【文章內容簡介】 CM 注塑工藝開始階段，動態(tài)模溫控制系統(tǒng)通過控制相關設備向模具型腔內部管道中通入蒸汽，快速加熱模具至塑料的玻璃化轉變溫度之上。溫度達到所設定的溫度后，停止蒸汽的供給，同時注塑機開始注射。在塑料熔體的充填過程中，模具溫度通過高溫蒸汽保持恒定。在注射保壓后期，動態(tài)模溫控制系統(tǒng)通過控制相關設備向模具型腔內部管道中通入冷卻水，快速冷卻模具和高溫熔體。當模具溫度降到塑件頂出溫度時，通過壓縮空氣將模9具管道中的冷卻水排出，同時頂出塑料制件，從而開始下一個注塑循環(huán)。表 11 各加熱方式的優(yōu)缺點加熱方式 優(yōu)缺點蒸汽加熱 需要鍋爐裝置，裝置復雜，占地面積廣，安全性難保證，模溫易控制。高壓高溫水加熱 價格昂貴、裝置體積較大，難以達到很高的模溫，模溫易控制。電加熱 實現(xiàn)簡單方便、加熱速度快，能源利用率低。電磁感應加熱 加熱速度快，能耗低，熱效率高，需要外部執(zhí)行機構使電磁線圈進出模具，模具型腔表面溫度均勻性較差。火焰加熱 需要外部執(zhí)行機構，加熱速度快，但加熱功率不易控制，模具型腔表面溫度均勻性較差。紅外輻射加熱 需要通過外部執(zhí)行裝置使熱輻射源進出模具，但熱輻射源加熱速度慢且價格昂貴。薄膜電阻加熱 溫度控制方便，反應靈敏，電阻層絕緣存在安全隱患，電阻加熱層使用壽命有限。ERHCM 注塑成型技術，在模具內嵌入電熱棒，通過通電電熱棒達到加熱模具的效果 [17, 28]，如圖 16 所示。在注塑合模控制過程中，動態(tài)模溫控制系統(tǒng)通過控制電熱棒將模具型腔表面溫度快速加熱至工藝要求的溫度。然后電熱棒停止加熱，注塑機完成熔體注射和保壓工作。在保壓后期，冷卻管道中通入冷卻水用以快速冷卻模具和高溫熔體。當模具溫度降到塑件頂出溫度時，通過壓縮空氣將模具管道中的冷卻水排出，同時頂出塑料制件，為下一個注塑件的生產(chǎn)循環(huán)做好準備。電 熱 棒冷 卻 管 道型 腔 表 面型 腔 板型 芯 板圖 16 ERHCM 注塑模具電加熱技術作為一種常規(guī)加熱技術，具有成本低、易維護和模具結構緊湊等優(yōu)點，第 1 章 緒 論10已經(jīng)廣泛應用于微小型注塑模具的整體加熱。但是 RHCM 工藝對模具整體進行加熱，所需熱容量較大，加熱效率相對較低。模具加熱系統(tǒng)設計是否合理，將直接影響著產(chǎn)品質量和制造成本。因而需要對 ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)模具型腔表面的快速加熱。 模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設計根據(jù) RHCM 注塑成型工藝特點 [9, 21]，模具型腔表面溫度需要在填充前快速均勻地加熱到聚合物玻璃化轉變溫度之上。模具的加熱效率和加熱后型腔表面溫度均勻性是RHCM 工藝中的兩個重要指標，對注塑成型周期和塑件的質量有著直接的影響，前者影響注塑成型的生產(chǎn)效率，后者影響注塑制品的質量。對于給定的加熱方式來說，這兩個指標主要依賴于加熱系統(tǒng)設計。因此，基于加熱效率和模具溫度均勻性考慮，為了獲得最佳的模具加熱性能，有必要對 RHCM 注塑成型的加熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。目前，對于模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計，國內外學者已開展了大量的研究工作，而對于 RHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)的設計與優(yōu)化研究工作相對較少 [4246]。RHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)的設計大多采用試錯法調整設計參數(shù)，通過有限元分析獲得達到設定溫度所需的加熱時間以及型腔表面的溫度分布。然而，滿足快速均勻加熱型腔表面的最優(yōu)設計參數(shù)是不容易獲得的，這種基于模擬的試錯設計法有著很大的局限性。基于此，國內外的學者對 RHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)設計與優(yōu)化進行了一些研究。Li 等 [47]以液晶電視機前殼的快速變模溫注塑模具為研究對象，以模具型腔表面的溫度均勻性為目標函數(shù)，結合 DOE 試驗設計、有限元法、響應曲面法(response surface methodology, RSM)和 GA 遺傳算法對模具的加熱 /冷卻管道布局進行了優(yōu)化設計。研究結果表明，優(yōu)化后的模具型腔表面溫度均勻性提高了 %，然而此方法忽略了加熱效率這一目標，存在單目標優(yōu)化的片面性。同時，Li 等 [48, 49]通過結合有限單元法和基于 Pareto 的多目標遺傳算法，實現(xiàn)了對SRHCM 注塑模具 和 ERHCM 注塑模具加熱管道布局的優(yōu)化設計。研究結果表明，模具型腔表面溫度分布得到明顯改善，加熱效率略有下降，但變化不大，避免了單目標優(yōu)化結果的片面性。Wang 等 [50]以空調面板過熱水式變模溫注塑模具為例，提出了一種綜合 CAE 技術、RSM 模型、多目標優(yōu)化算法和多屬性決策技術的變模溫注塑模具加熱管道優(yōu)化設計方法，最終獲得了最滿意的加熱管道設計方案，同時模擬驗證了該設計的有效性。研究結果表明，模具的加熱效率提高了 %，同樣的，型腔表面溫度分布均勻性也提高了 %。Xiao 等 [51]以電熱式變模溫注塑模具為原型，結合有限元分析、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型、RSM 模型和基于 Pareto 的多目標遺傳算法來解決加熱系統(tǒng)的多目標優(yōu)化，其中所訴模具表面與中心之間的距離、電熱棒的數(shù)量和功率密度為設計變量，所需的加熱時間和最高型腔表面溫度為目標函數(shù)。結果表明，所建的 BP 模型由于其搜索空間為 RSM 模11型的 2 倍大，因而其準確度優(yōu)于 RSM 模型的準確度，并且，優(yōu)化的設計參數(shù)明顯地提高了模具型腔表面溫度的分布均勻性和加熱效率。同時，Xiao 等 [52]采用 PSOFEM 優(yōu)化方法對擾流板變模溫注塑模具的加熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化，優(yōu)化之后，模具的加熱效率和型腔表面溫度均勻性分別提高了 14%和91%。該文獻中的優(yōu)化設計方法，加熱的管道布局設計變量部分被設為定值、約束條件復雜，且優(yōu)化迭代過程耗時時間較長。Wang 等 [5355]根據(jù) RHCM 注塑工藝要求和模具的結構特點，建立了 RHCM 注塑模具加熱/冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計的 RSM 模型，利用所開發(fā)的粒子群優(yōu)化算法對多目標優(yōu)化函數(shù)進行了非線性優(yōu)化，實現(xiàn)了 RHCM 注塑模具加熱/冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計，提高了模具的加熱效率，改善了均勻性。上述文獻[47, 50, 5355]中采用二階多項式模型建立精確的數(shù)學模型（RSM 模型）不能很好的反映設計參數(shù)與優(yōu)化目標之間的關系，局限于其搜索空間。而 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型具有很強的容錯性和處理速度，可以不需要精確的計算模型，實現(xiàn)設計變量與優(yōu)化目標的非線性映射，最終獲得可靠且精度較高的輸入輸出預測模型 [51]。文獻[48, 49, 51]中獲得的加熱系統(tǒng)的最優(yōu) Pareto 設計方案解集最后需要人工進行主觀判斷，確定最后的方案，存在著主觀決策隨意性。以上關于 RHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設計變量部分被設為定值，約束條件復雜，受模具結構的影響，不具有一般性。 研究現(xiàn)狀分析及主要研究內容 研究現(xiàn)狀分析通過上述文獻的討論不難發(fā)現(xiàn)，RHCM 注塑成型技術在近些年來已經(jīng)獲得了長足的進步，然而該技術依然存在著不少技術與理論上急需解決的問題。以廣泛使用的ERHCM 注塑模具為例，加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)是相互獨立的。對于冷卻系統(tǒng)的設計在傳統(tǒng)注塑成型的研究中得到了較為詳細的詮釋，相關方法和成果直接可以用于滿足動態(tài)模溫控制對模具冷卻的要求，而對于加熱系統(tǒng)的設計與布局的相關研究較少。ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)設計大多憑經(jīng)驗確認或者采用試錯法調整設計參數(shù)，實際效果還主要依靠設計工作者的經(jīng)驗，還沒有形成一套完善的 ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)設計理論和方法體系。目前，針對于 ERHCM 注塑模具的設計開發(fā)主要基于常規(guī)的注塑模具設計經(jīng)驗和規(guī)范，模具結構設計如何影響模具型腔表面的溫度場尚不是十分清晰，無法對模具型腔表面溫度進行有效的控制。因此，有必要形成一種完善的ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)設計方法，不受模具結構的影響，具有一般性，可服務于工業(yè)生產(chǎn)用的變模溫注塑模具的設計，同時為成型品質管理和工藝調控提供理論依據(jù)。第 1 章 緒 論12 主要研究內容本文針對 ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)的設計依賴經(jīng)驗為主、缺乏優(yōu)化設計理論、無規(guī)可依循的現(xiàn)狀，作了以下幾方面的研究：第一章：緒論。簡述了 RHCM 注塑成型工藝原理以及存在的優(yōu)勢。重點討論了有關 RHCM 注塑模具結構設計、加熱方式和加熱系統(tǒng)優(yōu)化設計方面的研究進展和現(xiàn)狀。闡述了本文的研究目的與意義。第二章：ERHCM 注塑模具傳熱分析及關鍵結構設計。對 ERHCM 注塑模具加熱過程進行熱傳遞分析，研究加熱效率的影響因素；對電熱棒的熱傳遞性能做了合理評估，提出了電熱棒的使用準則；此外，還對 ERHCM 注塑模具的關鍵結構進行了設計。第三章：ERHCM 注塑模具溫度場模擬及熱響應效率影響因素分析。對一 ERHCM注塑模具的傳熱過程進行有限元溫度場模擬，分析 ERHCM 注塑模具的熱響應規(guī)律和特點，提出了加熱細胞單元這一理念?；诩訜峒毎麊卧u估了模具材料、模具結構和加熱元件等因素對模具加熱效率和溫度均勻性的影響，分析討論提高 ERHCM 注塑成型工藝加熱效率和改善加熱均勻性具體措施。第四章：基于加熱細胞單元的 ERHCM 注塑模具熱響應輔助分析程序開發(fā)?；诤喕募訜峒毎麊卧?，結合 MATLABGUI 和 ANSYS 有限元分析軟件，開發(fā)了針對ERHCM 注塑模具熱響應分析的具有人機交互中文界面的輔助分析程序。本章節(jié)開發(fā)的程序應用于第 3 章和第 5 章中試驗設計方案響應值的獲取。第五章：ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)的設計，提出了一種 ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設計方法?；陔S形加熱冷卻系統(tǒng)設計方法，將復雜的 ERHCM 注塑模具簡化成單個加熱細胞單元，以加熱效率和加熱型腔表面溫度均勻性為目標，結合試驗設計、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡模型、NSGAII 多目標優(yōu)化方法和基于熵值權重法的 TOPSIS 多屬性決策技術獲得單個加熱細胞單元的最佳設計參數(shù)，再將單個加熱細胞單元映射到整個模具結構體中，最終完成整個 ERHCM 注塑模具加熱系統(tǒng)設計。第六章：結論與展望。對本文的研究成果做了總結，并對今后的研究內容與發(fā)展趨勢進行了展望。13第 2 章 ERHCM 注塑模具傳熱分析及關鍵結構設計14第 2 章 ERHCM 注塑模具傳熱分析及關鍵結構設計 引言RHCM 注塑模具的熱響應效率對塑件的生產(chǎn)周期和質量有著重要的影響。因此，有必要對 ERHCM 注塑模具的加熱過程進行理論推導，研究影響模具加熱效率的因素，從而為設計合理的模具結構提供理論依據(jù)。本章節(jié)基于傳熱學的基本理論，對ERHCM 注塑模具的加熱過程進行熱傳遞理論推導，分析影響模具加熱效率的因素，并提出相應的改進措施。對 ERHCM 注塑成型過程中重要的加熱設備(電熱棒) 做了溫度場模擬，提出了電熱棒的使用準則。此外，根據(jù)塑件的結構特點及 RHCM 注塑成型工藝，對 ERHCM 注塑模具的關鍵結構進行了設計，主要包括隔熱系統(tǒng)設計、澆注系統(tǒng)設計、排氣槽設計和測溫元件的安裝設計等。 ERHCM 注塑模具加熱過程的熱傳遞分析 ERHCM 注塑模具熱交換理論根據(jù) RHCM 注塑成型工藝特點，在高溫聚合物熔體進入型腔之前，模具型腔表面溫度快速加熱到一個設定值，并且此時未通入冷卻水。因而，加熱過程中模具內的熱量交換分別表現(xiàn)在以下兩個方面：一是電熱棒與模具型腔板之間的熱交換，模內插入的電熱棒快速的加熱模具使之升溫；二是模具與周圍環(huán)境之間的熱交換，損失部分熱量。(1) 電熱棒與模具型腔板接觸面之間。加熱階段，電熱棒內的電熱絲不斷地產(chǎn)生熱量擴散傳入到模具體中，從而提高模具型腔表面的溫度。該過程的傳熱屬于有內熱源的非穩(wěn)態(tài)熱傳導。電熱棒的加熱是通過在電熱棒安裝孔的表面施加等效的熱流密度實現(xiàn)的，屬于第二類邊界條件，其換熱邊界條件的數(shù)學表達式為： |,0wwtqn?????? (21)式中， wq為熱流密度，單位為 2m/W； 為導熱系數(shù)，單位為 KW?m/； wnt|?為溫度梯度。(2) 模具與周圍環(huán)境之間。模具型腔表面與周圍環(huán)境的對流換熱是通過在模具型腔表面施加第三類邊界條件實現(xiàn)的，其數(shù)學表達式為： |(t)wemthn??????????? (22)15式中， et和 m分別表示環(huán)境溫度和模具型腔表面。 ERHCM 注塑模具熱平衡分析與計算從能量守恒的角度來看，ERHCM 注塑模具加熱過程中，電熱棒通電后所產(chǎn)生的熱量絕大部分都積累在模具型腔板上，表現(xiàn)為模具溫度的上升。一部分存儲在電熱棒內，另一部分通過模具型腔外表面的自然對流散發(fā)到周圍環(huán)境中。因而可得能量平衡式： hmfeQ?? (23)式中， hQ、 m、 f和 e分別表示電熱棒通電后產(chǎn)生的熱量、型腔板中存儲的熱量、電熱棒填料存儲的熱量和通過模具型腔外表面的自然對流散發(fā)到周圍環(huán)境中的熱量。對于電熱棒通電后產(chǎn)生的熱量 h，可以用如下公式表示： hQPt? (24)式中，P 和 ht分別表示電熱棒的有效功率和模具加熱到所需溫度的加熱時間。對于型腔板中存儲的熱量 m，可以用如下公式表示： 0()mmQVCT??? (25)式中， mp、 V和 mC分別表示模具型腔板的密度、體積和比熱容， 0mT、 分別表示加熱初始和結束時模具型腔板的平均溫度。考慮到 fQ和 e遠小于 ，故 f和 e對模具溫度場的影響可以忽略不計，并結合式(24) 和(25)，因而公式(23)可以簡化為： 0()hmmPtVCT??? (26)最后對式(26)移項整理，可以獲得關于加熱時間 h