（材料加工工程专业论文）感应加热在注塑成型中的应用.pdf

原创性声明 ltll iiii l t l l lt l i i i l l l l lllllltlti l l 18 3 2 3 7 4 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果，没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范 的侵权行为，对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和后果，特此声明。 学位论文惴侯建华 日期冲年s 月近日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 日期：加o 年月2 9e l 摘要 摘要 注塑成型中聚合物熔体的充模过程直接影响着注塑件的成型质量和生产效 率，是成型中最重要的阶段。而模具温度作为影响成型充模过程的重要的工艺 参数，尤其是对微小制品的注塑成型，对它的研究显得至关重要。因此，为了 研究模具温度在注塑成型中所起的作用，进行的数值模拟与成型工艺试验，对 设计优化注塑模具、合理设置成型工艺参数和提高塑件质量都具有重要的理论 意义和实用价值。 本文依据电磁感应加热原理，设计和制造了电磁感应加热装置，采用c a e 软件进行数值模拟，进行了电磁感应加热效率的实验对比，并利用所设计的电 磁感应加热设备对模具表面快速加热进行注塑成型试验，验证了变模温技术的 可行性，也验证了模具温度对制品成型质量影响的重要性。 本论文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 对比不同加热方式的优缺点，分析并说明了变模温技术在微小注塑成型 中的突出优势，根据电磁场理论和传热学原理对感应加热进行理论分析，并确 定感应加热是一种可行的、高效的模具表面温度快速加热方法。 2 对模具使用电磁加热过程中其不同的传热方式进行分析，比较感应加热 装置电路系统的不同拓扑结构的特点，设计和制造了一种电磁感应加热装置， 并提出可用于实际生产的j - r 流程。 3 对注塑件尺寸为1 3 6 r a m 3 r n m ，厚度为0 3 m m 等薄壁制品进行充填过 程数值模拟，分析欠料注射情况下，不同模温对制品流动前沿、最大锁模力， 熔接痕的影响，以及产生这些结果的原因。 4 对所设计的电磁感应加热设备进行加热效率的测试，并和传统加热方式 效率进行对比。 5 使用电磁感应加热设备对模具表面加热，进行模温对制品成型影响的实 验，观察制品的流动前沿、熔接区域的流动特点，根据实验结果，将数值模拟 结果与实验结果进行对比，验证了数值模拟方法和变模温方法的有效性。 关键词：注塑成型；微注塑；感应加热；变模温技术；数值模拟；充填流动 a b s t r a c t a b s t r a c t m e l tf i l l i n g ，a sak e ys t a g ei ni n j e c t i o nm o l d i n g ，i sa f f e c t e db ym o l dt e m p e r a t u r e a n dw i l lh a v ed r a m a t i ci n f l u e n c ei np r o d u c tq u a l i t y , a n df a b r i c a t i o ne f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，i ti so fa ni m p o r t a n c ea n da c t u a lv a l u et ou n d e r s t a n dt h em o l dt e m p e r a t u r e e f f e c t s ，e s p e c i a l l yt o t h em i c r oi n j e c t i o n , s oa st o o p t i m i z i n gm o l dd e s i g n i n g ， p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，a n dp r o d u c tq u a l i t y a s s i s t e dw i t hs o f t w a r eo fc a e , a ni n d e p e n d e n te l e c t r o m a g n e t i cm o l dh e a t i n g d e v i c ei si n t r o d u c e d ，b a s e do nv i s c o s i t yh y d r o d y 7 n a m i c sa n dp o l y m e rr h e o l o g y s u c h r a p i dm o l ds u r f a c eh e a t i n gd e v i c ei sv e r i f i e dt h r o u g he x p e r i m e n t st ob er e l i a b l ef o r r e a l i z i n gv a r i o t h e r mm o l dt e c h n o l o g y i nt h i sw a y , t h em a i nw o r kd o n ei nt h i ss t u d yi s a r o u n dt h ef o w i n ga s p e c t s ： l ，c o m p a r i n gt ov a r i o u sh e a t i n gm e t h o d s ，e l e c t r o m a g n e t i cm o l d i n gh e a t i n g m e t h o di sp r e v a i l i n gi nf e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c y , a n a l y z e d 、航t he l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e o r ya n dh e a tt r a n s f e r r i n gm e c h a n i c s 2 b a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cm o l dh e a t i n gp a t t e r n , t o p o l o g yt r a i t si ne l e c t r i c c i r c u i ta n de l e c t r o n i c s k n o w l e d g e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cm o l dh e a t i n gd e v i c e i s d e v e l o p e d ，w i t hi t sp r a c t i c a lm a n u f a c t u r i n gp r o c e d u r ep r o p o s e d 3 t h em e l tf i l l i n gp r o c e d u r eo fa i la c t u a lp r o d u c t ( 1 3 6 m m x 3 m m x o 3 m m ) i s s i m u l a t e db ym o l d f l o w , i ns h o r ts h o tc o n d i t i o n e f f e c t so fv a r i o u sm o l dt e m p e r a t u r e o nm e l tf r o n t ，c l a m p i n gf o r c e ，w e l d i n gl i n eh a v e b e e nd i s c u s s e d 4 t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt o v e r i f yt h ec a p a c i t yo f v a r i o t h e r r nm o l dh e a t i n gt e c h n o l o g y 5 u s i n ge l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o nh e a t i n ge q u i p m e n th e a t i n gt h em o l ds u r f a c e ， f o r f o r m i n gm o l dt e m p e r a t u r e o nt h e p r o d u c t s i nr a t st oo b s e r v et h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o d u c t s f l o wf r o n ta n dw e l d i n gd o m a i n a c c o r d i n gt ot h e e x p e d m e n t a lr e s u l t s t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e r e c o m p a r e dt ov e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dm o l d t e m p e r a t u r em e t h o d k e yw o r d s ：询e c t i o nm o l d i n g ，m i c r oi n j e c t i o nm o l d i n g ，e l e c t r o m a g n e t i ch e a t i n g ， v a r i o t h e r mm o l dt e c h n o l o g y , m e l tf i l l i n g i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 前言1 1 2 微注塑成型技术的含义及应用1 1 3 国内外微注塑成型研究现状及发展趋势。2 1 3 1 微注塑机的设计2 1 3 2 微型注塑模具设计与制造技术3 1 3 3 微注塑成型工艺及制品质量控制研究4 1 3 4 制品检测和处理系统5 1 3 5 微注塑成型过程数值模拟理论与算法5 1 3 6 微成型物料的开发与研究6 1 4 模温在微注塑成型中的重要作用。6 1 5 目前常用的几种注塑成型模具加热方法8 1 6 本课题的研究意义及主要内容10 1 6 1 课题的研究意义1 0 1 6 2 本论文的主要工作10 2 感应加热原理及感应加热设备的设计与制造1 2 2 1 电磁场基本理论1 2 2 1 1 法拉第电磁感应定律1 2 2 1 2 焦耳定律1 2 2 2 集肤效应与集肤深度13 i v 目录 2 2 1 集肤效应13 2 2 2 集肤深度13 2 3 对模具的两种加热方式1 4 2 3 1 透入式加热1 4 2 3 2 传导式加热1 4 2 4 模具中电磁场建立的滞后时间1 6 2 5 感应加热装置的设计l8 2 5 1 感应加热装置的工作原理1 8 2 5 2 感应加热装置的电路系统18 2 6电磁加热装置的设计安装及使用流程1 9 2 6 1 电磁加热装置的设计安装1 9 2 6 2 电磁加热装置的使用流程2 l 2 7 本章小结2 3 3 模具温度在注塑成型中影响的数值模拟2 4 3 1基于c a e 技术的充填流动分析2 4 3 2 对“日 字型薄壁制件的c a e 流动分析2 5 3 2 1 成型工艺及建模2 5 3 2 2 欠料注射模温对流动长度的影响的模拟分析2 8 3 2 3 欠料注射模温对最大锁模力的影响的模拟分析3 0 3 2 4 熔接痕3 2 3 3 本章小结3 3 4 实验部分3 4 4 1电磁加热设备加热能力测试3 4 4 2 欠料充填所用原料及设备3 7 4 3 欠料充填实验方案及结果分析3 8 4 3 1 室温下进行缺料充填3 8 v 目录 4 3 2 电磁感应装置加热模具后进行的欠料充填3 8 4 3 3 使用电磁感应装置加热对熔接痕的影响4 1 4 4 模具温度对p a 6 6 结晶度的影响4 3 4 5 本章小结4 5 5 总结与展望4 6 5 1 总结4 6 5 2 展望4 6 参考文献4 7 个人简历及攻读学位期间研究成果5 0 致谢5 1 v i l 绪论 1 绪论 1 1 前言 注塑成型，作为一种成型周期短，对复杂制品适应性强，精度高的成型方 法，被广泛应用于各个领域，伴随科技进步，制品越来越朝着“微，小，细 的方向发展，如何更好的成型注塑制品，特别是微d , n 品，是当下研究的重点。 随着微机电系统( m e m s ，m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i cs y s t e m ) 技术发展日趋成 熟，人们对制造微小制品的技术也日益关注。在微小制品的制造方式中，注塑 成型由于其精度高、价格低、生产效率高以及能够成型结构较复杂的制品等优 点，应用最为广泛，所以研究与微注塑成型有关的理论及工艺刻不容缓。同时， 和其他材料如玻璃、金属、硅等相比，塑料有以下一些特点：低温下容易加工； 密度低；质量轻；韧性高；抗溶解和抗腐蚀能力强；不易老化；原料成本价格 低廉；生物适应性好等。这些优势使塑料在众多行业特别是微制品或者含有微 结构的特征的领域得到广泛应用，如日常用品、电器零件、医疗器械、电脑配 件、钟表制造业等，这在一定程度上又促进了微注塑成型技术的飞速发展。 1 2 微注塑成型技术的含义及应用 微细与微量成型( 简称微成型) 与传统成型的主要不同是关键部位尺寸更 小，要求精度更高，因此和传统成型技术相比成型更加困难，此类成型件可分 为以下几种类型【l j ： ( 1 ) 微量注塑制件( m i c r oi n j e c t i o nm o l d e dp a r t s ) ，此类微注塑成型零件质 量以m g 为计量单位，主体尺寸通常小于l m m ，但其尺寸精度不要求达到um 级， 如微齿轮、微泵等； ( 2 ) 微精密零件( m i c r op r e c i s i o np a r t ) ，此类微注塑成型零件不以m g 为计 量单位，但其几何尺寸精度要求达到um 纠2 1 ，如光纤连接器等； ( 3 ) 微结构注塑制件( i n j e c t i o nm o l d e dp a r t sw i t hm i c r o s t r u t u r er e g i o n ) ，此 类微注塑成型制品质量不以m g 为计量单位，主体尺寸大于l m m ，但是具有微 结构，如孔槽等，尺寸精度达到l im 或亚微米等级，如导光板、d v d 等； ( 4 ) 微量精密射出成型制品( m i c r oi n j e c t i o nm o l d e dp r e c i s i o np a r t ) ，此类 1 绪论 微注塑成型制品，既要求质量以m g 为计量单位，同时又要求尺寸精度达到l am 级，如基因治疗用微针、可植入入耳的助听器等； 1 3国内外微注塑成型研究现状及发展趋势 近年来，微注塑技术广泛应用于微光学、微电子配件、生物医疗、微机电 系统等领域。随着市场对微注塑制品数量和质量要求的不断提高，在微注塑设 备、成型模具、成型工艺控制以及质量表征等方面迎来了新的挑战。由于微注 塑制品与传统注塑制品在整体或者局部尺寸上存在巨大差异，导致影响注塑过 程的因素发生很大的变化，传统注塑成型工艺参数或流变学理论将随着尺寸的 急剧减小而改变，有些宏观上因其影响极小被忽略的因素在微成型中却起到至 关重要的作用。迄今为止，国内外众多研究者从不同的角度对微注塑过程进行 了研究，在微注塑机的设计、注塑模具设计与制造技术、微注塑成型工艺及制 品质量控制研究、制品检测和处理系统、微注塑成型过程数值模拟理论与算法 和微成型物料的开发与研究等几方面取得了重大进展。 1 3 1 微注塑机的设计 微制品的尺寸非常小，微注塑成型的精度要求非常严格，因此，微成型机 的开发就成为微注塑成型的重点研究内容。微制品的尺寸可以小至微米级，而 其质量也可能轻到几毫克乃至更低。显而易见，这种微小的制品如果用传统的 注塑成型机，由于精度上的控制远远不够，就会产生能源和塑料的严重浪费， 还会造成成型时间过长，最重要的是不能保证成型制品的质量，生产出次品甚 至废品。所以，开发出能够精确地成型微制品的微注塑成型机就显得极为重要。 当前研制的微注塑机的主要区别是进料方式的不同，常用的有两种，一种 是螺杆式，和常规注塑机的进料方式相同，只是螺杆直径缩小。另一种是螺杆 柱塞式，先将螺杆预塑化后的熔体充填到柱塞内，再从柱塞中将熔体挤出。 自从上世纪九十年代中叶开始，美国，德国，日本等国家的一些注塑机生 产厂家经过深入研究，相继开发出多种不同种类的微注塑成型机，最大注射量 可以只有几毫克乃至更小，而成型微制品质量则能达到毫克级甚至更低的水平。 如德国的b a t t e n f e l d 公司专门为成型精密微型塑件设计制造的一种全电子驱动的 微型注塑机m i c r o s y s t e m 5 0 ，其注射重量在0 2 5 毫克到1 克之间，可用于成型单 件质量在0 1 克以下的微型塑件【3 4 】。 2 1 绪论 最新的微注塑成型机由德国a a c h e n 大学的i k v 研究所研制，该机器拥有更 加精确的注射量控制技术。和m i c r o s y s t e m 5 0 相比，它仍沿用其物料塑化和注射 单元分离的形式，而螺杆直径仅是前者的五分之二，因而能够获得更小的注射 量，最小能够达到5 毫克。 随着微注塑成型技术的发展，微注塑成型机已经有很多商业品牌。而目前 各微注射成型机厂商的研究热点仍然是尽可能的实现最小注射量和控制精度的 提高。另外，如何实现微注塑成型过程的自动化，提高成型加工效率仍然是比 较热门的研究课题【引。 1 3 2 微型注塑模具设计与制造技术 微型机械加工技术是指制作模具的微细加工技术。微细加工对微电子工业 而言就是一种加工尺度从微米到纳米级的制造微小尺寸元器件的先进制造技 术。微型模具制造的难点主要是微小型腔或微小凹凸结构的加工很难精确控制， 而模具其它零件的制造与普通模具基本一致。目前用于微型模具型腔制造的相 关技术，按其加工方式的不同可分为两种类型【7 】： ( 1 ) 光制作技术，如l i g a 技术、电子束光刻、x 射线光刻、蚀刻技术和 激光加工技术等。其中l i g a 技术使用最为广泛，但它的工艺过程比较复杂，它 由x 光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤组成。为了获得 x 光源，需要昂贵的同步加速器。因此，人们开始寻找廉价的光源来代替昂贵的 x 光源，其中有紫外光l i g a 、等离子体蚀刻、激光l i g a 等，同时把这一系列 技术称为准l i g a 技术。l i g a 技术被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有 前途的加工技术。随着准l i g a 技术研究的深入，可达到的模具型腔侧壁垂直度 及深宽比都在不断提高。目前制作型腔深度在1 0 0pm 以下的微型模具中，准 l i g a 技术已经得到成功应用。 ( 2 ) 微机械加工，如微细电火花加工、微磨削、车削和铣削加工等。 微细电火花加工在微型模具制造中的应用比较广泛，它利用火花放电时产 生的腐蚀作用对材料进行加工，微细电火花加工是在较低的电压范围内，在液 体介质中的火花放电。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的制作、微小 能量放电电源、微量伺服电机系统、加工状态检测以及系统控制等环节。 像电火花加工样，传统的磨削、车削和铣削等微型机械加工方法已经用 于微型模具型腔的加工。目前研究最多、最成熟的是超精度车削，一般微型车 1 绪论 床尺寸仅为普通车床的1 5 0 ，主轴转速可达1 00 0 0 f fm i n ，进给速度可以达到 1 - 3 5l im s ，用它加工的黄铜工件最小外圆直径可以达到6 01 1m 。 随着对制造微型零件和微机械加工方法的不断探索，精微机械加工发展迅 速，现已达到较高水平。精微电火花加工、精准微分子激光加工、精微超声振 动加工、精微塑性成型加工等均已用于加工精度达微米级尺度的微小机构零件。 此外，还发展了不少专用的新工艺，如l i g a 技术，立体光刻技术等。并已开发 了微型机械的自动装配技术和组建微型机械制造厂等。 未来研究重点在于基于c a e 的微型模具的优化设计技术，研究以产品质量 为目标的浇口位置、流道系统尺寸的优化算法，发展和完善灵敏度分析理论， 提高微型模具设计效率。 1 3 3 微注塑成型工艺及制品质量控制研究 研究表明，传统注塑成型的工艺条件并不适用于微注塑成型，主要原因是 微型腔的充填难度远大于传统模具型腔，因此，微注塑成型对模温和注塑压力 等参数有更高的要求。目前研究人员做了很多关于微注塑成型工艺条件的研究， 但对微注塑成型工艺参数的认识仍有一定分歧【8 1 5 】。 台湾中原大学的陈夏总等人研究了不同合模压力下的注射速度、融化速度、 模具温度、充填保压转换和保压压力对模板分离的影响，用来作为精密注塑控 制的一部分。韩国y e u n g n a m 大学的d u h w a nc h u n 使用模拟技术对注塑成型过 程中产生的缺陷进行了测定和观察，得到的结果生动地显示了聚合物在注入型 腔时的流动形式，突出地显示了熔合线和气泡的形成过程，并且对如何改善缺陷、 提高注塑精度提出了许多有益的见解。德国n e wb r u n s w i c k 大学d u b a yr i c k y 和h e a l ya n n a 等人把计算流体动力学( c f d ) 和主动的过程控制结合起来使控制 器的性能最优化，并且成功地把该方法应用于注塑成型中熔体温度的控制模拟 中。 郑州大学“微成型与模具关键技术 研究小组对变模温技术进行了长期研 究，通过耦合模具塑件的传热分析，准确预测了注塑成型过程中模具温度 的变化对成型制品质量的影响，模拟了瞬态多周期的成型过程，优化了加热器 的效率与模温机的温度。 4 1 绪论 1 3 4 制品检测和处理系统 微注塑成型制品非常微小或者其微结构用肉眼都无法观察，因此其质量检 测必须借助于仪器仪表，b a t t e n f e l d 1 6 , 1 7 】系列微成型机安装了机械视觉系统和制 品包装系统，其工作原理是：视觉系统将每个制品脱模后拍摄成图像，将图像 传输回计算机，由计算机内的分析软件将图像与预先设定的参数进行对比分析， 然后借助用户设定的标准来评定制品的质量，这些标准包括尺寸公差、区域像 素计算等。随后根据图像分析的结果来决定哪个制品是合格品，哪个制品是不 合格产品，哪个部分需要处理，是否将这些制品做废品处理。这套系统对欠料 注射和过注非常有效，但是不能对制品的形态提供更多的信息，也不能完全反 映制品的结构特点，因此研究出一套如何能更好的检测制品质量，同时也能对 表观形态进行检测的检测装置非常必要。 1 3 5 微注塑成型过程数值模拟理论与算法 微注塑成型由于其流道与型腔截面尺寸以及熔体注射量微小方面与传统充 填行为存在极大差异，由此引发充填流动中的许多因素明显与宏观过程不同， 但是目前对微成型过程进行c a e 模拟分析主要还是用一些传统的商业仿真数 据，如p o l y f l o w 、m o l d f l o w 、f l u i d 等。这些软件【1 8 】都是基于常规的流 变学数据进行开发的，忽略了一些对宏观尺度影响不大而可忽略的因素，但是 这些因素在微尺度内却往往起很大的作用，如流动过程的非等温特性、型腔排 气、边界滑移、型腔的表面粗糙度等。因此，急需建立新的适用于微注塑的成 型理论和材料的本构模型，基于三维数值模拟算法开发一套能准确仿真分析微 成型过程的商业软件。 目前很多商业化的模流分析软件( 如m o l d f l o w 、m o l d e x 等) 仅仅能对传统 注塑成型进行比较准确的分析模拟，但是对于微注塑成型过程的流动模拟并不 准确，因此开发适合于微注塑成型特点的模拟软件就成了一大研究热点。 台湾龙华大学机械工程部沈永康等人基于n a v i e rs t o k e s 方程建立了新的数 学模型，使用控制体积的有限元方法对微机构的填充进行了模拟，分析了不同的 聚合物( p s 、p c 、p m m a ) ，不同的工艺参数( 注塑时间、注射温度、模具温度、 注塑压力) 对微成型的影响。奥克兰大学机械工程部的d o n g g a ny a o 等人在前 期研究的基础上，改进了标准的二维注塑模拟系统，分别对微尺寸下的粘度、壁面 滑移及表面张力进行了具体地讨论【1 9 1 。韩国浦项工科大学的d o n gs u n gk i m 等 5 1 绪论 人主要针对表面张力对微流道内流体流动的影响进行了研究，考虑了表面张力 效应，可视化实验表明，在模具型腔厚度及流道尺寸减小到几百微米的时候，表 面张力的影响是不能忽略的【2 0 l 。 郑州大学曹伟、申长雨等人，基于粘弹本构关系建立了微注塑成型的三维 控制方程，考虑了滑移边界、表面张力等复杂边界条件，引入了动态热传导系 数描述界面上的热交换，开发了微注射成型模拟系统p m m i c r o ，成功地模拟 了现有软件不能模拟的微流体的滑移边界效应和表面张力效应。 与常规的注塑成型技术相比较，微注塑成型数值模拟过程中还有很多理论 和技术方面的问题有待解决。微注塑制品的尺度或局部尺度小到微米的量级， 使微结构的表面效应、微观摩擦机理、热传导、误差效应和微构件材料性能等 与常规注塑成型有较大差异，需要建立新的理论模拟描述它们的作用，以及对 制品性能的影响。 1 3 6 微成型物料的开发与研究 微注塑成型需要利用高注射速度与高成型温度来达到充填的结果，因此， 它对高分子材料的要求为：( 1 ) 由于流道型腔极小，要求材料要有高流动性， 较好的成形性，且容易脱模；( 2 ) 通常微注塑成型需要极高的注射速度和注射 压力，而型腔尺寸又较小，会产生相对较大的剪切热，使熔体在充填过程中温 度高于传统注塑，因此需要熔体本身具有耐高温、低黏度及高强度的特性；( 3 ) 塑料的颗粒要比较小。 高分子熔体是一种黏弹性流体，本身所具有的黏性使熔体不易流动，其弹 性又使高分子具有收缩性，而微注塑成型件体积小，易冷却凝固，因此急需开 发高流动性、低收缩率和低熔融温度等优良物理性质的新型塑料【2 l 】。 1 4 模温在微注塑成型中的重要作用 在微注塑成型中，与其它工艺条件相比，模具温度对充填过程的影响更为 明显。由于微注塑模具型腔和流道的尺寸都比较小，而充入的熔体量却很少， 这样熔体与模具壁的接触面积相对于熔体体积的比值成倍增加，散热速度大大 加快，另一方面熔体携带热量又比较少，因此熔体在模具中的冷却速度大大加 快。但模具温度很低时，熔体一进入型腔就会凝结固化，从而造成充填不满。 所以微注塑成型中的模具温度通常设定得比较高。 6 1 绪论 图1 1 为微小通道冷凝层的发展示意图。 图1 1 微小通道冷凝层的发展示意图 由于微注塑制品体积小，重量轻，但型腔尺寸小，流动阻力大，同时，在 注塑成型时因为模壁温度较低，吸收流经熔体的部分热量，容易造成塑料凝固 形成冷凝层，阻塞通道，从而导致充填不足。为此，成型时所需的模温要达到 一定高温，帮助熔体流动，但高模温又使冷却周期增长，降低生产效率。因此， 如何能够在成型过程中使模具温度保持较高，而冷却阶段又能够使模具温度快 速下降促进制品成型是人们关注的重点，变模温加热方法渐渐得到越来越多人 的认可，在注射之前先将模温升高到可完全充填的温度，充填完成后再将模具 温度降到凝固温度以下，图1 2 为恒模温和变模温控制情况下熔体充填情况比较 图【2 2 1 。 冷凝层 ( a ) 7 ( b ) 聚合物熔体 - 、 微结构 1 绪论 秽。，。，蹿嚼( c ) l；注1 射j 的塑料 -j h 一= 王二。- 一 。l 、 1 1 1 - 2熔料凝固和充埴停止 簪、i 型芯 ；防一呵( d ) ；“注射的塑料 ， 变梗温加热模壁 o 。j 型芯 改善后的充埴 ( a ) ( c ) 恒模温控制；( b ) ( d ) 快速升模温控制 图1 2 不同模温控制方式对熔体充填情况影响的比较 变模温注塑可根据不同工艺阶段的特点和要求，随时调整模具温度，在塑 料熔体充填过程中，如果模具温度保持在玻璃化转变温度以上，熔体在型腔内 不形成冷凝层，自由流动，可以很好解决常规注塑工艺存在的熔接痕、喷射痕、 流动痕、翘曲和浮纤等缺陷。同时在冷却阶段，通过快速冷却已成型的塑料熔 体，以减小成型周期，从而在不影响生产周期的基础上，提升注塑件的质量， 提高生产效率。 1 5目前常用的几种注塑成型模具加热方法 为了使制品能够更好地加工成型，通常需要模具保持在一定的温度范围， 不可避免的需要对模具进行加热，常用的加热方法有电加热法、气体火焰加热 法、红外线加热法、薄膜电阻式加热法、电磁感应加热法。 电加热法：德国i k v 最先提出微注塑模具“变温过程的概念，并由此设 计了模具变温系纠2 3 】。该系统由内外两部分构成。内部为加热系统，由可拆卸 油管和电加热器组成，实现对模具型腔局部表面的加热。该电加热器能够使需 要加热的型腔表面快速达到所设定的温度值，注射完毕后，立即切断电源，使 温度降至脱模温度。外部为冷却循环系统，作用是保持整个模具温度恒定。电 加热法是用电阻对电流的阻碍发热原理来产生热能加热物体，是目前最成熟、 应用较广的方法，优点是结构简单，投资小。但电阻加热本身有一些不可克服 的缺点：加热功率低；易发生故障；热效率低；温度控制难；加热不均匀。 气体火焰加热法：有研究者采用气体火焰加热方法对模具型腔表面进行瞬 间加热阱】，实验表明，若提高模具的表面光洁度，可以大大提高反射率，进而 8 1 绪论 可提高加热效率。这种方法可实现对模具表面快速加热，但由于能耗较大，经 济性欠佳。 红外线加热法【2 5 之7 】：红外线传热方式是辐射传热，由电磁波传递能量。在 红外线照射到被加热物体时，一部分射线被反射回来，一部分穿透过去，当发 射的红外线波长和被加热物体吸收波长一致时，被加热的物体吸收红外线，内 部分子和原子发生“共振 ，达到加热的目的。利用红外线快速表面加热对注塑 模具进行温度控制具有成本低、生产效率高，干燥质量好，省能量等特点。有 学者使用红外线卤素灯作为辐射源加热模具型腔，模具中心表面可在1 5 s 内从 8 3 加热到1 8 8 。微探针状制品试验结果表明，采用此模具加热系统，微探针 的成型质量有明显提高。该方法的缺点在于红外线很容易被其他热源干扰，加 热范围较小，功率较低，且需要在被加热体上面涂特殊涂层，才能较高效率的 吸收红外线的能量。 薄膜电阻式加热法【2 8 刀】：该方法是对模具表面直接镀上一层绝缘层和一层薄 金属，金属薄层充当加热电极，从而得到高温模壁。注射时通过控制加热功率 来控制模壁温度。冷却仍然使用模板上的冷却水道。这种方法温度控制方便， 能源利用率高。但是电绝缘层存在一定的安全隐患，使用寿命有限，维护成本 较高，且对较复杂的微型腔，镀层的制作困难。 电磁感应加热法：电磁感应加热是利用电磁感应原理在导体内产生涡流发 热来达到加热工件的电加热方法【3 旧2 1 。感应加热过程是电磁感应过程和热传导 过程的综合体现，电磁感应过程起主导作用，它影响并在一定程度上决定热传 导过程。热传导过程中所需要的能量是由电磁感应过程所产生的涡流功率所提 供，电磁场分布对温度场的分布具有决定作用。模具材料是钢，属于铁磁性物 质，可以直接利用电磁感应线圈加热，当线圈内流过交流电，就会在周围产生 变化的磁场，变化的磁场会在模具中产生涡流，从而使其发热。由于集肤效应 的存在，产生热量的绝大部分会集中在模具表层，可以使模具表层温度急剧上 升，达到快速加热型腔壁的作用。电磁感应具有以下特点： ( 1 ) 成本低，易于实现大功率，效率高，能耗小。感应加热的能量来自电 能，电能具有廉价，便利，清洁等特点，感应加热的能量传递是以电磁波的形 式进行的，受外界的干扰很小，能量散失少，加热效率高。 ( 2 ) 速度快，加热效率高，采用非接触式加热，在加热过程中不易掺入杂 质。由于感应加热的热能直接是由工件内部产生的，热散失少，所以它的效率 9 1 绪论 很高，一般可以达到8 0 左右。 ( 3 ) 加热温度高，加热温度易于控制，加热温度由工件表面热量向内部传 导，可以通过控制加热输出电流的频率和功率，以及加热所用的时间，来控制 加热的温度。 ( 4 ) 安全性高，工件材料损耗少。感应加热是以内部产生涡流来加热的， 工件内并不真正通有电流，所以对人体不会造成伤害。另外，完备的电流保护 系统，对异常情况进行了很好的防护，一旦出现短路漏电等情况，电路保护系 统会自动切断电源，使设备停止工作，所以设备的安全性很高。 ( 5 ) 适合自动化生产，可连接计算机辅助设备精确控制与加热有关的各项 参数以及设备的行动指令。 ( 6 ) 感应加热不改变模具本身结构，可获得较为均匀的模温，特别适合复 杂型腔模壁的加热。 ( 7 ) 电磁加热只能用于加热铁磁性物质，且由于电路本身部件结构的限制， 要实现很大功率的加热设备，对技术要求较高，成本也极高。 1 6 本课题的研究意义及主要内容 1 6 1 课题的研究意义 目前如何更好的使用电磁感应加热方法进行注塑加工，特别是对微注塑加 工，模具表面快速加热仍不够完备，研究和进行相关的实验对理论的发展具有 重要的推动作用。设计大功率电磁感应加热设备，观察不同加热条件在实验中 所起的作用对于推动感应加热在注塑成型理论和生产的发展都具有重大意义。 这些工作仍在实验室进行研究，实验条件及设备要求都很高，如何能够大范围 进行工业上的应用，仍没有提出很好的解决办法。 1 6 2 本论文的主要工作 本文重点从研究模具表面温度对注塑制品的影响进行一些工作，设计市电 状态下的中小功率电磁感应加热设备，对模具表面进行不同程度的加热，得到 不同模温下的制品试样。结合数值模拟方法，以期更好的研究模具温度在注塑 成型中所起的重要作用，实现工艺条件的优化。 鉴于研究的时间和条件所限，本文主要在电磁加热设备的设计与制造、注 1 0 l 绪论 塑成型数值模拟、感应加热升温效率、模具温度在充填中的作用做了些探讨。 具体的研究工作主要包括以下几个部分： 1 对比不同加热方式的优缺点，分析并说明了变模温技术在微小制品注塑 成型中的突出优势，根据电磁场理论和传热学原理对感应加热进行理论分析， 并确定感应加热是一种可行的、高效的模具表面温度快速加热方法。 2 对模具使用电磁加热过程中其不同的传热方式进行分析，比较感应加热 装置电路系统的不同拓扑结构的特点，设计和制造了一种电磁感应加热装置， 并提出可用于实际生产的加工流程。 3 对塑件尺寸为1 3 6 m mx3 r n m ，厚度为0 3 m m 等薄壁制品进行充填过程 数值模拟，分析欠料注射情况下，不同模温对制品流动前沿、最大锁模力，熔 接痕的影响，以及产生这些结果的原因。 4 对所设计的电磁感应加热设备进行加热效率的测试，并和传统加热方式 效率进行对比。 5 使用电磁感应加热设备对模具表面加热，进行模温对制品成型影响的实 验，观察制品的流动前沿、熔接区域的流动特点，根据实验结果，将数值模拟 结果与实验结果进行对比，验证了数值模拟方法和变模温方法的有效性。 2 感应加热原理及感应加热设备的设计与制造 2 感应加热原理及感应加热设备的设计与制造 感应加热过程不同于一般的热传导问题，感应加热中的热源是工件本身在 交变磁场中感生出的涡流，因此需要了解感生电流的特点以及由此产生的热量 在工件上的分布以及热量从外向内的传递情况，从而确定工件中温度场的分布 情况。 2 1 电磁场基本理论 感应加热基于两个基本的物理现象：法拉第电磁感应和焦耳效应【3 3 1 。 2 1 1 法拉第电磁感应定律 交变的电流能够产生磁场，交变的磁场也能产生电流。当线圈中通过交变 电流时，线圈周围空间就会建立起交变磁场，处于该交变磁场中的导体内会产 生感应电动势e f 3 4 1 。当回路闭合时则产生感应电流。其感应电动势的表述为： 一丢卢西= 一警 ( 2 - ) 其中，h 表示闭合回路的磁场强度，s 表示导体回路所包含的面积，o 表示 回路交链的磁通。 2 1 2 焦耳定律 需要加热的铁磁性金属在交变的磁场中会产生感生电流， 为克服导体本身的电阻会产生焦耳热，其值为： q = 0 2 4 1 2 r t 在此电流流动时， ( 2 2 ) 其中，i 为感生电流( 安) ，r 为加热导体的电阻( 欧姆) ，t 为时间( 秒) 。 由法拉第电磁感应原理和焦耳定律可知感应加热的基本原理为：变换的电 场能够产生变换的磁场，变化的磁场在导体内部会产生感生电动势，进而生成 感生电流，电流在导体中左右生热，将电能转化为内能，使导体本身温度升高。 由于电流热效应需要时间极短，生热过程快速。且磁场经过非磁性物质时，不 会被阻碍，因此耗损极少，没有能量损耗，因此热效率极高。 1 2 2 感应加热原理及感应加热设备的设计与制造 感应加热的能量传递如图2 1 所示： 田 l 能l ii i j 磁 内 电磁效应 场 电磁感应 电 涡流 能 能 能 图2 1 感应加热能量转化图 2 2 集肤效应与集肤深度 2 2 1集肤效应 给导体通以直流电，直流电在导体界面上会均匀分布，而给导体比如一个 圆形断面通以交流电时，导体截面上的电流不再均匀分布，外表面上各点的电 流密度最大，越向中心轴线电流密度越小，电流如一层一层套起来的圆筒，由 最外层的电流密度最大连续变化到最内层的电流密度最小。这种像电流集中在 表层的现象叫做集肤效应【3 5 】，也叫趋肤效应或表面效应。流经导体的电流的频 率越高，电流密度降低的速度越快，集肤效应越显著，通常把电流密度大约降 至表面电流密度值的三分之一的深度称为“集肤深度。在感应加热中，电源电 流是交流电，感生电流也是交流电流，所以，电磁感应中被感应加热的导体同 样具有集肤效应。 2 2 2 集肤深度 以圆柱型工件为例，设表面的电流为厶，沿工件半径方向x 方向的电流密度 为： = i o e x l 万 ( 2 3 ) 当x = 8 时，= 4 p ，约为表层密度的三分之一，把电流密度为i o p 的万层 称为电流透入深度。约有8 5