电热式快速热循环成型关键技术研发及机理分析

发布时间：2017-03-30 16:02

  本文关键词：电热式快速热循环成型关键技术研发及机理分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：快速热循环成型(RTCM)是一种基于模具快速加热和快速冷却的高分子材料成型技术,能够一次成型表面高光无痕的高分子制品,越来越多地得到工业界和学术界的重视。本学位论文旨在研发一种成本低、结构简单、适应性良好和加热效率较高的电热式快速热循环成型(E-RTCM)技术。围绕这一目标,分别从模具结构设计、模具加热系统优化和应用三个方面对E-RTCM技术进行深入系统的研究,为其规模化应用奠定基础。根据RTCM原理,本文首先根据传热学基本理论分析E-RTCM模具的热量传递过程,通过推导模具加热和冷却阶段的传热平衡方程,获得若干改善模具加热和冷却效率的措施,为E-RTCM模具的结构设计提供理论指导。结果表明,在确保模具具有足够的强度和刚度的前提下,合理设计RTCM模具的结构,尽量减少其所需快速加热和快速冷却部分的热质量,是提高模具加热和冷却效率最直接有效的方法。为了实现模具型腔表面快速均匀地加热,提出一种集有限元法(FEM)和粒子群优化(PSO)算法于一体的E-RTCM模具加热系统优化设计策略,并编写了相应的优化程序。将该策略应用到快速热循环汽车扰流板吹塑模具的电加热系统优化中,可快速有效地获得加热系统的优化设计参数,优化后扰流板吹塑模具型腔表面的加热效率和温度均匀性分别提高了14%和91%。将RTCM应用于挤出吹塑,研发电热式快速热循环吹塑技术,并构建相应的成型系统进行热循环吹塑汽车扰流板实验。结果表明,在保证高生产效率的同时,采用该技术成型的汽车扰流板呈现镜面高光,可直接满足装配使用要求,消除常规挤出吹塑成型的扰流板所需的打磨、抛光、喷涂等二次加工工序,从而缩短生产流程,提高生产效率。此外,还揭示了汽车扰流板表面质量得以改善的内在机理,主要是因为在快速热循环吹塑中,较高的模具温度可有效地降低吹胀的型坯与模腔接触后的固化速率,使型坯外表层温度高于塑料热变形温度的时间足够长,从而使型坯熔体在吹胀过程中可沿模具型腔表面发生一定的延伸流动,准确地再现型腔表面,消除麻点、波痕等表面缺陷,从而吹塑出具有高光外观的制件。为适应注塑技术高效率的特点,提出一种基于电加热和水射流冷却的电热式快速热循环注塑技术,研制相应的注塑模具,并对该模具的热响应效率进行评估。研究发现,相对于常规的电加热和水冷却的快速热循环注塑模具,该模具型腔表面加热和初始冷却速率分别提高了1.6和4.0倍。针对快速热循环注塑模具在工作过程中需承受较大的交变热应力而易发生疲劳破坏的缺点,提出一种带有热膨胀间隙的模具型腔板固定新方式。通过三维有限元热结构分析,获得模具加热过程中型腔板内部热应力的分布规律。结果表明,采用这种方式可明显降低型腔板内的热应力,可望显著提高快速热循环注塑模具的使用寿命。采用所研发的电加热和水射流冷却的快速热循环注塑技术,在保持与常规注塑周期基本相当的同时,可直接获得高光无痕的注塑制品;此外,揭示了注塑制品表观质量得以改善的内在机理。针对常规微孔注塑制品存在表观质量差的缺点,结合微孔注塑和快速热循环成型,提出一种快速热循环微孔注塑技术。基于研制的电加热快速热循环微孔注塑系统,定量地研究了模具型腔表面温度对微孔注塑制品表面粗糙度的影响,并对相关机理进行分析。结果表明,微孔注塑制品表面粗糙度随着模具型腔表面温度的提高逐渐降低,并最终趋于稳定,达到与实体注塑制品表面粗糙度相当的水平。提高模具型腔表面温度可延缓充模熔体的冷却,使受困于型腔表面与熔体表层之间的气体在型腔压力的作用下重新溶解于熔体中,有效消除微孔注塑制品表面的银纹和漩涡纹,从而显著降低微孔注塑制品的表面粗糙度,提高制品的表观质量。
【关键词】：快速热循环成型 优化 挤出吹塑 注塑 微孔注塑
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ320.52
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 符号说明10-14
• 第一章 绪论14-34
• 1.1 研究课题背景14-15
• 1.2 快速热循环技术原理与优势15-16
• 1.3 快速热循环技术研究现状和进展16-31
• 1.3.1 模具快速加热技术研究进展17-25
• 1.3.2 快速热循环模具结构设计和研究现状25-28
• 1.3.3 模具加热和冷却系统优化设计研究现状28-29
• 1.3.4 快速热循环成型应用研究现状29-31
• 1.4 快速热循环成型技术尚存在的问题31-32
• 1.5 本课题研究的来源、内容和意义32-34
• 1.5.1 课题来源和主要研究内容32-33
• 1.5.2 研究意义33-34
• 第二章 总体研究方案设计34-41
• 2.1 研究方案34-36
• 2.2 实验设备、仪器和材料36-41
• 2.2.1 实验设备36-38
• 2.2.2 测试仪器38-40
• 2.2.3 实验原料40-41
• 第三章 E-RTCM模具热平衡分析及关键部件设计41-53
• 3.1 E-RTCM模具热平衡分析42-49
• 3.1.1 热传递基本理论42-43
• 3.1.2 E-RTCM模具传热过程分析43-46
• 3.1.3 E-RTCM模具热平衡分析46-49
• 3.2 E-RTCM模具关键部件设计49-52
• 3.2.1 型腔/型芯隔热结构设计49-50
• 3.2.2 模具排气结构设计50-51
• 3.2.3 温度传感器布局设计51-52
• 3.3 本章小结52-53
• 第四章 E-RTCM模具加热系统优化策略53-61
• 4.1 模具传热数学模型的建立53-55
• 4.1.1 导热偏微分方程54
• 4.1.2 初始和边界条件54-55
• 4.2 模具传热有限元模拟55-56
• 4.3 粒子群优化算法56-59
• 4.3.1 算法原理57
• 4.3.2 算法流程57
• 4.3.3 算法参数设置57-58
• 4.3.4 粒子群优化算法与遗传算法的比较58-59
• 4.4 基于有限元方法和粒子群优化的E-RTCM模具加热系统优化策略59
• 4.5 本章小结59-61
• 第五章 电热式快速热循环吹塑技术研发及应用61-78
• 5.1 快速热循环吹塑流程设计61-63
• 5.2 模具加热系统的优化63-71
• 5.2.1 模具结构63-64
• 5.2.2 模具电加热系统优化模型的建立64-68
• 5.2.3 优化模型的求解68-69
• 5.2.4 优化结果与讨论69-71
• 5.3 模具热响应评估71-75
• 5.3.1 加热阶段72-74
• 5.3.2 冷却阶段74-75
• 5.4 快速热循环吹塑实验75-76
• 5.4.1 实验原料和吹塑参数设置75
• 5.4.2 实验结果与讨论75-76
• 5.5 本章小结76-78
• 第六章 电加热和水射流冷却的快速热循环注塑技术研发及应用78-100
• 6.1 电加热和水射流冷却的快速热循环模具79-86
• 6.1.1 结构79-82
• 6.1.2 工作原理82-84
• 6.1.3 成型周期84
• 6.1.4 优点84-86
• 6.2 实验与模拟86-98
• 6.2.1 模具设计86-87
• 6.2.2 模具热响应评估87-92
• 6.2.3 热结构分析92-96
• 6.2.4 快速热循环注塑实验96-98
• 6.3 本章小结98-100
• 第七章 电热式快速热循环微孔注塑技术研发及应用100-118
• 7.1 快速热循环微孔注塑流程101-102
• 7.2 实验与模拟102-108
• 7.2.1 模具设计102-104
• 7.2.2 模具热响应评估104-106
• 7.2.3 微孔注塑实验106-108
• 7.3 结果与讨论108-117
• 7.3.1 型腔表面热响应108-112
• 7.3.2 型腔表面温度预测数学模型112-113
• 7.3.3 型腔表面温度对制品表面粗糙度的影响及其影响机理113-117
• 7.4 本章小结117-118
• 结论118-120
• 创新点120-121
• 参考文献121-135
• 攻读博士学位期间取得的研究成果135-138
• 致谢138-139
• 附件139

【共引文献】

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