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Word格式文档下载.docx

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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（RapidHeatCycleMolding，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。

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（SteamRapidHeatCycleMolding，以下简称SRHCM）技术和电热变模温注塑成型（ElectricalRapidHeatCycleMolding，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1-1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。

图1-6ERHCM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，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

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