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摘要 随着市场对塑件的外观、精度以及力学性能要求的不断提高，变模温注塑技 术应运而生。该技术的特点是在注塑机射胶之前将模具温度提升到聚合物玻璃转 换温度之上，射胶后迅速将模具冷却，开模取件。变模温系统是变模温注塑技术 的关键设备，决定着塑件的最终质量。变模温系统有不同的类型，例如蒸汽式、 电磁式等等，其关键知识产权掌握在外国公司手中，导致设备昂贵，购置及维护 成本高，并且功耗大，严重影响了该技术在国内的模具行业的推广使用。 本课题在现有的变模温技术研究的基础之上，结合实际生产要求及现场条 件，研制具有自主知识产权的基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统。采用 f l u e n t 软件对高光模具的热响应过程进行模拟，获取最佳的设计参数及工艺参 数；研发具有创新型的s 型并联加热管道，能以流量或温度为控制目标降低系统 功耗，节省能源；通过电磁感应加热理论模型的计算、模拟分析确定加热系统的 最优设计；采用p l c 结合触摸屏的控制方案，使变模温系统满足自动化，智能 化的要求。 本课题研制的高温水加热变模温系统效率高，功耗小，能够满足动态模温的 要求。研究成果解决了变模温注塑技术推广的难题，不但可以为高温水加热变模 温系统的研发提供整体方案，还可作为变模温系统的设计参考，对的机电产品的 开发应用起一定的借鉴作用。 关键词：变模温注塑；f l u e n t ；电磁感应加热；可编程控制器；工业触摸屏 a b s t r a c t t h ed e m a i l d so f 晰曲ta i l ds t u r d 弘p r c c i s ep l a s t i cp a n sc a l lf o rv 捌o n l e 衄 i n j e c t i o nt e c l l i l o l o g y i t sf e a t u r ei sh e a t i l l gm em o l dt 0m en l eg l a s s 仃；m s i t i o n t e i l l p e r a t u r eo fn l ep l a s t i ca i l dc o o l i n gt h em o l dq u i c n yt om em o l d i n gt e m p e r a t u r eo f m ep l a s t i c ，a r e rm ei 巧e c t i o nm 0 1 d i r 培m a c h i i l ej e t t i r 玛p l 枷c v 撕o t h e 衄s y s t e mi s t h ep i v o t a ld e v i c eo ft h et e c l l i l o l o gy - t h e r ea r em a n yk i n d so fs y s t e m ，s u c ha ss t e a m t y p ea i l de l e c t r o m a g n e t i ct y p e ，w h o s ei n t e l l e c t u a lp r o p e n yr i 曲t sb e l o n gt of o r e i 驴 c o m p a i l i e s ，b r i n g i n gt h e1 1 i 曲一c o s ta n db l o c l ( i i 培t 1 1 ep o p u l a r i z i n go ft h et e c h n o l o g yi i l 0 u rc o u 】n 阱 t h et o p i c d e v e l o p s aw a t c rh e a t i n gv 撕o t h e 珊 s y s t e m b a s e do nt 1 1 e e l e c 仃0 m a g n e t i ch e a t i n gw i t hi n d 印e n d e mi n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i 曲t s na d o p t st h e f u 州日、丁tt os i i n u l a t et l l et l l e n n a lr e s p o n s eo fm em o l dt 0a c q u i r e l eo p t i m 啪 p a r a m e t e 瑙，柚dd e v e l o p sn e ws - t y p ep a r a n e lh e a t i n gp i p e l i l l et 0s a v ee n e 曙y ，d e s i g n s t l l ee l e c t r o m a g n e t i ch e a t i r 玛p o r t i o nb yc o u n t i n ga n d s i m l a t i l 唱，u s e st h ep l c 柚dt h e m a n m a c h 洒ei n t e r f a c et oi e a l i z ea u t o m a t i o n t h ee m c i e l l tw a t e rh e a t i n gv 耐o m e ms y s t 锄b a s e do nm ee l e c 仃0 m a 弘e t i c h e a t i n gd e v e l o p e db y 也i st o p i c ，m e e t sm ed e m a i l do fd y n a i l l i cm o l dt e m p e r a t u r e t 1 l e a c l l i e v e m e n ts o l v e sn l ep o p u l a r i z i l 坞p r o b l e mo ft h ev 撕o t h e n ns y s t e m ，a n dp r o v i d e s w i t ht h ed e s i g nm e t h o do fi n t e g r a ls c h 锄eo fw a t e rh e a t i r 培v 撕o t i l e ms y s t e m ，s e r v e s 嬲l er e f e r e n c ef o re l e c t r o m e c h 枷c a le q u i p m e n t k e y w o r d s ：v a r i o t h 咖 i n j e c t i o l l ； f l u n e n t ； e l e c 仃o m a 印e t i ch e a t 吨；p l c ； m a n m a c ei n t e r f - a c e i i 1 1 注塑成型技术概述 第一章绪论 1 1 1 注塑成型的实质及优缺点 塑料产品具有质量轻、绝缘性好、耐腐蚀、耐磨、隔热保温以及比强度高等 特点，因而在工农业生产、国防建设、交通运输及医疗卫生等各个领域得到了广 泛的运用“。2 0 1 0 年，国内塑料制品的产量已经超过六千万吨，并且仍以每年 1 0 以上的速度增长2 l 。塑料已经成为在钢铁、木材、水泥之后的第四大工业基 础材料。 鞋子曩1 k 造革3 1 电 图1 1 塑料制品类型分布图图1 2 塑料制品市场分布图 塑料有多种成型工艺，如注射成型、挤出成型、吹塑成型、旋转成型、发泡 成型及气辅成型等。其中，塑料注射成型工艺凭借效率高、精密度高、工艺先进 等优点，在塑料制品成型工艺中起主导作用h ! 。其过程是将注塑机料筒内粒状或 粉状塑料加热塑化后，通过旋转的螺杆加压，在摩擦及剪切热的作用下成为熔融 状、具有可塑性和流动性的塑料粘流体，经喷嘴，以极高的速度注入到闭合模具 内，并迅速充满型腔，经过保压冷却成型后，开启模具取得制品。该成型工艺是 个不断重复的循环工艺工程，通常周期为2 0 至1 2 0 秒，特厚塑件可达5 至1 0 分 钟，该循环示意图如图1 3 所示。 图1 3 注塑程序工艺循环 厦门大学硕士学位论文 基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 注塑工艺具有生产效率高，表面质量高，可制造出形状复杂的薄壁件及易于 实现自动化等优点。然而，在加工过程中，由于加工设备不同，成型条件各异， 原料性质差别，加之设备的运行状态，模具结构等因素错综变化，塑件常会产生 气眼、脆裂、黑点、飞边毛边、流痕、填充不足、缩痕、熔接痕及翘曲等缺陷， 详见实物图1 4 。 ( g ) 缩痕 ( h ) 熔接痕( i ) 翘曲 图1 4 常见注塑缺陷实物图 气眼，熔接痕降低了塑件的强度及机械性能，容易产生应力集中，严重时会 产生脆性破坏：脆裂，烧焦都是由于过高的加热温度使材料的化学性质发生变化， 导致局部区域分子间的结合力大大变弱，当塑件承载时，这些位置最容易产生裂 痕最终导致破坏；飞边，翘曲降低了塑件的尺寸精度，改变了塑件的几何结构； 而填充不足，流痕，缩痕则极大地影响了塑件的外观及表面质量 。随着需求的 增长，市场对塑料产品提出了高强度，高精度，高光洁度的“三高”要求。因而， 如何最大程度地避免缺陷是一个备受关注的问题。 2 隧一罗一四 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 常见缺陷及其改进方法 1 1 2 改善注塑成型工艺的方法 通过改善注塑工艺参数，特别是注塑的压力及温度能够有效地降低缺陷出现 的概率。注塑压力是由液压系统提供的，其存在是为了克服熔融体流动过程中的 阻力，保证填充过程的顺利进行。压力最高处位于注塑机喷嘴处，而后沿着流动 长度逐渐降低。材料的性质，模具结构及成型工艺要素都会对注塑压力产生影响 从而影响塑件的质量。注塑温度也是关键的因素，注塑温度太低，固态塑料无法 完全熔融，流动性差，影响产品的质量；温度太高，材料容易分解变质“。这一 矛盾的焦点集中于熔融体的流动性。众所周知，流动性好的材料，例如水、油， 能够不受阻碍地填充满狭小的缝隙，而流动性差的材料，例如浓稠的血液，需要 3 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热交模温系统的设计 借助心脏加压的方式才能到达周身的毛细血管，这与注塑相似。一般的流体其 流动状态，都依照牛顿定义进行。对流体粘性研究最重要的结论就是把流动 中的流体的应力与形变率联系起来，得出的牛顿切应力公式n 引： f ：业( 1 1 ) 。d y 。 其中，t 为剪切应力，m p a ；为流体的粘度系数，p a s ；1 ) 为流动速度，i n s ；y 为流动法向距离，m 。 由上式可知，降低流体的粘度，或者提高流体的流动压力可以降低切应力 对流体流动的影响，获得较好的流动性能。注塑中，提高流体压力可通过加 大注塑压力的方式来达到。在牛顿流体中，虽然剪切应力有变化，但其粘度 却不变。流体粘度是其固有属性，须通过改变其温度的方式加以改良。实际 注塑过程中，塑胶熔液看似普通的流体，其实是非牛顿流体，流动压力增大 则流体粘度降低。因此射出成形时，虽然浇口相当狭小，但却很容易填充于 模穴内。综上所述，塑件缺陷的根本原因都是熔融体的流动性缺陷，与注塑压 力及熔融体温度这两个参数密切相关。 实际注塑程序过程中，固态塑料首先在料筒中加热至熔融态，接着进入螺杆 腔受挤压产生剪切热继续升温，而后通过喷嘴注入模具中。纵观整个过程中，材 料在料筒段和螺杆腔段温度是上升的，流动性增加；喷嘴段及模具段，由于喷嘴 及模具的温度远低于熔融体的温度，热量由熔融体传递到喷嘴或模具中，导致熔 融体流动性下降，与流道及模腔之间的摩擦损耗加剧，压力下降，进一步降低了 流动性，填充及保压效果变差而影响制品的形状、外观、尺寸精度及物理性质。 如果提高注射压力，可以迫使熔融体充满型腔，但注射压力过大导致塑件应力过 大，容易出现飞边、翘曲等问题，而且注射压力高对注塑机的要求也越高，设备 昂贵。如果提高料筒温度，可以补偿熔融体流经喷嘴和模腔时的热量损失。虽然 这种方法简单易行，但是材料的温度过高，容易引发材料化学性质改变，甚至烧 焦。因此，如何在较低的注塑压力下及合理的温度范围内，最大限度地提高熔融 体的流动性，获得优良的制品，这个难题一直困扰着注塑行业的科研人员。目前， 工业上常用的有以下几种方法： ( 1 ) 模流分析c a e 技术。常用注塑模流分析c a e 软件有m o l d n o w3 d 、 4 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 m o l d e x3 d 等。 ( 2 ) 热流道技术，通过加热的办法来保证流道和浇口的塑料保持熔融状 态。 图1 5 针阀式热流道 ( 3 ) 气体辅助成型技术。 气体辅助成型技术利用高压惰性气体推动熔融体充满型腔，在塑件厚部形成 中空气道，从而降低锁模力，并消除塑件表面缩痕等缺陷。 圜图图圄隆国 ( a ) 熔融体填充( b ) 气体注入( c ) 保压冷却( d ) 泄压及开模取件 图1 6 气辅成型流程示意图 ( 4 ) 发泡成型技术 发泡成型技术分为物理发泡和化学发泡两种。其本质都是利用大量微小气泡 所产生的压力，使熔融体膨胀，从而在较低的注射压力下充满型腔。 ( 5 ) 变模温技术 变模温技术又称为快速热循环注塑成型技术( r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ， r h c m ) ，其工艺流程具体为，在注射聚合物前，将模具型腔表面的温度加热至 玻璃转变温度t g 以上；注塑机立即射出聚合物熔融体填充型腔；然后对模具进行 保压冷却，使聚合物温度迅速下降至玻璃转变温度t g 以下：开模取件的同时开始 加热模具，准备进入下一个注塑循环旧“。变模温即使能够实现动态模温的控制， 使聚合物熔融体在模具型腔中的流动达到最佳状态。较高的模温使得熔融体从料 筒至模具型腔的整个流动过程中，热量损失少，不存在凝固现象，保持了良好的 流动性，注射的压力也能相应地减小。 5 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 该技术使能有效消除塑件的表面缺陷，极大地降低塑件表面粗糙度达到镜面 高光的效果，因此又称为高光注塑。它避免后续的喷涂、打磨等工艺，降低了生 产成本，提高了产品品质，减少了环境污染，其生产的塑件可直接进入产品装配 阶段，显著缩短了塑件的生产流程。 ：。 ：i ii： 一 ， 翅 璃 赋 镪 。基，褒t 壁囊囊瓤超： 图1 7 变模温技术工艺流程示意图” 图1 8 变模温注塑与传统注塑的温度历程图对比心引 l 、变模温注塑2 、传统注塑 1 1 3 高光塑件的市场前景 采用变模温技术制得的塑件因其表面光洁度高，达到镜面效果，而称为高光 塑件。高光塑件在家电、汽车、通讯、日用品、医疗品及卫浴等行业具有广泛的 应用前景。平板电视现已成为电视行业的主流产品，而采用高光洁度的塑件作为 平板电视的前面板，美化了整体的外观，获得了消费者的青睐。越来越多的汽车 内饰面板采用了变模温的技术，消除面板上的熔接痕，避免了汽车高速、碰撞或 6 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 者震动的情况下，面板从熔接痕处断裂，飞溅出来伤到车内的人员的情况。光电、 生物、通讯及医疗等技术的进步，推动产品朝着轻、薄、短、小的方向发展，高 光技术出现使得这类精密制件的量产及高合格率成为了现实。 翁i ! ! ! f 稔蜀弦荔磊瓣鞭 ； 曜，i 黪诲g p 8 s 秘蠢 图1 9 高光塑件的应用 皤 蠢i ! i 孽壤霭撩 l 一 ；一 ；编糍籍驺弱锻翁磊 l 乏。 、，。，。 图1 1 0 典型的高光塑件 7 厦门大学硕士学位论文 基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 1 2 变模温技术概述 1 2 1 变模温技术的优势 ( 1 ) 提高了产品品质。由于较高的型腔温度，大大提高了聚合物熔融体的 流动性，流动阻力小且平稳，利于填充。塑件从根本上消除了熔接痕、流痕、缩 痕等缺陷，得到了较高的表面光洁度，免除了喷涂、打磨等后续加工程序| 2 。同 时，良好的流动性能使得熔融体在填充厚壁型腔时，速度远高于普通注塑，能缩 短壁厚件的成型周期2 0 以上。传统注塑情况下，熔融体在填充薄壁型腔时，由 于阻力大，热量损失大，常发生填充不足的现象，塑件导致合格率极低，采用变 模温注塑熔融体流动性能好，避免了该现象的产生。解决传统透明件注塑中，由 于塑件内应力较高，塑件透光性能差的问题；对于聚合物添加物，如玻纤，能够 使其在注塑的过程中均匀分布，避免了塑件表面浮纤，光洁度下降的情况。 m + i m 日。 攀 ! 玺 ( a ) 变模温注塑( b ) 传统注塑 图1 1 l 变模温注塑与传统注塑熔接痕情况的对比 ：蔼毙 ( a ) 变模温注塑( b ) 传统注塑 图1 1 2 变模温注塑与传统注塑表面浮纤情况的对比 ( 2 ) 节省了产品的成本，免去了后续二次加工的成本，缩短了壁厚件的注 塑周期，提高薄壁塑件的合格率，显著降低注塑机的压力，减少了故障状况的发 8 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 生。 ( 3 ) 符合绿色环保的要求。无需喷涂、打磨等加工过程，避免了粉尘飞扬， 有害化学气体含量高的恶劣环境，同时节约了能源及原材料。 1 2 2 变模温技术研究现状 到目前为止，注塑成型行业中还不能完全地控制工艺中的各温度参数至最佳 水平，但人们仍然绞尽脑汁设法控制模具温度。二十世纪7 0 年代之前，业界主要 使用的是成型温度较低的范用树脂，目的是使得模具尽快冷却，缩短成型周期； 到了8 0 年代，a b s 树脂凭借其优秀的外观质量而成为了主流材料，但其成型过程 要求有更高的模具温度，并且存在熔接痕的致命弱点。9 0 年代出现了高耐热性的 数值及液晶树脂，要求将模具加热到更高的温度。但都属于传统的注塑范畴，模 温在整个注塑周期中变化不明显。 变模温技术的正式公布于2 0 0 4 年德国的k s h o w ，近十年来，国内关于变模 温技术的研究与报告越来越多。深圳大学及深圳模具先进制造技术重点实验室从 事着蒸汽表面变模温技术的研究工作，提出了蒸汽直接加热模腔的技术，并拥有 该技术的自主知识产权和核心技术。青岛海信模具有限公司成功开发了适用于气 体加热表面变模温的高光无痕模具，并于2 0 0 7 年9 月实现了产业化。中南大学的 蒋炳炎教授研制出了运用m e m s 技术的感应加热机械手，从而达到精确控制模温 的目的，台湾中原大学的陈夏宗教授是感应加热表面变模温技术的专家，推动感 应加热表面变模温技术向着更高效，更节能的方向发展。山东大学模具工程技术 研究中心的赵国群教授将计算机辅助分析技术引入到模具的热响应分析中，并研 制出了蒸汽加热整体变模温设备及其配套高光模具，推动该技术的产业化。电加 热变模温技术已为模具行业所熟悉，广泛地投入生产，从生产实践中总结出了许 多经验，如广州毅昌科技股份有限公司的技术人员发表了电加热高光模具设计， 成型过程分析等相关论文，具有很强的指导作用。相关研究成果可分为两大类， 即整体变模温与表面变模温。 1 2 3 表面变模温技术概述 表面变模温的加热集中于型腔表面及其附近极浅的区域。加热区域小，功率 小，热利用率高是其特点。常见的有气体加热表面变模温和感应加热表面变模温 气体加热表面变模温将高温高压气体通入型腔中，热量传递给型腔表面，型 9 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 腔温度达到要求后射胶，填充完成后向模仁内部靠近型腔表面的管道通入冷却 水，温度下降至设定时，开模取件，进入下一循环【2 引。工业上常采用二氧化碳， 氮气等从常温至高温状态都比较稳定，且不溶于聚合物，不与聚合物发生反应的 气体。水蒸汽就不能作为气体表面变模温的材料，因高温水蒸气虽然蕴含大量的 热，但是加热模具型腔后，自身的内能降低，分子间的距离变小，冷凝成大量的 微小液滴，附着于型腔表面，这些液体无法被排除，最终会掺入到聚合物中，导 致塑件报废【2 。气体表面变模温具有功耗小，热利用率高的特点，但是其缺点也 是明显的，若是开模时加热，高温高压的气体危险性大，若是合模后加热，残余 气体留在型腔内部，将阻碍聚合物的注射及填充过程，并且气体的热容量小，即 单位体积的气体降低或升高1 所放出或者吸收的能量小，往往实际生产中，一 个循环中加热一副模具需要大量的高温高压气体，一天工作八小时，几百模次， 气体消耗量大，成本高昂。 感应加热表面变模温需要特殊制造的感应加热线圈及其附属机构，类似于特 种机械手。当注塑机开模到位时，信号传输给控制系统，机械手动作，将感应加 热线圈靠近于型腔表面，通过控制电源的频率，利用电磁感应的趋肤效应，将加 热范围控制在型腔表面附近，温度达到要求后，合模注塑，冷却，开模取件。感 应加热，电能转换为电磁能传播至型腔表面，使其产生大量涡流，生热，从而提 高型腔表面的温度。其特点是无需其他传热媒介，基本无中间传递损耗，效率高， 功耗小，加热速度快，温升速率通常能达到2 0 s 以上1 ，由于加热的只是型腔 表面及其附近，模仁获得的热量少，冷却速率快。但是由于感应加热线圈需要订 制，可靠性高的机械手价格也不菲，模仁材料属于高导磁性高强度的特殊材料， 价格昂贵，总体成本过高。加热冷却均集中于型腔表面，容易导致热应力集中， 长期循环导致热疲劳应力，模具使用寿命严重下降”，且由于电磁场存在排斥效 应，型腔的尖角区域涡流密度较低，温度控制精度低，易导致温度分布不均匀。 1 2 4 整体变模温技术概述 整体变模温的能量来自于模具的内部，通过模仁温度的升高带动型腔表面温 度的提升。包括高温气体加热变模温、高温油加热变模温、整体感应加热变模温、 电加热变模温以及高温水加热变模温。 高温气体加热变模温与气体加热水冷却表面变模温最大的区别在于气体的 1 0 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 通道，一个在模具内部，一个在模具型腔。气体加热整体变模温以加热炉制造的 过热气体为加热媒介，当注塑机合模后，气阀打开，过热气体经过滤器，进入向 模仁内专门开设的管道，迅速将模具温度提高到一个设定值，然后开始给模腔注 射塑胶，在注塑机完成保压转入冷却后，空压机产生压缩空气，吹走管道中的残 余气体，接着由冷水塔往管道中注入冷却水，模具温度下降到设定值后开模，再 向模具吹入空气把冷却水完全吹走，完成整个注塑过程。然而，蒸汽加热存在着 熟容小，对流传热系数低，与模仁管道的传热效率低，且压力高，危险性大等缺 点。 图1 1 3 蒸汽加热水冷却变模温工艺原理他日 1 冷凝塔2 空压机3 加热炉4 气阀5 空气阀6 过滤器 7 热电偶8 模具9 注塑机l o 触摸屏1 1 控制模块1 2 进水阀 高温油加热变模温，采用的是高温油作为加热媒介，常温水作为冷却介质。 其特点是油的温度范围广，即使在2 0 0 以上，仍可以保持液态，并且热确定性 好，控制精度高，但其缺点为成本油的成本较高，使用过程中有油污，并且传热 效率远低于水。使用高温油加热水冷却的变模温系统时，高温油与冷却水不能共 用管道，需要分别开设。因此模具的加工成本较高，大量的管道降低了模具结构 强度。若加热管道靠近型腔表面，冷却管道远离型腔表面，则加热效果好，而冷 却速度慢；反之，则加热效果差，而冷却速度快。这都不符合快速加热快速冷却 的变模温效果。 整体感应加热水冷却变模温的方法是将感应线圈内置于模具内部。通过邻近 效应在模仁型腔表面产生涡流，达到加热的目的。频率越高，由于趋肤效应，热 量越集中于表面| 3 引。该法的温升速率较高，在合模之前进行模温的控制，控制方 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 式灵活。电磁感应加热只对型腔表面薄薄的一层进行加热，所以温度难以精确测 量，难以精确控制，而且成本高昂，尖角处温度较低。 电加热整体变模温采用电热元件例如电热棒、电热片等加热部件提升模仁温 度，其工作原理为，注塑机合模射胶之前，利用埋设在模具内部的加热棒将模仁 迅速加热，使温度传递到型腔表面达到聚合物玻璃转化温度。熔融体在较高的模 温下顺利填充型腔，之后保压冷却，当型腔表面温度降低至设定温度后，开模取 件。电热棒加效率通常为5 s ，韩国n a d a 公司的e m o l d 系统， 1 5s 就可 以将模具温度加热到3 0 0 啪1 。 电热棒通常埋设在模具中，无需外部的加热设备，且电热棒价格低廉，整体 成本低，加热温度不受限制，得到了注塑行业的青睐。然而，电热棒的加热过程 不稳定，容易烧坏，且加热效率会随着使用时间的增加而下降，拆卸更换都不方 便，并且热传导效率低，功耗大。电热棒加热方式具有热惯性，可控性差，不符 合精确模温控制的要求1 3 “。且模具结构较复杂，设计和加工难度较大，内部管路 较多，降低模具刚度，管路分布受到模具内部空间限制，影响加热的均匀性。对 电热棒在频繁启动、关闭的工作中，容易产生瞬间功率冲击，且各加热管的加热 功率存在差别，最终反映到型腔表面的是不均匀的温度分布。 图1 1 4 电加热水冷却变模温系统m 1 空压机2 冷却塔3 增压泵4 过滤器5 进水阀6 热电偶 7 电热棒8 模具9 注塑机1 0 监控界面1 1 控制器1 2 进气阀 厦门大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 5 适用于电加热水冷却变模温系统的模具 高温水加热变模温与气体加热整体变模温工艺过程相似，冷热介质均共用模 具内部的管道，加热时通入高温介质，冷却时切换为低温水，冷热的衔接过程均 采用压缩空气吹走介质，以实现型腔表面的快速热循环。不同的是其加热介质的 物理状态不同，高温水加热是液态水，而气体加热是气态。高温水加热变模温技 术已成熟且占有一定的市场份额，如韩国的t i t a n 系统和国内的奥德精机公司的 高温水加热变模温系统。采用冷热介质共用管道的传热方式，大大提高了加热、 冷却的快速性与均匀性。高温水加热的方式温升快，热容量高，传热效率高，响 应速度快，介质可循环利用，能量损耗低，运行成本较低。但采用高温水加热存 在升温极限，水的沸点是随着压力的升高而升高的，高压锅正是利用这点将水的 沸点提升至1 2 0 左右，更快地将食物煮熟，但二者并不是线性的关系，到达一 定程度，即使在增加压力，沸点上升也不明显，同时模具及变模温系统的制造难 度、安全隐患也越大。通常采用的是电热棒对水进行加热以获得高温过热水，这 种方式存在电热棒容易结垢，热阻大，且容易损坏，功率过高等问题。因此，本 课题采用效率更高的电磁感应加热的方式获取高温过热水。 1 4 课题研究内容和意义 1 4 1 课题研究内容 ( 1 ) 采用f l u e n t 针对某盘型花洒高光模具进行传热过程模拟，分析热水流速 u 、水温t 、高光管道的管径d 、管道间距x 及管道模面距y 等五个因素对模面温度 分布的影响，获取相关的设计参数。 ( 2 ) 确定高温水加热变模温系统的整体结构，补水机制，温度控制及压力控 1 3 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 制机制，并对加热管道及热水槽的结构进行优化； ( 3 ) 对各种加热方式的优缺点进行比较，得出最佳方式，并介绍其基本原理， 采用a n s y s 软件对加热过程进行模拟分析； ( 4 ) 分析比较常用的工控方案并确定采用p l c 配合触摸屏的控制方式，并对整 个控制方式进行设计，包括p l c 程序的编写，外部配线，模拟量的处理，触摸屏 的组态等： 1 4 2 课题研究的意义 本课题研究受福建省科技计划重大产学研项目( n o 2 0 1 0 h 6 0 2 8 ) 、福建省科 技计划重点项目( n o 2 0 0 9 1 0 0 2 7 ) 、福建省教育厅a 类科技计划项目( n o j a l 0 2 4 5 ) 及厦门市科技计划高校创新项目( n o 3 5 0 2 2 2 0 0 8 3 0 2 7 ) 资助。 本课题涉及机械、电子、模具、电磁、流体等多个学科的知识。通过研究工 作，既可以实现注塑过程动态模温控制提高塑件质量，又可以促进多学科知识的 交叉运用。市场对塑料产品需求量越来越多，对其质量要求越来越高，行业竞争 对产品提出了低成本的要求，变模温注塑技术的推广越来越迫切。然而，现有的 变模温系统存在成本高昂，功耗巨大，效果有限等问题。变模温注塑技术是塑件 制造业减少产品缺陷，提高合格率的重要手段，是满足消费者对高品质产品追求 的先进生产工艺。课题的研究方法对于高光注塑工艺中高温水加热变模温系统的 开发及高光模具结构的设计具有一定的参考价值。 1 4 第二章基于f l u 酬t 的变模温注塑工艺参数分析 2 1 分析对象 为了获得本课题研制的高温水加热变模温系统的设计参数，采用f l u e n t 软件针对典型的某圆形花洒高光模具进行模拟分析。该花洒产品直径为2 6 0 m m ， 厚度为6 m m ，表面上分布1 1 0 个直径为5 嗍的出水孔，材料为a b s ，如图2 1 所示。a b s 是丙烯晴、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，具有韧性、硬度、刚度 相均衡的优良力学性能，外观为不透明呈象牙色粒料，其制品可着各种颜色，并 且具有较高的光泽度，符合高光注塑材料的基本性能要求。 a b s 的玻璃转化温度在l l o 1 2 0 之间，传统的a b s 注塑工艺中，采用 热流道配合油温机加热模具的方式进行制造，料筒前端温度达到1 8 0 2 0 0 ， 喷嘴温度达1 7 0 1 8 0 ，模具温度为5 0 8 0 ，但该产品的尺寸大，厚度 小，成型周期较长，约为9 6 秒。模温低约为8 0 ，型芯较多，塑件熔接痕明显， 表面质量差，达不到镜面高光的要求。现考虑采用变模温注塑工艺生产该产品， 将模温升至a b s 的玻璃转化温度1 2 0 ，改善熔接痕问题，提高表面光洁度， 同时缩短生产周期，降低成本。大多数常用热塑性塑料的玻璃转化温度不高于 1 2 0 ，因此以该产品作为分析对象具有借鉴价值和普遍意义。 图2 1 花洒三维图 1 5 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 2 2 基于f l u e n t 的模具传热分析 2 2 1 计算机模拟分析及f l u e n t 介绍 高温水进入模具内部的管道，通过与管壁的对流传热，将热量传入模具中， 再经由模具内部的热传导，输送到型腔表面，使其温度到达设定要求。采用 a n s y s l 3 0 中的f l u e n t 流体力学模块对该过程进行模拟分析，确定各参数对 传热效果的影响。 f l u e n t 是目前处于世界领先地位，可用于模拟、分析复杂几何区域内的流 体流动与传热现象商业c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y i l 锄i c s 计算流体动力学) 软件包之一。它基于c 语言开发，支持并行运算，通过菜单界面与用户交流。 计算结果的显示及储存方式有等值线图、动画、云图、剖面图，也可输出其他 c f d 、f e m 软件或后处理软件所支持的格式。 2 2 2 模型建立及边界条件分析 高光花洒模具为一模一穴，高光管道1 2 条，下模仁( 高光面所在模仁) 与 下模框之间设有隔热板，防止热量扩散，既可以降低能耗，又能够防止上下模温 差过大，出现卡模现象。下模框中设有1 2 条隔热水道，上模仁中设有4 口隔热 水井进一步降低透过隔热板上的孔洞及间隙传导出的热量的影响。 高光管道的管径d 、管道间距x 、管道模面距y 、水流速度1 ) 、水温t 、加热 时间t 以及模具本身的尺寸及结构等因素都决定着最终型腔表面的温度分布。这 些参数对传热过程的影响程度不同，影响形式也不同。通过单个参数值作为变量 的模拟分析结果，初步分析各参数对温度分布的影响，得出影响较大的参数，有 利于模具及高光设备的优化分析与设计。 l234s 图2 2 下模结构示意图 1 型腔2 下模仁3 高光管道 4 隔热板5 下模框6 隔热管道 1 6 厦门大学硕士学位论文 第二章基于f l u 刚t 的变模温注塑工艺参数分析 模具整体结构上左右对称，且边界条件基本相同，考虑到节省计算机资源及 分析时间，本文取右半部建模分析旧。采用a n s y s l 3 o 进行建模，然后导入 f l u e n t 模块进行分析，如图2 3 所示。 图2 3 模具右半部分三维模型图 观察型腔高光面的温度的分布有两个指标，一为温度值是否达到要求，二为 温度分布是否均匀。熔融体在温度高的位置流动性好，温度低的位置流动性差， 最终反映到塑件上的就是表面粗糙度的区别。粗糙度相差大将导致塑件失去高光 效果。因此，温度分布的均匀性同样影响着高光表面的质量。选取若干具有代表 性的点作为参考。如图2 4 所示，a 为花洒圆心位置，b 为z 轴负方向二分之一半 径处，c 为z 轴负方向圆弧面末端，e 为x 轴负方向二分之一半径处，f 为花洒手 柄侧面与圆弧面交点。 ， 一 图2 4 下模仁高光面温度观测点 1 7 厦门大学硕士学位论文 基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 表2 1 观测点坐标及说明 编号x 轴坐标y 轴坐标z 轴坐标 说明 a0 b- x c3 x 2 d11 6 e1 3 0 fo g0 h0 10 j4 1 0 1 k8 2 0 2 l9 1 9 2 0 模面中心位置 0 两管道对称平面上 0 管道的正上方 0 圆弧面底部 6 圆弧面顶部 0圆弧面底部 0 圆弧面底部 6圆弧面顶部 6 圆弧面顶部 o a k 的中点 0 圆弧面底部 6 圆弧面顶部 高光注塑模拟过程中，模具型腔表面温度以1 2 0 为目标温度。根据注塑车 间情况，本文取模具初始温度为6 0 ，周围环境温度为3 0 ，模具外表面与空气 之间发生对流换热，换热系数取2 0w m 2 。型腔表面温度达到1 2 0 时开始注 射，注射保压完成后，向模具管道通入2 0 的冷水，对模具进行快速冷却，当熔 融体冷却至6 0 ，开模取件。整个循环过程中，隔热水道、隔热水井中持续以5 州s 的速度通2 0 冷水。模仁材料为s 1 3 6 ，模框材料为4 5 号钢，隔热板选用基材为玻 璃纤维，主要材料为耐热环氧树脂的复合材料。其中，s 1 3 6 是高强度、耐腐蚀塑 料模具钢，其表面能达到较高光洁度，适合制作高光模具。 1 8 6 石 o 托 向 旬 9 。 o o o o m 蛳 啪 枷 一 跳 一 厦门大学硕士学位论文第二章基于f l u e n t 的变模温注塑工艺参数分析 表2 2 各材料热物性性质 f l u e n t 软件中，采用湍流强度即湍流脉动速度与平均速度的比值，来描述 对流传热的强弱程度。脉动量的频率在1 0 0 h z 1 0 0 0 0 0 h z 间，振幅效应平均速度 的1 0 虽然脉动很微弱，但对流动情况起着决定性作用。流体微团通过脉动交换 质量、动量以及能量，从而产生湍流扩散现象、摩擦阻力和热量传递。湍流强度 的值近似等于0 1 6 与按水力直径计算得到的雷诺数的负八分之一m ， ，：o 1 6 足一；：o 1 6 ( 业) 一；( 2 1 ) 其中，i 为湍流强度：凡为雷诺数；d 为水力直径，m ；1 ) 为流体流动速度，n 1 s ；p 为密度，蛳；“为流体的运动粘度，p a s o 本分析为瞬态分析，观察模面温度分布及监测各点的温度变化。分析过程中 存在能量传递，须打开能量方程，即能量守恒定律在流体力学中的表达式。系统 默认流体为不可压缩流体。根据网格数量，计算机资源及实际流动特性，选用标 准k 印s i l o n 粘度模型。该模型有较高的稳定性及计算精度，适合高雷诺数的湍流， 但不适合旋流等各项异性较强的流动。 为了提高模拟结果的准确性，应将高光变模温注塑工艺过程如实地反映至 f l 切巳n t 中。本系统是在模具加热至设定温度后合模，部分的热量散失至空气中， 因此加热过程，上模框、上模仁及塑件均设置为绝热，下模框、隔热板及下模仁 的上表面设置与空气对流换热，换热系数为2 0w m 2 。 1 9 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 2 2 3 热水流速对模面温度分布的影响 热水流速快，对流换热时间短，则对流传热过程未充分发展即已结束；热水 流速慢，则热量损失多，温度梯度减小，传热效果降低h “。因此，选择合适的热 水流速至关重要。热水流速取5 l i l s 、1 0 州s 、1 5 n 1 s 、2 0 州s 和2 5 州s 进行模拟， 隔热水的湍流强度为4 0 4 。采用工业上高温水加热变模温注塑使用频率较高的 值，水温t = 1 8 0 ，高光管道的管径d = 0 0 0 8 m ，经计算可得湍流强度分别为 3 4 2 、3 1 3 、2 9 8 、2 8 7 和2 7 9 ，管道间距x = o 0 2 0 m ，管道模面距y = 0 0 1 6 m ， 加热的目标时间控制在2 0 s 以内。 f l u e n t 中可以显示模具的温度分布，默认为开尔文温度。采用右半部分进 行建模，可通过软件中设置对称平面，将整体的温度分布显示出来。观察图2 5 b 可知，由于隔热板，只有少量的热量传递到下模框中，同时隔热冷却水及时地将 下模框冷却，有效地防止其受热变形。模仁的温度分布受管道形状及尺寸的影响， 顺着管道方向呈条状。圆弧面的温度低于圆形面的温度，将导致圆弧面的表面光 洁度低于圆形面。花洒孔型芯( 图中圆形面上点状位置) 的温度与其周围的温度 相差不大，对其附近的光洁度影响较小。 睡 ( a ) 右半部分轴测图( b ) 整体俯视图 图2 5u = 1 0 州s 、t = 1 0 1 秒下模框、隔热板及下模仁的温度分布 将f l u e n t 计算所得的数据导入e x c e l 表格中，绘制成曲线图，如图2 6 2 1 0 所示。观察发现，1 2 条曲线分为三组，第一组包括曲线a ，b ，c ，d ，f ，g j ，k ，第二 组包括曲线h ，i ，l ，第三组为曲线e 。第一组曲线所对应的观测点均处于圆形面 上，距离高光管道最近，能量传递所需的时间短，温升最快，2 0 秒的终止温度 最高；第三组曲线所对应的e 点距离高光管道最远，能量传递所需的时间最长， 温升最慢，2 0 秒时的终止温度最低。整体的温度差较大，轻则局部高光度偏差， 2 0 篡荔篡嚣il篓嚣i；lii器ii基i_li：=嚣嚣搿尝=嚣0：嚣=眷等嚣= _ 厦门大学硕士学位论文 第二章基于f l u e n t 的变模温注塑工艺参数分析 重则造成色差，塑件报废，因此需要对模具结构进行改进，缩短圆弧面与高光管 道间的距离。第一组曲线相互靠近，温度差随着时间的增加而变化，说明模面的 温度越来越不均匀，2 0 秒时的温度方差约为2 1 2 。任意时刻，曲线f 的值 曲 线a 的值 曲线g 的值，曲线h 的值 曲线i 的值，反映了过热水经高光管道， 温度逐渐降低所造成的影响，但温度差在l 以内，基本可以忽略。 观察以下5 副曲线图可知，随着热水流速的增加，各点的2 0 秒时的最终温 度都逐渐增加，流速5 州s 至1 0 i i l s 的范围最终温度增幅最大，约提升了3 ， 流速1 0 州s 至2 5 耐s 的范围，最终温度基本不变，说明单纯提高流速对传热效果 的影响有限，这是由于流速高，单位时间所流过的能量虽然增加，但是流体的湍 流强度下降，传热效率相应降低。观察各图的第一组曲线可知，其平均值达到 1 2 0 的时间分别为1 1 3 秒、l o 1 秒、9 8 秒、9 6 秒和9 5 秒，流速由5 州s 增加 至1 5 i l l s ，目标时间明显缩短，然而继续增大流速，目标时间变化不大。因此采 用1 5 l 州s 的流速能在保证较高的传热效率的前提下，降低泵的功率。 图2 6u = 5 l s 模面各点温度随时间变化曲线 2 1 厦门大学硕士学位论文基于电磁感应加热的高温水加热变模温系统的设计 图2 7u = 1 0 l l l s 模面各点温度随时间变化曲线 图2 8u = 1 5 n l s 模面各点温度随时间变化曲线 2 2 厦门大学硕士学位论文第二章基于f l u e n t 的变模温注塑工艺参数分析 图2 9u _ 2 0 州s 模面各点温度随时间变化曲线 图2 1 0u = 2 5 “s 模面各点温度随时间变化曲线 2 2 4 热水温度对模面温度分布的影响 热水温度越高，与模仁内的高光孔壁间的温度梯度越大，传热速率越快h “， 但随着温度的增加，所需压力呈近似几何级数的增长，管道内部压力大大提升， 既存在安全隐患又提高了设备制造成本。因此，热水温度受到实际条件的限制， 并不是越高越好。观察曲线变化，发现水温大于1 8 0 的点，曲率大于4 5 。，即 每增加l ，压力增加值越多。因此，热水温度取1 6 0 、1 8 0 和2 0 0 进行模 拟，热水流速1 ) = 2 0 n l s ，高光管道的管径d = 0 0 0 8 m ，经计算可得湍流强度分别为 2 3 2 。9 1 、2 8 7 和2 。8 3 ，管道间距x _ 0 0 2 0 m ，管道模面距y = o ，0 1 6 m ，加热的目 标时间控制在2 0 s 以内。 温度为1 8 0 情况下的模面各点温度随时间变化曲线见图2 9 。对比这三幅 图可知，第一股曲线2 0 秒时的最终温度随着热水温度的提高而提高，其平均值 分别为1 3 8 、1 5 5 和1 7 0 ，第一股曲线平均值达到设定温度1 2 0 的时间分 别为1 2 1 秒、9 6 秒和8 0 秒。综合考虑，1 8 0 的热水是比较合理的选择。 图2 。1 1t = 1 6 0 模面各点温度随时间变化曲线 圈2 1 2t - 2 0 0 模面各点温度随时间变化曲线 厦门大学硕士学位论文第二章基于f l u e n t 的变模温注塑工艺参数分析 2 2 5 管径对模面温度分布的影响 泵的流量的限制，管道直径过大，将导致热水流速的降低，影响传热效果， 降低模具的结构强度。管径太小，单位时间流过管道的热水量减小，传递给模仁 的热量也就越少。参考