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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH NGỌC TRINH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH NGỌC TRINH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐINH NGỌC TRINH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2014 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Đinh Ngọc Trinh Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 09/08/1986 Nơi sinh: Long An Quê quán: Thủ Thừa- Long An Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: ấp 1, Nhị Thành, Thủ Thừa, Long An Điện thoại quan: Điện thoại di động: 01686090205 Fax: E-mail: ngoctrinh12@ymail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 09/ 2005 đến 11/2009 Nơi học Trƣờng ĐH Đồng Tháp - TP Cao Lãnh - Đồng Tháp Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 01/01/2010 Trƣờng THPT Phan Văn Đạt Giáo viên Công nghệ i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii CẢM TẠ Tác giả xin chân thành cảm ơn quí Thầy Cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, trƣờng Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn tốt nghiệp tiến độ Đặc biệt, tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS.NGUYỄN NGỌC PHƢƠNG, dù bận rộn với công việc giảng dạy nhƣng Thầy dành thời gian quan tâm, hƣớng dẫn, bảo tận tình cho suốt trình nghiên cứu, thực luận văn Tác giả chân thành cám ơn TS PHẠM SƠN MINH nhiệt tình góp ý, giúp đỡ tác giả suốt trình nghiên cứu thực luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 iii ABSTRACT In the recent years, mold rapid heating technologies have been developed all the time The induction heating system is the most popular technology to make the mobility of plastic so that it would result a better replication of micro-structure and shorten the cycle time Generally, the problem that usually occurs in the induction heating process is the difficulty in controlling the uniformity temperature during the heating process Topic “Heating process for injection molding process by induction heating method” explained this problem This study started from designed four coils design to compare each others by using the ANSYS simulation software Continued, with selected two coils design and compared with the experiment results Finally, in the last step, the best coil designed was selected, continued with development the design The coil’s development is divided into four kinds (the coupling distance 1, 3, 5mm), (the coil height 40, 60, 80mm), (the coil pitch 3, 5, 7mm) and (the coil cross sectional shape: square and circle) For the study case, was the application of the coil designed The result showed that the best coil designed heated up from 40C in second, could reach max temperature for 91C with heating speed for 25.5C/s Moreover, the development for the coil design also showed that, the closer coupling distance(1mm) produced higher temperature, smaller coil height (40mm) produced better uniformity, larger coil pitch (7mm) produced better uniformity (with certain limit), and the square cross sectional shape also produced better uniformity temperature Furthermore, for the study case result showed that, the 3D coil design can produce good uniformity temperature By doing this study, a better coil (3D) designed with core surface mold and appropriate coil parameters to produced better uniformity temperature during the heating process could be reached iv TÓM TẮT Trong năm gần đây, công nghệ gia nhiệt cho khuôn phun ép đƣợc phát triển nhanh Hệ thống gia nhiệt cảm ứng từ đƣợc xem công nghệ phổ biến với ngành sản xuất nhựa, đƣợc ứng dụng tốt sản xuất sản phẩm có cấu trúc vi mô chu kỳ phun ép ngắn Nhìn chung, vấn đề thƣờng xảy trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ khó khăn việc điều khiển nhiệt độ khuôn để đạt đƣợc phân bố nhiệt độ đồng trình gia nhiệt Do đó, đề tài “Nghiên cứu trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo phương pháp cảm ứng từ” giải phần vấn đề nói Nghiên cứu đề tài đƣợc bắt đầu với việc so sánh thiết kế cuộn dây gia nhiệt phƣơng pháp mô phần mềm ANSYS Tiếp đó, chọn thiết kế tối ƣu để thực nghiệm so sánh với kết mô để tìm thiết kế tốt Bƣớc cuối cùng, tối ƣu hóa thiết kế tốt theo thông số về: khoảng cách cuộn dây bề mặt khuôn, chiều cao cuộn dây, bƣớc cuộn dây tiết diện vòng dây cuộn, để tìm đƣợc cuộn dây với thông số gia nhiệt tốt Kết với thiết kế cuộn dây tốt gia nhiệt 40oC thời gian giây, nhiệt độ gia nhiệt đƣợc nâng lên 91oC với tốc độ gia nhiệt 25,5oC/s Hơn nữa, nhiệt độ cuôn dây đƣợc tối ƣu đặt cách bề mặt khuôn 1mm, chiều cao cuộn dây 40 mm, bƣớc cuộn dây 7mm, tiết diện cuộn hình vuông giúp phân bố nhiệt độ đồng Do đó, nghiên cứu thể thiết kế cuộn dây thứ tạo phân bố nhiệt độ tốt Hƣớng nghiên cứu dự kiến, mô cuộn dây tốt với bề mặt khuôn phức tạp thông số thích hợp để đạt đƣợc phân bố nhiệt độ đồng suốt trình gia nhiệt v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hƣớng dẫn Lý lịch cá nhân ………………………………………………………………………i Lời cam đoan ……………………………………………………………………… ii Cảm tạ………………………………………………………………………… iii Tóm tắt……………………… …………………………………………………….iv Mục lục ………………………… ……………………………………………… vi Danh sách chữ viết tắt ………………………….……………………………viii Danh sách hình ……………………………………………………………… ix Danh sách bảng ……………………………………………………………….xii Chƣơng Tổng quan 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc 1.2 Tính cấp thiết ý nghĩa khoa học đề tài 1.3 Mục đích nghiên cứu, đối tƣợng nghiên cứu 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài 1.5 Cách tiếp cận phƣơng pháp nghiên cứu 1.6 Kế hoạch thực Chƣơng 10 Quá trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ 10 2.1 Giới thiệu chung phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng từ 10 vi 2.2 Hiệu ứng bề mặt 12 2.3 Thiết kế cuộn dây gia nhiệt 13 2.4 Một số đặc điểm bật trình gia nhiệt theo phƣơng pháp cảm ứng từ13 Chƣơng 16 Phƣơng pháp thiết bị thí nghiệm 16 3.1 Trang thiết bị thí nghiệm 16 3.2 Phƣơng pháp thí nghiệm 25 Chƣơng 27 Mô thí nghiệm trình gia nhiệt cảm ứng từ 27 4.1 Giới thiệu 27 4.2 Mô trình gia nhiệt ứng với thiết kế khác cuộn dây 28 4.3 So sánh kết mô thực nghiệm 33 Chƣơng 47 Kết luận hƣớng phát triển 47 5.1 Kết luận 47 5.2 Hƣớng phát triển 58 Tài liệu tham khảo 50 vii Chiều cao LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 4-15 Chiều cao cuộn dây Bước Hình 4-16 Bước cuộn dây Hình 4-17 Tiết diện cuộn dây 38 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Ảnh hưởng khoảng cách cuộn dây bề mặt khuôn đến trình gia nhiệt Khoảng cách cuộn dây bề mặt khuôn (K) trình bày Hình 4.14 Thông số có ảnh hưởng lớn đến trình gia nhiệt cảm ứng từ [11] Trong nghiên cứu này, thông số thay đổi từ mm, mm, đến mm Quá trình gia nhiệt tiến hành phương pháp mô Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn ghi nhận so sánh Ngoài ra, phân bố nhiệt độ thu thập, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thông số đến trình gia nhiệt Hình 4-18 trình bày giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn sau thời gian s gia nhiệt Kết cho thấy với K nhỏ, trình gia nhiệt diễn thuận lợi Với trường hợp K = mm, sau thời gian s gia nhiệt, nhiệt độ khuôn tăng từ 40oC đến 103,2 oC Đây tốc độ gia nhiệt cao lĩnh vực khuôn phun ép Về chênh lệch nhiệt độ điểm, K thay đổi từ mm đến mm, độ chênh lệch nhiệt độ giảm từ 15,3 oC (K = mm) xuống 12,4 oC (K = mm) Sự thay đổi gần không đáng kể, đặc biệt lĩnh vực gia nhiệt cho khuôn phun ép Ngoài ra, trình mô phỏng, phân bố bề mặt khuôn thu thập so sánh Hình 4-19 Kết cho thấy: phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn gần không thay đổi K tăng từ 1mm đến mm Điểm Điểm Điểm 103.2 91.2 87.9 91.0 80.1 83.4 Nhiệt độ (oC) 73.0 71.0 Khoảng cách (mm) Hình 4-18 Nhiệt độ bề mặt khuôn K thay đổi từ 1mm đến 5mm (Mô phỏng) 39 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thông số Phân bố nhiệt độ K= mm K= mm K= mm Hình 3-19 Phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn K thay đổi 40 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Ảnh hưởng chiều cao cuộn dây đến trình gia nhiệt: Chiều cao cuộn dây 3D (H) trình bày Hình 4-15 Trong nghiên cứu này, thông số thay đổi với giá trị: 40 mm , 60 mm , 80 mm Quá trình gia nhiệt tiến hành phương pháp mô Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn ghi nhận so sánh Ngoài ra, phân bố nhiệt độ ghi nhận, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thông số đến trình gia nhiệt Hình 4-20 trình bày giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn sau thời gian s gia nhiệt ứng với giá trị H Kết cho thấy với H lớn, trình gia nhiệt diễn thuận lợi Với trường hợp K = 80 mm, sau thời gian s gia nhiệt, nhiệt độ khuôn tăng từ 40 oC đến 95,3oC Đây tốc độ gia nhiệt chấp nhận lĩnh vực khuôn phun ép Về chênh lệch nhiệt độ điểm, H thay đổi từ 40 mm đến 80 mm, độ chênh lệch nhiệt độ giảm từ 6,2oC (H = 40 mm) xuống 15,8oC (H = 80 mm) Nhìn chung, độ chênh lệch nhiệt độ gần không đáng kể, đặc biệt lĩnh vực gia nhiệt cho khuôn phun ép Ngoài ra, thông qua trình mô phỏng, phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn thu thập so sánh Hình 4-21 Kết cho thấy: phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn gần không thay đổi H tăng từ 40 mm đến 80 mm Điểm Điểm Điểm 95.3 91.0 79.6 82.5 80.1 79.5 74.04 73.4 Nhiệt độ (oC) 70.1 40 60 80 Chiều cao (mm) Hình 4-20 Nhiệt độ bề mặt khuôn H thay đổi từ 40mm đến 80mm (Mô phỏng) 41 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thông số Phân bố nhiệt độ H = 40mm H = 60mm H = 80mm Hình 4-21 Phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn H thay đổi 42 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Ảnh hưởng bước (P - pitch) cuộn dây đến trình gia nhiệt: Giá trị bước cuộn dây 3D (P) trình bày Hình 4.16 Trong nghiên cứu này, thông số thay đổi với giá trị: mm , mm , mm Quá trình gia nhiệt tiến hành phương pháp mô Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn ghi nhận so sánh Ngoài ra, phân bố nhiệt độ ghi nhận, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thông số đến trình gia nhiệt Hình 4-22 trình bày giá trị nhiệt độ bề mặt khuôn sau thời gian s gia nhiệt ứng với giá trị P Kết cho thấy với P nhỏ, trình gia nhiệt diễn thuận lợi Với trường hợp P = mm, sau thời gian s gia nhiệt, nhiệt độ khuôn tăng từ 40 oC đến 215,1oC Đây tốc độ gia nhiệt chấp nhận lĩnh vực khuôn phun ép Về chênh lệch nhiệt độ điểm, P thay đổi từ mm đến mm, độ chênh lệch nhiệt độ giảm từ 89,4oC (H = 40 mm) xuống 3,2oC (H = 80 mm) Đây cải thiện đáng kể phân bố nhiệt độ, với chênh lệch nhiệt độ thấp hơn, chất lượng sản phẩm nhựa tốt hơn, độ cong vênh giảm đáng kể Bên cạnh đó, thông qua trình mô phỏng, phân bố bề mặt khuôn thu thập so sánh Hình 4-23 Kết cho thấy: phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn có thay đổi lớn khi P tăng từ mm đến mm Với trường hợp P = mm, nhiệt độ phân bố vùng khuôn gia nhiệt tốt, kết nhiệt độ tăng cao Đây nguyên nhân gây nên cân nhiệt độ bề mặt khuôn Điểm Điểm Điểm 215.1 Nhiệt độ (oC) 160.7 125.7 91.0 80.1 74.04 63.4 60.7 60.2 Bước cuộn dây (mm) Hình 4-22 Nhiệt độ bề mặt khuôn P thay đổi từ 3mm đến 7mm (Mô phỏng) 43 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thông số Phân bố nhiệt độ P = 3mm P = 5mm P = 7mm Hình 4-23 Phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn P thay đổi từ đến mm 44 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP - Ảnh hưởng tiết diện cuộn dây đến trình gia nhiệt: Trong nghiên cứu này, cuộn dây mô với hai loại tiết diện: hình tròn với đường kính mm hình vuông cạnh mm Tiết diện hình dáng cuộn dây trình bày Hình 4-17 Tương tự thông số trên, hai thiết kế cuộn dây mô phỏng, giá trị nhiệt độ, phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn thu thập so sánh Kết so sánh trình bày Hình 4-24 4-25 Hình 4-24 cho thấy tiết diện hình vuông sử dụng, khuôn đạt nhiệt độ 83,0 oC, bên cạnh đó, tiết diện tròn sử dụng, nhiệt độ khuôn đạt 91,0 oC Ngoài ra, từ kết Hình 4-24, chênh lệch nhiệt độ điểm tiết diện hình vuông sử dụng 10 o C Tuy nhiên, nhìn chung, giá trị nhiệt độ phân bố nhiệt độ khuôn với hai trường hợp khác biệt lớn Điểm Điểm Điểm 91.0 83.0 80.1 76.3 73.7 Nhiệt độ (oC) 74.04 Hình tròn Hình vuông Tiết diện Hình 4-24 Phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn tiết diện dây thay đổi 45 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thông số Phân bố nhiệt độ Tiết diện tròn Tiết diện vuông Hình 4-25 Phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn tiết diện dây thay đổi 46 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Thông qua nghiên cứu này, thông số đặc điểm cuộn dây trình gia nhiệt cảm ứng từ xem xét phân tích Với phương pháp mô thực nghiệm kiểm chứng, kết sau rút ra: - Với thiết kế (cuộn dây 2D), chênh lệch nhiệt độ mô thí nghiệm dao động khoảng 3,6 oC đến 13,5 oC Tương tự, với thiết kế (cuộn dây 3D), chênh lệch nhiệt độ mô thí nghiệm dao động khoảng 2,0 oC đến 7,9 oC - Các kết cho thấy phương pháp mô dự đoán xác phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn - Cả phương pháp mô phương pháp thí nghiệm cho thấy cuộn dây (3D) cho kết tốt thiết kế khác với tốc độ gia nhiệt đạt 24,5 oC/s chênh lệch nhiệt độ lớn 22,9 oC - Bằng phương pháp mô phỏng, thông số cuộn dây 3D phân tích với kết sau: - Khi gia nhiệt cuộn dây 3D, cuộn dây gần bề mặt khuôn, trình gia nhiệt thuận lợi - Chiều cao (H) cuộn dây 3D thấp, tốc độ gia nhiệt chậm hơn, phân bố nhiệt độ tốt - Bước (P) cuộn dây có ảnh hưởng lớn đến trình gia nhiệt Với bước nhỏ hơn, tốc độ gia nhiệt tăng mạnh vùng khuôn Tuy nhiên, phân bố nhiệt độ bề mặt gia nhiệt không cân - Khi cuộn dây có tiết diện hình vuông, phân bố nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ cải thiện 47 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Thông qua trình nghiên cứu cuộn dây phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ, bên cạnh kết đạt được, hướng phát triển sau đề xuất: - Nghiên cứu trình gia nhiệt cảm ứng từ cho bề mặt khuôn phức tạp Thời gian gia nhiệt 10 giây, dòng điện 550A, khuôn làm thép không gỉ, cuộn dây từ ống đồng Hình 5.1 Mô hình mô cho cuộn dây gia nhiệt bề mặt khuôn phức tạp Hình 5.2 Mô hình chia lưới cuộn dây gia nhiệt khuôn bề mặt khuôn phức tạp 48 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 5.3 Phân bố nhiệt độ khuôn thời gian gia nhiệt 10 giây 49 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO S C Chen, Y C Wang, S C Liu, J C Cin, Mold temperature variation for assisting micro molding of DVD micro-featured substrate and dummy using pulsed-cooling, Sensors and Actuators A 151 (1) (2009) 87-93 S C Chen, Y W Lin, R D Chien, H M Li, Variable mold temperature to improve surface quality of microcellular injection molded parts using induction heating technology, Advances in Polymer Technology 27 (4) (2008) 224-232 M C Jeng, S C Chen, P S Minh, J A Chang, C S Chung, Rapid mold temperature control in injection molding by using steam heating, International Communications in Heat and Mass Transfer 37(9) (2010) 12951304 S C Chen, Y Chang, Y P Chang, Y C Chen, C Y Tseng, Effect of cavity surface coating on mold temperature variation and the quality of injection molded parts, International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (10) (2009) 1030-1035 S C Chen, H M Li, S S Hwang, H H Wang, Passive mold temperature control by a hybrid filming-microcellular injection molding processing, International Communications in Heat and Mass Transfer 35 (7) (2008) 822827 P C Chang, S J Hwang, Simulation of infrared rapid surface heating for injection molding, International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2122) (2006) 3846-3854 M C Yu, W B Young, P M Hsu, Micro injection molding with the infrared assisted heating system, Materials Science and Engineering A 460461 (2007) 288-295 S C Chen, R D Chien, S H Lin, M C Lin, J.A Chang, Feasibility evaluation of gas-assisted heating for mold surface temperature control 50 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP during injection molding process, International Communications in Heat and Mass Transfer 36 (8) (2009) 806-812 S C Chen, P S Minh, J A Chang, Gas-assisted mold temperature control for improving the quality of injection molded parts with fiber additives, International Communications in Heat and Mass Transfer 38 (3) (2011) 304312 10 S Zinn and S L Semiatin, “Element of Induction Heating Design, Control, and Application”, Electric Power Research Institute, Inc, Palo Alto, California, 185-187 (1987) 11 J Callebaut, “Leonardo Energy – Power Quality Utilisation Guide” 51 S K L 0