CN108688114B - 一种快速变模温注塑成型方法及其成型设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速变模温注塑成型方法及其成型设备，该方法包括1）温度监测由温度传感器采集模具型腔表面的每个观测点的温度数据，由温度数据处理装置将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器；2）单周期过程通过内外侧加热棒电压控制装置设定所有同型号加热棒合适的负载电压，在模具合模前，打开电压开关快速地加热模具，直至模具最中心观测点的温度升至设定值，关闭电压开关，然后合模并注塑；3）循环工作重复步骤2）中的单周期过程。本发明通过上述技术，既能简单快速的判断合适的各加热棒工作电压，提高了生产加工效率，同时也可以有效的提高模具型腔表面温度分布的均匀性，提升了产品质量。

Description

一种快速变模温注塑成型方法及其成型设备
技术领域
本发明属于快速变模温注塑成型技术领域，特别涉及一种基于控制电热棒热流密度的快速变模温注塑成型方法及其成型设备。
背景技术
快速变模温注塑成型工艺（Rapid Heat Cycle Molding以下简称RHCM）在熔体注射前将模具型腔表面温度快速加热到聚合物玻璃化转变温度以上，实现高温填充，避免熔体的过早冷凝，保持熔体良好的流动性，显著提高熔体填充和复制型腔的能力，能够减轻或消除传统注塑成型中因熔体急剧冷却流动不畅所导致的各种缺陷，满足更高的制品要求。ERHCM在模具内嵌入加热棒，加热阶段加热棒不断产生热量扩散传入到模具达到加热模具的效果。加热棒的加热是通过在加热棒安装孔的表面施加等效的热流密度实现的。RHCM与传统注塑工艺相比一方面可以确保塑料熔体在型腔内充分扩展与汇合，另一方面最大程度地限制制品的成型收缩，从而提高对成型模具的复原性，消除熔接痕、凹痕、流纹、银纹、表面浮纤、翘曲等缺陷，改善产品表面色差、提高产品的强度和刚度、减少应力畸变，以及提高成型效率等。然而RHCM若要达到上述的效果是建立在加热阶段后模具型腔表面温度均匀的基础上的，它是RHCM的重要参数，也是评价RHCM效果优劣的重要指标之一。
在实际生产中加热后模具型腔表面温度不均匀是真实存在且不可避免的。它与模具结构、工艺参数、加热棒的规格、加热棒的分布等诸多因素有关。温度不均匀不仅大大降低了RHCM的工艺效果，而且还有可能造成更大的制品缺陷。所以在实际生产中往往通过各种手段来提高加热后模具型腔表面温度的均匀性，间接地提高成型产品质量。以往大多数的改进优化主要是针对整个加热系统来优化，更多的考虑加热效率等系统性参数的改进，对具体涉及到模具型腔表面加热电热棒的研究很少涉及。基于此情况，本发明公开一种基于控制电热棒热流密度的快速变模温注塑成型设备。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于控制电热棒热流密度的注塑模具型腔表面加热方法及其成型设备。它能解决现有设备无法有效提供温度均匀分布的型腔表面以及快速变模温注塑成型工艺设备容易出现型腔表面温度分布不均匀且缺乏有效改进方法的问题。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，基于控制电热棒负载电压而实现，其特征在于包括以下步骤：
1）温度监测
在模具型腔表面每个观测点上安装温度传感器，由温度传感器采集模具型腔表面的每个观测点的温度数据，并将测得的温度数据传输给温度数据处理装置处理，温度数据处理装置将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器，数据显示器根据接收到的温度数据以及相应观测点编号，显示温度-观测点的关系图；
2）单周期过程
通过内侧加热棒电压控制装置与最外侧加热棒电压控制装置设定所有同型号加热棒合适的负载电压，在模具合模前，打开电压开关快速地加热模具，直至模具最中心观测点的温度升至设定值，关闭电压开关，然后合模并注塑；注塑完成后进入保压阶段，待保压结束快速冷却模具，开模顶出制件；
3）循环工作
由于模具经历了冷却过程，每次进行注塑时需要重复加热模具，也就是重复步骤2）中的单周期过程，同时数据显示器能在线监测型腔温度分布情况。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于所有同型号加热棒合适的负载电压通过软件仿真计算得到，计算方法包括以下步骤：
1）建立模型
根据模具型腔、加热棒与冷却水管道的尺寸结构信息，在Abaqus中建立对应的模型，设定好模具材料密度、比热容、热导率、对流传热、模具-空气等物理系数，选择模具及空气的温度为25℃；
2）计算步骤
假定加热后模具型腔表面的温度需要基本达到100℃，即以模具最中心观测点的温度为准，加热到100℃结束，并收集模具型腔温度分布数据，得到加热结束时型腔温度分布图，依次增加最外侧加热棒热流密度值，完成加热与数据收集过程，得到不同最外侧加热棒热流密度条件下的模具分布数据，由分布数据得到一组加热结束时型腔温度分布图；
3）处理数据
分析所得到的数据，以模具最中心观测点的温度限定区间为准，认定处在此区间的温度分布为可取，该温度分布所代表的最外侧加热棒热流密度为所求，再根据接触面积与电阻率计算得到最外侧加热棒实际负载电压。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于通过增加模具最外侧加热棒热流密度的软件计算，能找到有效提高模具型腔表面温度分布的对应加热棒负载电压，在不同工艺参数下，进行软件计算，得到该工艺参数下合适的内外侧加热棒负载电压。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于初始内外侧加热棒热流密度值由所需加热速率决定，以模具最中心观测点的温度为准，在所需模具温度与加热时间为已知时，得到初始内外侧加热棒热流密度，求得实际工作时内侧加热棒负载电压值。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于温度传感器沿加热棒径向方向在型腔表面布置，实时监测型腔表面温度变化，并将温度信号传输给温度处理装置，温度数据处理装置将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器，数据显示器根据接收到的温度数据以及相应观测点编号，显示温度-观测点的关系图。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于加热时间由电压开关控制，设置加热棒负载电压控制加热速率。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于步骤3）中的温度限定区间的误差为上下5℃。
所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于步骤2）快速地加热模具的升温速度为1-3℃/s，快速降温的速度为2-5℃/s。
所述方法的快速变模温注塑成型设备，包括注塑模具，注塑模具上设有浇口、内侧加热棒、外侧加热棒、温度传感器、型腔、导柱、推杆及拉料杆；内侧加热棒、外侧加热棒相互平行排布且以轴孔间隙配合安装在注塑模具内部孔内，且平行于型腔表面，温度传感器设置在模具型腔表面的每个观测点上，其特征在于温度传感器依次连接温度数据处理装置、数据显示器，数据显示器连接温度控制装置，用于监测型腔内部温度变化；温度控制装置包括电箱及依次与其连接的电压开关、内侧加热棒电压控制装置及外侧加热棒电压控制装置；数据显示器与内侧加热棒电压控制装置及外侧加热棒电压控制装置相连接，以提供电压调节所需要的参考数据；内侧加热棒电压控制装置与内侧加热棒连接，外侧加热棒电压控制装置与外侧加热棒连接，用于直接控制内侧加热棒与外侧加热棒上加载电压，间接控制各加热棒上热流密度。
所述的快速变模温注塑成型设备，其特征在于内侧加热棒、外侧加热棒以轴孔间隙配合安装在注塑模具内部孔内，且平行于型腔表面；温度传感器表面设有螺纹，通过螺纹设置在注塑模具内，用于监测型腔内部温度变化。
通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）本发明所用的基于控制电热棒热流密度的快速变模温注塑成型设备，包括注塑模具，所述注塑模具设有浇口、内外侧加热棒、型腔、拉料杆、推杆及温度传感器，温度传感器与信号处理装置信号连接，信号处理装置连接温度传感器与温度控制装置，本发明合理将温度检测技术用到了快速变模温注塑成型设备中，既能准确的判断合适的各加热棒工作电压，提高了生产加工效率，同时也可以有效的提高模具型腔表面温度分布的均匀性，提升了产品质量；
2）本发明通过实时测量模具型腔表面温度，建立各加热棒点位对应模具型腔表面区域温度随加热棒热流密度变化的关系，结合加热结束时的各点位温度来确定有均匀温度分布的模具型腔表面的加热棒上工作电压，并将得到的加热棒上工作电压运用到了快速变模温注塑成型设备中，辅助良好地型腔表面均匀预加热；既能简单快速的判断合适的各加热棒工作电压，提高了生产加工效率，同时也可以有效的提高模具型腔表面温度分布的均匀性，提升了产品质量；
3）本发明通过定量增加靠近模具边缘的相对加热棒热流密度能有效提高模具型腔表面的温度分布均匀性，最外侧加热棒热流密度值的相对增加量在8-10W/cm2区间，避免了最外侧加热棒热流密度值对比其它加热棒的增加值小于8W/cm2时，不能完全弥补热量差；最外侧加热棒热流密度值对比其它加热棒增加值大于10W/cm2时，弥补过大，增加成本，从而合理取值避免矫枉过正。相对增量8-10W/cm2仅适用于某一种情况下的参考，根据实际生产需要进行调整，特别适用于模具型腔表面温度并不是均匀分布的工况。
附图说明
图1为本装置的结构示意图；
图2 为各观测点温度分布图；
图3为提高最外侧加热棒密度后的各观测点温度分布图；
图中：1-浇口，2-内侧加热棒，3-外侧加热棒，4-温度传感器，5-型腔，6-导柱，7-推杆，8-拉料杆，9-温度数据处理装置，10-数据显示器，11-电箱，12-电压开关，13-内侧加热棒电压控制装置, 14-外侧加热棒电压控制装置，15-温度控制装置。
实施方式
以下结合说明书附图及实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
如图1所示，本发明的一种基于控制电热棒热流密度的快速变模温注塑成型设备，包括注塑模具上设有浇口1、内侧加热棒2、外侧加热棒3、温度传感器4、型腔5、导柱6、推杆7及拉料杆8；内侧加热棒2、外侧加热棒3相互平行排布且以轴孔间隙配合安装在注塑模具内部孔内，且平行于型腔5表面，温度传感器4设置在模具型腔5表面的每个观测点上，其特征在于温度传感器4依次连接温度数据处理装置9、数据显示器10，数据显示器10连接温度控制装置15，用于监测型腔5内部温度变化；温度控制装置15包括电箱11及依次与其连接的电压开关12、内侧加热棒电压控制装置13及外侧加热棒电压控制装置14；数据显示器10与内侧加热棒电压控制装置13及外侧加热棒电压控制装置14相连接，以提供电压调节所需要的参考数据；内侧加热棒电压控制装置13与内侧加热棒2连接，外侧加热棒电压控制装置14与外侧加热棒3连接，用于直接控制内侧加热棒2与外侧加热棒3上加载电压，间接控制各加热棒上热流密度。
所述温度传感器4实时监测型腔表面温度变化，并将每个温度信号传输给温度处理装置9，经温度处理装置9进行转换成电信号传输至数据显示器10。
所述数据显示器10包括信号接收装置，数据处理装置和信号传输装置，信号接收装置接收来自温度处理装置9的温度信号，由信号处理装置接收加热过程中各观测点位温度，并将数据绘制成温度-观测点位坐标图，以此为依据，在步骤3所求的取值范围内，由内侧加热棒电压控制装置13和外侧加热棒电压控制装置14调整参数进行模具加热。
所述温度控制装置15接收数据显示器10传输的信号来控制变压器14输出相应热流密度的电压，来完成加热棒加热的过程；加热棒电压控制装置13用于调节变压器14的参数，来产生不同热流密度对应的电压，电压开关12控制是否加热。
如图1-3所示，本发明的一种快速变模温注塑成型方法，基于控制电热棒负载电压而实现，具体包括以下步骤：
1）温度监测
在模具型腔5表面每个观测点上安装温度传感器4，由温度传感器4采集模具型腔5表面的每个观测点的温度数据，并将测得的温度数据传输给温度数据处理装置9处理，温度数据处理装置9将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器10，数据显示器10根据接收到的温度数据以及相应观测点编号，显示温度-观测点的关系图；
2）单周期过程
通过内侧加热棒电压控制装置13与最外侧加热棒电压控制装置14设定所有同型号加热棒合适的相同的负载电压，在模具合模前，打开电压开关12快速地加热模具，直至模具最中心观测点的温度升至设定值，关闭电压开关12，然后合模并注塑；注塑完成后进入保压阶段，待保压结束快速冷却模具，开模顶出制件，快速地加热模具的升温速度为1-3℃/s，快速降温的速度为2-5℃/ s；所有同型号加热棒合适的负载电压通过软件仿真计算得到，计算方法包括以下步骤：
a建立模型 根据模具型腔5、加热棒与冷却水管道的尺寸结构信息，在Abaqus中建立对应的模型，设定好模具材料密度、比热容、热导率、对流传热、模具-空气等物理系数，选择模具及空气的温度为25℃；
b计算步骤 根据加热棒额定功率以及与模具接触部分表面积，计算得到加热棒热流密度为20W/cm2，并设定为内侧与最外侧加热棒共用的初始热流密度。假定加热后模具型腔表面的温度需要基本达到100℃，即以模具最中心观测点的温度为准，加热到100℃结束，并收集模具型腔温度分布数据，得到加热结束时型腔温度分布图，如图2所示；每次相对上一个设定值增加2 W/cm2，依次增加外侧加热棒热流密度值，完成计算并收集数据，进行五次计算得到不同最外侧加热棒热流密度条件下的模具分布数据，由分布数据得到一组加热结束时型腔温度分布图，如图3所示；
所述初始内外侧加热棒热流密度值由所需加热速率决定，以模具最中心观测点的温度为准，在所需模具温度与加热时间为已知时，得到初始内外侧加热棒热流密度，求得实际工作时内侧加热棒负载电压值；加热时间由电压开关12控制，设置加热棒负载电压控制加热速率；
c处理数据
分析所得到的数据，以模具最中心观测点的温度限定区间为准，认定处在此区间的温度分布为可取，该温度分布所代表的最外侧加热棒热流密度为所求，最外侧加热棒热流密度值的相对增加量在8-10W/cm2区间较为合适，避免了最外侧加热棒热流密度值对比其它加热棒的增加值小于8W/cm2时，不能完全弥补热量差；最外侧加热棒热流密度值对比其它加热棒增加值大于10W/cm2时，弥补过大，增加成本，从而合理取值避免矫枉过正。再根据接触面积与电阻率计算得到最外侧加热棒实际负载电压。相对增量8-10W/cm2仅适用于某一种情况下的参考，根据实际生产需要进行调整，特别适用于模具型腔表面温度并不是均匀分布的工况。
3）循环工作
由于模具经历了冷却过程，每次进行注塑时需要重复加热模具，也就是重复步骤2）中的单周期过程，同时数据显示器能在线监测型腔温度分布情况，温度限定区间的误差为上下5℃。
本发明通过增加模具最外侧加热棒热流密度的软件计算，找到有效提高模具型腔表面温度分布的对应加热棒负载电压，在不同工艺参数下，进行软件计算，得到该工艺参数下合适的内外侧加热棒负载电压。
本发明的温度传感器4沿加热棒径向方向在型腔表面布置，实时监测型腔表面温度变化，并将温度信号传输给温度处理装置9，温度数据处理装置9将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器10，数据显示器10根据接收到的温度数据以及相应观测点编号，显示温度-观测点的关系图。

Claims (9)

1. 一种快速变模温注塑成型方法，基于控制电热棒负载电压而实现，其特征在于包括以下步骤：
1）温度监测
在模具型腔（5）表面每个观测点上安装温度传感器（4），由温度传感器（4）采集模具型腔（5）表面的每个观测点的温度数据，并将测得的温度数据传输给温度数据处理装置（9）处理，温度数据处理装置（9）将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器（10），数据显示器（10）根据接收到的温度数据以及相应观测点编号，显示温度-观测点的关系图；
2）单周期过程
通过内侧加热棒电压控制装置（13）与最外侧加热棒电压控制装置（14）设定所有同型号加热棒合适的负载电压，在模具合模前，打开电压开关（12）快速地加热模具，直至模具最中心观测点的温度升至设定值，关闭电压开关（12），然后合模并注塑；注塑完成后进入保压阶段，待保压结束快速冷却模具，开模顶出制件；
3）循环工作
由于模具经历了冷却过程，每次进行注塑时需要重复加热模具，也就是重复步骤2）中的单周期过程，同时数据显示器能在线监测型腔温度分布情况；
所有同型号加热棒合适的负载电压通过软件仿真计算得到，计算方法包括以下步骤：
A）建立模型
根据模具型腔（5）、加热棒与冷却水管道的尺寸结构信息，在Abaqus中建立对应的模型，设定好模具材料密度、比热容、热导率物理系数，选择模具及空气的温度为25℃；
B）计算步骤
假定加热后模具型腔表面的温度需要达到100℃，即以模具最中心观测点的温度为准，加热到100℃结束，并收集模具型腔温度分布数据，得到加热结束时型腔温度分布图，依次增加最外侧加热棒热流密度值，完成加热与数据收集过程，得到不同最外侧加热棒热流密度条件下的模具型腔温度分布数据，由分布数据得到一组加热结束时型腔温度分布图；
C）处理数据
分析所得到的数据，以模具最中心观测点的温度100℃误差上下5℃的区间为准，认定处在此区间的温度分布为可取，该温度分布所代表的最外侧加热棒热流密度为所求，再根据接触面积与电阻率计算得到最外侧加热棒实际负载电压。
2.根据权利要求1所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于通过增加模具最外侧加热棒热流密度的软件计算，能找到有效提高模具型腔表面温度分布的对应加热棒负载电压，在不同工艺参数下，进行软件计算，得到该工艺参数下合适的内外侧加热棒负载电压。
3.根据权利要求1所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于初始内外侧加热棒热流密度值由所需加热速率决定，以模具最中心观测点的温度为准，在所需模具温度与加热时间为已知时，得到初始内外侧加热棒热流密度，求得实际工作时内侧加热棒负载电压值。
4.根据权利要求1所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于温度传感器（4）沿加热棒径向方向在型腔表面布置，实时监测型腔表面温度变化，并将温度信号传输给温度数据处理装置（9），温度数据处理装置（9）将接收到的温度信号进行处理后转化为电信号，传输至数据显示器（10），数据显示器（10）根据接收到的温度数据以及相应观测点编号，显示温度-观测点的关系图。
5.根据权利要求1所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于加热时间由电压开关（12）控制，设置加热棒负载电压控制加热速率。
6.根据权利要求1所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于步骤C）中的温度限定区间的误差为上下5℃。
7.根据权利要求1所述的一种快速变模温注塑成型方法，其特征在于步骤2）快速地加热模具的升温速度为1-3℃/s，快速冷却的速度为2-5℃/s。
8.一种用于实施权利要求1所述方法的快速变模温注塑成型设备，包括注塑模具，注塑模具上设有浇口（1）、内侧加热棒（2）、外侧加热棒（3）、温度传感器（4）、型腔（5）、导柱（6）、推杆（7）及拉料杆（8）；内侧加热棒（2）、外侧加热棒（3）相互平行排布且以轴孔间隙配合安装在注塑模具内部孔内，且平行于型腔（5）表面，温度传感器（4）设置在模具型腔（5）表面的每个观测点上，其特征在于温度传感器（4）依次连接温度数据处理装置（9）、数据显示器（10），数据显示器（10）连接温度控制装置（15），用于监测型腔（5）内部温度变化；温度控制装置（15）包括电箱（11）及依次与其连接的电压开关（12）、内侧加热棒电压控制装置（13）及外侧加热棒电压控制装置（14）；数据显示器（10）与内侧加热棒电压控制装置（13）及外侧加热棒电压控制装置（14）相连接，以提供电压调节所需要的参考数据；内侧加热棒电压控制装置（13）与内侧加热棒（2）连接，外侧加热棒电压控制装置（14）与外侧加热棒（3）连接，用于直接控制内侧加热棒（2）与外侧加热棒（3）上加载电压，间接控制各加热棒上热流密度。
9.根据权利要求8所述的快速变模温注塑成型设备，其特征在于内侧加热棒（2）、外侧加热棒（3）以轴孔间隙配合安装在注塑模具内部孔内，且平行于型腔（5）表面；温度传感器（4）表面设有螺纹，通过螺纹设置在注塑模具内，用于监测型腔（5）内部温度变化。
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