本文關(guān)鍵詞：電熱式快速熱循環(huán)成型關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及機(jī)理分析，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：快速熱循環(huán)成型(RTCM)是一種基于模具快速加熱和快速冷卻的高分子材料成型技術(shù),能夠一次成型表面高光無痕的高分子制品,越來越多地得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。本學(xué)位論文旨在研發(fā)一種成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性良好和加熱效率較高的電熱式快速熱循環(huán)成型(E-RTCM)技術(shù)。圍繞這一目標(biāo),分別從模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化和應(yīng)用三個(gè)方面對(duì)E-RTCM技術(shù)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究,為其規(guī)模化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。根據(jù)RTCM原理,本文首先根據(jù)傳熱學(xué)基本理論分析E-RTCM模具的熱量傳遞過程,通過推導(dǎo)模具加熱和冷卻階段的傳熱平衡方程,獲得若干改善模具加熱和冷卻效率的措施,為E-RTCM模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。結(jié)果表明,在確保模具具有足夠的強(qiáng)度和剛度的前提下,合理設(shè)計(jì)RTCM模具的結(jié)構(gòu),盡量減少其所需快速加熱和快速冷卻部分的熱質(zhì)量,是提高模具加熱和冷卻效率最直接有效的方法。為了實(shí)現(xiàn)模具型腔表面快速均勻地加熱,提出一種集有限元法(FEM)和粒子群優(yōu)化(PSO)算法于一體的E-RTCM模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略,并編寫了相應(yīng)的優(yōu)化程序。將該策略應(yīng)用到快速熱循環(huán)汽車擾流板吹塑模具的電加熱系統(tǒng)優(yōu)化中,可快速有效地獲得加熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),優(yōu)化后擾流板吹塑模具型腔表面的加熱效率和溫度均勻性分別提高了14%和91%。將RTCM應(yīng)用于擠出吹塑,研發(fā)電熱式快速熱循環(huán)吹塑技術(shù),并構(gòu)建相應(yīng)的成型系統(tǒng)進(jìn)行熱循環(huán)吹塑汽車擾流板實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,在保證高生產(chǎn)效率的同時(shí),采用該技術(shù)成型的汽車擾流板呈現(xiàn)鏡面高光,可直接滿足裝配使用要求,消除常規(guī)擠出吹塑成型的擾流板所需的打磨、拋光、噴涂等二次加工工序,從而縮短生產(chǎn)流程,提高生產(chǎn)效率。此外,還揭示了汽車擾流板表面質(zhì)量得以改善的內(nèi)在機(jī)理,主要是因?yàn)樵诳焖贌嵫h(huán)吹塑中,較高的模具溫度可有效地降低吹脹的型坯與模腔接觸后的固化速率,使型坯外表層溫度高于塑料熱變形溫度的時(shí)間足夠長(zhǎng),從而使型坯熔體在吹脹過程中可沿模具型腔表面發(fā)生一定的延伸流動(dòng),準(zhǔn)確地再現(xiàn)型腔表面,消除麻點(diǎn)、波痕等表面缺陷,從而吹塑出具有高光外觀的制件。為適應(yīng)注塑技術(shù)高效率的特點(diǎn),提出一種基于電加熱和水射流冷卻的電熱式快速熱循環(huán)注塑技術(shù),研制相應(yīng)的注塑模具,并對(duì)該模具的熱響應(yīng)效率進(jìn)行評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)于常規(guī)的電加熱和水冷卻的快速熱循環(huán)注塑模具,該模具型腔表面加熱和初始冷卻速率分別提高了1.6和4.0倍。針對(duì)快速熱循環(huán)注塑模具在工作過程中需承受較大的交變熱應(yīng)力而易發(fā)生疲勞破壞的缺點(diǎn),提出一種帶有熱膨脹間隙的模具型腔板固定新方式。通過三維有限元熱結(jié)構(gòu)分析,獲得模具加熱過程中型腔板內(nèi)部熱應(yīng)力的分布規(guī)律。結(jié)果表明,采用這種方式可明顯降低型腔板內(nèi)的熱應(yīng)力,可望顯著提高快速熱循環(huán)注塑模具的使用壽命。采用所研發(fā)的電加熱和水射流冷卻的快速熱循環(huán)注塑技術(shù),在保持與常規(guī)注塑周期基本相當(dāng)?shù)耐瑫r(shí),可直接獲得高光無痕的注塑制品;此外,揭示了注塑制品表觀質(zhì)量得以改善的內(nèi)在機(jī)理。針對(duì)常規(guī)微孔注塑制品存在表觀質(zhì)量差的缺點(diǎn),結(jié)合微孔注塑和快速熱循環(huán)成型,提出一種快速熱循環(huán)微孔注塑技術(shù)。基于研制的電加熱快速熱循環(huán)微孔注塑系統(tǒng),定量地研究了模具型腔表面溫度對(duì)微孔注塑制品表面粗糙度的影響,并對(duì)相關(guān)機(jī)理進(jìn)行分析。結(jié)果表明,微孔注塑制品表面粗糙度隨著模具型腔表面溫度的提高逐漸降低,并最終趨于穩(wěn)定,達(dá)到與實(shí)體注塑制品表面粗糙度相當(dāng)?shù)乃�。提高模具型腔表面溫度可延緩充模熔體的冷卻,使受困于型腔表面與熔體表層之間的氣體在型腔壓力的作用下重新溶解于熔體中,有效消除微孔注塑制品表面的銀紋和漩渦紋,從而顯著降低微孔注塑制品的表面粗糙度,提高制品的表觀質(zhì)量。
【關(guān)鍵詞】：快速熱循環(huán)成型 優(yōu)化 擠出吹塑 注塑 微孔注塑
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ320.52
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 符號(hào)說明10-14
• 第一章 緒論14-34
• 1.1 研究課題背景14-15
• 1.2 快速熱循環(huán)技術(shù)原理與優(yōu)勢(shì)15-16
• 1.3 快速熱循環(huán)技術(shù)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展16-31
• 1.3.1 模具快速加熱技術(shù)研究進(jìn)展17-25
• 1.3.2 快速熱循環(huán)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究現(xiàn)狀25-28
• 1.3.3 模具加熱和冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3.4 快速熱循環(huán)成型應(yīng)用研究現(xiàn)狀29-31
• 1.4 快速熱循環(huán)成型技術(shù)尚存在的問題31-32
• 1.5 本課題研究的來源、內(nèi)容和意義32-34
• 1.5.1 課題來源和主要研究?jī)?nèi)容32-33
• 1.5.2 研究意義33-34
• 第二章 總體研究方案設(shè)計(jì)34-41
• 2.1 研究方案34-36
• 2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器和材料36-41
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備36-38
• 2.2.2 測(cè)試儀器38-40
• 2.2.3 實(shí)驗(yàn)原料40-41
• 第三章 E-RTCM模具熱平衡分析及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)41-53
• 3.1 E-RTCM模具熱平衡分析42-49
• 3.1.1 熱傳遞基本理論42-43
• 3.1.2 E-RTCM模具傳熱過程分析43-46
• 3.1.3 E-RTCM模具熱平衡分析46-49
• 3.2 E-RTCM模具關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)49-52
• 3.2.1 型腔/型芯隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49-50
• 3.2.2 模具排氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)50-51
• 3.2.3 溫度傳感器布局設(shè)計(jì)51-52
• 3.3 本章小結(jié)52-53
• 第四章 E-RTCM模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化策略53-61
• 4.1 模具傳熱數(shù)學(xué)模型的建立53-55
• 4.1.1 導(dǎo)熱偏微分方程54
• 4.1.2 初始和邊界條件54-55
• 4.2 模具傳熱有限元模擬55-56
• 4.3 粒子群優(yōu)化算法56-59
• 4.3.1 算法原理57
• 4.3.2 算法流程57
• 4.3.3 算法參數(shù)設(shè)置57-58
• 4.3.4 粒子群優(yōu)化算法與遺傳算法的比較58-59
• 4.4 基于有限元方法和粒子群優(yōu)化的E-RTCM模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化策略59
• 4.5 本章小結(jié)59-61
• 第五章 電熱式快速熱循環(huán)吹塑技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用61-78
• 5.1 快速熱循環(huán)吹塑流程設(shè)計(jì)61-63
• 5.2 模具加熱系統(tǒng)的優(yōu)化63-71
• 5.2.1 模具結(jié)構(gòu)63-64
• 5.2.2 模具電加熱系統(tǒng)優(yōu)化模型的建立64-68
• 5.2.3 優(yōu)化模型的求解68-69
• 5.2.4 優(yōu)化結(jié)果與討論69-71
• 5.3 模具熱響應(yīng)評(píng)估71-75
• 5.3.1 加熱階段72-74
• 5.3.2 冷卻階段74-75
• 5.4 快速熱循環(huán)吹塑實(shí)驗(yàn)75-76
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)原料和吹塑參數(shù)設(shè)置75
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論75-76
• 5.5 本章小結(jié)76-78
• 第六章 電加熱和水射流冷卻的快速熱循環(huán)注塑技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用78-100
• 6.1 電加熱和水射流冷卻的快速熱循環(huán)模具79-86
• 6.1.1 結(jié)構(gòu)79-82
• 6.1.2 工作原理82-84
• 6.1.3 成型周期84
• 6.1.4 優(yōu)點(diǎn)84-86
• 6.2 實(shí)驗(yàn)與模擬86-98
• 6.2.1 模具設(shè)計(jì)86-87
• 6.2.2 模具熱響應(yīng)評(píng)估87-92
• 6.2.3 熱結(jié)構(gòu)分析92-96
• 6.2.4 快速熱循環(huán)注塑實(shí)驗(yàn)96-98
• 6.3 本章小結(jié)98-100
• 第七章 電熱式快速熱循環(huán)微孔注塑技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用100-118
• 7.1 快速熱循環(huán)微孔注塑流程101-102
• 7.2 實(shí)驗(yàn)與模擬102-108
• 7.2.1 模具設(shè)計(jì)102-104
• 7.2.2 模具熱響應(yīng)評(píng)估104-106
• 7.2.3 微孔注塑實(shí)驗(yàn)106-108
• 7.3 結(jié)果與討論108-117
• 7.3.1 型腔表面熱響應(yīng)108-112
• 7.3.2 型腔表面溫度預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型112-113
• 7.3.3 型腔表面溫度對(duì)制品表面粗糙度的影響及其影響機(jī)理113-117
• 7.4 本章小結(jié)117-118
• 結(jié)論118-120
• 創(chuàng)新點(diǎn)120-121
• 參考文獻(xiàn)121-135
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果135-138
• 致謝138-139
• 附件139

【共引文獻(xiàn)】

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7 雷青娟;薄壁、大口徑連續(xù)油管對(duì)接焊熱積累效應(yīng)研究[D];西安石油大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：277488