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

. 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目录摘要IABSTRACTIII目录V第1章绪论11.1 引言11.2 快速变模温注塑成型技术研究现状21.2.1 快速变模温注塑模具结构设计21.2.2 快速变模温注塑模具加热方式的研究51.2.3 模具加热系统优化设计71.3 研究现状分析及主要研究内容81.3.1 研究现状分析81.3.2 主要研究内容8第2章 ERHCM注塑模具传热分析及关键结构设计112.1 引言112.2 ERHCM注塑模具加热过程的热传递分析112.2.1 ERHCM注塑模具热交换理论112.2.2 ERHCM注塑模具热平衡分析与计算122.3 电热棒传热分析及选择安装132.3.1 电热棒物理模型及材料属性142.3.2 电热棒有限元模型边界条件及初始条件152.3.3 电热棒传热分析与讨论152.4 ERHCM注塑模具关键结构技术研究162.4.1 隔热系统设计162.4.2 ERHCM注塑模具温控系统172.4.3 浇注系统设计182.4.4 测温元件的安装设计192.4.5 排气槽设计202.5 本章小结20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233.1 引言233.2 ERHCM注塑模具温度场模拟及简化233.2.1 ERHCM注塑模具分析模型的建立233.2.2 有限元模型边界及初始条件的确认243.3.3 ERHCM注塑模具热响应分析253.2.4 ERHCM注塑模具加热细胞单元研究273.3 ERHCM注塑模具热响应效率的影响因素分析293.3.1 模具材料的影响293.3.2 模具型腔板厚的影响313.3.3 电热棒规格的影响333.3.4 电热棒管道空间布局的影响343.3.5 电热棒规格与空间布局交互作用的影响363.4 本章小结41第4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434.1 引言434.2 辅助分析程序的开发流程434.3 参数化有限元热响应分析过程444.3.1 APDL语言概述444.3.2 参数化建模与求解454.4 程序编译474.4.1 回调函数484.4.2 MATLAB 调用ANSYS504.5 最终程序的编译和发布504.6 程序验证与分析504.7 本章小结52第5章 ERHCM注塑模具加热系统的设计535.1 引言535.2 设计理论简述535.2.1 模型分析与简化535.2.2 多目标优化545.2.3 BP神经网络555.2.3 带精英策略的非支配遗传算法〔NSGA-II〕575.2.4 基于熵值权重法的多属性决策技术TOPSIS585.3 ERHCM注塑模具加热系统设计实例分析605.3.1 多目标优化模型及CCD实验设计615.3.2 构建BP神经网络模型以及精度验证625.3.3NSGA-II多目标优化645.3.4 基于熵值权重法的TOPSIS决策结果及试验验证655.3.5 加热细胞单元映射665.3 本章小结67第6章结论与展望696.1 结论696.2 展望70附录71参考文献79致谢85攻读学位期间参加的科研项目和成果87第1章 绪 论1.1 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1-1 传统注塑成型与快速变模温注塑成型工艺关系图[3]1.2 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1-2 桁架列式模具示意图[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1-3 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8sYoon[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℃XX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图1-4 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。

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。