熱固性塑料模具電加熱效率技術(shù)研究

葉少偉

（珠海市格力精密模具有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

熱固性塑料以體型結(jié)構(gòu)的聚合物為主要成分，成型工藝特點(diǎn)是，利用原材料樹脂為分子量較低的線型或支鏈結(jié)構(gòu)的預(yù)聚體，其分子內(nèi)含有反應(yīng)性基團(tuán)，當(dāng)熱固性塑料吸收熱量被加熱到一定溫度后，其線型或支鏈型結(jié)構(gòu)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)聚合物，實(shí)現(xiàn)材料固化硬化。

熱固性材料成型優(yōu)良率及效率取決于模具的加熱效率，模具常規(guī)加熱方式有電加熱、油加熱及蒸汽加熱3種，其中電加熱方式應(yīng)用最為廣泛，提高電加熱效率是熱固性塑料模具增產(chǎn)減能耗的重要技術(shù)指標(biāo)。

熱固性電機(jī)模具可通過(guò)如下技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)電加熱效率提升。

2 模具直線加熱方式轉(zhuǎn)換成隨形加熱方式

熱固性塑料模具加熱系統(tǒng)常用直條形加熱管（見(jiàn)圖1），優(yōu)勢(shì)是加熱器相對(duì)便宜，模具制造簡(jiǎn)便，加熱管安裝及更換方便（見(jiàn)圖2）。劣勢(shì)是熱傳遞不均勻，形狀復(fù)雜的塑件受熱不均勻。

圖1 直條加熱管

圖2 直條加熱管安裝及加熱方式

設(shè)計(jì)隨形模具加熱系統(tǒng)（見(jiàn)圖3），使用加熱絲圍繞塑件的均勻外形加熱，可使得塑件受熱均勻，消除溫差應(yīng)力，解決塑件受熱不均開裂，外觀不良缺陷，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化。

圖3 隨形加熱系統(tǒng)

加熱絲安裝通過(guò)在模具鑲件上開槽（見(jiàn)圖4），預(yù)埋安裝方式實(shí)現(xiàn)，此方式優(yōu)勢(shì)是接觸好，熱傳遞效率高，加熱均勻，劣勢(shì)是加熱槽加工難度大，安裝及維護(hù)不方便。

圖4 加熱絲安裝及加熱方式

3 應(yīng)用熱場(chǎng)仿真技術(shù)，提高加熱準(zhǔn)型及效率

應(yīng)用Ansys 軟件熱仿真板塊，可實(shí)現(xiàn)模具加熱系統(tǒng)熱場(chǎng)仿真。模具加熱系統(tǒng)經(jīng)過(guò)：

加熱管設(shè)計(jì)?熱場(chǎng)仿真?校正加熱管設(shè)計(jì)?再次熱場(chǎng)仿真?得到想要加熱效果。

下隨形加熱系統(tǒng)，熱場(chǎng)仿真得到塑件表面加熱溫度小于5℃的結(jié)果。根據(jù)實(shí)際需要，可調(diào)整加熱絲的設(shè)計(jì)排布進(jìn)一步優(yōu)化加熱均勻度效果（見(jiàn)圖5、圖6）。

圖5 加熱絲設(shè)計(jì)效果

圖6 熱場(chǎng)仿真結(jié)果

4 加熱功率計(jì)算系統(tǒng)

加熱絲功率及條數(shù)，根據(jù)生產(chǎn)塑件及生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算得出，如塑封電機(jī)模具，加熱功率計(jì)算如下：

假設(shè)已知：塑封定子組成：電機(jī)鐵心+包裹的BMC材料。

單件電機(jī)總重量：2,800g/件（鐵芯重量：1,930g BMC材料：870g）。

模具為一模4腔生產(chǎn)。

（1）計(jì)算塑封定子固化成型吸收熱量Q吸。

吸收熱量Q吸：即是塑封定子注射成型后，從常溫30℃吸熱升溫到130℃，固化所吸收的總熱量。

吸收熱量分為兩部分：鐵心升溫部分熱量+BMC膠固化部分熱量。

a.計(jì)算鐵心升溫部分熱量。

鋼鐵比熱容（符號(hào)c）：0.42kJ/kg℃

重量m：1,930g（4腔：1,930×4=7,720g=7.72kg）

溫差t：130-30=100℃

b.計(jì)算BMC膠固化部分熱量。

BMC比熱容（符號(hào)c）：1.26kJ/kg℃

重量m：870g（4腔：870×4=3,480g=3.48kg）

溫差t：130-30=100℃

（2）確定每生產(chǎn)一模，模具下降溫度。

模具流失熱量即是塑封固化吸收的熱量：Q流失=Q吸=762.72kJ

鋼鐵比熱容（符號(hào)c）：0.42kJ/kg℃

模具重量353.29kg

計(jì)算確認(rèn)此模具重量下，生產(chǎn)一模，模具下降溫度：

（3）計(jì)算加熱時(shí)間與模具重量與加熱管關(guān)系。

模具流失熱量由發(fā)熱管在每模具生產(chǎn)周期內(nèi)加熱補(bǔ)充熱量到既定溫度。

效率（η）因保溫、隔熱、加熱器的安裝位置等而異，通常取值范圍為0.2~0.5，現(xiàn)取η=0.5。

熱量損失系數(shù)：擬加熱過(guò)程中熱量損失20%。

鋼鐵比熱容（符號(hào)c）：0.42kJ/kg℃。

模具重量應(yīng)為M：353.29kg。

加熱器功率（kW）：1,000W，12條，共12kW。

（4）下降溫度。

理論計(jì)算生產(chǎn)周期需638s，實(shí)際生產(chǎn)周期380s，按比例計(jì)算，每生產(chǎn)1模，模具溫度下降溫度為t1：

既是每生產(chǎn)1模，模具下降低3.06℃。

根據(jù)塑件重量，生產(chǎn)節(jié)拍需求，熱場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，加熱器功率（kW）：1,000W，12 條，共12kW 可滿足模具加熱生產(chǎn)需求。

5 模具溫度多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

加熱監(jiān)控點(diǎn)少，一監(jiān)控點(diǎn)控制加熱管，會(huì)出現(xiàn)多腔溫度波動(dòng)大，溫度不均衡問(wèn)題。

模具溫度實(shí)行多點(diǎn)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)模具各型腔溫度精準(zhǔn)控制，各成型型腔使用單獨(dú)加熱及控制系統(tǒng)，獨(dú)立調(diào)節(jié)，解決加熱管串溫，各腔溫度差異難題。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，當(dāng)前的模具加熱控制技術(shù)正朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，加熱效率提高，對(duì)減少模具的生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率及塑件質(zhì)量具有非常明顯的作用。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展及塑件更新速度的加快，提高模具加熱效率，將是熱固性模具重中之重的研究課題。