基于流體傳熱的高光注塑模溫機(jī)的開發(fā)

凌中水,李春波,孫亭亭,張秀俠

(1． 安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽安慶246003;2． 深圳大學(xué)廣東省教育廳先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060)

基于流體傳熱的高光注塑模溫機(jī)的開發(fā)

凌中水1,李春波2,孫亭亭1,張秀俠1

(1． 安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽安慶246003;2． 深圳大學(xué)廣東省教育廳先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518060)

為滿足高光注塑過程中高溫高壓水蒸氣、高溫干空氣的制備與加熱模具型腔和去除殘留水的控制，實(shí)現(xiàn)不同高光注塑模具的注塑需求，研究并開發(fā)了全新的模具溫度控制機(jī)。模溫機(jī)能夠針對不同高光模具的注塑需要，選擇不同的加熱參數(shù)，滿足大多數(shù)產(chǎn)品進(jìn)行高光注塑的要求。設(shè)備不僅制造成本低，而且還易于操作，人機(jī)界面友好。

模具溫度控制機(jī)；水蒸汽；高光注塑；干空氣

最近幾年，隨著醫(yī)療、電器、建筑、機(jī)械、車輛等領(lǐng)域的發(fā)展壯大，注塑產(chǎn)品的需求量不斷增加，注塑技術(shù)也在不斷地提高，不斷產(chǎn)生新技術(shù)新工藝[1-2]。高光注射成型技術(shù)是最近幾年興起的一項(xiàng)新的注塑技術(shù)[3-4]，該技術(shù)不僅使模具表面的形狀、光潔度得到了很好的保證，而且使注塑產(chǎn)品的表面缺陷如熔接痕、縮水、浮絲、變形等得到了很好的控制，最終使注塑產(chǎn)品擁有極高的表面光潔度、較大的產(chǎn)品強(qiáng)度和較好的表面硬度[4-5]。另外，該技術(shù)還省去了污染環(huán)境的噴漆工藝，既減少了工藝流程,又節(jié)約了能源、保護(hù)了環(huán)境，同時(shí)改善了工作人員的工作環(huán)境。高光無痕注塑成型技術(shù)應(yīng)用前景很廣，此技術(shù)的關(guān)鍵在于溫控系統(tǒng)。

注塑技術(shù)通常有以下幾種加熱方式：蒸汽加熱、油加熱、電加熱等，國外也有高頻輻射非接觸式加熱方式的研究[6]，國內(nèi)暫無相關(guān)加熱方式的報(bào)道。高光注塑技術(shù)主要采用以下幾種加熱方式：以水、蒸汽、油等熱傳導(dǎo)方式為主的加熱方式；以太陽能、紅外線等熱輻射為主的加熱方式；以磁感應(yīng)、電阻產(chǎn)熱的加熱方式。目前，市場上主要有高溫油作為介質(zhì)傳熱的油溫機(jī)[7]、蒸汽傳熱的蒸汽模溫機(jī)[8]、電阻加熱的電熱模溫機(jī)[9]、高溫高壓水傳熱的水溫機(jī)[10]，這幾種模溫機(jī)都是采用熱傳導(dǎo)的方式將熱量傳遞到模具型腔表面的[2]。

為了配合蒸汽直接加熱模具型腔的高光注塑技術(shù)[11-12]的需要，研究并開發(fā)了蒸汽通入模具型腔加熱的模具溫度控制機(jī)。該模溫機(jī)能制備純凈的高溫水蒸汽及高溫干空氣，并以此為介質(zhì)，分別對模具進(jìn)行加熱并干燥模具型腔，然后利用低溫水對模具進(jìn)行冷卻。相比傳統(tǒng)的加熱裝置，此設(shè)備很好地滿足了新型高光注塑的需要，并能提高注塑效率。

1　模溫機(jī)性能需求

為了使高光注塑快速地達(dá)到注塑要求，注塑模溫機(jī)需要滿足在3～8s內(nèi)使模具型腔表面達(dá)到設(shè)定溫度，其中水蒸氣使其型腔表面最高可達(dá)100 ℃，高溫干空氣使其型腔表面可達(dá)160 ℃。水蒸氣加熱時(shí)需要對型腔加熱均勻且無死角，高溫干空氣加熱時(shí)需要將型腔內(nèi)的水蒸氣完全去除干凈。另外，為了使注塑達(dá)到更佳表面效果，高溫蒸汽發(fā)生器與高溫干空氣產(chǎn)生的水與空氣的來源都要經(jīng)過精密的過濾，其中的自來水要經(jīng)過去離子作用，目的是防止水與空氣將自身的雜質(zhì)帶入到高光模具型腔的表面，也防止水中的鈣離子等高溫時(shí)在模腔中形成影響高光注塑的雜質(zhì)，除此之外此模溫機(jī)還需滿足其它性能要求。

2　模溫機(jī)的組成與工作原理

2.1模溫機(jī)的組成

高溫水蒸汽通入模具型腔加熱的模具溫度控制機(jī)是利用自身產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽和高溫高壓干空氣對模具進(jìn)行加熱與去除模腔殘留水而達(dá)到高光注塑要求的模具溫度控制設(shè)備。此設(shè)備由高溫干空氣發(fā)生器、水凈化系統(tǒng)、高溫蒸汽發(fā)生器、空氣凈化系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和水蒸汽收集系統(tǒng)等構(gòu)成，各系統(tǒng)關(guān)系與結(jié)構(gòu)見表1。

表1　模具溫度控制機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成表

高溫水蒸汽通入模具型腔加熱只是將模具的模腔表層加熱，加熱位置大約是在模腔表面及以下1mm左右。此種方式使模具加熱與冷卻的速度相當(dāng)快，很大程度上縮短了高光注塑周期，不僅提高了高光注塑效率，也降低了對電能的需求，降低注塑成本。與傳統(tǒng)加熱方式不同的是此種方式是對模腔的前后模面都進(jìn)行了加熱，當(dāng)在進(jìn)行注塑時(shí)，熔膠在模腔中的流動(dòng)性好，溶膠的前鋒溫度高，這樣可以克服注塑件的表面缺陷，大大提高高光注塑質(zhì)量。高光模溫機(jī)設(shè)計(jì)圖如圖1所示，高溫水蒸汽通入模具型腔加熱的高光模溫機(jī)如圖2所示。

圖1　高光模溫機(jī)設(shè)計(jì)圖 Fig.1　The design chart of mould temperature control machine of specular injection

圖2　高光模溫機(jī)Fig.2　The mould temperature control machine of specular injection

2.2工作原理

根據(jù)高光注塑溫度控制的需要，通過對電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)對高光模具加熱時(shí)間與殘留水去除的控制，達(dá)到控制模具溫度的目的。高光模具模溫機(jī)工作原理如圖3所示。

1—自來水雜質(zhì)及油分離器；2—樹脂去離子水裝置； 3—水箱；4—壓縮空氣雜質(zhì)過濾器；5—空氣凈化器；6—單向閥；7—水泵； 8—儲(chǔ)氣罐； 圖3　高光模溫機(jī)氣閥控制系統(tǒng)的示意圖Fig.3　The Schematic of the valve control system of mould temperature control machine

從m口接入自來水，經(jīng)過裝置1過濾與裝置2去離子后，進(jìn)入儲(chǔ)水箱3，當(dāng)高光注塑需要水蒸氣時(shí)，在泵7的作用下，經(jīng)過處理后的水從儲(chǔ)水箱3進(jìn)入高溫水蒸氣發(fā)生器進(jìn)行加熱，并使之達(dá)到高光注塑所設(shè)定的溫度。從n口接入壓縮空氣，經(jīng)過裝置4過濾與裝置5凈化干燥后，在單向閥6的作用下，進(jìn)入儲(chǔ)氣罐8，然后通入高溫空氣發(fā)生器進(jìn)行加熱，使之達(dá)到高光注塑所設(shè)定溫度。當(dāng)水蒸氣與高溫干空氣都達(dá)到高光注塑所設(shè)定的溫度時(shí)，將具有高溫高壓的水蒸氣直接通入具有通氣道的高光模具型腔，使高光模具的溫度升高；當(dāng)模具的表面溫度達(dá)到高光注塑所需要的溫度時(shí)，停止通入水蒸氣，并立即向高光模具型腔通入高溫干空氣，去除由于高溫水蒸氣遇冷液化產(chǎn)生的附著在模具型腔表面的水，然后進(jìn)行射膠、保壓等注塑環(huán)節(jié)，完成高光注塑。具體的氣路工作步驟為：(a)打開模腔進(jìn)氣口1和水道進(jìn)氣口1、2，打開水蒸汽閥1、水蒸汽閥2和水蒸汽閥3，進(jìn)水蒸汽，兩個(gè)小氣缸動(dòng)作(桿伸出)，模腔進(jìn)氣口1進(jìn)水蒸汽的時(shí)間可以通過觸摸屏在線自行設(shè)定;(b)水蒸汽閥2關(guān)閉，同時(shí)干空氣閥1、干空氣閥2和干空氣閥3打開，模腔進(jìn)氣口2進(jìn)干空氣,兩小氣缸回原位(桿縮回);(c)1s后，干空氣閥4打開，模腔進(jìn)氣口1進(jìn)干空氣,模腔進(jìn)干空氣的時(shí)間可通過觸摸屏在線自行設(shè)定;(d)一定時(shí)間后，干空氣閥1、干空氣閥2、干空氣閥3和干空氣閥4均關(guān)閉，模腔進(jìn)氣口1、2停止進(jìn)氣，同時(shí)兩個(gè)小氣缸動(dòng)作(桿伸出);(e)1s后，1號(hào)大氣缸、2號(hào)大氣缸動(dòng)作(桿伸出)，進(jìn)氣口和排氣口閉合。同時(shí)旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作(轉(zhuǎn)90度),模腔進(jìn)氣口2閉合，注膠口開啟,注塑機(jī)開始注塑;(f)注塑完成后，開模，旋轉(zhuǎn)氣缸回原位(逆轉(zhuǎn)90度)，關(guān)閉注膠口，同時(shí)打開模腔進(jìn)氣口,1號(hào)大氣缸和2號(hào)大氣缸回原位(桿縮回)，兩小氣缸回原位(桿縮回);(g)等待合模，下一個(gè)注塑周期開始。

3　控制系統(tǒng)

3.1控制系統(tǒng)原理

蒸汽直接通入模具型腔的模具溫度控制機(jī)由PLC控制，與PLC控制相關(guān)的有人機(jī)界面、操作面板、限位開關(guān)、水蒸汽溫度信號(hào)、干空氣溫度信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電磁閥、溫度顯示。操作面板取人機(jī)交互作用，可以顯示蒸汽溫度、干空氣溫度、鍋爐與干空氣加熱器的壓力等，并可以通過各種控制按鈕與參數(shù)設(shè)置對設(shè)備進(jìn)行控制；限位開關(guān)的作用是對模具的開合進(jìn)行指示；干空氣與水蒸汽溫度信號(hào)的作用是對高溫干空氣與鍋爐的溫度進(jìn)行指示，并通過溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓力信號(hào)，對其壓力進(jìn)行監(jiān)控；驅(qū)動(dòng)電磁閥包括高溫電磁閥與普通電磁閥，高溫電磁閥主要有高溫水電磁閥與高溫干空氣電磁閥，其作用是執(zhí)行型腔加熱與去水的控制，普通電磁閥用于各管道支路以協(xié)助溫度控制。設(shè)備運(yùn)行模式如圖4所示。

圖4　設(shè)備運(yùn)行模式示意圖Fig.4　The Schematic of Equipment operation mode

3.2水蒸氣控制原理

水蒸汽控制系統(tǒng)流程如圖5所示。蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)是一個(gè)全自動(dòng)運(yùn)作的系統(tǒng)，包括自動(dòng)產(chǎn)生去離子純凈水、鍋爐自動(dòng)補(bǔ)水和鍋爐自動(dòng)加熱。具體運(yùn)作過程為：在儲(chǔ)水水箱內(nèi)設(shè)置液位控制器，以檢測儲(chǔ)水水箱內(nèi)的水位，當(dāng)儲(chǔ)水水箱內(nèi)的水高于設(shè)定水位的上限時(shí)，去離子水凈化器停止工作，當(dāng)儲(chǔ)水水箱內(nèi)的水低于設(shè)定水位的下限時(shí)，補(bǔ)水增壓泵停止工作；在鍋爐內(nèi)設(shè)置液位控制器，當(dāng)鍋爐內(nèi)的水位低于設(shè)定水位的下限時(shí)，鍋爐加熱絲停止加熱，同時(shí)補(bǔ)水增壓泵開始工作，給鍋爐補(bǔ)水，當(dāng)鍋爐內(nèi)的水高于液位控制器設(shè)定的上限時(shí)，補(bǔ)水增壓泵停止工作，鍋爐加熱絲開始加熱；在鍋爐內(nèi)設(shè)置壓力傳感器，當(dāng)鍋爐內(nèi)水蒸汽的壓力到達(dá)所設(shè)定壓力的上限值時(shí)，鍋爐電熱絲停止加熱，同時(shí)將水蒸汽溫度信號(hào)輸入可編程控制器(PLC)中，當(dāng)鍋爐內(nèi)水蒸汽壓力下降至壓力傳感器下限值時(shí)，鍋爐電熱絲再次啟動(dòng)加熱，如此循環(huán)進(jìn)行。高光模具加熱機(jī)主電路如圖6所示。

圖5　水蒸汽自動(dòng)控制系統(tǒng)程序框圖Fig.5　The flow of Steam automatic control system

圖6　高光模具加熱機(jī)主電路圖Fig.6　The circuit diagram of highlight mold heating machine

3.3高溫干空氣控制原理

高溫干空氣控制主要包括3個(gè)模塊：溫度檢測、PID溫度控制調(diào)節(jié)器和電力控制器。溫度檢測裝置中可以選用熱電偶，由于加熱過程中空氣加熱器內(nèi)溫度慣性很大，因此將熱電偶安裝在熱干空氣出口的位置，得證測量溫度值的準(zhǔn)確性，PID溫度控制調(diào)節(jié)器具有自整定和模擬量輸出的功能，加熱前，需要在溫度控制器顯示面板上設(shè)定好所要加熱的溫度，PID溫度控制器根據(jù)所設(shè)的溫度值與熱電偶的溫度值對比，輸出模擬信號(hào)(如電流)，通過電力控制器對空氣加熱器內(nèi)的電熱絲進(jìn)行加熱；當(dāng)空氣加熱器內(nèi)的溫度到達(dá)所設(shè)定的溫度時(shí)，空氣加熱器停止加熱。同時(shí)，通過電氣控制器將干空氣溫度信號(hào)輸出到可編程控制器(PLC)內(nèi)，如此循環(huán)工作。干空氣控制系統(tǒng)如圖7所示。

圖7　干空氣控制系統(tǒng)方框圖Fig.7　The Schematic of dry air control system

4　模溫機(jī)的性能指標(biāo)及其應(yīng)用

根據(jù)蒸汽直接加熱模具型腔的高光注塑原理，此高光注塑模溫機(jī)具備的主要性能如下：

(1)能制備無雜質(zhì)、無鈣離子的水及無雜質(zhì)的干空氣;

(2)在3～8s內(nèi)能利用高溫水汽將模具型腔加熱到注塑設(shè)定溫度，一般為80～100 ℃;

(3)在3～8s內(nèi)能利用高溫干空氣(最高160 ℃)將模具型腔內(nèi)的水蒸氣去除干凈;

(4)采用PLC控制，可以實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化控制與半自動(dòng)化控制兩種模式，其中半自動(dòng)化控制主要是在注塑試驗(yàn)中采用;

(5)水蒸汽與高溫干空氣的加熱模具型腔時(shí)間可調(diào)。

利用SP108A注塑機(jī)，包括干燥機(jī)和料斗，高溫水蒸汽通入模具型腔加熱的高光模具、流體導(dǎo)熱加熱模具型腔的高光模溫機(jī)、冷卻水塔及管路、水泵、測量溫度儀等，材料選用臺(tái)化ABS(AG15E1)料，在同樣的注塑參數(shù)下分別進(jìn)行普通注塑(模具未加熱)與高光注塑，如圖8所示。由圖8可見，與傳統(tǒng)工藝的注塑件相比，此高光注塑方法有極好的表層質(zhì)量，在蒸汽加熱注塑件的反面的也看不出有任何縮水缺陷，在各孔之間已經(jīng)看不見有明顯的熔接痕的跡象。

圖8　蒸汽加熱塑料件(左)與普通塑料件(右)Fig.8　The Steam heating plastic parts and ordinary plastic parts

5　總結(jié)

經(jīng)過多輪樣機(jī)試制和大量注塑實(shí)驗(yàn)，高溫蒸汽直接加熱模具型腔的高光注塑模溫機(jī)在技術(shù)上較成熟，包括水質(zhì)凈化處理、空氣凈化處理、蒸汽壓力與溫度控制、干空氣壓力與溫度控制、蒸汽(與冷凝水)冷凝回收處理等關(guān)鍵技術(shù)都比較成熟，在設(shè)備整機(jī)的可靠性和壽命等方面均已達(dá)到小批量試產(chǎn)的前期階段，但是也存在一些問題，例如成本高、制汽(氣)量不足等。為了克服此類模具溫度控制機(jī)在價(jià)格、結(jié)構(gòu)、功能等方面的一些缺點(diǎn)，需要從以下幾點(diǎn)研究：

(1)針對PLC控制電路，可以開發(fā)相應(yīng)的單片機(jī)控制電路，進(jìn)一步降低制造成本；

(2)開發(fā)大功率的流體導(dǎo)熱模具溫度控制機(jī)，并提高高溫蒸汽的溫度和壓力、高溫干空氣的溫度，進(jìn)一步降低注塑周期、減少能耗;

(3)驗(yàn)證該設(shè)備的設(shè)計(jì)方案，完善該設(shè)備的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)；

(4)解決批量生產(chǎn)的制造工藝、裝配工藝技術(shù)，研究批量生產(chǎn)的工裝夾具模具、設(shè)備，研究對各工種工人的技術(shù)要求等；

(5)解決產(chǎn)品各零部件、整機(jī)的質(zhì)量控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完善包括零部件在內(nèi)的質(zhì)量檢驗(yàn)控制標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)規(guī)范；

(6)對建立的零部件供應(yīng)渠道確定零部件質(zhì)量控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 伍曉宇,梁雄,李積彬,等.節(jié)能型無痕注塑模具及工藝[J].中國塑料,2009,23(5):110-112.

[2] 葛娜.高光注塑成型工藝及制品表觀質(zhì)量控制研究[D].南昌：南昌大學(xué),2009.

[3] 袁寧,阮鋒,張賽軍,等.蒸汽輔助注射成型技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].模具工業(yè)，2013,35(3)：44-46,54.

[4] 張楊,辛勇,劉東雷.高光注射成型技術(shù)在超薄塑料件中的應(yīng)用研究[J].工程塑料應(yīng)用,2010,38(4):39-42.

[5] 伍曉宇,程蓉, 梁雄,等.局部薄壁透光塑件隨形熱冷注射模[J].模具工業(yè),2013,35(12):46-49.

[6] 深圳市萊奧德機(jī)械有限公司,標(biāo)準(zhǔn)油溫機(jī)產(chǎn)品介紹[EB/OL].(2014-06-18)[2014-08-15].http://www.gdszjxad.com/pro18.html.

[7] 北京利德盛機(jī)械有限公司,蒸汽傳熱的蒸汽模溫機(jī)產(chǎn)品介紹[EB/OL].(2014-05-16)[2014-07-27].http://www.gtobal.com/sell/detail-1671874302.html.

[8]KILWONC,SUNGHEEA,JINBAEP,etal.Evaluationoftheweld-linestrengthofthermoplasticsbycompacttensiontest[J].PolymEngSc,i2013,37(7):1 217-1 225.

[9]JKLHo,KPChu,CKMOK.MinimizingmanufacturingecostsforthininjectionmoldedPlastieeomvcompontens[J].IntJAdvManufTechnol，2014，8(12):159-190.

[10] 劉東雷,幸勇.RHCM成型制品高光面形成微觀機(jī)理研究[J].中國塑料,2008,22(7)：71-74.

[11] 凌中水,余春暉,柴金龍,等.蒸汽直接加熱模具型腔的溫度控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012,31(6):964-967.

[12] 梁業(yè)興,余春暉,柴金龍,等.蒸汽直接加熱模腔的高光注塑技術(shù)研究[J].工程塑料應(yīng)用,2011,39(12):35-38.

(責(zé)任編輯：李華云)

DevelopmentofHighLightInjectionFilmTemperatureMachineBasedonFluidHeatTransfer

LINGZhongshui1,LIChunbo2,SUNTingting1,ZHANGXiuxia1

1． Anqing Vocational & Technical College，Anqing Anhui 246003，China;2． Key Laboratory of Advanced Optics Precision Manufacturing Technique，Shenzhen University，Shenzhen 518060， China

Tomeetthespecularinjectionmoldingprocessinthepreparationofhightemperatureandhighpressuresteam,hightemperaturedryairandheatingmoldcavityandremovetheresidualwatercontrol,achievethedemandofdifferentspecularinjectionmold,anewmoldtemperaturecontrolmachinewasresearchedanddeveloped.Themoldtemperaturemachinecanchoosedifferentheatingparametersforinjectionmoldingofdifferenthighlightdies,andmeettherequirementsofhighlightinjectionmoldingformostproducts.

mouldtemperaturecontrolmachine；steam；specularinjection；dryair

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503005

2015-04-02

凌中水(1987-)，男，安徽安慶人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榉菢?biāo)設(shè)備設(shè)計(jì)。

TB61；TF068.22

A

1671-5322(2015)03-0021-05