(Luận văn thạc sĩ) 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 Q TRÌNH GIA NHIỆT CHO KHN 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 tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 10 năm 2014 (Ký tên ghi rõ họ tên) ii 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 Mơ thí nghiệm q 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 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc 1.1.1 Ngồi nước Hiện nay, lĩnh vực khn phun ép nhựa, điều khiển nhiệt độ khuôn tối ưu cách hiệu nhằm nâng cao chất lượng bề mặt khn [1, 2] Nhìn chung, nhiệt độ bề mặt lịng khn cao, q trình điền đầy nhựa dễ dàng hơn, hầu hết trường hợp, chất lượng bề mặt sản phẩm cải thiện đáng kể Tuy nhiên, nhiệt độ khn tăng cao, q trình giải nhiệt khuôn nhựa bị kéo dài, chu kỳ phun ép tốn nhiều thời gian, giá thành sản phẩm gia tăng Vì vậy, mục tiêu quan trọng q trình điều khiển nhiệt độ khn phun ép là: gia nhiệt cho bề mặt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, đảm bảo thời gian chu kỳ phun ép không dài Dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên khn, q trình gia nhiệt cho khn phun ép chia làm nhóm chính: gia nhiệt khuôn (volume heating) gia nhiệt cho bề mặt khn (surface heating) Trong nhóm thứ nhất, phương pháp gia nhiệt nước (steam heating) (Hình 1.1) đạt tốc độ gia nhiệt từ 1oC/s đến 3oC/s [3] Độ gia nhiệt theo phương pháp khơng đánh giá cao q trình giải nhiệt cho khn gặp nhiều khó khăn Trong nghiên cứu khác, tốc độ gia nhiệt cải tiến đáng kể phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn sử dụng Quá trình điền đầy nhựa vào lịng khn cải thiện bề mặt khn phủ lớp cách nhiệt Phương pháp tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25oC [4, 5] Sau đó, hệ thống gia nhiệt tia hồng ngoại (infrared heating), (hình 1.2), nghiên cứu ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa [6, 7] LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Steam Recovery Steam Source Air Source Steam Recovery Valve exchange unit Cool Water Source AirRecovery recovery Air Water Recovery Water Recovery MOLD CONTROL SYSTEM Hình 1.1 Hệ thống gia nhiệt cho khuôn nước (Steam heating) Hình 1.2 Hệ thống gia nhiệt cho khn tia hồng ngoại (infrared heating system) LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Ngoài ra, nhằm đáp ứng yêu cầu gia nhiệt cho bề mặt phức tạp, phương pháp thổi khí nóng vào lịng khn (gas heating) nghiên cứu đánh giá [8, 9] Với phương pháp này, nhiệt độ bề mặt khn tăng từ 60oC đến 120oC thời gian giây Tuy nhiên, trình gia nhiệt đạt tới trạng thái bảo hòa thời gian gia nhiệt kéo dài giây Ưu điểm phương pháp thổi khí nóng vào lịng khuôn (gas heating) tốc độ gia nhiệt cao, thời gian chu kỳ sản phẩm rút ngắn Tuy nhiên, thiết kế khuôn phun ép (Hình 1.3) cần thực lại nhằm tích hợp hệ thống gia nhiệt vào Hình 1.3 Phương pháp gia nhiệt cho khn dịng khí nóng (Gas heating) Trong phương pháp gia nhiệt bề mặt (surface heating), phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ (induction heating) ứng dụng nhằm hạn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đường hàn (welding line), khuyết tật khác sản phẩm nhựa 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 khn đến q trình gia nhiệt Khoảng cách cuộn dây bề mặt khn (K) trình bày Hình 4.14 Thơng 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 mơ Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt khn ghi nhận so sánh Ngồi ra, phân bố nhiệt độ thu thập, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thơng số đến q 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 khn 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 khn phun ép Ngồi ra, q trình mơ 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 khn 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 khn 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, thơng 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 khn ghi nhận so sánh Ngồi ra, phân bố nhiệt độ ghi nhận, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thơng số đến q 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 khn 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 Ngồi ra, thơng qua q trình mơ 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 mơ Sau đó, giá trị nhiệt độ bề mặt khn ghi nhận so sánh Ngồi ra, phân bố nhiệt độ ghi nhận, so sánh nhận xét nhằm làm rõ ảnh hưởng thơng số đến q 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, thơng qua q 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 trịn với đường kính mm hình vng cạnh mm Tiết diện hình dáng cuộn dây trình bày Hình 4-17 Tương tự thơng 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 vng sử dụng, khn đạt nhiệt độ 83,0 oC, bên cạnh đó, tiết diện trịn sử dụng, nhiệt độ khn đạt 91,0 oC Ngồi ra, từ kết Hình 4-24, chênh lệch nhiệt độ điểm tiết diện hình vng sử dụng 10 o C Tuy nhiên, nhìn chung, giá trị nhiệt độ phân bố nhiệt độ khuôn với hai trường hợp khơng có khác biệt lớn Điểm Điểm Điểm 91.0 83.0 80.1 76.3 73.7 Nhiệt độ (oC) 74.04 Hình trịn Hình vng Tiết diện Hình 4-24 Phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn tiết diện dây thay đổi 45 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Thơng số Phân bố nhiệt độ Tiết diện trịn Tiết diện vng 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 mơ thực nghiệm kiểm chứng, kết sau rút ra: - Với thiết kế (cuộn dây 2D), chênh lệch nhiệt độ mơ thí nghiệm dao động khoảng 3,6 oC đến 13,5 oC Tương tự, với thiết kế (cuộn dây 3D), chênh lệch nhiệt độ mơ thí nghiệm dao động khoảng 2,0 oC đến 7,9 oC - Các kết cho thấy phương pháp mơ dự đốn 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 khn, q 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 vng, phân bố nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ cải thiện 47 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP 5.2 Hƣớng phát triển đề tài Thơng qua q 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 Mơ hình mơ cho cuộn dây gia nhiệt bề mặt khuôn phức tạp Hình 5.2 Mơ 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 ... vậy, khả ứng dụng phương pháp đề cập đến 2.1 Giới thiệu chung phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng từ Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ thường sử dụng trình gia nhiệt cho vật liệu sắt từ nhằm nâng nhiệt. .. nhiệt cảm ứng từ phương pháp mang tính khả thi (+) Phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ dùng cho trường hợp cần gia nhiệt cục nhỏ bề mặt khuôn (+) Các trang thiết bị dùng q trình gia nhiệt cảm ứng từ. .. phẩm nhựa LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hình 1.4 Phương pháp gia nhiệt cho khuôn cảm ứng từ (Induction heating) Trong nghiên cứu đây, phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ (Hình 1.4) kết hợp với lưu chất giải nhiệt