电热式变模温注塑模具热响应评估实验研究.pdf
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1、塑料工业 第 卷第 期 年 月电热式变模温注塑模具热响应评估实验研究肖成龙 黄慧婷 文 胜(.湖南工学院材料科学与工程学院 湖南 衡阳 .广东汇齐新材料有限公司 广东 东莞)摘要:以电热式变模温注塑模具为例 利用构建的温度数据采集系统对模具型腔表面的热响应规律进行了系统的实验研究结果表明 加热阶段模腔表面温度随加热时间线性提高 冷却阶段模腔表面的初始冷却速率较快 随后逐渐趋缓 模腔表面在反复循环加热和冷却过程中 其温度首先呈周期性波动上升 随后逐渐达到稳态 建立了稳态时模腔表面波峰温度 和波谷温度 与模具加热时间 和模具冷却时间 之间的定量关系模型 以对模腔表面温度进行预测 验证试验结果表明模
2、型具有很高的预测精度 最后 以 玻璃纤维增强聚碳酸酯作为原料 进行了变模温注塑实验 获得了具有镜面高光的面板塑件产品证实了变模温注塑工艺能显著提高纤维增强塑件表观质量的有效性关键词:变模温注塑模具 热响应 表观质量 纤维增强塑件中图分类号:文献标识码:文章编号:():/开放科学(资源服务)标识码():(.):.()()()().:近年来 随着我国经济的迅猛发展 汽车保有量逐年增加 这也引发了日益严重的环境问题 因此研究如何实现汽车工业的节能减排成为了一个热门的研究方向 在汽车工业的发展过程中 采用比重更轻的非金属材料来替代传统的金属材料已成为一种必然的趋势 其中 应用复合材料来替代汽车的部分结
3、构件、覆盖件以及内外装饰件 被认为是实现汽车轻量化的最佳途径之一 纤维增强高分子复合材料因其低成本、高比强度、耐腐蚀性、降噪减震性和易成型等优点 一直以来都是我国汽车(包括传统燃油车和新能源汽车)工业中新材料应用的热门领域注塑是成型纤维增强高分子复合材料类汽车零部件最常采用的工艺之一 注塑的高附加值汽车零部件湖南省自然科学基金面上项目()湖南工学院高层次人才科研启动基金()湖南工学院大学生创新创业训练计划项目()通信作者:肖成龙 男 年生 副教授/博士 主要从事高分子材料成型加工工艺及装备方面的研究 第 卷第 期肖成龙 等:电热式变模温注塑模具热响应评估实验研究产品包括保险杠、导流板、仪表盘、
4、引擎盖、灯罩等 且正逐渐扩展到汽车结构件领域 然而 注塑的纤维增强高分子复合材料制品 经常出现纤维外露(即“浮纤”)的表观缺陷 通常需经二次加工处理(如打磨、喷漆和抛光等)才能达到高表面光泽度的要求 这在很大程度上限制了纤维增强塑件的应用范围变模温注塑是一种基于模具快速加热和快速冷却的塑料成型加工技术 采用该技术能实现塑料熔体在高模温下充填模具型腔 有效地解决了常规注塑中充模熔体表层“过早冷凝”的难题 从而显著提高塑件的外观品质 例如 等分别基于所构建的变模温模具注射成型了 玻璃纤维增强聚丙烯复合材料制品 研究结果表明 采用变模温注塑工艺 当模腔表面温度超过某一临界值后 制品表面的“浮纤”现象
5、能被完全消除 使得其表面光泽度、表面粗糙度分别从 提高到 和从 降低至 产品无需后续处理即可满足使用要求 因此 变模温注塑展示了其可直接成型高表面质量纤维增强塑件的潜力由于采用了动态模温控制的方式 决定了变模温注塑模具具有与常规注塑模具明显不同的温度响应特性 变模温注塑模具型腔表面温度的变化不仅影响产品的品质 而且对成型周期也具有重要的影响 因此 精确调控模腔表面的温度变化对高效生产高品质的产品具有重要意义 为此 本文以电热式变模温注塑模具为例 利用构建的温度数据采集系统对变模温注塑模具型腔表面的热响应规律进行了系统的实验研究 旨在为变模温注塑工艺过程优化和工艺参数调试提供理论指导 实验部分
6、电热式变模温注塑模具设计选择具有简单外形的矩形面板塑件作为研究对象 设计了相应的电热式变模温注塑模具 如图 所示 面板的长、宽分别为 和 壁厚约为 实际应用中 仅面板的外表面具有高光泽度要求 故只在模具的型腔嵌块中安装了电热棒和开设了冷却水管道 以满足变模温注塑中型腔表面的快速加热和快速冷却需求 为确保整个型腔表面的加热效率和加热均匀性 在型腔嵌块的背部设置了隔热板以减少模具加热阶段的热损耗 并将 根直径为、功率密度为 /的电热棒均匀布置在靠近型腔表面的位置 此外 在型腔嵌块侧面均匀地钻设了 个直径为 的冷却管道 其中心距型腔表面约为 与电热棒垂直交叉布置 以提高模具型腔嵌块的结构强度图 电热
7、式变模温注塑面模具结构示意图 模腔表面热响应测试评估为了研究模具在快速加热和冷却过程中型腔表面温度的演变规律 构建了如图 所示的型腔表面温度数据采集系统 包括耐高温自黏型表面热电偶(美国 工业测量有限公司)、数据采集卡(美国国家仪器公司)和工业控制计算机(众研工控北京科技有限公司)测量时 首先在配套软件 的数据采集界面设置采样频率(本文设定为 )随后触发数据采集开关 系统开始采集并实时存储型腔表面在模具循环加热与冷却过程中随时间变化的温度数据 待采集过程结束后 利用 软件对数据进行处理图 模具型腔表面温度数据采集系统 为系统地评估模腔表面的热响应 基于所构建的温度数据采集系统 分别测试了模具在
8、单周期和多周期循环加热与冷却两种工况下型腔表面的温度变化情况 在模具单周期循环加热与冷却实验中 首先将模腔表面从室温 加热至预定的目标温度(分别为、和 )随即冷却模具直至模腔表面温度降至 以下 以评估模腔表面的加热和冷却效率 而对模具多周期循环加热与冷塑 料 工 业 年 却 以模具加热时间 和模具冷却时间 作为设计变量 制定了两因素四水平的全因子试验(详见表)针对变量 和 不同水平的完备组合 共进行了 次模具多周期(至少 个完整周期)循环加热和冷却实验 以评估模具在反复加热和冷却过程中模腔表面的热响应规律以及 和 对模腔表面的热响应的影响表 两因素四水平的全因子试验设计表及试验结果 序号设计变
9、量及水平模具加热时间()/模具冷却时间()/响应变量稳态时的波峰温度()/稳态时的波谷温度()/实验测量模型预测相对误差/实验测量模型预测相对误差/模型验证实验 变模温注塑成型实验为进一步验证变模温注塑工艺在显著提高纤维增强高分子制品表观质量方面的有效性 基于研制的电加热和水冷却面板模具(见图)进行了变模温注塑实验 实验使用的原料为 的玻璃纤维增强聚碳酸酯(广州金发科技有限公司)其玻璃化转变温度 注塑前原料在 的真空环境中干燥 变模温注塑实验中 设置熔体注射时刻的模腔表面温度为 注塑冷却阶段制品的顶出温度为 其余工艺参数包括注射压力、注射速率、保压压力、保压时间、熔体温度分别设定为、/、和 结
10、果与讨论 模腔表面热响应图 展示出了模具在单周期循环加热与冷却过程中模腔表面温度的响应曲线 可见 在加热阶段 不同目标温度下对应的模腔表面升温曲线基本重合 表明模具电加热方式具有较高的稳定性 此外 模腔表面温度随模具加热时间呈线性提高 平均加热速率达 /值得指出的是 通过适当减少电热棒与型腔表面的间距、增加电热棒的数量和功率可进一步提高模腔表面的加热效率图 模具单周期循环加热和冷却过程中测得的模腔表面温度响应曲线 当型腔表面加热至预定目标温度时 立即停止加热模具 并同时往冷却管道中泵入冷却水对模具进行第 卷第 期肖成龙 等:电热式变模温注塑模具热响应评估实验研究冷却 由于温度惯性的作用 模腔表
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