【正文】 均勻地加熱模具對注塑生產(chǎn)效率和塑件品質(zhì)有著重要影響。高的加熱效率有利于減少模具所需的加熱時間，從而縮短成型周期，降低生產(chǎn)成本；加熱后高的模具型腔表面均勻性有利于獲得均質(zhì)的塑件表面，提高塑件質(zhì)量。為了提高 ERHCM 模具加熱效率和改善加熱均勻性,有必要對 ERHCM 模具的傳熱過程進行研究，分析 ERHCM 注塑模具的熱響應規(guī)律和特點，評估影響模具加熱效率的重要因素及其影響規(guī)律，從而為設計合理的 ERHCM 注塑模具結(jié)構提供理論依據(jù)，這對提高塑件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有深遠的意義。 ERHCM 注塑模具溫度場模擬及簡化通過對 ERHCM 注塑模具加熱過程進行有限元模擬仿真，可以直觀地分析模具加熱過程中的型腔表面溫度變化和加熱完成后型腔表面的溫度分布情況，從而進一步說明其對模具加熱效率和溫度分布均勻性的影響，研究結(jié)果可以為 ERHCM 注塑模具結(jié)構設計以及成型工藝調(diào)整提供理論依據(jù)。 ERHCM 注塑模具分析模型的建立圖 31 為本課題組通過快速變模溫注塑成型實驗所得薄壁平板，對平板的外表面有較高的質(zhì)量要求，要求“高光、無痕” 。圖 32 為該薄壁平板所用的 ERHCM 注塑模具定模結(jié)構圖，電熱棒和冷卻管道直徑均為 8mm,電熱棒以及冷卻管道至型腔面的距離分別為 和 20mm，電熱棒之間的中心距以及冷卻管道之間的中心距分別為18mm 和 36mm，總體尺寸為 26053m?。雖然 ERHCM 注塑成型工藝的加熱過程為三維瞬態(tài)傳熱過程，但是塑件一般為薄壁類的制品，壁厚均勻且遠小于其它方向尺寸,并且 ERHCM 成型工藝對模具型腔表面溫度均勻性有著嚴格的要求，ERHCM 模具的電熱棒管道和冷卻管道應當沿模具型腔表面隨形排布,因而該三維傳熱問題通?？梢院喕癁槎S平面?zhèn)鳠釂栴}，并根據(jù)對稱性取其一半便于分析計算。在模具的加熱階段，定模側(cè)與動模側(cè)是相互分開的，因此在進行加熱分析時不需要考慮動模側(cè)和聚合物熔體的影響，并且視定模板為各項同性材料，其熱物理性能不隨溫度改變而發(fā)生變27化。模具定模型腔板材料和電熱棒填料的熱物理性能如表 31 所示。圖 31 實驗用薄壁平板圖 32 ERHCM 注塑模具定模結(jié)構示意圖表 31 定模型腔板和電熱棒的熱物理性能材料 密度??3/Kgm比熱容??/JKg?℃ 熱導率??/Wm?℃模具鋼(AISI P20 ） 7850 460 34電熱棒(MgOSiO2）2700 1100 有限元模型邊界及初始條件的確認邊界條件：圖 33 為所建立 ERHCM 注塑模具熱響應分析的有限元網(wǎng)格模型及邊界條件。為了模擬電熱棒的加熱作用，電熱棒與模具型腔接觸面上的熱流密度可根據(jù)第 3 章 ERHCM 注塑模具溫度場模擬及熱響應效率影響因素分析28公式（21 ）計算獲得，在模擬分析中電熱棒的熱流密度計算值為 20/Wcm，忽略電熱棒與模具之間的熱阻；型腔板與外界空氣間屬于自然對流換熱，在模擬分析中對流換熱系數(shù)設定為 20/()Wm?℃ ；并且由于對稱邊界上的熱流密度為零，因而在模擬分析中需要在相應的對稱邊界上施加絕熱邊界條件。圖 33 有限元網(wǎng)格模型及邊界條件初始條件：根據(jù)注塑成型加熱階段的實際生產(chǎn)環(huán)境，模具和環(huán)境的初始溫度為30℃，塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為 90℃，相應地，假定加熱后模具型腔表面的溫度需基本達到 100℃。 ERHCM 注塑模具熱響應分析基于上述模型，本文在 ANSYS 軟件中對該 ERHCM 注塑模具的加熱過程進行有限元模擬。在 ANSYS 軟件中建立簡化的模型后，并設置相應的材料屬性，利用四面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，待完成所有加載之后，對模具傳熱過程的溫度場進行瞬態(tài)求解。通過對圖 33 所示有限元網(wǎng)格模型上以同等距離分布的 11 個溫度觀測點的溫度數(shù)據(jù)進行分析，來研究模具型腔表面的溫度變化規(guī)律。圖 34 為 30s 加熱過程中模具型腔表面觀測點的溫度變化情況圖。從圖 34 中可以看出模具型腔表面的溫度近似直線增長，但是各處升溫速率存在較大的差異，型腔的兩側(cè)部分（如觀測點 11）升溫速率很慢。究其原因主要為模具型腔表面兩側(cè)受熱體積相對較大，在一定程度上極大地減緩了型腔表面兩側(cè)的升溫。當加熱到 時，模具型腔表面溫度基本上達到了 100℃，加熱過程結(jié)束，此時模具型腔表面的溫度分布情況如圖 35 所示。從圖 35 中可以看出，模具型腔表面的區(qū)域一、區(qū)域二、區(qū)域三和區(qū)域29四這四個區(qū)域的溫度分布都非常的相似，都成周期性的變化；雖然模具型腔邊緣（區(qū)域五）溫度明顯地低于模具型腔表面其他區(qū)域的溫度，但主要是加熱棒布局不合理造成的，加熱棒排布范圍大于模具型腔所在區(qū)域的范圍并且在型腔側(cè)設置絕緣層就可以降低其影響，使得該區(qū)域的溫度與其他區(qū)域類似，因而對整個模具溫度場的研究可以簡化為對單個電熱棒所在區(qū)域的溫度場研究，這樣的單個電熱棒所在區(qū)域定義為加熱細胞單元。圖 34 30s 加熱過程型腔表面溫度響應第 3 章 ERHCM 注塑模具溫度場模擬及熱響應效率影響因素分析30圖 35 模具型腔表面的溫度分布情況 ERHCM 注塑模具加熱細胞單元研究圖 36 為上述 ERHCM 注塑模具簡化成的加熱細胞單元有限元網(wǎng)格模型及邊界條件。圖 36 中 A、 B、C、D、E 分別表示型腔表面上的五個溫度觀測點。加熱過程中型腔表面 A、B 、C 、 D、E 五點的溫度響應如圖 37 所示。從圖 37 可以看出，在加熱過程中A、B、 C、D 、E 五點的溫度隨熱時間幾乎呈線性增長， A 和 E 兩點的溫度響應曲線重合，B 和 D 兩點的溫度響應曲線重合，且越靠近型腔表面中心位置加熱效果越好，A、B、 C 三點在 30s 加熱過程中的升溫速率分別為 ℃/s、℃/s、℃/s，因而可以通過控制加熱時間來控制模具型腔表面的溫度。圖 36 加熱細胞單元有限元網(wǎng)格模型及邊界條件31圖 37 加熱過程型腔表面五點溫度響應加熱 時模具型腔表面溫度高于 100℃，此時型腔表面 A～E 部分的溫度分布情況如圖 38 所示。最高溫度點位于中心位置的 C 處，溫度達到 ℃，最低溫度點為兩側(cè)的 A、E 點，溫度為 ℃。故本文用加熱結(jié)束時型腔表面的最高溫度CT與最低溫度 T之差 ΔT 來描述模具型腔表面的溫度均勻性，溫差 ΔT 越大，對應的模具型腔表面的溫度均勻性越差，加熱過程結(jié)束時所對應的加熱時間 t 代表加熱效率。圖 38 加熱 型腔表面溫度分布第 3 章 ERHCM 注塑模具溫度場模擬及熱響應效率影響因素分析32 ERHCM 注塑模具熱響應效率的影響因素分析本節(jié)基于所構建的加熱細胞單元，研究模具材料、模具結(jié)構、加熱棒的規(guī)格和空間布局等因素對 ERHCM 注塑成型工藝熱響應效率的影響規(guī)律，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。在評估各種因素對 ERHCM 注塑模具熱響應效率的影響時，以加熱結(jié)束后，型腔表面最大溫差 ΔT 來描述模具型腔表面的溫度均勻性，所需的加熱時間 t 來描述加熱效率。文中建立的用于評估熱響應效率的加熱細胞單元模型如圖 39 所示，其中d、p、h、p、H 分別表示電熱棒的直徑、功率密度、電熱棒壁面至型腔表面的距離、相鄰電熱棒壁面間距的一半以及模具型腔板的厚度。綜合考慮模具的加熱效率、型腔表面溫度均勻性、模具的結(jié)構強度以及模具的制造成本等其他因素，模具加熱系統(tǒng)設計參數(shù)取值范圍如下：電熱棒的直徑 d 在 4~8mm 之間；電熱棒的功率密度 q 在15~35w/cm2 之間；電熱棒壁面至型腔表面的距離 h 取值范圍為 4~8mm；相鄰電熱棒壁面間距的一半 p 取值范圍為 5~9mm[62]。對于模具型腔板厚 H 取值范圍在 30~70mm，模具加熱所需的設定溫度在 80~120℃之間。以下熱響應分析過程中，未特別說明的情況下，d、p、h、p 和 H 默認值分別為 6mm、25w/cm 7mm、7mm 和 50mm，模具型腔板材料為 AISI P20 模具鋼，模具加熱的預設溫度為 100℃。圖 39 加熱細胞單元分析模型 模具材料的影響上一章節(jié)的熱平衡分析結(jié)果表明，提高模具材料的熱導率，可以提高模具的加熱效率。文中我們選用高熱導率的硬質(zhì)銅合金(AMPCOLOY 940)和模具鋼（AISI P20）作為模具型腔板的材料，來研究模具材料對模具型腔表面熱響應效率的影響。表 32 為這33兩種模具材料的熱物理性能。表 32 各模具材料的熱物理性能材料 密度Kg/m3比熱容J/（Kg℃）熱導率W/(m℃) 模具鋼（P20）7850 460 34硬質(zhì)銅合金(AMPCOLOY 940)8710 380 208圖 310 為不同模具材料對應的型腔表面溫度響應曲線。從圖中可以看出，對于不同的模具材料，在加熱的過程當中，模具型腔表面溫度都呈現(xiàn)線性增長，這種溫度變化趨勢同 節(jié)中的 ERHCM 注塑模具熱響應分析獲得的型腔表面溫度的變化趨勢是相同的。從整體上看，在模具加熱的前 10s，高熱導率 AMPCOLOY 940 材料的模具的溫升速率明顯大于 P20 材料的模具的溫升速率，這符合提高模具材料的熱導率可以提高模具的加熱效率；在 10s 加熱時間后，我們可以明顯的看到模具鋼材料的模具的溫升速率開始大于硬質(zhì)銅合金材料的模具的溫升速率，高熱導率材料的模具不僅沒有提高型腔表面的加熱效率，反而導致模具型腔表面的加熱效率有所下降。究其主要原因為，高熱導率的模具材料加快了熱量從模具型腔板向模具固定板中的擴散速率，從而導致增加了熱量的消耗，但是電熱棒所生成釋放的總熱量是保持固定不變的，因而這意味著模具型腔板中存儲的熱量相對減少，模具型腔表面的溫升速率所有下降。圖 311 為不同模具材料對應的溫差 ΔT 響應曲線。從圖中可以看出，在較短的加熱時間內(nèi)，模具型腔表面溫差 ΔT 有著快速的增大，在加熱 10s 后，溫差 ΔT 開始逐漸趨于一穩(wěn)定值，高熱導率 AMPCOLOY 940 材料的模具型腔表面溫差 ΔT 明顯的小于熱導率相對較低的 P20 材料的模具型腔表面溫差 ΔT，這表明高熱導率材料的模具可以有效的改善模具型腔表面的溫度均勻性。綜合以上分析，我們可以得知：高熱導率材料的模具并不能有效改善 ERHCM 注塑模具的加熱效率，但可以有效的改善模具型腔表面的溫度均勻性。在實際的應用過程中，由于受模具成本、耐用性等方面的影響，模具型腔和型芯板的材料仍以導熱性相對較差的模具鋼為主，所以對于提高 ERHCM 注塑模具加熱效率和改善加熱均勻性，主要是對其模具結(jié)構做優(yōu)化設計。第 3 章 ERHCM 注塑模具溫度場模擬及熱響應效率影響因素分析34圖 310 不同模具材料對應的型腔表面溫度響應曲線圖 311 不同模具材料對應的溫差 ΔT 響應曲線 模具型腔板厚的影響第二章節(jié)的熱平衡分析結(jié)果表明減小模具型腔板的體積可以提高加熱效率。為了解釋說明模具型腔板的體積如何影響熱響應效率，我們規(guī)定電熱棒的規(guī)格和管道布局35為一定值，研究模具型腔板的厚度對加熱效率和溫度均勻性的影響。圖 312 為不同型腔板厚對應的型腔表面溫度響應曲線。從圖中可以看出，在加熱時間 30s 內(nèi)，各型腔板厚對應的型腔表面溫度響應曲線幾乎重合，主要是加熱棒與型腔表面之間的加熱體積為一定值，模具型腔板背面向模具固定板中的擴散速率不大；加熱時間 30s 之后，型腔板薄的模具的溫升速率開始大于型腔板厚的模具，主要是加熱時間長了后，模具型腔板溫度達到一個相對較高值，從而加快了熱量從模具型腔板向模具固定板中的擴散速率。圖 313 為不同型腔板厚對應的溫差 ΔT 響應曲線。從圖中可以看出，在較短的加熱時間內(nèi)，模具型腔表面溫差 ΔT 有著快速的增大，在加熱 10s 后，溫差 ΔT 開始逐漸趨于一穩(wěn)定值，并且在加熱時間 30s 之前，不同型腔板厚對應的溫差 ΔT 響應曲線幾乎重合，這表明模具型腔板的厚度對型腔表面溫度均勻性影響較小。在 ERHCM 注塑成型工藝過程中，要求的加熱時間相對較短（一般在 30s 秒內(nèi)） ，當電熱棒的規(guī)格和管道布局一定的時候，模具型腔板的厚度對加熱效率和溫度均勻性幾乎沒有影響。圖 312 不同型腔板厚對應的型腔表面溫度響應曲線第 3 章 ERHCM 注塑模具溫度場模擬及熱響應效率影響因素分析36圖 313 不同型腔板厚對應的溫差 ΔT 響應曲線 電熱棒規(guī)格的影響電熱棒為 ERHCM 注塑模具的重要組成部件，其規(guī)格對模具型腔表面的熱響應效率有著非常重要的影響。圖 39 中，我們可以獲知，電熱棒的規(guī)格可以用兩個變量來進行描述，一個是電熱棒的直徑 d，另一個為電熱棒的功率密度 q。為了研究電熱棒規(guī)格對模具的熱響應效率的影響，在下面的有限元模擬中，直徑 d 的值分別取為4mm、6mm 和 8mm，功率密度 q 的值分別為 15w/cm25w/cm 2 和 35w/cm2。圖 314 為不同規(guī)格電熱棒對應的型腔表面溫度響應曲線。從圖 314 中可以看出，隨著直徑 d 和功率密度 q 的增大，模具型腔表面的溫升速率也隨之增大。圖中，直徑d 為 8mm 和功率密度 q 為 25w/cm2 的組合加熱效率相對最高，而直徑 d 為 4mm 和功率密度 q 為 15w/cm2 的組合加熱效率最低，從中可以看出直徑 d 值和功率密度 q 值對模具加熱效率影響顯著。在模具強度允許范圍內(nèi)，為了提高模具的加熱效率應該盡量的增大電熱棒直徑和功率密度。圖 315 為不同規(guī)格電熱棒對應的溫差 ΔT 響應曲線。從圖中可以看出，在較短的加熱時間內(nèi)，模具型腔表面溫差 ΔT 有著快速的增