1、毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 蒸汽加热方式快速热循环注塑成型技术及装备研发 1、 选题的背景、意义 中国家电业早已进入一个品牌制胜的时代。在中国家电业遭遇群体市场寒流的今天，仍发现有一个 “ 家族 ” 正在崛起，它以时尚、个性、高雅、方便、实用等为特点深深赢得了千万家庭的青睐，在赢得市场的同时，也扯起了利润与成长的细分行业大旗 它就是小家电。相对于大家电的利润微薄竞争激烈，小家电的较高利润率、较低的品牌集中度等吸引了众多大家电商纷纷涉足掘金，近年，TCL、格力、科龙、荣事达、志高等国内家电巨头都纷纷加快在 小家电领域拓展的步伐。与传统家电产品不同，小家电在中国的销售仍然处于发展阶段，
2、随着消费者需求增加，小家电产品的种类和数量都在提升，小家电平均利润率高，为企业带来的收益也高。未来小家电在中国的利润率和增长率均将提升至 30%左右。 浙江省的家电行业在全国也占据着十分重要的地位 。 慈溪被誉为 “ 中国三大家电制造基地 ” 之一和中国 “ 家电之都 ” 。 嘉兴市王店镇有 100 多家小家电企业，产品已形成浴霸、取暖器、电扇、脱排油烟机、冷暖空调扇、干手机、消毒柜、煤气灶、家用美容仪器、手持按摩器、便携式熨斗等十几个系列上百个品种，尤其是 浴霸销售量已占到了全国 70和全球 50的份额。王店镇也先后被命名为“浙江省小家电工业专业区”和“全国乡镇科技园区”，不久前王店已被列入
3、嘉兴市四大专业商标品牌基地之一。 然而， 浙江 省的大多数小家电企业走的仍是仿制跟进的技术路线，产品处在行业产业链的低端，同质化严重，附加值不高 ， 虽然 在 小家电市场 上占据了较大份额，但高端 市场 主要由外资企业 和我国家电行业的大品牌占据。 小家电的外观件主要是通过注塑成型来生产，因此，对注塑成型技术及相关设备进行研发将能提高小家电产品外观的表面质量 及性能 ，同时 还能降低外观塑件的 生产成 本 、提升注塑成型过程的 环保 及 节能 降耗等重要指标 。 高分子材料制品正朝着高性能、高精度、高效率、低成本的方向发展，在信息、汽车、航空航天和国防军工等领域越来越多地采用高分子及其复合材料
4、替代传统的金属材料，在精密、高效、节能、环保等方面，对量大面广的注塑成型加工方法和工艺设备提出了更高的要求。目前生产中采用的注塑工艺生产的塑件，其表面存在熔痕、流痕、银线等缺陷，塑件表面光泽度不高，不能满足人们对塑料制品力学性能、外观等要求，必须通过喷涂工艺等进行二次加工。但是，喷涂工艺造成了环境污染，影响操作人员的身体健康，增加 塑件成本，浪费能源和材料，不能适应社会发展的要求。 2、 相关研究的最新成果及动态 2.1 常见的注射成型缺陷 （ 1） 熔接痕 传统注射成型中 ， 塑料熔体与模具表面接触后 ， 模温一般会降至 90以下 ,并使熔体表层开始冷却凝固。因此当不同方向的塑料熔体相遇时
5、， 会在制品表面形成深 6 13 m的熔接痕。此外 ， 若塑件过厚或者注射速率过高形成喷射流 , 都会产生熔接痕。 （ 2） 表观缺陷 在注射成型中 ， 另外一个影响塑件精密度的问题就是各种表观缺陷 ， 如缩痕、流纹、粗糙度等。对添加玻璃纤维的工程塑料 ， 还容易出现表面浮纤的现象。这些表 观缺陷往往需要用一些后续的工艺进行处理 ， 如打磨、喷涂和罩光等。然而这些后处理工艺不仅增加成本 ,还降低生产率。 （ 3） 翘曲变形 翘曲变形是指塑件内部过大的残留应力使得塑件在成型脱模后发生变形、扭曲现象。在各种引起残留应力的因素中 ， 模具温度不均匀或冷却速度不均匀导致塑件收缩不均匀 ,由此引起的残留
6、应力是主要来源。 2.2高光无熔痕注塑技术 快速热循环注塑技术（ Rapid Heating Cycle Molding RHCM），又称高光无熔痕注塑技术，是一种无熔痕、高光洁度的塑料成型技术，能够取消喷涂工艺，降低生产 成本，减少环境污染，提高产品品质，其生产的塑件可直接进入产品装配阶段，显著缩短了塑件的生产流程，是一种前景广阔的绿色注塑工艺。 该新工艺的关键技术主要包括材料、工艺、模具和控制系统，其中，模具表面温度的动态控制是高光无熔痕注塑工艺的关键技术之一。 Yao等 1-3提出了一种利用感应加热实现模温动态控制的方法，并通过实验和模拟的方法研究了模腔表面温度的响应速度及均匀性。 Ch
7、en等 4主要研究了感应加热下模具表面温度的稳定性问题，并研究了动态模温控制对于制件品质的影响。 Yao5， Jansen6等设计了 由加热层、绝缘层、模具基体等组成的多层注塑模具，通过热传导加热实现了模具的快速升温。 Rhee7， Kan8等提出了一种实现模温的动态监控方法，并设计了相关装置，实现了模温的实时监控。赵国群等 9通过数值模拟，优化了模具内部加热冷却管道布局，提高了模具加热冷却效率，提出了一种快速热循环注塑模具结构优化设计的方法。 图 1 高光无熔痕注塑工艺过程 1-高光无熔痕注塑模温变化曲线 2-常规注塑模温变化曲线 对于传统的注塑成型工艺，在聚合物熔体的充模定形及冷却固 化的
8、过程中，模具始终保持恒定的温度，而高光无熔痕注塑技术则采用一种动态模温控制方 式，即将模具温度控制分为加热、高温保持、冷却、低温保持等 4个阶段，并在短时间内快速实现上述 4个温度变化过程。图 1给出了高光无熔痕注塑过程与常规注塑过程模具温度控制规范的比较。快速热循环注塑的模具温度控制方式可使塑料熔体在高模温下充模模具型腔，从而解决了常规注塑工艺因填充阶段熔体温度与模具温度巨大的差异而造成的一系列固有缺陷，例如熔痕、表面光泽度差、残余应力、翘曲、短射、凹陷、流痕、表面复制能力差、注射压力过大等。对于一个高光无 熔痕注塑循环，首先将注塑模具快速加热至聚合物的热变形温度以上，然后将聚合物熔体注射到
9、模具型腔内，在注射和保压过程中一直保持模具处于较高的温度状态；在保压的后期，快速冷却模具，待塑件温度降低到顶出温度时，打开模具并取出注塑产品，从而完成一个注塑循环；然后再次快速加热模具，为下一个塑件的注塑成型做准备 10。 目前注射模加热与温控技术的加热系统主要采用火焰加热、蒸汽加热、电加热、感应加热和红外线加热等方式。 2.3蒸汽辅助注射成型技术 蒸汽模技术又称快速加热冷却成型技术 RHCM（ rapid heat cycle molding） ,它利用蒸汽辅助系统 （ 见图 2） 以及在模具型腔背面均匀设置通道 （ 非传统的直线形冷却水道 ,见图 3） ,在短时间内将型腔表面温度加热到塑料
10、的热变形温度以上 , 然后进行注射。 图 2 蒸汽辅助成型系统布局 图 3 加热 / 冷却管道 1. 凹模背面零件 2. 加热 / 冷却通道 3. 凹模 4. 型腔 5. 凸模 合模后首先由锅炉产生的蒸汽通入模具的空间管道 ,使模具温度急速上升 ,并在注射过程中保持模温。充模及保压结束后 , 用气压吹走通道内的残留水汽 ,再立即通入由冷却塔产生的冷却水 ,使模温急速下降。产品冷 却到适当的温度后 ,开模取件 ,然后进行下一次注射成型。 Chen11等对蒸汽加热的关键参数进行了研究，并通过数值模拟和试验得出，蒸汽温度、蒸汽流速、加热时间等对加热效率及模具表面温度分布的均匀性影响较大，在试验中，采
11、用蒸汽加热和水冷方式，模具表面温度在 2s 内 ，可由 60升至 120 ，在 34s 内 ，可由 120 返回 60 。黄虹宾 12公开了一种蒸汽加热模具的加热设备该设备包括带浇道的模芯、产生高温蒸汽的高温蒸汽支路和产生高温干空气的高温干空气支路，模芯上设有与模腔联通的注入阀和溢出阀，注入阀和溢出阀可将高温 蒸汽支路或高温干空气持续导入模腔内；浇道上设有截止阀，截止阀在模腔内导入蒸汽或干空气时密封浇道。通过利用高温蒸汽支路导入的高温蒸汽对模腔表层加热，再利用高温干空气将模腔中的蒸汽及水分除去，从而不需要对整个模芯进行加热，降低了对模具的加热时间，也降低了能耗。同时模具结构也简单，制作模具的成
12、本低。三菱重工业株式会社 13公开了一种利用高温流体（高温蒸汽）和低温流体（冷却水）控制模具温度的装置及调整方法，该模具调整装置可对预见到的高温介质、低温介质的加热、冷却的热传递迟延后的高温介质、低温介质的切换时刻进行调整 ，缩短工序的循环时间，减少高温介质、低温介质相对设定温度的温度变化，减少能量损失，在注射工序中得到最合适的模具温度。该装置有：高温流体罐、低温流体罐、连接模具和高温流体罐的高温流体供给系统以及返回系统、连接模具和低温流体罐的低温流体供给系统以及低温流体返回系统、高温流体分流系统、低温流体分流系统、与高温保持罐连接的热回收罐和压力调整装置等。 应用蒸汽模技术进行注射成型 ,具
13、有以下明显优势 ：（ 1） 利用蒸汽辅助加热系统以及在模具型腔背面开设管道 ,可以在短时间 (10 30s)内将模具温度升到120 140 。由于 成型时模具温度高 ,塑料熔体流动填充性能好 ,不仅可以最大程度地消除熔接痕 ,提高产品质量和强度 , 而且能改善制品外观 ,避免欠注、流水痕、波纹、银条纹等不良现象。该技术也可以发挥模内装饰的作用 ,不仅提高塑件表面的光亮度 ， 而且能清晰地将模具上的质感凹凸纹理转移至塑件表面。 （ 2）通过专门配置加热与冷却设备 ， 利用蒸汽作为加热介质 ， 利用冷却水作为冷却介质 ， 能实现模具的迅速加热和冷却 ， 从而缩短成型周期 ， 提高生产率。 （ 3）
14、 在型腔背面设置加热 /冷却通道 ， 能迅速传递加热 /冷却介质 ， 不仅可以在短时间内提高或降低模具温度 ， 而且能使塑 料熔体受热和冷却更加均匀 ， 大幅度减小塑件的残留应力 ， 防止翘曲变形。 （ 4） 应用蒸汽模技术 , 成型塑件具有天然光泽 (可以达到镜面光泽的程度 )， 无需再进行人工打磨、喷涂和罩光。而在家电外壳产品生产中 ,这些后处理工艺往往占 40 %左右的生产成本 , 因此使用该技术能节约生产成本 , 并显著缩短交货期 ； 并且由于无需喷涂和罩光 ， 产品无污染 ， 环保节能 ，有利于产品的回收利用。 （ 5） 模具温度高 ,塑料流动性好 ， 因此能够生产薄壁塑件 (可薄至
15、 0.5 mm以下 )， 节约原材料 14,15。 3、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线 ）、研究难点及预期达到的目标 3.1 课题的研究内容 本课题主要是对快速热循环高光注塑成型技术进行研究，并针对小家电产品外观进行高光无熔痕的注塑模具设计。 对 注塑模具的蒸汽加热和冷却方式进行研究，开发合理的模具温度控制方式，完成注塑成型模具的设计，利用 UG 完成所有毕业设计相关的三维设计及二维工程图。 3.2 采取的研究方法（技术路线） (1).注塑模具温度响应分析 (2).边界条件的确定 (3).模拟分析与结果讨论 3.3 研究难点 提高熔体和模具的温度，能降低熔体的粘度，增大链段的自由
16、度，减少充模时间和冷却速率， 使大分子链有足够的松弛时间，进行扩散和缠结。两股熔体流相遇后更容易相互结合，形成互穿网络结构，增加玻璃纤维在界面的穿越密度，改善熔接痕强度。但是熔体和模具温度不能无限制提高。首先，随着温度上升，高聚物分子将会发生热解，从而改变了材料的性质，在制件表面形成斑点。其次，提高温度之后，所需要的能量以及对模具的性能要求也相应提高，增加生产成本。 虽然现在高光无痕注塑技术正在被大家广泛接受，但是从技术发展的角度来讲还有很多没有解决的问题。如高光表面的耐划性不是很好，对产品的生产制造和产品使用早成很多问题；再如高光成型 的成型收缩率需要积累一定的经验，对于精度要求很高的产品来
17、说要有很精准的数据支撑 ； 还有复杂曲面塑件高光模具的设计制造的成本问题、模具的维护保养成本过高的问题、如何结合 CAE 进行高光模具设计等等是我们业界人士的共同课题。 3.4 预期达到的目标 通过该毕业设计的完成，能精通 UG 的模具设计制造，精通注塑模具相关的标准。 4、 研究工作详细工作进度和安排 2011 年 1 月 10 日前完成文献综述、外文翻译； 2011 年 3 月 1 日前完成开题报告； 2011 年 5 月 1 日前完成相关设计工作； 2011 年 5 月 20 日前完成毕业设计所 有工作。 5、 参考文献 1Yao Donggang,Kim Byung.Increasin
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