Chế tạo thiết bị gia nhiệt cho khuôn theo nguyên lý cảm ứng điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIA NHIỆT CHO KHUÔN THEO NGUYÊN LÝ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ S K C 0 9 MÃ SỐ: T2014 - 86 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƢỜNG CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIA NHIỆT CHO KHUÔN THEO NGUYÊN LÝ CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ Mã số: T2014-86 Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Văn Minh TP HCM, 11/2014 NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đơn vị công tác TT Họ tên lĩnh vực chuyên môn Nguyễn Văn Minh Bộ môn CNTĐ, Nội dung nghiên cứu cụ thể đƣợc giao Chữ ký Thiết kế điều khiển 01 Khoa CKM Thiết kế khí 02 ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị nƣớc Nội dung phối hợp nghiên cứu ii Họ tên ngƣời đại diện đơn vị MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, B ẢNG BIỂU ix CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN QUY TRÌNH PHUN ÉP 1.1 Các khái niệm khuôn 1.2 Kết cấu khuôn 1.3 Cơng nghệ ép phun gì? 1.3.1 Giai đoạn đóng khn 1.3.2 Giai đoạn phun 1.3.3 Giai đoạn trì áp suất 1.3.4 Giai đoạn làm nguội 1.3.5 Giai đoạn mở khuôn 1.4 Các yếu tố ảnh hƣởng đến ép phun 1.4.1 Nhiệt độ 1.4.2 Tốc độ phun 1.4.3 Áp suất phun 10 CHƢƠN 2: GIA NHIỆT CHO KHUÔN ÉP NHỰA 12 2.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ: 12 2.2 Các phƣơng pháp gia nhiệt bề mặt khuôn thông dụng: 12 CHƢƠNG 3: GIA NHIỆT B ẰNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 17 3.1 Nguyên lý hoạt động gia nhiệt (nung) cảm ứng điện từ 17 3.2 Cấu tạo thiết bị nung cảm ứng 18 3.2.1 Mạch cộng hƣởng nối tiếp 18 3.2.2 Mạch cộng hƣởng song song 19 3.2.3 Mạch cộng hƣởng kết hợp 20 3.2.4 Sơ đồ mạch lý thuyết 24 3.3 Phƣơng pháp điều chỉnh công suất 27 3.3.1 Thay đổi điện áp liên kết Dc 27 3.3.2 Thay đổi hệ số công suất thiết bị biến tần 28 iii 3.3.3 Thay đổi tần số hoạt động biến tần 28 3.3.4 Thay đổi giá trị điện cảm đƣa vào mạch tƣơng thích 29 3.3.5 Phối hợp trở kháng biến áp 30 3.3.6 Kiểm soát dịch chuyển pha mạch cầu H 30 3.4 Tụ điện 31 3.5 Vòng cảm ứng 31 3.6 Các biế n tầ n 31 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ 37 CHƢƠNG 5: KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ thiết bị 39 5.1 Mục tiêu khảo sát 39 5.2 Kết thực nhiệm 40 5.2.1 Tốc độ gia nhiệt 40 5.2.2 Phân bố nhiệt 43 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 Kết luận 47 Kiến nghị 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU Hình 1.1 Khn âm khn dƣơng trạng thái đóng Hình 1.2 Các hệ thống khn Hình 1.3 Kết cấu chung khuôn Hình 1.4 Thời gian chu kỳ ép phun Hình 1.5 Diễn biến giai đoạn đóng khn Hình 1.6 Giai đoạn phun Hình 1.7 Dịng nhựa đƣợc phun vào khuôn .5 Hình 1.8 Giai đoạn trì áp suất Hình 1.9 Giai đoạn làm nguội Hình 1.10 Diễn biến giai đoạn đẩy Hình 2.1 Gia nhiệt xạ hồng ngoại 13 Hình 2.2 Cấu tạo hệ thống gia nhiệt khí nóng 14 Hình 2.3 Q trình gia nhiệt khn khí nóng .16 Hình 2.4 Hệ thống gia nhiệt cảm ứng .17 Hình 3.1 Từ trƣờng bên cuộn dây làm việc 17 Hình 3.2 Mạch cộng hƣởng song song 20 Hình 3.3 Mạch cộng hƣởng kết hợp 21 Hình 3.4 Điện trở hao phí mạch cộng hƣởng song song 21 Hình 3.5 Mạch ghép thêm cuộn cảm 22 Hình 3.6 Mạch nửa cầu nung cảm ứng sử dụng cuộn dây làm việc LCLR .24 Hình 3.7 Mạch tồn cầu nung cảm ứng sử dụng cuộn dây làm việc LCLR 25 Hình 3.8 Mạch nung LCLR sử dụng nhiều biến tần 26 Hình 3.9 Mạch từ (a) rotor (b) máy phát cảm ứng có từ trƣờng đập mạch 32 Hình 3.10 Sơ đờ khớ i của thiế t bi gia ̣ nhiê ̣t dùng máy phát .33 Hình 3.11 Sơ đồ khố i thiế t bi gia ̣ nhiê ̣t dùng đè n phát .35 Hình 3.12 Sơ đờ bơ ̣ biế n tầ n Tiristor 35 ix Hình 4.1 Mạch cơng suất 37 Hình 4.2 Bảng điều khiển 38 Hình 4.3 Cuộn dây làm việc 38 Hình 4.4 Mơ hình thiết bị hồn chỉnh .39 Hình 5.1 Súng đo nhiệt .39 Hình 5.2 khn gia nhiệt 40 Hình 5.4 Tốc độ gia nhiệt thiết bị 42 Hình 5.5 Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian 43 Hình 5.6 Các điểm khảo sát phân bố nhiệt 44 Hình 5.7 Phân bố nhiệt bề mặt khuôn .45 Hình 5.8 Phân bố nhiệt bề mặt khuôn 46 Bảng 5.1 Kết đo nhiệt độ theo thời gian 42 Bảng 5.2 Phân bố nhiệt bề mặt khuôn .45 x ĐH SPKT TP HCM Đơn vị: CKM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ G IA NHIỆT CHO KHUÔN PHUN ÉP NHỰATHEO PHƢƠNG PHÁP CẢM ỨNG TỪ - Mã số: T2014-86 - Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Văn Minh - Cơ quan chủ trì: Khoa Cơ Khí Chế tạo máy - Thời gian thực hiện:09/2013 đến 09/2014 Mục tiêu: - Nghiên cứu nguyên lý phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ - Nghiên cứu ảnh hƣởng, hiệu gia nhiệt khuôn đến khả điền đầy, độ bóng bề mặt, độ cong vênh tốc độ ép khuôn nhựa - Gia công lắp ráp hồn chỉnh thiết bị gia nhiệt khn ép nhựa cảm ứng điện từ Tính sáng tạo: Kết nghiên cứu: - Thiết bị gia nhiệt hoàn chỉnh phục vụ giảng dạy, nghiên cứu Sản phẩm: Sản phẩm khoa học: - Bài thuyết minh đề tài Sản phẩm ứng dụng: - Thiết bị gia nhiệt phục vụ trình nghiên cứu giảng dạy Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: - Thiết bị hoàn chỉnh phục vụ giảng dạy, nghiên cứu Ngày tháng năm Trƣởng Đơn vị (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) xi INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: DESIGN AND MANUFACTURE ANINDUCTION HEATING MACHINE FOR INJECTION MOLDING PROCESS Code number: T2014-86 Coordinator: Van Minh, Nguyen Implementing institution: Faculty of Mechanical Engineering Duration: fromSeptember, 2013 to September, 2014 Objective(s): - Reaseaching on induction theory and working princible - Reaseaching on the effecting of heating process on injection moding procedure - Manufacture an induction heating machine for injection moding process Creativeness and innovativeness: Research results: An induction heating machine Products: An induction heating machine Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability: Be the documentation for students in some areas such as mechanical engineering and automation technology xii PHẦN MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nƣớc Ngồi nƣớc:Tronglĩnhvựckhn épnhựaviệcxửlí nhiệt đóngmộtvaitrị cựckỳquantrọng Tối ƣuhóaq trìnhgianhiệtkhn épgiúphạnchếcáclỗitrênbềmặtsảnphẩm ép, chophépchếtạobộkhnvà sảnxuấtcácbộphận, chitiếtsiêunhỏởcấp độmicro Nhữngphƣơngphápgianhiệttruyềnthống, nhƣ làmnóngbằngcácchấtdẫntrunggianlà nƣớchaydầu, chúngcó nhữnghạnchếlà thờigiangianhiệtlâuvà hiệuquảsảnxuấtthấp Mật độtruyềnnhiệtrấtthấp, phảilàmlạnhmộtdiệntíchlớntrênkhn éptrƣớckhitiếnhànhq trình épmới Gianhiệtbằngphƣơngphápcảmứng điệntừchophépgiảmthờigiantái épkhnbởimật độtruyềndẫnnhiệtrấtcaovà khảnănglàmnóngcụcbộ Hơnnữa, gianhiệtbằngphƣơngphápcảmứng điệntừgiảmthiểuchiphí sảnxuất, chấtlƣợngbềmặt đƣợcnângcao đángkể Khisosánhmộtcáchtƣơngquanvềthờigianthì vớicùngucầuvềchấtlƣợngbềmặtsảnphẩm, phƣơngphápgianhiệtcảmứng điệntừcó thểgiảmthiểulên đến 50%thờigiansovớicácphƣơngphápgianhiệtkhác Tàiliệuliênquan: Udo Hinzpeter and Elmar Wrona, Advances in Induction and Microwave Heating of Mineral andOrganic Materials, February, 2011 [16] E J Davies; P G Simpson, Induction Heating Handbook, McGraw-Hill Companies, 1978 Trong nƣớc:Hiệnnaytrongnƣớcchủyếumới đitậptrungnghiêncứuvà ứngdụngphƣơngpháplàmnóngbằngcảmứng điệntừtronglĩnhvựcnhiệtluyện, cáclị luyệnkim Hoạt độngcủacáclò cảmứngcũngdựavàohiệntƣợngcảmứng điệntừ, đƣamộtkhốikimloạivàotrongmộttừtrƣờngbiếnthiên (100 Hz – 8000 Hz), trongkhốikimloạixuấthiệnmộttừtrƣờngxốy (Foucault) Nhiệt độtăngnhanhdó dịng điệnxốy đốtnóngkhốikimloại xiii Chƣơng 4: Thiết kế, chế tạo thiết bị Hình 4.2 Bảng điều khiển - Cuộn dây làm việc: Sử dụng dây dẫn có đƣờng kính nhỏ quấn thành vịng xoắn ốc cách nhằm tạo từ trƣờng xốy Hình 4.3 Cuộn dây làm việc 38 Chƣơng 4: Thiết kế, chế tạo thiết bị Hình 4.4 Mơ hình thiết bị hoàn chỉnh 39 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết CHƢƠNG 5: KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ THIếT Bị 5.1 Mục tiêu khảo sát Khảo sát nhằm đánh giá hiệu làm việc khả gia nhiệt thiết bị khuôn cụ thể Thơng qua q trình khảo sát giúp cho việc đánh giá đƣợc đặc tính gia nhiệt phƣơng pháp cảm ứng điện từ 5.2 Thiết bị phƣơng pháp khảo sát - Thiết bị đo: Súng đo nhiệt hồng ngoại Extech 42512 Hình 5.1 Súng đo nhiệt - Khn: Tấm khn có kích thƣớc 150x150x25mm 39 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết Hình 5.2 khn gia nhiệt - Phƣơng pháp khảo sát: Đo trực tiếp - Các bƣớc thực hiện: +Bƣớc 1: Áp sát thép khuônvào lõi gia nhiệt + Bƣớc 2: Tiến hành gia nhiệt tới thời gian định trƣớc + Bƣớc 3: Sử dụng súng bắn nhiệt đo nhiệt độ điểm định trƣớc + Bƣớc 4: Tổng hợp kết 5.2 Kết thực nhiệm 5.2.1 Tốc độ gia nhiệt Nhiệt độ điểm A đƣợc đo trực tiếp với thiết lập thí nghiệm đƣợc thể qua hình 5.3 40 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết Hình 5.3 Kích thước khn thiết lập đo đạc Trong khoảng cách lõi gia nhiệt bề mặt khuôn D = 4mm Nhiệt độ môi trƣờng t0 = 33 0C Kết đo đƣợc: Nhiệt độ (0C) Thời gian gia nhiệt (giây) Lần đo Lần đo Giá trị trung bình Tốc độ gia nhiệt (0C / giây) 52 68 60 13.5 61 91 76 10.8 67 133 100 11.2 83 154 119 10.7 10 100 162 131 9.8 12 109 195 152 9.9 14 132 199 166 9.5 16 161 232 197 10.2 41 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết 18 191 239 215 10.1 20 206 267 237 10.2 22 221 274 248 9.8 24 245 279 262 9.5 26 249 283 266 9.0 28 250 325 288 9.1 30 253 327 290 8.6 Bảng 5.1 Kết đo nhiệt độ theo thời gian Hình 5.4 Tốc độ gia nhiệt thiết bị Qua bảng sồ liệu 5.1 vàbiểu đồhình 5.4,ta thấy tốc độ gia nhiệt cảm ứng điện từ trung bình cao 10.1 0C / giây Trong khoảng giây đầu thí tốc độ gia nhiệt cao (13.5 0C / giây) dòng điện xốy vừa xuất khn chƣa ổn định có cƣờng độ lớn nên nhiệt độ tăng nhanh Nhƣng thời gian gia nhiệt tăng lên tốc độ gia nhiệt lại giảm dần Bởi vì, ứng bề mặt làm tăng điện trở khuôn nung làm giảm cƣờng độ dòng điện xoáy Theo định luật 42 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết Joule-Lent nhiệt lƣợng sinh khnphụ thuộc vào bình phƣơng cuồng độ dòng điện xốy xuất khn (Q=I R.t), đó, tốc độ gia nhiệt giảm xuống thời gian gia nhiệt điện trở khuôn tăng Đặc biệt, thời gian gia nhiệt nhiều tốc độ gia nhiệt giảm rõ rệt, hiệu ứng bề mặt lớn làm tăng điện trở khuôn dẫn đến dòng điện xốy khn giảm nhanh Hình 5.5 Biểu đồ nhiệt độ theo thời gian Qua biểu đồ hình 5.5, ta thấy nhiệt độ bề mặt khuôn nung tăng nhanh Điều thích hợp cho việc gia nhiệt bề mặt khn 5.2.2 Phân bố nhiệt Tiếp theo, khảo sát phân bố nhiệt độ khuôn gia nhiệt Vị trí khảo sát nhiệt độ đƣợc phân bố đối xứng nhƣ hình 5.6, khoảng cách điểm 10 mm, điểm tiến hành khảo sát nhiệt độ điểm theo thời gian gia nhiệt qua đánh giá đƣợc phân bố nhiệt bề mặt khuôn nhƣ 43 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết Hình 5.6 Các điểm khảo sát phân bố nhiệt Nhiệt độ môi trƣờng t0 = 33 0C, thời gian gia nhiệt t = 15 s Kết đo đƣợc: Nhánh Vị trí Nhiệt độ (0C) Nhánh Vị trí Nhiệt độ (0C) a 179 a 180 b 202 b 206 c 214 c 215 X+ Y+ d 300 d 213 e 326 e 253 f 289 f 239 44 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết X- g 278 g 226 a 182 a 180 b 232 b 219 c 258 c 252 d 260 d 263 e 283 e 284 f 232 f 262 g 171 g 161 Y- Bảng 5.2 Phân bố nhiệt bề mặttấm khuôn Dựa vào kết đo đạc đƣợc, phân bố nhiệt độ bề mặt khn đƣợc biểu diễn theo hình 5.7 Hình 5.7 Phân bố nhiệt bề mặt khn 45 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết Hình 5.8Phân bố nhiệt bề mặt khn Qua hình 5.7 biểu đồ hình 5.8, ta thấy nhiệt độ phân bố bề mặt khuôn theo đƣờng cung tròn Nhiệt độ cao tập trung đƣờng tròn có đƣờng kính nửa đƣờng kính cuộn dây làm việc, giảm dần hai phía Nhiệt độ hai phía đối xứng tƣơng qua đƣờng trịn có nhiệt độ cao Để khảo sát lại phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn, phần mềm Ansys đƣợc sử dụng nhằm mô phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn với thiết lập thông số đầu vào theo điều kiện thí nghiệm thực tế Hình 5.8 mơ hóa thí nghiệm mơi trường phần mềm Ansys 46 Chƣơng 5: Phƣơng pháp khảo sát thảo luận kết Kết mô phần mềm Ansys cho thấy tƣơng đồng lớn kết đo đƣợc thực tế Từ cho thấy rõ ràng phân bố nhiệt độ bề mặt khuôn Hình 5.9 Sự phân bố nhiệt khn phần mềm Ansys 47 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIếN NGHị Kết luận Sau thời gian thực đề tài là, kết đạt đƣợc theo yêu cầu ban đầu đƣa - Tìm hiểu ảnh hƣởng nhiệt độ đến chất lƣợng sản phẩm ép phun phƣơng pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn ép phun - Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo thiết bị nung cảm ứng điện từ - Chế tạo thiết bị gia nhiệt cho khuôn theo nguyên lý c ảm ứng điện từ có cơng suất nhỏ - Khảo sát đƣợc vùng phân bố nhiệt độ phẳng sử dụng phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ Kiến nghị Một vài kiến nghị để hoàn thiện phát triển đề tài: - Sử dụng máy biến tần riêng có tần số cao để tăng tốc độ gia nhiệt Nhƣ nâng cao hiệu gia nhiệt, nâng cao công suất để sử dụng cho khuôn lớn phức tạp - Kết hợp với cảm biến nhiệt để kiểm sốt nhiệt độ tốt áp dụng gia nhiệt cho bề mặt khuôn 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] TS Phạm Sơn Minh, ThS Trần Minh Thế Uyên (tháng 07/2013), “Bài gi ảng Thiết kế - chế tạo khuôn ép nhựa”, Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Tp HCM [2] Nguyễn Ngọc Đào (tháng 10/2007), Nghiên c ứu, tính tốn tối ƣu hóa hệ thống nhiệt sản xuất khuôn mẫu, Đại học Sƣ phạm kỹ thuật Tp HCM Tiếng Anh [3] Keun Park, Dong-Hwi Sohn and Kwang-Hwan Cho (2009), Research Article “Eliminating weldlines of an injection-molded part with the aid of high-frequency induction heating” [4] Shia-Chung Chen, Chen-Yang Lin,Jen-An Chang, and Pham Son Minh ( 2013) Research Article “Gas-Assisted Heating Technology for High Aspect Ratio Microstructure Injection Molding” [5] Ming-Shyan Huang, Jyh-Cheng Yu, Ying-Zhi Lin (2010) , Research Article“Effect of Rapid Mold Surface Inducting Heatingon the Replication Ability of Microinjection MoldingLight-Guided Plates with V-grooved Microfeatures” Nguồn khác [6] http://kiemtailieu.com/ky-thuat-cong-nghe/tai-lieu/do-an-tim-hieu-thiet-bi-toicao-tan/1.html [7] http://khotailieu.com/luan-van-do-an-bao-cao/ky-thuat-cong-nghe/tu-donghoa/dac-diem-ng-nghe-gia-nhiet-bang-tan-so.html [8]http://www.richieburnett.co.uk/indheat.html [9]http://www.richieburnett.co.uk/indheat.html 48 S K L 0 S K L 0 ... Chƣơng 3: Gia nhiệt cảm ứng điện từ CHƢƠNG 3: GIA NHIỆT BẰNG CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ 3.1 Nguyên lý hoạt động gia nhiệt (nung) cảm ứng điện từ Nguyên lý làm viê ̣c của phƣơng pháp nung cảm ứng dựa vào... cuộn dây gia nhiệt Vì lý đó, gia nhiệt cảm ứng ứng dụng tốt việc gia nhiệt cho bề mặt khuôn 16 Chƣơng 2: Gia nhiệt cho khuôn ép nhựa Cuộn dây gia nhiệt Khn Hình 2.4 Hệ thống gia nhiệt cảm ứng 17... nguyên lý phƣơng pháp gia nhiệt cảm ứng điện từ xiv  Gia công lắp ráp hồn chỉnh thiết bị gia nhiệt khn ép nhựa cảm ứng điện từ  Đánh giá hiệu gia nhiệt khuôn phƣơng pháp c ảm ứng điện từ đến