全降解餐盒成型模具热分析与优化

模具工业 2 0 1 0年第 3 6卷第 3期 4 5 全 降 解 餐 盒 成 型 模 具 热 分 析 与 优 化 鲁海宁 贾秀杰 李剑峰 李方义 王 霞 李建勇 山东大学 机械工程学院 高效洁净机械制造教育部重点实验室 山东 济南2 5 0 0 6 1 摘要 针对生物质全降解餐盒成型模具在加 热过程 中模具温度不均问题 应用 I D 建立成型模具有限元 热分析模型 采用 A I NY S对成型模具的温度场分布进行分析 在热分析基础上 以成型模具工作面温度 差最小为 目标 通过改变加热板 结构对成型模具进行优化 为成型模具的结构设计提供理论基础 关键词 全降解餐盒 成型模具 热分析 A 中图分类号 T G 3 9 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 1 6 8 2 0 1 0 0 3 0 0 4 5 0 5 Th e r ma l a na l y s i s a nd o p t i mi z a t i o n o f mo u l d f 0 r f u l l y b i O d e g r a d a b l e d i s h wa r e L U l a i n i 呕 J X i u 4 i e L I J i a n f e n g L I F a n g y i W G X i a L I J i a n y o n g Ke y L a b o r a t o r y o f Hi g h E f f i c i e n c y a n d C l e a n Me c h a n i c a l Ma n u f a c t u r e o f Mi n i s t r y o f E d u c a fi o n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n d o n g U n i v e r s i t y J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 6 1 C h i n a Ab s t r a c t A f i n i t e e l e me n t t h e r ma 1 a n a l y s i s mo d e l f o r mo u l d s wa s e s t a bl i s h e d u s i n g UG in o r d e r t o s o l v e t h e u n e v e n t e mp e r a t u r e p r o b l e m d u r i n g the h e a t i ng p r o c e s s o f a mo u l d f o r a f u l l y b i o d e g r a d a b l e d i s h wa r e Th e t o o l t e mp e rat ure p r o f i l e wa s s t u d l e d v i a ANS I S a n d b a s e d o n i t a n i mp r o v e me n t o n the s t r u c t u r e o f h e a t i ng p l a t e wa s c a m e d o u t a n d the mo u l d wa s o p t i mi z e d f o r a c hi e v i n g a mi n i mu m t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o n t h e mo u l d wo r k i n g s u rfa c e Ke y wo r d s f u l l y d e g r a d a b l e mo u l d t h e r ma l a n a l y s i s A NS YS 1 引言 目前市场上一次性环保餐饮具主要为淀粉基 塑料类餐具 主要成分是塑料 塑料给人们生活带 来便利的同时 也给人类赖以生存的自 然环境造成 严重影响 引发了 白色污染 1 o 国内外推出的可 降解一次性餐饮具产品包括 淀粉类 双降解塑料 类 纸浆模塑类 植物纤维淀粉类等 b 一1 其中植物 纤维淀粉类餐具也称为生物质全降解餐具 具有原 料可再生 环境污染小 生产成本低等优点 是塑料 产品的最佳替代品 l0成型模具是该产品生产线 上的核心装备 在生产过程中 由于植物纤维淀粉 湿料的发泡反应 水分的均匀排出等均对模具工作 面温度均匀分布提出了很高的要求 对模具进行热 收稿日期 2 0 0 9 1 0 2 6 基金项 目 国家 十一五 科技支撑计划项 目 2 0 0 6 B A N Z 0 1 0 3 2 0 0 6 B 0 2 A 0 8 山 东 省 优 秀 中 青 年 科 学 家 奖 励 基 金 2 0 0 s o 5 o 1 O 山东省软科学项 目 N 2 0 0 9 t 5 0 5 6 1 2 0 A o 4 8 作者简介 鲁海宁 1 9 8 3 一 男 山东海阳人 硕士研究生 从事 绿色设计和绿色制造方 向的研究 地址 山东省济南市经十路 1 7 9 2 3 号山东大学机械工程学院 电话 1 3 5 7 3 1 0 8 7 7 5 电子信 箱 h a in i n g 7 2 4 1 2 6 c 分析 将有助于了解模具加热后的温度分布 从而对 成型模具进一步优化 现以某公司生物质全降解 自动化生产线为研究 基础 对该自动化生产线的一次性快餐盒成型模具 有限元温度场分布进行分析 在此基础上 以模具 工作表面温差最小为 目标 通过改变加热板结构进 行优化设计 最终达到节能和缩短干燥时间的目的 提高生产效率 降低生产成本 lo 2 成型模具热分析 2 1 热分析基本理论与方法 热分析可分为稳态热分析和瞬态热分析 2 种 其中 温度场随时间而发生变化的传热过程称为瞬 态传热 反之则为稳态传热 热分析用于计算一个 系统或部件的温度分布及其他热物理参数 如热量 的获取或损失 热梯度 热流密度 热通量 等 分析 的方法可分为实验分析法 数值解析法和数值计算 法 其中数值计算法是一种以离散数学为基础的求 解方法 常见的是有限元法和有限差分法 这种方 法求解精度高 适宜于解算复杂模型 是当前广泛应 用的一种方法 模具工业 2 0 1 0 年第 3 6 卷第 3 期 工程上设备稳定运行时处于稳态传热状态 综 合分析模具的工作过程 采用稳态热分析 若用公 式表述稳态热分析 则系统自身产生的热量加上流 入系统的热量应等于流出系统的热量 即 q t q 岫岫一 口 t O 系统的净热流率为0 稳态热分析 的微分方程为 z9 q T 十 0 3 T 丢 嚷 0 1 式中 卜温度 K 一导热系数 西 内部热生 成 稳态热分析的能量平衡方程用矩阵形式表达 为 K T Q 2 式中 K 传导矩阵 包含导热系数 对流系数 及辐射率和形状系数 T 节点温度向量 Q 节点热流率向量 包含热生成 N b Y S 利用模型几何参数 材料热性能参数以 及所施加的边界条件 生成 K T 以及 Q 2 2 热分析 根据实际条件选择 N S Y S为热分析工具 采用 三维设计软件r A G建立实体模型 保存成 ig e s 格 式后 导入 A Y s 进行有限元分析 充分利用三维 设计软件U G建模方便和易于修改的特点 简化建 立三维有限元模型的繁琐过程 建立模具上 下模 模型 如图 l 2 所示 图 1 上模模型 成型模具的材料选用 7 6 5 1 铝合金 该材料具有 密度小 强度高 耐腐蚀 导电导热性能好等特点 同时具有优良的铸造性能和较高的力学性能 1 网格划分 首先对上模板进行热场分析 选 用三维实体单元S o l id 8 7 进行网格划分 它适合于不 规则模型划分及三维稳态或瞬态热分析 通过自由 网格划分 鲫a rt s iz e 5 将上模板有限元模型划分 图 2 下模模型 为 7 9 0 0 7 个单元 共 1 1 5 0 0 4 个节点 网格划分后的 上模板有限元模型如图3 所示 图 3 划分网格后有限元模型 2 边界条件确定 模具上表面施加恒定温度 1 8 0 与空气接触部分施加边界条件 对流换热系 数 1 0 室温2 5 热流密度根据现场工艺要求 计算 得热流密度 I 3 0 0 0 3 w m2 o 3 材料属性 C o n d u c t i v i t y K X X 2 3 7 W m K S p e c i f i c H e a t C 8 8 0 J k g D e n s i t y 27 0 2k g o 4 施加载荷 模具上表面施加恒定温度 1 8 0 模具内表面与湿料接触部分施加热流密度为 3 0 0 0 3 W m 其余与空气接触部分旖加边界条件对 流换热系数 1 0 室温 2 5 分析结果如图4 5 所示 从图4 5 可看出 模具 工作部分最高温度 丁 触 1 7 7 3 3 4 位于餐盒顶部 边缘部位 最低温度 T m m 1 6 7 3 7 5 位于餐盒底 部 模具工作部分温度差值 T 了 一 了 9 9 5 9 模具工作过程中与湿料接触部分温差较大 影 响产品成型质量 同理 分析下模板的温度分布情 况 结果如图 6 7 所示 模具工业 2 0 1 0年第 3 6 卷 第 3期 4 7 图 4 上模板温度场分布云图 图 5 上模板温度场分布云图 工作面 图 6 下模板温度场分布云图 t I 睁 i j 5 f t 图 7 下模板温度分布云图 工作面 从图 6 7 可看 出 下模板工作部分最高温度为 了 眦 1 7 8 5 2 9 位于餐盒底部位置 最低温度为 1 7 4 8 0 3 oC 位于餐盒顶部位置 最高温度与最 低温度差值 T T 眦一 3 7 2 6 从分析结果 可看出 在模具工作过程中 下模板与湿料接触部分 的温度分布要好于上模 基本可以满足成型要求 3 成型模具优化 模具在工作过程中一直处于加热状态 湿料的 发泡反应 水分的均匀排出等指标均要求模具工作 面上 的温差 尽可能 小 且接近 最佳成型温度 1 8 0 本研究在对成型模具进行有限元温度场分布分 析的基础上 以模具工作表面温差最小为优化目标 对模具进行优化设计 由图7 分析结果可知 下模板 温度分布比较均匀 可以满足成型要求 仅对上模板 进行优化 3 1 上模板优化 优化模具的受热可以采用 2 种方法 一是在加 热板结构不变的前提下 通过改变加热板有效加热 面积来实现温度均匀分布 二是改变加热板结构 在进行上模板温度场优化时 上加热板加热面 积如图8 所示 通过改变有效加热面积的方法 实现 模具工作表面的温差最小 图中阴影部分为有效加 热面积 图 8 上加热板 根据模具实际工作情况和模具结构在原有 2 2 8 n T n 1 7 5i i i li 的基础 上选 取 1 9 3 n l r l 1 2 6 m 1 8 7 I T I T I 1 2 0 m 1 8 1 1T I T I 1 1 4n l n 1 7 5 n l T l 1 0 8n l n 1 6 9 n l n X1 0 2 IT IT I 进行热分析 结果如表 1 所示 其温差 T变化曲线如图9 所示 由表 1 和图9 可看出 随着有效加热面积的减 小 温差 T先减小后增大 在加热区域为 1 8 1 n l l l 4 8 模具工业 2 0 1 0 年第 3 6 卷第 3 期 表 1 上模板优化分析数据 结果如表 2 所示 序号 加热面积 了 1 2 2 8m 1 7 5m 1 7 7 3 3 4 1 6 7 3 7 5 9 9 5 9 2 1 9 31 1 1 7 1 X1 2 6m 1 7 7 1 7 3 1 6 7 3 0 9 9 8 6 4 3 1 8 7t r i a l 1 2 OI 啪 1 7 5 41 8 1 6 7 2 0 6 8 2 1 2 4 1 8 1 r n m 1 1 4n m 1 7 4 91 9 l 6 6 9 8 8 7 9 3 1 5 l 7 5mxl 0 8I I I T I l 7 5 6 2 8 1 6 6 5 3 4 9 0 9 4 6 l 6 9mm l 0 2 I n 1 7 5 6 4 8 1 6 6 4 6 3 9 1 8 5 I 2 1 O 4 2 0 图9 温差 A T变化曲线 l l 4 r r m 时 温度差最小 A T 7 9 3 1 该温度场分 布并不能够满足产品成型要求 而且随着有效加热 面积的减小 模具最低温度 丁 m 叽 与模具最佳成型温度 1 8 0 差值越来越大 影响成型质量 如图1 0 所示 p 赠 1 l 2 3 4 5 6 图 l 0 最低温度变化曲线 通过改变结构进行优化 采用在模具内部加热 的方式 通过改变 h值来改变模具加热状况 结构 如图 1 1 所示 图 1 1 改变结构后加热状况 在满足餐盒模具力学性能的条件下 分别选取 h 1 4 1 7 2 0 2 3 rr m4 组数据的分析结果进行对比 表 2 上模板分析数据 h r r m 7 m 1 4 1 7 9 O o 7 1 7 5 8 9 l 3 1 1 6 l 7 1 7 8 9 8 3 1 7 5 3 9 5 3 5 8 8 2 0 l 7 8 9 6 4 1 7 4 8 5 4 1 1 4 2 3 1 7 8 9 1 9 1 7 4 2 7 4 4 6 4 5 从表 2 可看出 随着 fl 的减小 模具与湿料接触 温度越接近最佳加热温度 1 8 0 温差 A T越小 越 有利于成型 h 1 4 H l 1 1 时分析结果如图 l 2 1 3 所 示 图 1 2 上模板优化后温度分布云图 N m0 嚣 瞄 簿 j 灞 m 0 l 一 l磁 i 疆 l i固 l l jl l 曩 豳 强 l 搿 i l 黼 瓣 黯 骚 强 踊 礴 雕 圜 襄 疆 蠢 霹 曩鼎 隧 m 辫掰摹 籍 一 0 曼 勇 霸 图 1 3 上模优化后温度分布云图 由图 l 3 可看出 改变结构后上模板工作部分的 最高温度 了 懈 1 7 9 0 0 7 位于餐盒的顶部位置 最低温度 了 1 7 5 8 9 1 位于餐盒的底部位置 最高温度与最低温度的差值 A T 3 1 1 6 分析结 6 4 2 7 8 6 4 2 6 模具工业 2 0 1 0年 第 3 6卷 第 3 期 4 9 水 室 塑 件 工 艺 分 析 与 注 射 模 设 计 林海雄 康俊远 陈强记 广东轻工职业技术学院 广东 广州 5 1 0 3 0 0 摘要 分析水室塑件的结构及注射 成型存在的问题 对影响成型的因素 如模具温度 熔体温度 注射时 间和注射压力等进行 了分析 选择 苯乙烯 一丁二烯 一丙烯晴共聚物的成型工艺参数 确 定该类塑件的 注射模结构为 1 模 1 腔 并设计 了二次分型机构 在模具中设计 了侧向浇注 系统 液压侧抽芯脱模机 构 推出机构和温度控制 系统 结果表 明 液压侧抽芯脱模机构可解决水室塑件凸起部分形成倒钩的脱 模 问题 关键词 水室塑件 注射模 二次分型机构 温度控制 液压抽芯 中图分类号 T G 2 4 1 1 Q 2 0 6 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 2 1 6 8 2 0 1 0 0 3 0 0 4 9 0 4 D e v e l o p me n t o f i n j e c t i o n mo u l d f o r wa t e r c h a mb e r UN H a i x i o n g KA NG J u n y u a n C H E N Q i a n g j i Gu a n g d o n g I n d u s t r y T e c h n i c a l C o l l e g e Gu a n g z h o u Gu a n g d o n g 5 1 0 3 0 0 C h i n a Ab s t r a c t Mt e r a n a l y s i s o n t h e s t r u c t u r e o f a wa t e r c h a mb e r t h e t e c h n i c a J p r o b l e ms i n t h e i n j e c t i o n mo l d i n g t h e i n fl u e n c i ng I a c t o r s s u c h a s t e mP e r a t u r e o f mo u l d a n d me l t i n j e c ti o n t i me a n d i nje C t i o n p r e s s u r e the mo l d i n g p a r a me ter s o f s t y r e n e a c r y l o n i t r i l e b u t a d i e n e c o p o l y me r we r e s e l e c ted A o n e c a v i t y i n j e c ti o n mo u l d wa s d e v e l o p e d in Wh i c h a t wo s tep p a r t i n g me c h a his m s i d e f e e d i n g S Y S t e rn h y d r a u l i c s i d e c o r e p ull i n g me c h a n i I1 1 e j e c t i n g me c han i s m a nd temp e r a t u r e c o n o l s y s te m we r e d e s ig n e d 1 1 1 e b a r b e d e n d o f the wa t e r c h a mb e r c a n r e l i a b l y b e s t r i p p e d f r o m t h e mo u l d K e y w o r d s p l a s ti c wa ter c h a mb e r i nje c t i o n mo u l d t wo s t e p p a r t i r i g me c h a n i s m temp e rat u r e C O I l tro l h y d r a u l i c c o r e p u l l i n g 1 引言 水室塑件如图 l 所示 材料 A B S 是丙烯 晴 一丁 二烯 一 苯乙烯共聚物 密度 1 0 5 g 咖3 塑件表面要 求无明显收缩 水纹等现象 塑件一个侧面形状复 杂 长度方向尺寸大 容易引起变形 要用几个侧滑 块来解决侧抽芯问题 其中 1 个圆管有 1 个沿圆周 果表明 改进后上模板与湿料接触部分的温差基本 满足成型要求 4 结束语 通过对生物质全降解一次性餐盒成型模具温 度场进行热分析 得出由于加热板加热方式不合理 而引起成型模具工作表 面温差过 大影响成型质量 的结论 为解决此问题 在分析对比现有模具优化 方法 的基础上 以成型模具工作温度差最小为优化 目标 通过对模具结构进行优化 最终达到成型质 量要求 为成型模具的优化设计提供理论基础 参考文献 1 吴勇 生物降解塑料及其检测方法 J 1 塑料 1 9 9 7 2 6 4 4 8 5 1 2 1 R Y R U I B R I 9 I s D B i o d e g r a dat