 MPa沖壓件。確保多層材料疊層的正確溫度及后期的成型，可以幫助監(jiān)視材料的溫度分布在進(jìn)入熱成型機(jī)之前處于正確狀態(tài)[14]。工作流程如圖4所示。

圖4 鋼板材沖壓工藝流程[14]

4. 結(jié)論

估計(jì)在未來(lái)的工業(yè)生產(chǎn)中將有40%左右的工藝運(yùn)用到測(cè)溫，它對(duì)節(jié)能、提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率方面有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此塑料加工中的測(cè)溫顯得尤為重要，紅外測(cè)溫是新發(fā)展起來(lái)的快速非接觸測(cè)溫手段，解決了傳統(tǒng)測(cè)溫手段不能解決的許多測(cè)溫問(wèn)題，具有非常好的發(fā)展前途。在生產(chǎn)中使用紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能使測(cè)量出的溫度誤差降到最小，在生產(chǎn)中顯示出非接觸測(cè)溫的優(yōu)越性[15]。紅外測(cè)溫儀綜合了光學(xué)、光電子學(xué)、機(jī)械和電子等多方面技術(shù)，比傳統(tǒng)測(cè)溫儀復(fù)雜得多。它的發(fā)展有賴于基礎(chǔ)工業(yè)、研制人員的技術(shù)素養(yǎng)和生產(chǎn)工人的工藝水平，目前在各方面與國(guó)外相比還存在差距。在國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在熱成型加工中得到了廣泛的應(yīng)用。計(jì)算機(jī)模擬的目的是對(duì)制品壁厚分布進(jìn)行精確的確定，這對(duì)于復(fù)雜制品尤為重要[16]。因此對(duì)于塑料加工測(cè)溫技術(shù)還有著廣泛的前進(jìn)空間，需要不斷學(xué)習(xí)。