基于加热细胞单元的电热变模温注塑模具加热系统设计毕业论文.doc

1 基于加热细胞单元的电热变模温注塑基于加热细胞单元的电热变模温注塑 模具加热系统设计毕业论文模具加热系统设计毕业论文 目目 录录 摘要摘要 I ABSTRACT III 目录目录 V 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 快速变模温注塑成型技术研究现状 2 1 2 1 快速变模温注塑模具结构设计 2 1 2 2 快速变模温注塑模具加热方式的研究 5 1 2 3 模具加热系统优化设计 7 1 3 研究现状分析及主要研究内容 8 1 3 1 研究现状分析 8 1 3 2 主要研究内容 8 第第 2 章章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计注塑模具传热分析及关键结构设计 11 2 1 引言 11 2 2 ERHCM 注塑模具加热过程的热传递分析 11 2 2 1 ERHCM 注塑模具热交换理论 11 2 2 2 ERHCM 注塑模具热平衡分析与计算 12 2 3 电热棒传热分析及选择安装 13 2 3 1 电热棒物理模型及材料属性 14 2 3 2 电热棒有限元模型边界条件及初始条件 15 2 3 3 电热棒传热分析与讨论 15 2 4 ERHCM 注塑模具关键结构技术研究 16 2 4 1 隔热系统设计 16 2 4 2 ERHCM 注塑模具温控系统 17 2 4 3 浇注系统设计 18 2 4 4 测温元件的安装设计 19 第 1 章 绪 论 2 2 4 5 排气槽设计 20 2 5 本章小结 20 第第 3 章章 ERHCM 注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分析注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分析 23 3 1 引言 23 3 2 ERHCM 注塑模具温度场模拟及简化 23 3 2 1 ERHCM 注塑模具分析模型的建立 23 3 2 2 有限元模型边界及初始条件的确认 24 3 3 3 ERHCM 注塑模具热响应分析 25 3 2 4 ERHCM 注塑模具加热细胞单元研究 27 3 3 ERHCM 注塑模具热响应效率的影响因素分析 29 3 3 1 模具材料的影响 29 3 3 2 模具型腔板厚的影响 31 3 3 3 电热棒规格的影响 33 3 3 4 电热棒管道空间布局的影响 34 3 3 5 电热棒规格与空间布局交互作用的影响 36 3 4 本章小结 41 第第 4 章章 基于加热细胞单元的基于加热细胞单元的 ERHCM 注塑模具热响应辅助分析程序开发注塑模具热响应辅助分析程序开发 43 4 1 引言 43 4 2 辅助分析程序的开发流程 43 4 3 参数化有限元热响应分析过程 44 4 3 1 APDL 语言概述 44 4 3 2 参数化建模与求解 45 4 4 程序编译 47 4 4 1 回调函数 48 4 4 2 MATLAB 调用 ANSYS 50 4 5 最终程序的编译和发布 50 4 6 程序验证与分析 50 4 7 本章小结 52 第第 5 章章 ERHCM 注塑模具加热系统的设计注塑模具加热系统的设计 53 5 1 引言 53 5 2 设计理论简述 53 5 2 1 模型分析与简化 53 5 2 2 多目标优化 54 5 2 3 BP 神经网络 55 5 2 3 带精英策略的非支配遗传算法 NSGA II 57 5 2 4 基于熵值权重法的多属性决策技术 TOPSIS 58 3 5 3 ERHCM 注塑模具加热系统设计实例分析 60 5 3 1 多目标优化模型及 CCD 实验设计 61 5 3 2 构建 BP 神经网络模型以及精度验证 62 5 3 3 NSGA II 多目标优化 64 5 3 4 基于熵值权重法的 TOPSIS 决策结果及试验验证 65 5 3 5 加热细胞单元映射 66 5 3 本章小结 67 第第 6 章章 结论与展望结论与展望 69 6 1 结论 69 6 2 展望 70 附录附录 71 参考文献参考文献 79 致谢致谢 85 攻读学位期间参加的科研项目和成果攻读学位期间参加的科研项目和成果 87 第 1 章 绪 论 4 第第 1 章章 绪绪 论论 1 11 1 引言引言 注塑成型作为塑料加工中重要的成型方法之一 广泛应用于家用电器 通讯器械 日用品 医疗产品 汽车等领域 但随着注塑制品的应用日益广泛 人们对注塑制品 的性能 精度 成本等要求也日益提高 而传统注塑成型 Conventional Injecting Molding 以下简称 CIM 工艺已经不能完全满足这些要求 CIM 塑件往往受到各种缺 陷的限制 如熔接痕 流痕 飞边 喷射纹 龟裂 浮纤 短射等表面缺陷 影响制 品的表面质量和力学性能 一般需要经过打磨 喷涂等后处理工序来掩饰产品的部分 成型缺陷 这些二次加工后处理工序不仅浪费原材料 能源和工时 还极大地延长了 塑件的生产流程 导致生产成本的增加 甚至会对周围环境造成污染 危害生产人员 的健康 通过对传统注塑成型工艺的改造 突破其局限性 减少塑件的成型缺陷以提 高产品的质量 来满足人们的生产和生活需求 这成为注塑成型与模具设计的重要研 究领域之一 在注塑成型工艺过程当中 模温作为最重要的注塑工艺参数之一 不但直接影响 产品的外观质量和成型周期 而且对其它工艺参数 保压压力 注射速率等 也有着重要 的影响 因此 对注塑成型工艺来说 合理的模温控制具有重要的意义 传统注塑成 型工艺采用恒定低模温控制 即将模具温度控制在聚合物玻璃化转变温度以下一个较 低的温度范围内 但较低的模温将会导致聚合物熔体在充模流动过程中温度迅速下降 特别是靠近模具型腔表面的熔体由于温度过快地降低 会在模具型腔表面形成冷凝层 增加了聚合物熔体的流动阻力 极大地影响了聚合物熔体的填充过程 从而导致了熔 接痕 流痕 浮纤 表面粗糙 短射等成型质量问题的出现 严重影响塑件的表面质 量 1 2 为解决传统注塑成型中所存在的问题 改善塑件质量 一种对模具快速加热和快 速冷却的动态模温控制的注塑成型技术 即快速变模温注塑成型 Rapid Heat Cycle Molding 以下简称 RHCM 技术在国内外兴起 快速变模温注塑成型技术 又称高光 注塑成型技术 快速热循环注塑成型技术 变模温注塑成型技术 与传统注塑成型技 术的工艺过程基本相同 两者区别在于快速变模温注塑成型技术在各工艺阶段调整模 具的温度 实现对模具的快速加热和快速冷却 如图 1 1 所示 3 图 1 1 中 RHCM 注 塑成型需要在熔体注射前将模具型腔表面温度快速加热到聚合物玻璃化转变温度以上 并在注射 保压阶段保持高温恒定 然后在保压后期 快速地冷却模具到塑件顶出温 度 最后开模取出塑件 从而完成一个注塑成型周期 5 快速变模温注塑成型技术可实现高模温充填 避免熔体的过早冷凝 保证其良好 的流动性 从而显著提高熔体填充和复制型腔的能力 避免传统成型中因熔体急剧冷 却所导致的制品质量缺陷 4 6 总之 快速变模温注塑成型技术是一种低污染 短流程 高精度的绿色环保注塑成型技术 具有广阔的市场前景和发展潜力 图图 1 1 传统注塑成型与快速变模温注塑成型工艺关系图传统注塑成型与快速变模温注塑成型工艺关系图 3 1 21 2 快速变模温注塑成型技术研究现状快速变模温注塑成型技术研究现状 快速变模温注塑成型技术的核心是变模温技术 该技术最早可以追溯到上世纪 50 年代末 60 年代初 Bolstad 7 和 Thiess 8 在各自申请的专利中分别设计了一种可以实现 模具型腔快速加热和快速冷却的注塑成型装置 但是一直到 90 年代 由于精密塑件 光学塑件 微特征成型件以及生物医疗器械等注塑制品的需求持续增长 快速变模温 注塑成型技术才得到真正的重视 经过近三十年来的发展 RHCM 注塑成型技术获得 了长足的进步 首先 模具的快速加热方式越来越呈现多样化 再者 人工智能技术 和科学决策方法越来越多地应用到模具结构和模具加热 冷却系统的优化中 最后 越来越多的先进的制造技术被运用到模具的开发和制造中来 目前对快速变模温注塑 成型技术已有较多的研究 现重点讨论有关模具结构设计 加热方式 模具加热系统 优化设计等方面的研究进展和现状 1 2 1 快速变模温注塑模具结构设计快速变模温注塑模具结构设计 RHCM 注塑模具结构设计研究主要是围绕如何提高模具型腔表面热响应效率展开 的 RHCM 注塑成型模具设计时需要满足三方面的要求 9 10 1 需要有足够的机械强 第 1 章 绪 论 6 度满足注塑成型时所需要的注射压力和锁模力 2 模具设计制造过程中应该尽量选择 低热质量的模具材料 减小注塑模具中需要快速加热和快速冷却的模具模具材料的热 容量和热惯性 3 尽可能降低模具生产成本 提高注塑模具的使用寿命 基于此 国 内外的研究人员开发了多种新型结构的 RHCM 注塑模具 Xu 11 和 Au 12 基于自由体积成型技术设计了一种桁架列式模具 其结构特征是模 具型腔板由模具型腔面 支撑机构 基体三部分组成 如图 1 2 所示 通过减少模具 的热质量来提高加热和冷却效率 图图 1 2 桁架列式模具示意图桁架列式模具示意图 11 11 Kimerling 等 13 设计了一种矩形气囊式的模具 如图 1 3 所示 矩形气囊式设计减 少了模具的热质量 使得模具表面温度可以在 5s 内由 70 加热至 200 图图 1 3 矩形气囊式模具结构示意图矩形气囊式模具结构示意图 13 Jansen 14 15 提出了一种由导电聚合物树脂为加热层 聚酰亚胺 PA 树脂为隔热 层和不锈钢金属为基体的多层结构模具 该多层结构模具中的隔热层可以有效地起到 隔热和绝缘作用 使得模具型腔表面温度在 0 2s 内由 0 加热到 80 加热效果显著 7 Yao 16 17 等开发了一套由金属加热层 氧化绝热层和金属基体所构成的多层结构模 具 通过金属加热层可以快速地加热模具 氧化绝热层可以有效地防止热量损失 该 技术能使模具温度在2秒内从25 快速地加热到250 并且能在10秒内冷却至50 另外 Yao 18 等又开发了一种以热解石墨为加热层的多层结构模具 基于热解石墨 电热属性的各项异性特点 模具型腔表面温度从5 加热到250 接着冷却到50 分别 只需2s和8s Yoon 19 等采用热喷涂法在模具型腔表面喷上较薄的聚醚醚酮树脂层 从而保证聚 合物熔体填充时较高的模具型腔表面温度 研究结果表明 模具型腔表面经过热喷涂 处理后 型腔表面温度可由处理前的57 升高至122 山东大学的王桂龙等 20 22 设计了浮动型腔式模具结构 如图1 4 型腔板和型芯 板并没有同各自所对应的冷却板完全地固定在一起 而是通过推拉杆浮动的连接在一 起 在加热阶段 型腔 型芯冷却板通过推拉杆与型腔 型芯板分离 因而所需加热的型 腔 型芯板体积较小 升温速率高 在冷却阶段 型腔 型芯冷却板通过推拉杆与型腔 型芯板紧密地连接在一起 此时 冷却水通过冷却板中的冷却管道快速地冷却模具和 高温熔体 型腔固定板 型腔板 型芯板 型芯固定板 型芯冷却板 推拉杆 冷却管道 电热棒 型腔冷却板 图图 1 4 浮动型腔式模具结构浮动型腔式模具结构 华南理工的黄汉雄等 23 24 设计了一种电加热和水射流冷却的快速热循环模具 如 图1 5所示 图1 5中 加热的时候 冷却腔的存在减少了加热板与冷却板之间的接触面 积 减少了模具的加热体积和热量损失 提高了加热效率 冷却的时候 冷却水通过 水射流冷却组件高速喷射阴模加热板的背面和阳模加热板的背面 有效地提高了冷却效 率 第 1 章 绪 论 8 阳模加热板 阳模 冷却板 阴模加热板 阴模 冷却板 螺钉 电热棒 热电偶冷却水出口 支撑柱 隔热片 射流喷嘴 冷却 管道 图图 1 5 电加热和水射流冷却的快速热循环模具结构示意图电加热和水射流冷却的快速热循环模具结构示意图 以上研究中 我们可以发现 RHCM注塑模具方面的研究主要集中在在加热层和 模具基体之间增加隔热层方面 如桁架结构 矩形气囊腔 氧化绝热层 冷却腔等 这能有效地减少模具的热质量 使得模具能够快速的加热和冷却 在模具设计的研究 过程中 不同的模具结构往往有着其特有的加热方式 1 2 2 快速变模温注塑模具加热方式的研究快速变模温注塑模具加热方式的研究 动态模温控制是 RHCM 注塑成型工艺的关键技术之一 选择合适的模具加热 冷却 方法非常关键 模具的冷却方法有冷却水冷却 空气冷却以及油冷却 其中以冷却水 冷却最为常用 而模具的快速加热方式有很多种 例如薄膜电阻加热法 25 27 电加热 法 28 对流加热法 29 31 蒸汽 高温水 油 电磁感应加热法 4 32 35 火焰加热法 36 37 红外辐射加热法 38 40 等 各加热方式的优缺点如表 1 1 所示 目前 生产中普遍采 用的动态模温控制方法为采用蒸汽或电热棒作为加热源 冷却水作为冷却源来快速地 加热和冷却模具型腔 基于此发展起来的变模温注塑成型技术即为蒸汽式变模温注塑 成型 Steam Rapid Heat Cycle Molding 以下简称 SRHCM 技术和电热变模温注塑成 型 Electrical Rapid Heat Cycle Molding 以下简称 ERHCM 技术 5 41 SRHCM 注塑成型技术利用动态模温控制系统装置将蒸汽和冷却水循环交替地通入 到模具内部管道中 达到快速加热和冷却模具的目的 6 29 在 SRHCM 注塑工艺开始阶 段 动态模温控制系统通过控制相关设备向模具型腔内部管道中通入蒸汽 快速加热 模具至塑料的玻璃化转变温度之上 温度达到所设定的温度后 停止蒸汽的供给 同 时注塑机开始注射 在塑料熔体的充填过程中 模具温度通过高温蒸汽保持恒定 在 注射保压后期 动态模温控制系统通过控制相关设备向模具型腔内部管道中通入冷却 水 快速冷却模具和高温熔体 当模具温度降到塑件顶出温度时 通过压缩空气将模 9 具管道中的冷却水排出 同时顶出塑料制件 从而开始下一个注塑循环 表表 1 1 各加热方式的优缺点各加热方式的优缺点 加热方式优缺点 蒸汽加热需要锅炉装置 装置复杂 占地面积广 安全性难保证 模温易控 制 高压高温水加热价格昂贵 装置体积较大 难以达到很高的模温 模温易控制 电加热实现简单方便 加热速度快 能源利用率低 电磁感应加热加热速度快 能耗低 热效率高 需要外部执行机构使电磁线圈进 出模具 模具型腔表面温度均匀性较差 火焰加热需要外部执行机构 加热速度快 但加热功率不易控制 模具型腔 表面温度均匀性较差 红外辐射加热需要通过外部执行装置使热辐射源进出模具 但热辐射源加热速度 慢且价格昂贵 薄膜电阻加热温度控制方便 反应灵敏 电阻层绝缘存在安全隐患 电阻加热层 使用寿命有限 ERHCM 注塑成型技术 在模具内嵌入电热棒 通过通电电热棒达到加热模具的 效果 17 28 如图 1 6 所示 在注塑合模控制过程中 动态模温控制系统通过控制电热 棒将模具型腔表面温度快速加热至工艺要求的温度 然后电热棒停止加热 注塑机完 成熔体注射和保压工作 在保压后期 冷却管道中通入冷却水用以快速冷却模具和高 温熔体 当模具温度降到塑件顶出温度时 通过压缩空气将模具管道中的冷却水排出 同时顶出塑料制件 为下一个注塑件的生产循环做好准备 电电热热棒棒冷冷却却管管道道 型型腔腔表表面面 型型腔腔板板 型型芯芯板板 图图 1 6 ERHCM 注塑模具注塑模具 电加热技术作为一种常规加热技术 具有成本低 易维护和模具结构紧凑等优点 第 1 章 绪 论 10 已经广泛应用于微小型注塑模具的整体加热 但是 RHCM 工艺对模具整体进行加热 所需热容量较大 加热效率相对较低 模具加热系统设计是否合理 将直接影响着产 品质量和制造成本 因而需要对 ERHCM 注塑模具加热系统进行优化 实现模具型腔 表面的快速加热 1 2 3 模具加热系统优化设计模具加热系统优化设计 根据 RHCM 注塑成型工艺特点 9 21 模具型腔表面温度需要在填充前快速均匀地 加热到聚合物玻璃化转变温度之上 模具的加热效率和加热后型腔表面温度均匀性是 RHCM 工艺中的两个重要指标 对注塑成型周期和塑件的质量有着直接的影响 前者 影响注塑成型的生产效率 后者影响注塑制品的质量 对于给定的加热方式来说 这 两个指标主要依赖于加热系统设计 因此 基于加热效率和模具温度均匀性考虑 为 了获得最佳的模具加热性能 有必要对 RHCM 注塑成型的加热系统进行优化设计 目前 对于模具冷却系统的优化设计 国内外学者已开展了大量的研究工作 而 对于 RHCM 注塑模具加热系统的设计与优化研究工作相对较少 42 46 RHCM 注塑模具 加热系统的设计大多采用试错法调整设计参数 通过有限元分析获得达到设定温度所 需的加热时间以及型腔表面的温度分布 然而 满足快速均匀加热型腔表面的最优设 计参数是不容易获得的 这种基于模拟的试错设计法有着很大的局限性 基于此 国 内外的学者对 RHCM 注塑模具加热系统设计与优化进行了一些研究 Li 等 47 以液晶电视机前壳的快速变模温注塑模具为研究对象 以模具型腔表面的 温度均匀性为目标函数 结合 DOE 试验设计 有限元法 响应曲面法 response surface methodology RSM 和 GA 遗传算法对模具的加热 冷却管道布局进行了优化设计 研究 结果表明 优化后的模具型腔表面温度均匀性提高了 54 5 然而此方法忽略了加热 效率这一目标 存在单目标优化的片面性 同时 Li 等 48 49 通过结合有限单元法和基于 Pareto 的多目标遗传算法 实现了对 SRHCM 注塑模具和 ERHCM 注塑模具加热管道布局的优化设计 研究结果表明 模 具型腔表面温度分布得到明显改善 加热效率略有下降 但变化不大 避免了单目标 优化结果的片面性 Wang 等 50 以空调面板过热水式变模温注塑模具为例 提出了一种综合 CAE 技术 RSM 模型 多目标优化算法和多属性决策技术的变模温注塑模具加热管道优化设计方 法 最终获得了最满意的加热管道设计方案 同时模拟验证了该设计的有效性 研究 结果表明 模具的加热效率提高了 14 98 同样的 型腔表面温度分布均匀性也提高 了 35 49 Xiao 等 51 以电热式变模温注塑模具为原型 结合有限元分析 BP 神经网络模型 RSM 模型和基于 Pareto 的多目标遗传算法来解决加热系统的多目标优化 其中所诉模 具表面与中心之间的距离 电热棒的数量和功率密度为设计变量 所需的加热时间和 最高型腔表面温度为目标函数 结果表明 所建的 BP 模型由于其搜索空间为 RSM 模 11 型的 2 倍大 因而其准确度优于 RSM 模型的准确度 并且 优化的设计参数明显地提 高了模具型腔表面温度的分布均匀性和加热效率 同时 Xiao 等 52 采用 PSO FEM 优化方法对扰流板变模温注塑模具的加热系统进 行了优化 优化之后 模具的加热效率和型腔表面温度均匀性分别提高了 14 和 91 该文献中的优化设计方法 加热的管道布局设计变量部分被设为定值 约束条 件复杂 且优化迭代过程耗时时间较长 Wang 等 53 55 根据 RHCM 注塑工艺要求和模具的结构特点 建立了 RHCM 注塑模 具加热 冷却系统优化设计的 RSM 模型 利用所开发的粒子群优化算法对多目标优化 函数进行了非线性优化 实现了 RHCM 注塑模具加热 冷却系统的优化设计 提高了模 具的加热效率 改善了均匀性 上述文献 47 50 53 55 中采用二阶多项式模型建立精确的数学模型 RSM 模型 不能很好的反映设计参数与优化目标之间的关系 局限于其搜索空间 而 BP 神经网络 模型具有很强的容错性和处理速度 可以不需要精确的计算模型 实现设计变量与优 化目标的非线性映射 最终获得可靠且精度较高的输入输出预测模型 51 文献 48 49 51 中获得的加热系统的最优 Pareto 设计方案解集最后需要人工进行主观判断 确定最 后的方案 存在着主观决策随意性 以上关于 RHCM 注塑模具加热系统优化设计变量 部分被设为定值 约束条件复杂 受模具结构的影响 不具有一般性 1 3 研究现状分析及主要研究内容研究现状分析及主要研究内容 1 3 1 研究现状分析研究现状分析 通过上述文献的讨论不难发现 RHCM 注塑成型技术在近些年来已经获得了长足 的进步 然而该技术依然存在着不少技术与理论上急需解决的问题 以广泛使用的 ERHCM 注塑模具为例 加热系统和冷却系统是相互独立的 对于冷却系统的设计在 传统注塑成型的研究中得到了较为详细的诠释 相关方法和成果直接可以用于满足动 态模温控制对模具冷却的要求 而对于加热系统的设计与布局的相关研究较少 ERHCM 注塑模具加热系统设计大多凭经验确认或者采用试错法调整设计参数 实际 效果还主要依靠设计工作者的经验 还没有形成一套完善的 ERHCM 注塑模具加热系 统设计理论和方法体系 目前 针对于 ERHCM 注塑模具的设计开发主要基于常规的 注塑模具设计经验和规范 模具结构设计如何影响模具型腔表面的温度场尚不是十分 清晰 无法对模具型腔表面温度进行有效的控制 因此 有必要形成一种完善的 ERHCM 注塑模具加热系统设计方法 不受模具结构的影响 具有一般性 可服务于 工业生产用的变模温注塑模具的设计 同时为成型品质管理和工艺调控提供理论依据 第 1 章 绪 论 12 1 3 2 主要研究内容主要研究内容 本文针对 ERHCM 注塑模具加热系统的设计依赖经验为主 缺乏优化设计理论 无规可依循的现状 作了以下几方面的研究 第一章 绪论 简述了 RHCM 注塑成型工艺原理以及存在的优势 重点讨论了有 关 RHCM 注塑模具结构设计 加热方式和加热系统优化设计方面的研究进展和现状 阐述了本文的研究目的与意义 第二章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 对 ERHCM 注塑模具加热 过程进行热传递分析 研究加热效率的影响因素 对电热棒的热传递性能做了合理评 估 提出了电热棒的使用准则 此外 还对 ERHCM 注塑模具的关键结构进行了设计 第三章 ERHCM 注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分析 对一 ERHCM 注塑模具的传热过程进行有限元温度场模拟 分析 ERHCM 注塑模具的热响应规律和 特点 提出了加热细胞单元这一理念 基于加热细胞单元 评估了模具材料 模具结 构和加热元件等因素对模具加热效率和温度均匀性的影响 分析讨论提高 ERHCM 注 塑成型工艺加热效率和改善加热均匀性具体措施 第四章 基于加热细胞单元的 ERHCM 注塑模具热响应辅助分析程序开发 基于 简化的加热细胞单元 结合 MATLAB GUI 和 ANSYS 有限元分析软件 开发了针对 ERHCM 注塑模具热响应分析的具有人机交互中文界面的辅助分析程序 本章节开发 的程序应用于第 3 章和第 5 章中试验设计方案响应值的获取 第五章 ERHCM 注塑模具加热系统的设计 提出了一种 ERHCM 注塑模具加热 系统优化设计方法 基于随形加热冷却系统设计方法 将复杂的 ERHCM 注塑模具简 化成单个加热细胞单元 以加热效率和加热型腔表面温度均匀性为目标 结合试验设 计 BP 神经网络模型 NSGA II 多目标优化方法和基于熵值权重法的 TOPSIS 多属性 决策技术获得单个加热细胞单元的最佳设计参数 再将单个加热细胞单元映射到整个 模具结构体中 最终完成整个 ERHCM 注塑模具加热系统设计 第六章 结论与展望 对本文的研究成果做了总结 并对今后的研究内容与发展 趋势进行了展望 13 第 2 章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 14 第第 2 章章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计注塑模具传热分析及关键结构设计 2 1 引言引言 RHCM 注塑模具的热响应效率对塑件的生产周期和质量有着重要的影响 因此 有必要对 ERHCM 注塑模具的加热过程进行理论推导 研究影响模具加热效率的因素 从而为设计合理的模具结构提供理论依据 本章节基于传热学的基本理论 对 ERHCM 注塑模具的加热过程进行热传递理论推导 分析影响模具加热效率的因素 并提出相应的改进措施 对 ERHCM 注塑成型过程中重要的加热设备 电热棒 做了温度 场模拟 提出了电热棒的使用准则 此外 根据塑件的结构特点及 RHCM 注塑成型工 艺 对 ERHCM 注塑模具的关键结构进行了设计 主要包括隔热系统设计 浇注系统 设计 排气槽设计和测温元件的安装设计等 2 2 ERHCM 注塑模具加热过程的热传递分析注塑模具加热过程的热传递分析 2 2 1 ERHCM 注塑模具热交换理论注塑模具热交换理论 根据 RHCM 注塑成型工艺特点 在高温聚合物熔体进入型腔之前 模具型腔表面 温度快速加热到一个设定值 并且此时未通入冷却水 因而 加热过程中模具内的热 量交换分别表现在以下两个方面 一是电热棒与模具型腔板之间的热交换 模内插入 的电热棒快速的加热模具使之升温 二是模具与周围环境之间的热交换 损失部分热 量 1 电热棒与模具型腔板接触面之间 加热阶段 电热棒内的电热丝不断地产生热 量扩散传入到模具体中 从而提高模具型腔表面的温度 该过程的传热属于有内热源 的非稳态热传导 电热棒的加热是通过在电热棒安装孔的表面施加等效的热流密度实 现的 属于第二类边界条件 其换热边界条件的数学表达式为 0 ww t q n 2 1 式中 w q为热流密度 单位为 2 m W 为导热系数 单位为KW m w n t 为温度 梯度 2 模具与周围环境之间 模具型腔表面与周围环境的对流换热是通过在模具型腔 表面施加第三类边界条件实现的 其数学表达式为 tt wem t h n 2 2 15 式中 e t和 m t分别表示环境温度和模具型腔表面 2 2 2 ERHCM 注塑模具热平衡分析与计算注塑模具热平衡分析与计算 从能量守恒的角度来看 ERHCM 注塑模具加热过程中 电热棒通电后所产生的 热量绝大部分都积累在模具型腔板上 表现为模具温度的上升 一部分存储在电热棒 内 另一部分通过模具型腔外表面的自然对流散发到周围环境中 因而可得能量平衡 式 hmfe QQQQ 2 3 式中 h Q m Q f Q和 e Q分别表示电热棒通电后产生的热量 型腔板中存储的热量 电热棒填料存储的热量和通过模具型腔外表面的自然对流散发到周围环境中的热量 对于电热棒通电后产生的热量 h Q 可以用如下公式表示 hh QPt 2 4 式中 P 和 h t分别表示电热棒的有效功率和模具加热到所需温度的加热时间 对于型腔板中存储的热量 m Q 可以用如下公式表示 0 mmmmmm QV CTT 2 5 式中 m p m V和 m C分别表示模具型腔板的密度 体积和比热容 0 m T m T分别表示 加热初始和结束时模具型腔板的平均温度 考虑到 f Q和 e Q远小于 m Q 故 f Q和 e Q对模具温度场的影响可以忽略不计 并结 合式 2 4 和 2 5 因而公式 2 3 可以简化为 0 hmmmmm PtV CTT 2 6 最后对式 2 6 移项整理 可以获得关于加热时间 h t的公式 0 mmmmm h V CTT t P 2 7 从式 2 7 可以看出 模具加热到所需温度的加热时间 h t主要由 m p m V m C P 和 0 mm TT 决定 h t和 m p m V m C以及 0 mm TT 成正比例关系 与 P 成 反比例关系 加热初始和结束时模具型腔板的平均温度差 0 mm TT 主要与模具的热导 第 2 章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 16 率 有关 56 热导率 越大 则模具型腔板内温度梯度越小 m T值越小 0 m T值不变 温度差 0 mm TT 越小 从而推导得到 h t和 成反比例关系 因而 要提高 ERHCM 注塑 模具的加热效率 需要减小 m p m V和 m C 或者增大 和 P 也就是说需要选择低密 度 低比热容 高热导率的模具材料 模具型腔板体积需要够小 电热棒功率需要够 大 2 3 电热棒传热分析及选择安装电热棒传热分析及选择安装 在 ERHCM 注塑成型模具中 电热棒加热效率高 排线简单 可以根据需要设计 成所需的功率 接线模式灵活多样 使用简便 加热棒结构具有单向或者双向接线等 形式 材质上可采用无缝管 不锈钢管等 使用时根据加热额定功率选择合适的电热 棒型号和数量 然后将其插入模板上的加热孔内通电即可 图 2 1 为弹筒型高密度电 热棒 高密度电热棒是以无缝金属管为外壳 中心沿轴向放置螺旋状镍铬合金电热丝 空隙部分充填有良好导热性和绝缘性的氧化镁粉制备而成 在加热过程中 电流通过 电热丝产生热量 从而实现加热 引线电热丝不锈钢外壳镁棒氧化镁 图图 2 1 高密度电热棒高密度电热棒 作为 ERHCM 注塑成型过程中重要的加热设备 电热棒 我们发现在注塑成型过程 中多次出现电热棒烧坏导致模具温度无法进一步提高的现象 耽搁了实验进程 究其 原因 主要是电热棒与电热棒安装孔之间存在着一定的间隙 导致电热棒产生的热量 无法有效的传递给模具的型腔和型芯 热量在电热棒内部的累积 导致电热丝的熔化 而失效 为了保证加热的有效性 实现模具的快速加热 有必要对电热棒的传热过程 进行模拟分析 对电热棒的加热性能做一个全面的了解 为电热变模温注塑模具结构 设计和电热棒的安装选用提供依据 在电热棒的轴向传热分析研究中 其内部螺旋电热丝在通电加热过程中 它的温 度场分布主要同螺旋的节距 h 以及线径 d 有关 如图 2 2 所示 57 从图 2 2a 可以看出 当螺旋的节距系数1 5 KKh d 时 在电热棒纵向截面上不锈钢外壳同螺旋电热 17 丝之间的等温线沿其外表面几乎是呈直线分布 当螺旋节距5K 时 如图 2 2b 所示 等温线不再呈现平直分布 而是为波浪形分布 因而 在螺旋节距K不大于 5 的情况 下 电热棒沿轴向的温度变化值比较小 我们主要需要研究的是其通电加热过程中径 向方向上的温度变化 a b 图图 2 2 电热棒纵截面不同螺旋节距的等温线电热棒纵截面不同螺旋节距的等温线 57 2 3 1 电热棒物理模型及材料属性电热棒物理模型及材料属性 文中所采用的电热棒横截面结构示意图如图 2 3 所示 其组成部件由内至外依次 为绝缘镁棒 镍铬丝 氧化镁填充物 不锈钢 各部件材料的热物性能参数如表 2 1 所示 58 该电热棒的直径为 8mm 绝缘镁棒的直径为 5mm 所填充的氧化镁粉的厚度 为 1 25mm 不锈钢管的厚度为 5mm 为了研究该电热棒的热传热过程 根据电热棒结 构的轴对称性 可简化其横截面的四分之一模型作为分析对象 不锈钢 绝缘镁棒 镍铬丝 氧化镁填充物 图图 2 3 电热棒横截面结构示意图电热棒横截面结构示意图 表表 2 1 电热棒材料热物性能参数电热棒材料热物性能参数 成分密度 3 Kg m 比热 KKgJ 热传导系数 KmW 镁棒3580987 449 2 第 2 章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 18 氧化镁填料3222987 428 9 不锈钢800046013 3 镍铬丝790050012 2 2 3 2 电热棒有限元模型边界条件及初始条件电热棒有限元模型边界条件及初始条件 根据注塑成型加热阶段的实际生产环境 设定模具和环境的初始温度为 30 假 定电热棒与电热棒安装孔之间存在较大的径向间隙 存在有限空间的自然对流传热情 况 根据流体流动状态判据得到电热棒表面的等效热导率远远小于电热棒各部件材料 的热导率 因此在传热模拟分析中忽可略电热棒表面的导热率 即在电热棒表面施加 绝热边界条件 电热棒的功率密度为 2 30w cm 电热棒镍铬丝熔点为 1000 C 为了模 拟电热丝的生热过程 需在绝缘镁棒和和氧化镁粉之间施加热流密度边界条件 其值 可以通过以下表达式来计算 b dS HF d 2 8 式中 HF 表示施加的热流密度 d 为电热棒的直径 db为绝缘镁棒的直径 S 为电热 棒的功率密度 2 3 3 电热棒传热分析与讨论电热棒传热分析与讨论 基于以上模型 本文采用 ANSYS 有限元软件构建电热棒截面的四分之一模型 同 时设置相应的材料属性 采用四面体单元对模型进行网格划分 然后施加相应的载荷 最后对电热棒的瞬态传热过程进行温度场求解 由于电热棒中镍铬丝的熔点为 1000 即当镍铬丝的温度超过 1000 时 电热棒就会失效 在电热棒的传热分析求解过程中 镍铬丝中心温度变化如图 2 4 所示 从图 2 4 中可知 当加热至 10 84s 时 镍铬丝中 心温度超过熔点 1000 电热棒失效 图 2 5 为刚好通电加热 10 84s 时电热棒截面温 度分布图 从图 2 5 可见 沿电加热棒周长方向 外层不锈钢的温度分布均匀 且不 锈钢区域的平均温度明显的低于镁棒所在区域的平均温度 这主要是不锈钢的热导率 较小 因而 镍铬丝向不锈钢方向的传热速度明显的小于镍铬丝向镁棒的传热速度 19 图图 2 4 镍铬丝中心温度响应镍铬丝中心温度响应 图图 2 5 电热棒截面温度分布图电热棒截面温度分布图 电热棒在干烧状态下 镍铬丝在 10 84s 就会熔断 电热棒失效 为了有效防止电 热棒在加热过程中损坏 需要满足以下条件 1 电热棒加热段的功率设计尽量不超过 容许设计的范围限制 如果设计功率超过这个限制 电热棒表面负荷较高 不锈钢管 易氧化腐蚀 造成短路 一般模具加热段的功率密度设计尽量不超过 40W cm2 57 2 电热棒与电热棒安装孔之间保持过盈配合 3 电热棒与电热棒安装孔之间填塞氧化镁 粉 或者在电热棒表面喷涂导热膏 喷涂后被加热器烘干在孔隙中 2 4 ERHCM 注塑模具关键结构技术研究注塑模具关键结构技术研究 同传统的注塑模具相比 ERHCM 注塑模具有着更加严格的技术要求 这也使得 ERHCM 注塑模具和传统的注塑模具有着较大的不同之处 主要有 1 除了传统的注塑模具中的冷却管道外 ERHCM 注塑模具还有加热管道 2 ERHCM 注塑模具对加热 冷却效率 模具型腔表面温度场均匀性有着较高的要 求 需要对模具型腔板进行隔热设置 并且对加热 冷却管道进行布局优化 第 2 章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 20 3 为了对模具型腔表面温度进行精确的控制 模具型腔板内需要安装温度传感器 以实现对各主要型腔面的温度监控 从而保证整个模具型腔表面的温度均匀性 4 由于 RHCM 注塑成型工艺中的高模温可以大大改善熔体的流动性 加快了充 填过程 可以完全消除塑件表面的熔接痕 因而在模具的浇注系统设计过程中不必担 心多浇口所带来的熔接痕问题 但需加强模具的排气 2 4 1 隔热系统设计隔热系统设计 RHCM 注塑模具工作时 其模具型腔表面温度较高 为了保证模具型腔板的加热 冷却效率 需要采取相应的措施 防止热量扩散到模架中而散失 因此 对于 ERHCM 注塑模具来说 其型腔板周围需要进行隔热设计 一般来说 隔热系统可以 分为以下两种方式 1 模具型腔板与固定板之间采用隔热板隔热 如图 2 6a 所示 所选择的隔热板 具有较好的隔热效果 其热传导系数一般应小于 0 14 Wm K 隔热板材料的最高使 用温度应高于所接触的被隔热物体温度10 30 同时隔热板应具有良好的力学性能 其厚度一般在3 5mm之间 2 模具型腔板与固定板之间用空气间隙隔热 如图 2 6b 所示 图 2 6b 的方法通 过减少模具型腔板与固定板之间的传热面积来达到隔热的目的 当然也必须考虑到该 部位所承受的接触压力 需保证型腔板的位置精度和强度要求 因而 设计的凸台不 易太多 凸台同型腔板的接触面积占整个接触面积的20 30 为宜 模具加热时 空 气间隙可有效地减少型腔板中的热量扩散至型腔固定板中而散失 模具冷却时 通过 往空气间隙槽中通入冷却水 可迅速地将型腔板中的热量带走 a b 隔热板电热棒冷却管道固定板凸台电热棒空气间隙 型腔板 型腔固定板型腔固定板 型腔板 图图 2 6 ERHCM 注塑模具隔热系统结构注塑模具隔热系统结构 2 4 2 ERHCM 注塑模具温控系统注塑模具温控系统 ERHCM 注塑模具温控系统要求能通过控制模具加热和冷却系统的开启和关闭 实现快速变模温成型过程中模具型腔表面的温度变化 通过模具内部的电热棒快速加 热模具 填充完成后 需要通入冷却水快速冷却模温和高温熔体 在冷却状态切换到 加热状态之间需要在冷却管道中通入压缩空气 以排出管道中的冷却水 使得模具的 21 加热过程更加快速 从而提高加热效率 温控系统原理结构如图 2 7 所示 ERHCM 注塑模具温控系统主要包括以下五个部分 1 补水系统 由冷却水源 增压泵 集水槽和水位电磁阀所组成 2 控制与监视单元 控制电热棒的通 断状态以 及电磁阀的开 闭状态 3 模具加热部分 电热棒通电加热模具 4 模具冷却部分 由 冷却水进电磁阀 冷却水回电磁阀和集水槽所组成 5 加压吹气系统 压缩空气通过 空气压缩机由气进电磁阀进入模具冷却管道中 以排出残留冷却水 图图 2 7 ERHCM 注塑模具温控系统结构图注塑模具温控系统结构图 59 2 4 3 浇注系统设计浇注系统设计 浇注系统是指聚合物熔体通过注塑机的喷嘴注射到模具型腔中所流过的通道 浇 注系统主要包含主流道 分流道 冷料穴以及浇口等 60 图 2 8 所示为卧式注塑模的 普通浇注系统 浇注系统是注塑模具设计的重要部分 对模具的压力传递和熔体充模 等起着重要的作用 设计的合理与否对塑件的质量 成型周期以及塑料的利用率等有 着较大的影响 第 2 章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 22 RHCM 注塑模具浇注系统的设计除了需要遵循常规浇注系统的设计准则外 还有 着其自有的特点 对于 RHCM 注塑模具来说 由于其较高的型腔表面温度 与常规注 塑成型工艺相比 不用考虑熔接痕的影响 浇口数目的增加不会对产品外观质量造成 影响 因此 为了减小熔体的充填时间 提高生产效率 对于较大尺寸的塑件 多采 用多浇口的设计模式 主流道 主流道衬套 冷料井 分流道 浇口 型腔 图图 2 8 普通浇筑系统普通浇筑系统 浇口是浇注系统的关键组成部分 指的是分流道末端与型腔之间的狭窄部分 断 面尺寸相比于分流道的断面尺寸小得多 起着调节物料速度和控制时间等作用 RHCM 工艺通常采用潜伏式浇口 如图 2 9 使得开模时浇口处的凝料可以自动地拉 断 61 同时其进料浇口一般都在塑件的内表面或者侧边隐藏处 因此不影响注塑制品 的外观质量 图 2 8 中浇口起始直径一般为 D1 4 0 5 0mm 终端直径一般为 D2 1 5 2 0mm 浇口长度为 4 4 5mm D1 D2 图图 2 9 潜伏式浇口潜伏式浇口 23 2 4 4 测温元件的安装设计测温元件的安装设计 为实现模具型腔表面温度的精准控制 模具型腔板内需要安装两个温度传感器 一般为 K 型热电偶 具有测温范围宽 结构简单 性能稳定以及动态响应好等优点 便于自动控制和集中控制 模具型腔表面温度通过温度传感器反馈到控制系统 以实 现对模具温度的测控 从而保证整个型腔表面温度分布的均匀性 温度传感器在模具 中的位置至关重要 传感器测温点距离型腔表面越近 则所测得温度也就越准确 然 而 若测温点距离型腔表面过于接近 则会影响模具的结构强度 在高的注射压力和 频繁地加热 冷却作用下 模具极易产生微观疲劳裂纹 从而导致其使用寿命缩短 在 实际的安装过程中 温度传感器测温点距离型腔表面2 6hmm 比较合理 如图 2 10 所示 隔热板电热棒冷却管道 型腔板 型腔固定板 热电偶 h 图图 2 10 温度传感器安装图温度传感器安装图 2 4 5 排气槽设计排气槽设计 RHCM 注塑成型工艺成型时模面温度比传统注塑成型工艺模面温度高很多 熔体 成型时需排出的气体也就更多 因而需要开设更多的排气槽 其数量一般是常规模具 的5 10倍 排气槽通常开设在分型面凹模的一侧 其位置应处于聚合物熔体流动末端 为宜 排气槽尺寸以能够顺利地排出气体而不溢料为原则 通常宽度为3 5mm 深度 小于 0 05mm 槽的间距保持在 10mm 左右 常用塑料的排气槽深度如下表 2 2 所示 表表 2 2 常用塑料排气槽深度常用塑料排气槽深度 61 塑料品种排气槽深度 mm塑料品种排气槽深度 mm PE0 02AS0 03 PP0 01 0 02POM0 01 0 03 PS0 02PA0 01 SB0 03PETP0 01 0 03 ABS0 03PC0 01 0 03 SAN0 03 第 2 章 ERHCM 注塑模具传热分析及关键结构设计 24 2 5 本章小结本章小结 基于传热学的基本理论 对 ERHCM 注塑模具加热过程进行热传递分析 建立了 热平衡分析方程 分析影响加热效率的因素 基于此平衡方程 获得了提高 ERHCM 注塑模具的加热效率 需要减小 m p m V和 m C 或者增大 和 P 也就是说需要选择 低密度 低比热容 高热导率的模具材料 模具型腔板体积需要够小 电热棒功率需 要够大 对电热棒的热传递性能做了合理评估 提出了电热棒的使用准则 此外 对 ERHCM 注塑模具的关键结构进行了设计 主要包括隔热系统设计 温控系统 浇注 系统设计 测温元件的安装设计和排气槽设计 25 第 3 章 ERHCM 注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分析 26 第第 3 章章 ERHCM 注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分注塑模具温度场模拟及热响应效率影响因素分 析析 3 1 引言引言 从 RHCM 成型工艺的原理可知 模具型腔表面温度被快速加热到预定工艺温度 快速均匀地加热模具对注塑生产效率和塑件品质有着重要影响 高的加热效率有利于 减少模具所需的加热时间 从而缩短成型周期 降低生产成本 加热后高的模具型腔 表面均匀性有利于获得均质的塑件表面 提高塑件质量 为了提高 ERHCM 模具加热 效率和改善加热均匀性 有必要对 ERHCM 模具的传热过程进行研究 分析 ERHCM 注 塑模具的热响应规律和特点 评估影响模具加热效率的重要因素及其影响规律 从而 为设计合理的 ERHCM 注塑模具结构提供理论依据 这对提高塑件的生产效率和质量 具有深远的意义 3 2 ERHCM 注塑模具温度场模拟及简化注塑模具温度场模拟及简化 通过对 ERHCM 注塑模具加热过程进行有限元模拟仿真 可以直观地分析模具加 热过程中的型腔表面温度变化和加热完成后型腔表面的温度分布情况 从而进一步说 明其对模具加热效率和温度分布均匀性的影响 研究结果可以为 ERHCM 注塑模具结 构设计以及成型工艺调整提供理论依据 3 2 1 ERHCM 注塑模具分析模型的建立注塑模具分析模型的建立 图 3 1 为本课题组通过快速变模温注塑成型实验所得薄壁平板 对平板的外表面 有较高的质量要求 要求 高光 无痕 图 3 2 为该薄壁平板所用的 ERHCM 注塑模 具定模结构图 电热棒和冷却管道直径均为 8mm 电热棒以及冷却管道至型腔面的距离 分别为 9 5mm 和 20mm 电热棒之间的中心距以及冷却管道之间的中心距分别为 18mm 和 36mm 总体尺寸为2