CN103991151A - 一种加热速率可调、温度可控的模具装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种加热速率可调、温度可控的模具装置及其控制方法，增压泵将储液池中的导热油泵入液体加热器中；同时对液体加热器中的导热油加热，经过加热后的导热油分别流入上、下模中的软管中，再流回储液池中，实现上下双面同时、持续加热；当片状温度传感器检测温度达到控制器的预设温度的三分之二温度值时，控制器按温度每上升将变压器的电压调低，以调节加热速率；储液池中经加热回流的导热油经冷凝器分别流入上、下模中的软管中，实现持续、渐进冷却；利用一个储液池中的耐高温导热油实现对上、下模的同时加热或冷却，通过控制器、变压器、温度传感器的配置来实现加热速率的自动调节和加热温度的自动控制以减小热冲，使温度控制更为精准。

Description

一种加热速率可调、温度可控的模具装置及其控制方法

技术领域

本发明属于模具技术领域，具体是涉及一种加热速率可调、温度可控的模具装置，主要用于对加热温度精确性和受热均匀性要求比较苛刻、对缩短生产周期需求迫切的各种大型纤维增强复合材料构件制造领域。

背景技术

 在大型纤维增强复合材料及其制件的制造过程中，温度的精确控制和温度分布的均匀性对制件的力学性能具有至关重要的影响。目前，大型纤维增强复合材料制件的制造过程中使用的模具加热方式主要有烘箱/高压釜加热、热空气加热、电加热等几种方式。对烘箱/高压釜加热方式，虽然制件和模具温度分布较均匀、运行成本低，但在加热大尺寸构件时，对烘箱/高压釜规格与功能要求苛刻，模具移动及操作不便，所需加热时间长，加热效果不理想；热空气加热方式温度调节能力差、且难以满足目前多数大型纤维增强复合材料的浸渗和固化温度要求；电加热方式一般是通过在模具中预埋电阻丝实现，初期投入低，控制方式灵活，短期使用效果好，但长期反复使用过程中电阻丝易氧化而造成生产安全隐患，且热损失大、温度分布不均匀、热冲厉害，容易造成材料过热损伤。此外，目前采用的模具冷却方式主要是水冷，不仅冷却速度慢、效果差，而且冷却水与模具在冷却初期的巨大温差也容易造成模具的热疲劳龟裂导致模具失效，例如：中国专利号为200520053210.3、名称为“一种循环运水式模具控温机”，中国专利号为200520053210.3、名称为“模具控温机的水循环装置”。

发明内容

本发明的目的是为解决现有大型纤维增强复合材料制件的制造过程中使用的模具加热及冷却方式存在的不足，提供一种能实现加热速率可调、温度可控的模具装置，同时提供该模具装置的控制方法，实现对上模和下模的同时加热或冷却，保证模具与大型纤维复合材料均匀受热，且加热过程中加热温度和加热速率可自动调控，热冲小。

为实现上述目的，本发明一种加热速率可调、温度可控的模具装置采用的技术方案是：包括上模和下模，上模和下模内部均布置软管，软管的两端均从上模和下模的进、出口端伸出，从上模和下模的进口端伸出的软管分别连接第三三通管的两头，从上模和下模的出口端伸出的软管分别连接第四三通管的两头；第四三通管的第三头连接密封的储液池，储液池中储有导热油，第三三通管的第三头通过管道连接第二三通管的一头，第二三通管的另一头经第四单向阀连接冷凝器的输出端；第二三通管的第三头经第三单向阀连接液体加热器底部输出端；液体加热器中设置发热丝，发热丝通过与其串连的开关连接控制器；冷凝器的输入端通过第二单向阀连接第一三通管的一头，第一三通管的另一头经增压泵连接储液池，第一三通管的第三头经第一单向阀连接液体加热器的顶部输入端；下模的上表面处安装有通过信号线连接控制器的片状温度传感器，控制器还通过控制线分别连接变压器、增压泵、冷凝器和所有的单向阀。

    本发明所述加热速率可调、温度可控的模具装置的控制方法采用的技术方案是具有以下步骤：A、控制器控制第二、第四单向阀关闭，冷凝器停止工作；控制增压泵工作、第一单向阀打开，增压泵将储液池中的导热油泵入液体加热器中；同时控制器控制发热丝工作，对液体加热器中的导热油加热，并打开第三单向阀，经过加热后的导热油经依次由第三单向阀、第二三通管、第三三通管分别流入上模和下模中的软管中，再经由第四三通管流回储液池1中，实现上下双面同时、持续加热。 B、在持续加热过程中，当片状温度传感器检测温度达到控制器的预设温度                                                的三分之二温度值时，控制器按温度每上升将变压器的电压调低伏，，是控制器预设的初始电压，直到模具温度达到控制器的预设温度为止，以调节加热速率。 C、控制器打开第四、二单向阀，并开启冷凝器和增压泵，储液池中经加热回流的导热油在增压泵的作用下顺序流过第一三通管、第二单向阀、冷凝器、第四单向阀、第二三通管、第三三通管后分别流入上模和下模中的软管中，然后经由第四三通管流回储液池，并在增压泵的带动下循环流动，实现持续、渐进冷却。

本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：

 1、利用一个储液池中的耐高温导热油实现对上模和下模的同时加热或冷却，通过控制器、变压器、温度传感器的配置来实现加热速率的自动调节和加热温度的自动控制以减小热冲，使温度控制更为精准。

 2、本发明通过上模和下模表面上的连续的弯曲加热通道的布置来实现对材料的双面加热或冷却，保证模具或材料温度的均匀分布。

     3、本发明通过冷却系统的渐进冷却，在缩短复合材料制件生产周期的同时，大大降低了模具的热疲劳龟裂失效风险。

     4、本发明尤其适用于对加热温度精确性和温度分布均匀性要求比较苛刻的大型复合材料制件制造领域，其渐进式冷却系统的配置也大大缩短了复合材料及其制件的生产周期，能提高大型纤维复合材料构件的力学性能和制造质量。

 附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1 为本发明一种加热速率可调、温度可控的模具装置的结构示意图；

图2 为图1中上模8的上半部分23的仰视结构示意图；

图3为图1中上模8的下半部分24的结构示意图；

图4为图1中下模9的上半部分27的仰视结构示意图；

图5为图1中下模9的下半部分28的的结构示意图；

图中：1.储液池；2.增压泵；3.液体加热器；4.发热丝；5.冷凝器；6.控制器；7.变压器；8.上模；9.下模；10.片状温度传感器；11.第一三通管；12.第二三通管；13.第三三通管；14.第四三通管；15.第一单向阀；16.第二单向阀；17.第三单向阀；18.第四单向阀；19.第一管接头；20.第二管接头；21.第三管接头；22.第四管接头；23.上模上半部分；24.上模下半部分；25.上模上半部分下表面的半圆弧槽；26.上模下半部分上表面的半圆弧槽；27.下模上半部分；28.下模下半部分；29.下模上半部分下表面的半圆弧槽；30.下模下半部分上表面的半圆弧槽；31.台阶槽；32.上模上半部分下表面；33.上模下半部分上表面；34.下模上半部分下表面；35.下模下半部分上表面；36.下模上半部分上表面。

具体实施方式

参见图1所示，本发明一种加热速率可调、温度可控的模具装置包括上模8和下模9，上模8和下模9的内部均布置耐高温的软管，软管的两端均从上模8和下模9的进口端、出口端伸出，伸出端均通过管接头和管道连接外部的三通管，从上模8和下模9的进口端伸出的软管分别连接第三三通管13的两头，从上模8和下模9的出口端伸出的软管分别连接第四三通管14的两头。具体是：上模8内部的软管在进口端通过第一管接头19和管道连接第三三通管13的一头，下模9内部的软管在进口端通过第二管接头20和管道连接第三三通管13的另一头，上模8内部的软管在出口端通过第三管接头21和管道连接第四三通管14的一头，下模9内部的软管在进口端通过第四管接头22 和管道连接第四三通管14的另一头。第四三通管14的第三头连接密封的储液池1，密封的储液池1中储有耐高温导热油，而第三三通管13的第三头通过管道连接第二三通管12的一头，第二三通管12的另一头连接第四单向阀18，经第四单向阀18连接冷凝器5的输出端。第二三通管12的第三头连接第三单向阀17，经第三单向阀17连接液体加热器3的底部输出端。在液体加热器3中设置发热丝4，发热丝4通过与其串连的开关连接控制器6，控制器6位于液体加热器3外部，通过控制器6控制发热丝4的工作，实现对液体加热器3中的耐高温导热油进行加热。冷凝器5的输入端通过第二单向阀16连接第一三通管11的一头，第一三通管11的另一头经增压泵2连接密封的储液池1，第一三通管11的第三头经第一单向阀15连接液体加热器3的顶部输入端。

在下模9的上表面处安装片状温度传感器10，片状温度传感器10通过信号线连接控制器6，控制器6还通过控制线分别连接变压器7、增压泵2、冷凝器5和所有的单向阀。变压器7的入口端外接电源，变压器7出口端与控制器6相连。

所用的软管和管道均为耐高温的特氟龙管363，在特氟龙管363的每个接口处都采用耐高温的全氟醚橡胶密封圈来密封。

参见图2和图3所示，上模8由上半部分23和下半部分24组成，上模8上半部分23的下表面具有与制件形状一致的曲面32，曲面32上设有连续的U型或V型布置的半圆弧槽25；上模8下半部分24的上表面具有与上模8上半部分23的下表面32形状一致的曲面33，曲面33上设有与半圆弧槽25形状相应的连续的U型或V型布置的半圆弧槽26，半圆弧槽25和半圆弧槽26对合在一起形成连续的通道，连续的通道中置放软管，即置放耐高温特氟龙管363；上模8的上半部分23和上模8的下半部分24通过销钉定位，螺钉连接，将软管封于半圆弧槽25与半圆弧槽26对合成的连续的通道中。

参见图4和图5所示，下模9由上半部分27和下半部分28组成，下模9上半部分27的下表面具有与制件形状一致的曲面34，曲面34上设有连续的U型或V型布置半圆弧槽29；下模9下半部分28的上表面具有与下模9上半部分27的下表面34形状一致的曲面35，曲面35上设有与半圆弧槽29形状相对应的连续的U型或V型布置的半圆弧槽30，半圆弧槽29和半圆弧槽30对合在一起形成连续的通道，连续的通道中置放有耐高温软管；下模上半部分27和下模下半部分28通过销钉定位，螺钉连接，将耐高温特氟龙管363封于半圆弧槽29与半圆弧槽30对合形成的连续的通道中；下模上半部分27附近紧邻上表面36处开设有一台阶槽31，台阶槽31中安置片状温度传感器10，片状温度传感器10通过导线与控制器6相连。

本发明一种加热速率可调、温度可控的模具装置是一个完整的模具加热或冷却液体回路装置，通过控制器6和变压器7实现加热速率的自动调节和热惯性可控，通过控制器6和片状温度传感器10实现加热温度可控，通过控制器6和冷凝器5来实现模具的渐进冷却。具体是： 

     A、控制器6控制第二、第四单向阀16、18关闭，冷凝器5停止工作；控制增压泵2工作、第一单向阀15打开，通过增压泵2将储液池1中的耐高温导热油泵入液体加热器3中，同时控制器6控制发热丝4工作，对液体加热器3中的导热油加热，并打开第三单向阀17，经过加热后的耐高温导热油经由第三单向阀17、第二三通管12、第三三通管13分别流入上模8和下模9 中的软管中，然后再经由第四三通管14流回密封的储液池1中。如此，在增压泵2的带动下循环流动，以实现对模具中材料的上下双面同时、持续加热。

     B、在持续加热过程中，当片状温度传感器10检测模面温度达到控制器6的预设温度（如：YPH-23环氧树脂的浸渗温度）的三分之二的温度值（即）时，通过控制器6按温度每上升，将变压器7的电压调低伏，，其中，为控制器6预设的初始电压，以此调节加热速率，减少热冲，直到模面温度达到控制器6的预设温度为止，完成材料加热速率可调的加热过程。

     C、当模具温度达到控制器6的预设温度时，通过控制器6将变压器7的电压由此时的伏调为0伏以停止加热，当模具温度达到控制器6的预设温度以下时(即)，再通过控制器6将变压器7的电压调为伏，在低电压下开始加热，如此反复，实现保温，保温时间由控制器6预设的保温时间决定。

    D、在控制器6预设的保温时间结束后，再由控制器6依次关闭液体加热器3、增压泵2、第一单向阀15、第三单向阀17，同时将变压器7的电压调为控制器6预设的初始电压，完成加热和保温过程。

    E、冷却过程开始前，由控制器6依次打开第四单向阀18、第二单向阀16，并开启冷凝器5和增压泵2，储液池1中经加热回流的耐高温导热油在增压泵2的作用下，顺序流过第一三通管11、第二单向阀16、冷凝器5、第四单向阀18、第二三通管12、第三三通管13后分别流入上模8和下模9 中布置的软管中，然后经由第四三通管14流回密封的储液池1，并在增压泵2的带动下循环流动，实现模具及材料的持续、渐进冷却。

    F、在模具冷却过程中，当片状温度传感器10检测模面温度达到控制器6设定的冷却温度（一般为室温）时，由控制器6依次关闭增压泵2、冷凝器5、第四单向阀18和第二单向阀16，完成冷却过程，然后即可开模取件。

Claims (7)

1.一种加热速率可调、温度可控的模具装置，包括上模（8）和下模（9），其特征是：上、下模（8、9）内部均布置软管，软管的两端均从上、下模（8、9）的进、出口端伸出，从上、下模（8、9）的进口端伸出的软管分别连接第三三通管（13）的两头，从上、下模（8、9）的出口端伸出的软管分别连接第四三通管（14）的两头；第四三通管（14）的第三头连接密封的储液池（1），储液池（1）中储有导热油，第三三通管（13）的第三头通过管道连接第二三通管（12）的一头，第二三通管（12）的另一头经第四单向阀（18）连接冷凝器（5）的输出端；第二三通管（12）的第三头经第三单向阀（17）连接液体加热器（3）底部输出端；液体加热器（3）中设置发热丝（4），发热丝（4）连接控制器（6）；冷凝器（5）的输入端通过第二单向阀（16）连接第一三通管（11）的一头，第一三通管（11）的另一头经增压泵（2）连接储液池（1），第一三通管（11）的第三头经第一单向阀（15）连接液体加热器（3）的顶部输入端；下模（9）的上表面处装有通过信号线连接控制器（6）的片状温度传感器（10），控制器（6）通过控制线分别连接变压器（7）、增压泵（2）、冷凝器（5）和所有的单向阀。

2.根据权利要求1所述的模具装置，其特征是：所述上模（8）由上半部分（23）和下半部分（24）组成，上模（8）上半部分（23）的下表面具有与制件形状一致的第一曲面（32），第一曲面（32）上设有连续的U型或V型布置的第一半圆弧槽（25）；上模（8）下半部分（24）的上表面具有与上模（8）上半部分（23）的下表面（32）形状一致的第二曲面（33），第二曲面（33）上设有与第一半圆弧槽（25）形状相应的第二半圆弧槽（26），这两个半圆弧槽（25、26）对合形成连续的通道，通道中置放软管。

3. 根据权利要求1所述的模具装置，其特征是：所述下模（9）由上半部分（27）和下半部分（28）组成，下模（9）上半部分（27）的下表面具有与制件形状一致的第三曲面（34），第三曲面（34）上设有连续的U型或V型布置的第三半圆弧槽（29）；下模（9）下半部分（28）的上表面具有与下模（9）上半部分（27）的下表面（34）形状一致的第四曲面（35），第四曲面（35）上设有与第三半圆弧槽29形状相对应的第四半圆弧槽（30），这两个半圆弧槽（29、30）对合形成连续的通道，通道中置放软管。

4.一种如权利要求1所述加热速率可调、温度可控的模具装置的控制方法，其特征是具有以下步骤：

    A、控制器（6）控制第二、第四单向阀（16、18）关闭，冷凝器（5）停止工作；控制增压泵（2）工作、第一单向阀（15）打开，增压泵（2）将储液池（1）中的导热油泵入液体加热器（3）中；同时控制器（6）控制发热丝（4）工作，对液体加热器（3）中的导热油加热，并打开第三单向阀（17），经过加热后的导热油经依次由第三单向阀（17）、第二三通管（12）、第三三通管（13）分别流入上、下模（8、9 ）中的软管中，再经由第四三通管（14）流回储液池（1）中，实现上下双面同时、持续加热；

     B、在持续加热过程中，当片状温度传感器（10）检测温度达到控制器（6）的预设温度                                                的三分之二温度值时，控制器（6）按温度每上升，将变压器（7）的电压调低伏，，是控制器（6）预设的初始电压，直到模具温度达到控制器（6）的预设温度为止，以调节加热速率；

C、控制器（6）打开第四、二单向阀（18、16），并开启冷凝器（5）和增压泵（2），储液池（1）中经加热回流的导热油在增压泵（2）的作用下顺序流过第一三通管（11）、第二单向阀（16）、冷凝器（5）、第四单向阀（18）、第二三通管（12）、第三三通管（13）后分别流入上模（8）和下模（9 ）中的软管中，然后经由第四三通管（14）流回储液池（1），在增压泵（2）的带动下循环流动，实现持续、渐进冷却。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征是： 步骤B中，当模具温度达到控制器（6）的预设温度时，控制器（6）将变压器（7）的电压由此时的伏调为0伏以停止加热；当模具温度达到控制器（6）的预设温度以下时，控制器（6）将变压器（7）的电压调为伏开始加热，实现保温。

6. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征是：在保温时间达到控制器（6）预设的保温时间后，控制器（6）依次关闭液体加热器（3）、增压泵（2）、第一、第三单向阀（15、17），同时将变压器（7）的电压调为控制器（6）预设的初始电压，完成加热和保温。

7. 根据权利要求4所述的控制方法，其特征是： 步骤C中，当片状温度传感器（10）检测温度达到控制器（6）设定的冷却温度时，控制器（6）依次关闭增压泵（2）、冷凝器（5）、第四单向阀（18）和第二单向阀（16），完成冷却过程。