Nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo phương pháp cảm ứng từ

vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyếtăđnhăgiaoăđề tài Xác nhận của cán bộ hớng dẫn Lý lch cá nhân ………………………………………………………………………i Lờiăcamăđoană……………………………………………………………………… ii Cảm t………………………………………………………………………… iii Tóm tắt……………………… …………………………………………………….iv Mục lục ………………………… ……………………………………………… vi Danh sách các chữ viết tắt ………………………….……………………………viii Danh sách các hình ……………………………………………………………… ix Danh sách các bảng ……………………………………………………………….xii Chơngă1 1 Tổng quan 1 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộcălĩnhăvực củaăđề tài trong và ngoài nớc 1 1.2 Tính cấp thiết và ýănghĩaăkhoaăhọc củaăđề tài 6 1.3 Mụcăđíchănghiênăcứu,ăđốiătợng nghiên cứu 6 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hn củaăđề tài 7 1.5 Cách tiếp cận và phơngăpháp nghiên cứu 8 1.6 Kế hoch thực hiện 9 Chơngă2 10 Quá trình gia nhiệtătheoăphơngăphápăcảm ứng từ 10 2.1 Giới thiệu chung về phơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ 10 vii 2.2 Hiệu ứng bề mặt 12 2.3 Thiết kế cuộn dây gia nhiệt 13 2.4 Một số đặcăđim nổi bật của quá trình gia nhiệtătheoăphơngăphápăcảm ứng từ13 Chơngă3 16 Phơngăphápăvàăthiết b thí nghiệm 16 3.1 Trang thiết b thí nghiệm 16 3.2ăPhơngăphápăthíănghiệm 25 Chơngă4 27 Mô phỏng và thí nghiệm quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ 27 4.1 Giới thiệu 27 4.2 Mô phỏng quá trình gia nhiệt ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây 28 4.3 So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm 33 Chơngă5 47 Kết luậnăvàăhớng phát trin 47 5.1 Kết luận 47 5.2ăHớng phát trin 58 Tài liệu tham khảo 50 viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAE: Computer Aided Engineering CNC: Computer Numerical Control ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằngăhơiănớc….………………….….2 Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoi.……………………2 Hình 1.3ăPhơngăphápăgiaănhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng…………… 3 Hình 1.4ăPhơngăphápăgiaănhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ………………….4 Hình 2.1 Nguyên lý hotăđộng củaăphơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ…11 Hìnhă2.2ăDòngăđiện cảm ứngătrongăphơngăphápăgiaănhiệt bằng cảm ứng từ…12 Hình 3.1 Máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ……………………………………… 16 Hình 3.2 Thiết kế 1……………………………………………………………….18 Hình 3.3 Thiết kế 2……………………………………………………………….18 Hình 3.4 Thiết kế 3……………………………………………………………….19 Hình 3.5 Thiết kế 4……………………………………………………………….19 Hình 3.6ăKíchăthớc của tấm khuôn thí nghiệm…………………………… ….20 Hình 3.7 Thiết b điều chỉnh nhiệtăđộ khuôn…………………………………… 21 Hình 3.8 Camera nhiệt…………………………………………………………….22 Hình 3.9 Giao diện của phần mềm phân tích nhiệtăđộ………………………… 23 Hình 3.10 Thiết b đoănhiệt (tiếp xúc)…………………………………………….24 Hình 3.11ăCácăbớc thí nghiệm……………………………………………………25 Hình 3.12 Hệ thốngăđoănhiệtăđộ……………………………………………………26 Hình 3.13 V tríăđoănhiệtăđộ……………………………………………………… 26 Hình 4.1 Mô hình mô phỏng……………………………………………………….29 Hình 4.2ăMôăhìnhălới của cuộn dây và tấm khuôn………………………………29 x Hình 4.3 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 1……………………………………31 Hình 4.4 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 2……………………………………31 Hình 4.5 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 3……………………………………32 Hình 4.6 Phân bố nhiệtăđộ của cuộn dây thứ 4……………………………………32 Hình 4.7 So sánh phân bố nhiệtăđộ tiă3ăđim với 4 loi cuộn dây……………….33 Hình 4.8 Hệ thống thiết b thí nghiệm…………………………………………… 34 Hình 4.9 Cuộn dây và tấm khuôn cho thí nghiệm……………………………… 34 Hình 4.10 Kết quả gia nhiệt khi sử dụng cuộn dây 2D……………………………35 Hình 4.11 Kết quả gia nhiệt khi sử dụng cuộn dây 3D……………………………35 Hình 4.12 Nhiệt độ tiă3ăđim khi cuộnădâyă2Dăđợc sử dụng………………… 36 Hình 4.13 Nhiệtăđộ tiă3ăđim khi cuộnădâyă3Dăđợc sử dụng………………… 36 Hình 4.14 Khoảng cách giữa cuộn dây và khuôn…………………………………37 Hình 4.15 Chiều cao của cuộn dây……………………………………………… 38 Hình 4.16ăBớc của cuộn dây…………………………………………………… 38 Hình 4.17 Tiết diện của cuộn dây………………………………………………….38 Hình 4.18 Nhiệtă độ bề mặt tấmă khuônă khiă Kă thayă đổi từ 1ă mmă đến 5 mm (Mô phỏng)…………………………………………………………………………… 39 Hình 4.19 Phân bố nhiệtăđộ ti bề mặt khuôn khi K thayăđổi……………………40 Hình 4-20 Nhiệtăđộ bề mặt tấmăkhuônăkhiăHăthayăđổi từ 40mmăđến 80mm………41 Hình 4-21 Phân bố nhiệtăđộ ti bề mặtăkhuônăkhiăHăthayăđổi…………………… 42 Hình 4-22 Nhiệtăđộ bề mặt tấm khuôn khi P thayăđổi từ 3mmăđến 7mm (Mô phỏng)…………………………………………………………………………… 43 Hình 4-23 Phân bố nhiệtăđộ ti bề mặtăkhuônăkhiăPăthayăđổi từ 3ăđến 7 mm…….44 Hình 4-24. Nhiệtăđộ ti bề mặt khuôn khi tiết diệnădâyăthayăđổi………………….45 Hình 4-25. Phân bố nhiệtăđộ ti bề mặt khuôn khi tiết diệnădâyăthayăđổi…………46 xi Hình 5.1 Mô hình mô phỏng cho cuộn dây gia nhiệt trên bề mặt khuôn phức tp 48 Hìnhă5.2ăMôăhìnhăchiaălới của cuộn dây gia nhiệt và tấm khuôn trên bề mặt khuôn phức tp…………………………………………………………………………….48 Hình 5.3 Phân bố nhiệtăđộ trên tấm khuôn trong thời gian gia nhiệt 10 giây…… 49 xii DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bảng 1.1 Kế hoch thực hiện……………………………………………… 9 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy gia nhiệt bằng cảm ứng từ………….17 Bảng 3.2 Thông số của thiết b điều khin nhiệtăđộ khuôn bằngănớc…….21 Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của camera nhiệt…………………………… 22 Bảng 3.4 Thông số của thiết b đoănhiệt tiếp xúc………………………… 24 Bảng 4.1 Thông số mô phỏng cho 4 thiết kế của cuộn dây……………… 28 Bảng 4.2 Thông số chính của quá trình mô phỏng…………………………30 Bảng 4.3 Thông số thiết kế của cuộn dây 3D…………………………… 37 LUN VĂN TT NGHIP 1 Chơngă1 TNG QUAN 1.1.1ăNgoàiănớc Hiệnănay,ătrongălĩnhăvực khuôn phun ép nhựa,ăđiều khin nhiệtăđộ khuôn tối uălàămột trong những cách hiệu quả nhất nhằm nâng cao chấtălợng bề mặt khuôn [1, 2]. Nhìn chung, nếu nhiệtăđộ bề mặtălòngăkhuônăcao,ăquáătrìnhăđiềnăđầy nhựa sẽ đợc d dàngăhơn,ăvàătrongăhầu hếtăcácătrờng hợp, chấtălợng bề mặt sản phẩm sẽ đợc cải thiệnăđángăk. Tuy nhiên, nếu nhiệtăđộ của các tấmăkhuônătĕngăcao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ b kéo dài, và chu kỳ phun ép sẽ tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩmăcũngăsẽ giaătĕng.ăVìă vậy, mục tiêu quan trọng của quá trìnhăđiều khin nhiệtăđộ khuôn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặtăkhuônăđến nhiệtăđộ yêu cầu,ănhngăvẫnăđảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. Dựa vào ảnhăhởng nhiệtăđộ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phunăépăđợc chia làm 2 nhóm chính: gia nhiệt cả tấm khuôn (volume heating) và gia nhiệt cho bề mặt khuôn (surface heating). Trong nhóm thứ nhất,ăphơngăphápă gia nhiệt bằngăhơiănớc (steam heating) (Hình 1.1) có th đtăđợc tốcăđộ gia nhiệt từ 1 o C/săđến 3 o C/s [3].ăĐộ gia nhiệtătheoăphơngăphápănàyăkhôngăđợcăđánhăgiáăcaoă và quá trình giải nhiệtăchoăkhuônăcũngăsẽ gặp nhiều khóăkhĕn.ă Trong nghiên cứu khác, tốcăđộ gia nhiệtăđợc cải tiến đángăk khiăphơngă pháp gia nhiệt cho bề mặtăkhuônăđợc sử dụng.ăQuáătrìnhăđiềnăđầy của nhựa vào lòngăkhuônăđợc cải thiện khi bề mặtăkhuônăđợc phủ 1 lớp cách nhiệt.ăPhơngă pháp này có th tĕng nhiệtăđộ bề mặt khuôn lên khoảng 25 o C [4,ă5].ăSauăđó,ăhệ thống gia nhiệt bằng tia hồng ngoiă(infraredăheating),ă(hìnhă1.2),ăđợc nghiên cứu và ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7]. 1.1 Tng quan tình hình nghiên cu thuc lĩnh vực ca đ tài ở trong và ngoài nc LUN VĂN TT NGHIP 2 Valve exchange unit Water Recovery Air recovery Steam Recovery Air Source Cool Water Source Steam Source Water Recovery Air Recovery Steam Recovery CONTROL SYSTEM MOLD Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằngăhơiănớc (Steam heating) Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn bằng tia hồng ngoi (infrared heating system) LUN VĂN TT NGHIP 3 Ngoài ra, nhằmăđápăứng yêu cầu gia nhiệt cho các bề mặt phức tp,ăphơngă pháp thổiăkhíănóngăvàoălòngăkhuônă(gasăheating)ăđưăđợc nghiên cứu vàăđánhăgiáă[8, 9]. Vớiă phơngă phápă này,ănhiệtă độ bề mặt khuôn có th đợcă tĕngătừ 60 o Că đến 120 o C trong thời gian 2 giây. Tuy nhiên, quá trình gia nhiệt này sẽ đt tới trng thái bảo hòa khi thời gian gia nhiệtăkéoădàiăhơnă4ăgiây.ăuăđim củaăphơngăphápăthổi khí nóng vào lòng khuôn (gas heating) là tốcăđộ gia nhiệt rất cao, và thời gian chu kỳ của sản phẩm sẽ đợc rút ngắn. Tuy nhiên, thiết kế của khuôn phun ép (Hình 1.3) cầnăđợc thực hiện li nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào. Hìnhă1.3ăPhơngăphápăgia nhiệt cho khuôn bằng dòng khí nóng (Gas heating) Trong phơngă phápă giaă nhiệt bề mặtă (surfaceă heating),ă phơngă phápă giaă nhiệt bằng cảm ứng từ (inductionăheating)ăđưăđợc ứng dụng nhằm hn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đờngăhànă(weldingăline),ăcũngănhăcácăkhuyết tật khác của sản phẩm nhựa. [...]... 1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu - Thuăthậpăvàăphânătíchătàiăliệuăvềăkỹăthuật điềuăkhi n nhiệt độ cho khuôn phun ép gồmă2ănhómăchính:  Giải nhiệt cho khuôn  Gia nhiệt cho khuôn - Tìmăhi uăcácăyêuăcầuăvềăkếtăcấu khuôn ứng vớiăph ơng pháp điềuăkhi nă nhiệt độ theo nguyênălý cảm ứng từ - Phânătíchăvàăđềăxuấtăcácăthiếtăkế cho cuộnădâyătrongă hệăthống gia nhiệt bằng cảm ứng từ cho khuôn phun ép - Môăphỏngăcácăthiếtăkếăcủaăcuộnădâyăvàăchọnăraăcácăthiếtăkếăkhảăthiă... giá tr nhiệt độ nhấtăđ nh, nhựa nóng sẽ đ ợc phun vàoălòng khuôn, ăsauăđó, quá trình giải nhiệt cho khuôn sẽ di năra.ăVìăph ơng pháp cảm ứng từ chỉ gia nhiệt t i bề mặt khuôn, ădoăđó, quá trình giải nhiệt cho khuôn sẽ 10 LU N VĂN T T NGHI P di n ra d dàng và tốcăđộ giải nhiệt sẽ nhanhăhơnăsoăvớiăcácăph ơng pháp gia nhiệt khác Nguyên lý ho tă động củaă ph ơngă pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đ ợc trình ... NGHI P Hình 1.4ăPh ơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ (Induction heating) Trong các nghiên cứu mớiă đây,ă ph ơngă pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (Hìnhă 1.4)ă đ ợc kết hợp vớiă l uă chất giải nhiệt nhằmă điều khi n nhiệt độ khuôn Ph ơngă pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có nhữngă uă đi mă v ợt trội so với các ph ơng pháp khácănh : - Tốcăđộ gia nhiệt cao - Thời gian gia nhiệt có th kéoădàiăđến... củaăph ơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ 11 LU N VĂN T T NGHI P Hìnhă2.2ăDòngăđiện cảm ứng trongăph ơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ 2.2 Hi u ng b mặt Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn, do ảnhăh ởng củaădòngăđiện cao tần, hiệnăt ợng gia nhiệt chỉ tập trung t i bề mặt của lòng khuôn Trong các nghiên cứu về hiệnăt ợng cảm ứng điện từ, ăkhiădòngăđiện có tầng số càngăcao,ădòngăđiện cảm ứng trên... Hiệnănay,ăph ơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một trong nhữngăph ơng pháp mới,ăđangăđ ợc ứng dụng ngày càng phổ biến trong công nghệ phun ép nhựa, vì vậy, khả nĕng ứng dụng củaăph ơng pháp nàyăcũngăsẽ đ ợc đề cậpăđến 2.1 Gi i thi u chung v ph ng pháp gia nhi t b ng c m ng t Ph ơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ th ờngăđ ợc sử dụng trong quá trình gia nhiệt cho các vật liệu sắt từ nhằm nâng nhiệt độ... material),ănh ăthép,ă độ ngắm từ th ờngăcaoă hơnărất nhiều.ăDoăđó,ă khi gia nhiệt cho vật liệu sắt từ, nhờ hiệu ứng bề mặt, quá trình gia nhiệt sẽ tập trung t i bề mặt của vật cần gia nhiệt Vì vậy, hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ nâng cao đángăk 2.3 Thi t k c a cu n dây gia nhi t (coil design) Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn, ădòngăđiện cảm ứng trên bề mặt khuôn đ ợc t o ra bởi từ tr ờngăthayăđổi... nhiều chi phí trong qua trình gia công 1.3 Mục tiêu đ tƠi, đối t ợng nghiên c u 1.3.1 Mụcătiêuăđề tài: Nghiên cứu ph ơng pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ với các mụcătiêuănh ăsau: 6 LU N VĂN T T NGHI P - Tốcăđộ gia nhiệt đủ nhanh (sau 3-5 giây, nhiệt độ bề mặt khuôn đ t tới nhiệt độ > 100oC) - Phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn ứng với các thiết kế... tấm khuôn đưăổnăđ nh t i 40oC, quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ đ ợc tiến hành Sau khi quá trình gia nhiệt bằng 25 LU N VĂN T T NGHI P cảm ứng từ kết thúc, cuộn dây gia nhiệt sẽ đ ợc di chuy n ra xa tấm khuôn, ngay sauă đó, thiết b giám sát nhiệt độ (camera nhiệt hoặc cảm biến nhiệt) sẽ đ ợc sử dụng Sau khi quá trình thu thập kết quả về nhiệt độ kết thúc, thiết b điều khi n nhiệt độ cho khuôn sẽ đ ợc kích... Phân tích, mô phỏng quá trình gia nhiệt nhằm dự đoánă phână bố nhiệt độ ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây 1.3.2ăĐốiăt ợng nghiên cứu Mô hình gia nhiệt cho tấm khuôn phun ép bao gồm: - Hệ thốngăđiều khi n nhiệt độ cho khuôn bằngăn ớc - Hệ thống dẫnăn ớc giải nhiệt trong lòng khuôn - Tấm khuôn - Ph ơng pháp môăphỏng nhằm dự đoánăkết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn 1.4 Nhi m vụ nghiên c u và gi... của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ đ ợcăphânătíchănh :ăhình 24 LU N VĂN T T NGHI P d ng cuộn dây, quá trình truyền nhiệt ă Thôngă quaă quá trình môă phỏng, phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm khuôn t i cuối quá trình gia nhiệt sẽ đ ợcă l uăgiữ và so sánh với kết quả thí nghiệm 3.2 Ph ng pháp thí nghi m Trong nghiên cứu này, thông qua quá trình so sánh phân bố nhiệt độ trên bề mặt khuôn ứng với . 1.4ăPhơng pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ ……………….4 Hình 2.1 Nguyên lý hotăđộng củaăphơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ 11 Hìnhă2.2ăDòngăđiện cảm ứng trongăphơng pháp gia nhiệt bằng cảm ứng. phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu,ănhngăvẫnăđảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không quá dài. Dựa vào ảnhăhởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép đợc. qua trình gia công. 1.3 Mục tiêu đ tƠi, đối tợng nghiên cu 1.3.1 Mụcătiêuăđề tài: Nghiên cứu phơng pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ