CN102358016A - 用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构及其应用 - Google Patents

Abstract

一种注塑产品制造技术领域的用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构及其应用，该结构包括线圈整体框架和若干个通过对应调节螺栓与之活动连接的感应线圈单元；感应线圈单元包括：电热线圈、底座、电极及卡销，其中：设置与底座正面的电热线圈的两端分别于两个设置于底座背面的电极相连，卡销设置于底座背面且与调节螺栓相连。本发明特别用于对由热塑性或热固性复合材料制成的部件进行注塑或者压塑生产中，解决注塑生产中外置式感应线圈缺乏通用性及无法根据实际生产情况进行局部调整的问题，能够根据模腔的表面起伏作相应的调节，且可以对线圈范围内局部温度可调。

Description

用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构及其应用

技术领域

本发明涉及的是一种注塑产品制造技术领域的装置及方法，具体是一种用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构及其应用。

背景技术

目前，为了解决注塑生产中产品高光洁度、短射及熔接痕等质量问题，通常应用模腔加热技术来解决。注塑模腔加热技术可大致分为高温蒸汽加热和电加热两大类。蒸汽加热技术，需要预先在模具中布设加热管路，通过模具内部流过的高温蒸汽流，对模具以热传导方式进行加热，加热过程为由内到外，其特点是：1)需先期设计布置加热管路；2)加热和冷却时间延长，因其冷却亦同样为由内向外进行。感应加热技术则是利用高频感应加热的“集肤效应”，采用配合模腔形状的感应线圈，通过流经线圈的高频电流对注塑模腔表面加热，其特点是：1)加热、冷却时间短，因其仅有模腔表面被加热、冷却，缩短了生产周期；2)一个模腔表面形状配制一个专用线圈。3)温度调控比其它加热方式快捷灵活。

因此，感应加热技术相比蒸汽加热技术，具有较明显的优越性。

经过对现有技术的检索发现，目前的感应加热技术存在有以下的局限：1)每付模具均需要根据模腔表面形状起伏，配制专用感应线圈，使感应线圈端面与模腔表面保持均匀间距，以达到加热时使模具表面升温均匀的效果，见图(1)；2)当配制的线圈效果不佳或者更换模具时，必须重新配制一新线圈；3)不具备对整体线圈范围内进行局部温度调节。这为生产应用带来了诸多不便，限制了其使用范围。

中国专利申请号200710026536，公开了一种“感应式加热模具的装置”，该技术包括一模具以及一加热单元，其中，所述模具设置于成型机上，用以注塑成型；又，所述加热单元可伸入上述模具的模腔中对模腔进行快速加热，且该加热单元利用一加热线圈通入变频电流产生的磁力线集中在模具上，由于电磁的感应作用，产生涡旋电流，而模具则因本身的金属阻抗而被快速加热，待该模具加热到一定程度并进行注塑成型。

上述技术同样应用感应加热原理，对注塑模腔进行快速加热，其存在的缺点是：感应加热装置仅由一个整体式线圈构成，这种线圈装置只能有两种可能的形式：一是为某种模具模腔量身订做，根据模具表面形状起伏制造线圈；二是采用无表面形状特征的平面线圈。使用中的缺点如下：第一种方式的线圈不具有通用性，更换产品或者更换模具时需要重新定制线圈，其次，线圈范围内局部温度不可控；采用第二种平面通用线圈方式时，仅对模具表面起伏小(近似平面)具有效果，而对于表面有起伏凹凸的模腔，这类线圈由于电磁源处于一个平面，与模腔高度变化处不能贴合，无法做到均匀加热。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构及其应用，特别用于对由热塑性或热固性复合材料制成的部件进行注塑或者压塑生产中，解决注塑生产中外置式感应线圈缺乏通用性及无法根据实际生产情况进行局部调整的问题，能够根据模腔的表面起伏作相应的调节，且可以对线圈范围内局部温度可调。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构，包括：线圈整体框架和若干个通过对应调节螺栓与之活动连接的感应线圈单元。

所述的调节螺栓上设有旋钮，以固定感应线圈单元与线圈整体框架之间的垂直距离。

所述的感应线圈单元包括：电热线圈、底座、电极及卡销，其中：设置与底座正面的电热线圈的两端分别于两个设置于底座背面的电极相连，卡销设置于底座背面且与调节螺栓相连。

本发明涉及上述结构的应用方法，包括以下步骤：

1)根据模腔表面形貌调节各个感应线圈单元的调节螺栓旋钮，使各个线圈单元端面与模腔表面的形貌保持一致；

2)将外置式组合感应线圈阵列结构固定于机械手上(或者机械框架上)，架并接通电源；

3)调节机械手(或者机械框架)位置，使外置式组合感应线圈阵列结构位于模具表面待加热位置且与模具的表面形貌起伏保持等距；

4)对模具加热数秒至所需温度后将外置式组合感应线圈阵列结构撤离模具表面，动模合模开始注塑生产，实现对注塑件的加热。

对异型表面模具，调节各个感应单元线圈端面与模具表面的距离，使之适应模具的凸凹起伏并与模具表面保持等距，可以使异型模具表面均匀加热升温；在整个感应线圈单元列阵中，调节局部感应线圈单元与模具表面的不同距离，则可对阵列线圈范围内的某些局部温度实现单独控制。同样，阵列式感应线圈单元结构，对独立感应线圈单元可以实现功率、频率和距离的独立调节，以适应任意形状模具表面和温度调节的特殊需要。

附图说明

图1为使用外置式感应线圈示意图；

图中：(a)为模腔外凸示意图；(b)为模腔内凹示意图；1由模腔形状定制线圈，2模具。

图2为外置式组合感应线圈示意图；

图中：(a)为模腔外凸示意图；(b)为模腔内凹示意图；3组合感应线圈框架、4感应线圈单元、5调节螺栓。

图3为本发明结构示意图；

图4为感应线圈单元结构示意图；

图中：6感应线圈、7卡销、8电源连接线、9旋钮、10底座。

图5为外置式组合感应线圈实施示意图；

图中：11机械手、12动模块、13定模块、14机械手固定夹、15外置式组合感应线圈。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图3所示，本装置包括：线圈整体框架3和若干个通过对应调节螺栓5与之活动连接的感应线圈单元4。

所述的调节螺栓5上设有旋钮9，以固定感应线圈单元4与线圈整体框架3之间的垂直距离。

所述的感应线圈单元4包括：调节螺栓5、电热线圈6、卡销7、电源连接线8、旋钮9及底座10，其中：设置于底座10正面的电热线圈6的两端分别于两个设置于底座10背面的电源连接线8相连，卡销7设置于底座10背面且与调节螺栓5相连。

如图5所示，本实施例通过设置于机械手系统上进行加热处理，该系统包括：动模块12、定模块13、机械手11、固定夹14、外置式组合感应线15。本实施例应用条件如下：使用2台同一规格的感应电源，分别对2组完全一样的感应线圈供电，用以加热2块完全一样的钢坯料(体积V，尺寸规格：L＊W＊h，钢材比热容为c，密度为ρ)；加热过程中有效功利用率为η；σ-金属坯料的平均电阻率(Ωm)，μr-金属坯料的相对磁导率，f-电流的频率(Hz)。已知感应加热有集肤效应，即加热过程中约有63.2％的电流在厚度为Δ的导体表面层内流动，86.5％的感应功率在Δ的表面层内转化为热能。其中Δ为集肤深度，由公式：

得出。由公式可见，集肤深度与电流频率成反比，频率越高，加热的金属层厚度越小。

本实施例通过以下步骤对塑件进行加热：

1)根据模腔表面形貌调节各个感应线圈单元4的调节螺栓旋钮5，使各个线圈单元4端面与模腔表面的形貌保持一致；

2)将外置式组合感应线圈15阵列结构固定于机械手上(或者机械框架上)，架并接通电源；

3)调节机械手(或者机械框架3位置，使外置式组合感应线圈15阵列结构位于模具表面待加热位置且与模具的表面形貌起伏保持等距；

4)对模具加热数秒至所需温度后将外置式组合感应线圈15阵列结构撤离模具表面，动模合模开始注塑生产，实现对注塑件的加热。

改进效果的理论推导

1)感应电源提供的交流电频率改变对加热的影响

由法拉第电磁感应定律可以确定：E＝fnΦ(磁通量Φ＝Φmsinωt，交变电流角频率为ω＝2πf)；其中E-感应电动势，n-感应线圈匝数，Φ-磁通量。

有效感应电动势Em＝4.44fnΦm，设此电动势在坯料中产生的涡流为：I，则消耗于坯料加热过程中的功率为：

由此可见，加热所消耗的功率跟电流频率成正比关系(实际上功率P与频率的平方f^2成正比，分析较为复杂，此略)，保持其他因素不变的前提下，频率越高，加热的速度越快。

本案例相关计算：所用感应电源供电频率段为30k～100KHz，使用30khz交流电加热体积V的钢坯()功率为：P1；使用100Khz加热同一体积坯料功率：P2.则有P1/P2＝0.09.此结果说明，其他条件不变且解热同样的时间t(如t＝20s)情况下，使用30khz比使用100khz加热同样坯料，根据能量守恒定律，钢坯吸收的有效功全部用来发热，即：Pt＝ρVc(T-T0)，T为加热时间t后钢坯平均温度，T0为钢坯起始温度(室温20度)。则有T＝Pt/ρVc+T0，此式中唯一影响T大小的因素为P，而之前所知，P1/P2＝0.09，故T1/T2＝0.09(同样时间t内，若30KHz电源只能加热体积V钢坯到29度，100KHz能加热其至120度)。

以上分析并未考虑集肤效应，使用的温度为钢坯平均温度。若考虑集肤效应，使用100KHz交流电对金属表层集产生的肤深度为使用30KHz交流电所产生集肤深度的0.54倍(由集肤深度公式得出)，即同样面积的坯料，100KHz交流电仅加热的坯料体积为30KHz交流电所加热坯料体积的0.54倍。这说明，同等情况下高频电流加热金属表层会更迅捷，且有利于冷却。

结论1：改变单元线圈的频率，可以影响被加热体的温度，且可以改变被加热体的加热深度。

2)感应电源提供的交流电功率改变对加热的影响

根据能量守恒定律，感应电源提供的功率P一部分P1用于做功使被加热物体(钢坯)发热，另一部分P2由钢坯与周围环境热交换消耗于空气中.此过程中存在一个能量有效利用率-η，有η＝P1/P.根据公式：P1＝Pη，要想提高钢坯的升温速度，μ作为常数不变的情况下，只需提高感应电源功率P。

本案例相关计算：采用电源功率可调范围为额定功率的10％～100％，电源额定功率为15KW。故此电源可调功率范围为：Pmin＝1.5KW～Pmax＝15KW。当分别使用Pmin与Pmax进行加热时，钢坯所用于升温的功率为1∶10比例，故同一时间t内加热同一体积V的坯料，根据能量守恒Pt＝ρVc(T-T0)，T为加热时间t后钢坯平均温度，T0为钢坯起始温度(室温)，可得T＝Pt/ρVc+T0，此式中唯一影响T大小的因素为P，而Pmin∶Pmax＝1∶10，故Tmin/Tmax＝1∶10。采用1.5KW电源输出加热某钢坯t时间能达到30度，则使用15KW电源输出能使其达到120度。

结论2：改变单元线圈的输入功率，可以改变被加热体的温度

3)感应线圈与被加热面距离的改变对加热的影响

线圈通某个特定参数的交流电后产生的磁场是一定的，所以磁通量

取决于被加热导体与磁场的相对位置关系。由于磁场围绕线圈往空间发散，由密到疏，距离线圈越近，显而易见导体切割磁力线越多，即导体表面的磁通量越大。

本案例相关计算：假定通相同频率电流的2组线圈1、2，分别放置于距钢坯表面h1，h2处，其中h2＞h1，可特使h2＝2h1；并假设，线圈磁场均匀，磁力线由密到疏发散，其磁场强度q与金属导体距线圈距离h成反比，则钢坯表面分别处于线圈1，线圈2磁场时磁场强度为q1、q2，且据前面假设有q1＝2q2，如此通过钢坯表面磁通量分别为：

钢坯切割磁感线面积(受热面积)相同的情况下有

根据公式

感应电动势产生功率正比于磁通量而根据能量守恒Pt＝ρVc(T-T0)，T为加热时间t后钢坯平均温度，T0为钢坯起始温度(室温)，可得

此式中唯一影响T大小的因素为当线圈距金属表面距离h2，加热时间t后，钢坯表面温度为120度，则距离减少一半为h1时，加热同样时间t钢坯表面能达到220度。想象极限情况，导体距离线圈无限远，切割磁力线为0，则产生的功率也为0，无法达到加热目的。

结论3：改变感应线圈单元端面与被加热体表面的距离，可以影响被加热体的温度。

Claims (3)

1.一种用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构，其特征在于，包括：线圈整体框架和若干个通过对应调节螺栓与之活动连接的感应线圈单元；

所述的感应线圈单元包括：电热线圈、底座、电极及卡销，其中：设置与底座正面的电热线圈的两端分别于两个设置于底座背面的电极相连，卡销设置于底座背面且与调节螺栓相连。

2.根据权利要求1所述的用于注塑的外置式组合感应线圈阵列结构，其特征是，所述的调节螺栓上设有旋钮，以固定感应线圈单元与线圈整体框架之间的垂直距离。

3.根据上述任一权利要求所述外置式组合感应线圈阵列结构的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据模腔表面形貌调节各个感应线圈单元的调节螺栓旋钮，使各个线圈单元端面与模腔表面的形貌保持一致；

2)将外置式组合感应线圈阵列结构固定于机械手上或者机械框架上，并接通电源；

3)调节机械手或者机械框架位置，使外置式组合感应线圈阵列结构位于模具表面待加热位置且与模具的表面形貌起伏保持等距；

4)对模具加热数秒至所需温度后将外置式组合感应线圈阵列结构撤离模具表面，动模合模开始注塑生产，实现对注塑件的加热。

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