專利名稱：用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種注塑產(chǎn)品制造技術領域的裝置及方法，具體是一種用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)及其應用。
背景技術：
目前，為了解決注塑生產(chǎn)中產(chǎn)品高光潔度、短射及熔接痕等質(zhì)量問題，通常應用模腔加熱技術來解決。注塑模腔加熱技術可大致分為高溫蒸汽加熱和電加熱兩大類。蒸汽加熱技術，需要預先在模具中布設加熱管路，通過模具內(nèi)部流過的高溫蒸汽流，對模具以熱傳導方式進行加熱，加熱過程為由內(nèi)到外，其特點是1)需先期設計布置加熱管路；幻加熱和冷卻時間延長，因其冷卻亦同樣為由內(nèi)向外進行。感應加熱技術則是利用高頻感應加熱的 “集膚效應”，采用配合模腔形狀的感應線圈，通過流經(jīng)線圈的高頻電流對注塑模腔表面加熱，其特點是1)加熱、冷卻時間短，因其僅有模腔表面被加熱、冷卻，縮短了生產(chǎn)周期；2) 一個模腔表面形狀配制一個專用線圈。幻溫度調(diào)控比其它加熱方式快捷靈活。因此，感應加熱技術相比蒸汽加熱技術，具有較明顯的優(yōu)越性。經(jīng)過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，目前的感應加熱技術存在有以下的局限1)每付模具均需要根據(jù)模腔表面形狀起伏，配制專用感應線圈，使感應線圈端面與模腔表面保持均勻間距，以達到加熱時使模具表面升溫均勻的效果，見圖(1) ；2)當配制的線圈效果不佳或者更換模具時，必須重新配制一新線圈；3)不具備對整體線圈范圍內(nèi)進行局部溫度調(diào)節(jié)。 這為生產(chǎn)應用帶來了諸多不便，限制了其使用范圍。中國專利申請?zhí)?00710026536，公開了一種“感應式加熱模具的裝置”，該技術包括一模具以及一加熱單元，其中，所述模具設置于成型機上，用以注塑成型；又，所述加熱單元可伸入上述模具的模腔中對模腔進行快速加熱，且該加熱單元利用一加熱線圈通入變頻電流產(chǎn)生的磁力線集中在模具上，由于電磁的感應作用，產(chǎn)生渦旋電流，而模具則因本身的金屬阻抗而被快速加熱，待該模具加熱到一定程度并進行注塑成型。上述技術同樣應用感應加熱原理，對注塑模腔進行快速加熱，其存在的缺點是感應加熱裝置僅由一個整體式線圈構(gòu)成，這種線圈裝置只能有兩種可能的形式一是為某種模具模腔量身訂做，根據(jù)模具表面形狀起伏制造線圈；二是采用無表面形狀特征的平面線圈。使用中的缺點如下第一種方式的線圈不具有通用性，更換產(chǎn)品或者更換模具時需要重新定制線圈，其次，線圈范圍內(nèi)局部溫度不可控；采用第二種平面通用線圈方式時，僅對模具表面起伏小(近似平面)具有效果，而對于表面有起伏凹凸的模腔，這類線圈由于電磁源處于一個平面，與模腔高度變化處不能貼合，無法做到均勻加熱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)及其應用，特別用于對由熱塑性或熱固性復合材料制成的部件進行注塑或者壓塑生產(chǎn)中，解決注塑生產(chǎn)中外置式感應線圈缺乏通用性及無法根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行局部調(diào)整的問題，能夠根據(jù)模腔的表面起伏作相應的調(diào)節(jié)，且可以對線圈范圍內(nèi)局部溫度可調(diào)。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)，包括線圈整體框架和若干個通過對應調(diào)節(jié)螺栓與之活動連接的感應線圈單元。所述的調(diào)節(jié)螺栓上設有旋鈕，以固定感應線圈單元與線圈整體框架之間的垂直距
1 O所述的感應線圈單元包括電熱線圈、底座、電極及卡銷，其中設置與底座正面的電熱線圈的兩端分別于兩個設置于底座背面的電極相連，卡銷設置于底座背面且與調(diào)節(jié)螺栓相連。本發(fā)明涉及上述結(jié)構(gòu)的應用方法，包括以下步驟1)根據(jù)模腔表面形貌調(diào)節(jié)各個感應線圈單元的調(diào)節(jié)螺栓旋鈕，使各個線圈單元端面與模腔表面的形貌保持一致；2)將外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)固定于機械手上(或者機械框架上)，架并接通電源；3)調(diào)節(jié)機械手(或者機械框架)位置，使外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)位于模具表面待加熱位置且與模具的表面形貌起伏保持等距；4)對模具加熱數(shù)秒至所需溫度后將外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)撤離模具表面， 動模合模開始注塑生產(chǎn)，實現(xiàn)對注塑件的加熱。對異型表面模具，調(diào)節(jié)各個感應單元線圈端面與模具表面的距離，使之適應模具的凸凹起伏并與模具表面保持等距，可以使異型模具表面均勻加熱升溫；在整個感應線圈單元列陣中，調(diào)節(jié)局部感應線圈單元與模具表面的不同距離，則可對陣列線圈范圍內(nèi)的某些局部溫度實現(xiàn)單獨控制。同樣，陣列式感應線圈單元結(jié)構(gòu)，對獨立感應線圈單元可以實現(xiàn)功率、頻率和距離的獨立調(diào)節(jié)，以適應任意形狀模具表面和溫度調(diào)節(jié)的特殊需要。


圖1為使用外置式感應線圈示意圖；圖中(a)為模腔外凸示意圖；(b)為模腔內(nèi)凹示意圖；1由模腔形狀定制線圈，2 模具。圖2為外置式組合感應線圈示意圖；圖中(a)為模腔外凸示意圖；(b)為模腔內(nèi)凹示意圖；3組合感應線圈框架、4感應線圈單元、5調(diào)節(jié)螺栓。圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為感應線圈單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖中6感應線圈、7卡銷、8電源連接線、9旋鈕、10底座。圖5為外置式組合感應線圈實施示意圖；圖中11機械手、12動模塊、13定模塊、14機械手固定夾、15外置式組合感應線圈。
具體實施方式
下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖3所示，本裝置包括線圈整體框架3和若干個通過對應調(diào)節(jié)螺栓5與之活動連接的感應線圈單元4。所述的調(diào)節(jié)螺栓5上設有旋鈕9，以固定感應線圈單元4與線圈整體框架3之間的
垂直距離。所述的感應線圈單元4包括調(diào)節(jié)螺栓5、電熱線圈6、卡銷7、電源連接線8、旋鈕 9及底座10，其中設置于底座10正面的電熱線圈6的兩端分別于兩個設置于底座10背面的電源連接線8相連，卡銷7設置于底座10背面且與調(diào)節(jié)螺栓5相連。如圖5所示，本實施例通過設置于機械手系統(tǒng)上進行加熱處理，該系統(tǒng)包括動模塊12、定模塊13、機械手11、固定夾14、外置式組合感應線15。本實施例應用條件如下使用2臺同一規(guī)格的感應電源，分別對2組完全一樣的感應線圈供電，用以加熱2塊完全一樣的鋼坯料(體積V，尺寸規(guī)格L * W * h，鋼材比熱容為c，密度為P)；加熱過程中有效功利用率為Π ； σ -金屬坯料的平均電阻率(Ωπι)，μ r-金屬坯料的相對磁導率，f-電流的頻率(Hz)。已知感應加熱有集膚效應，即加熱過程中約有63. 2%的電流在厚度為Δ的導體表面層內(nèi)流動，86. 5%的感應功率在Δ的表面層內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能。其中Δ為集膚深度，由公
式Δ=50^得出。由公式可見，集膚深度與電流頻率成反比，頻率越高，加熱的金屬層厚
度越小。本實施例通過以下步驟對塑件進行加熱1)根據(jù)模腔表面形貌調(diào)節(jié)各個感應線圈單元4的調(diào)節(jié)螺栓旋鈕5，使各個線圈單元4端面與模腔表面的形貌保持一致；2)將外置式組合感應線圈15陣列結(jié)構(gòu)固定于機械手上(或者機械框架上)，架并接通電源；3)調(diào)節(jié)機械手(或者機械框架3位置，使外置式組合感應線圈15陣列結(jié)構(gòu)位于模具表面待加熱位置且與模具的表面形貌起伏保持等距；4)對模具加熱數(shù)秒至所需溫度后將外置式組合感應線圈15陣列結(jié)構(gòu)撤離模具表面，動模合模開始注塑生產(chǎn)，實現(xiàn)對注塑件的加熱。改進效果的理論推導1)感應電源提供的交流電頻率改變對加熱的影響由法拉第電磁感應定律可以確定Ε = ΛιΦ (磁通量Φ = Omsincot，交變電流角頻率為ω =2 jif)；其中E-感應電動勢，n-感應線圈匝數(shù)，Φ-磁通量。有效感應電動勢Em = 4. 44fncDm，設此電動勢在坯料中產(chǎn)生的渦流為1，則消耗于坯料加熱過程中的功率為P=EICOS(p=4.44f mpmlcostp。由此可見，加熱所消耗的功率跟電流頻率成正比關系(實際上功率P與頻率的平方Γ2成正比，分析較為復雜，此略)，保持其他因素不變的前提下，頻率越高，加熱的速度越快。本案例相關計算所用感應電源供電頻率段為30k ΙΟΟΚΗζ，使用301ΛΖ交流電加熱體積V的鋼坯()功率為P1 ；使用IOOKhz加熱同一體積坯料功率P2.則有P1/P2 = 0. 09.此結(jié)果說明，其他條件不變且解熱同樣的時間t(如t = 20s)情況下，使用301ΛΖ比使用IOOWiz加熱同樣坯料，根據(jù)能量守恒定律，鋼坯吸收的有效功全部用來發(fā)熱，即Pt = P Vc (T-TO)，T為加熱時間t后鋼坯平均溫度，TO為鋼坯起始溫度(室溫20度)。則有T =Pt/ P Vc+TO，此式中唯一影響T大小的因素為P，而之前所知，P1/P2 = 0. 09，故T1/T2 = 0. 09 (同樣時間t內(nèi)，若30KHz電源只能加熱體積V鋼坯到29度，IOOKHz能加熱其至120 度)。以上分析并未考慮集膚效應，使用的溫度為鋼坯平均溫度。若考慮集膚效應，使用 IOOKHz交流電對金屬表層集產(chǎn)生的膚深度為使用30KHz交流電所產(chǎn)生集膚深度的0. 54倍 (由集膚深度公式得出)，即同樣面積的坯料，IOOKHz交流電僅加熱的坯料體積為30KHz交流電所加熱坯料體積的0. M倍。這說明，同等情況下高頻電流加熱金屬表層會更迅捷，且有利于冷卻。結(jié)論1 改變單元線圈的頻率，可以影響被加熱體的溫度，且可以改變被加熱體的加熱深度。2)感應電源提供的交流電功率改變對加熱的影響根據(jù)能量守恒定律，感應電源提供的功率P —部分Pl用于做功使被加熱物體(鋼坯)發(fā)熱，另一部分P2由鋼坯與周圍環(huán)境熱交換消耗于空氣中.此過程中存在一個能量有效利用率-η，有η = Ρ1/Ρ.根據(jù)公式P1 = P η，要想提高鋼坯的升溫速度，μ作為常數(shù)不變的情況下，只需提高感應電源功率P。本案例相關計算采用電源功率可調(diào)范圍為額定功率的10% 100%，電源額定功率為15KW。故此電源可調(diào)功率范圍為Pmin = 1. 5KW Pmax = 15KW。當分別使用Pmin 與Pmax進行加熱時，鋼坯所用于升溫的功率為1 10比例，故同一時間t內(nèi)加熱同一體積 V的坯料，根據(jù)能量守恒Pt = P Vc (T-TO)，T為加熱時間t后鋼坯平均溫度，TO為鋼坯起始溫度(室溫)，可得T = Pt/P Vc+TO，此式中唯一影響T大小的因素為P，而Rnin Pmax =1 10，故I^min/Tmax = 1 10。采用1. 5KW電源輸出加熱某鋼坯t時間能達到30度， 則使用15KW電源輸出能使其達到120度。結(jié)論2 改變單元線圈的輸入功率，可以改變被加熱體的溫度3)感應線圈與被加熱面距離的改變對加熱的影響線圈通某個特定參數(shù)的交流電后產(chǎn)生的磁場是一定的，所以磁通量φιη取決于被加熱導體與磁場的相對位置關系。由于磁場圍繞線圈往空間發(fā)散，由密到疏，距離線圈越近，顯而易見導體切割磁力線越多，即導體表面的磁通量越大。本案例相關計算假定通相同頻率電流的2組線圈1、2，分別放置于距鋼坯表面 hl，h2處，其中h2>hl，可特使h2 = 2hl ；并假設，線圈磁場均勻，磁力線由密到疏發(fā)散，其磁場強度q與金屬導體距線圈距離h成反比，則鋼坯表面分別處于線圈1，線圈2磁場時磁場強度為ql、q2，且據(jù)前面假設有ql = 2q2，如此通過鋼坯表面磁通量分別為φ1、φ2,鋼坯切割磁感線面積(受熱面積)相同的情況下有φ1=2φ2。根據(jù)公式P=EIcos<p=4.44f mpmlcostp,感應電動勢產(chǎn)生功率正比于磁通量φιη,而根據(jù)能量守恒Pt = P Vc (T-TO)，T為加熱時間t后鋼坯平均溫度，TO為鋼坯起始溫度(室溫)， 可得T=Pt/PVc +T0=4.44f mpmtlcostp/pVc +TO,此式中唯一影響T大小的因素為φιη 當線圈距
6金屬表面距離h2，加熱時間t后，鋼坯表面溫度為120度，則距離減少一半為hi時，加熱同樣時間t鋼坯表面能達到220度。想象極限情況，導體距離線圈無限遠，切割磁力線為0，則產(chǎn)生的功率也為0，無法達到加熱目的。 結(jié)論3 改變感應線圈單元端面與被加熱體表面的距離，可以影響被加熱體的溫度。
權(quán)利要求
1.一種用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括線圈整體框架和若干個通過對應調(diào)節(jié)螺栓與之活動連接的感應線圈單元；所述的感應線圈單元包括電熱線圈、底座、電極及卡銷，其中設置與底座正面的電熱線圈的兩端分別于兩個設置于底座背面的電極相連，卡銷設置于底座背面且與調(diào)節(jié)螺栓相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)，其特征是，所述的調(diào)節(jié)螺栓上設有旋鈕，以固定感應線圈單元與線圈整體框架之間的垂直距離。
3.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)的應用方法，其特征在于，包括以下步驟1)根據(jù)模腔表面形貌調(diào)節(jié)各個感應線圈單元的調(diào)節(jié)螺栓旋鈕，使各個線圈單元端面與模腔表面的形貌保持一致；2)將外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)固定于機械手上或者機械框架上，并接通電源；3)調(diào)節(jié)機械手或者機械框架位置，使外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)位于模具表面待加熱位置且與模具的表面形貌起伏保持等距；4)對模具加熱數(shù)秒至所需溫度后將外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)撤離模具表面，動模合模開始注塑生產(chǎn)，實現(xiàn)對注塑件的加熱。
全文摘要
一種注塑產(chǎn)品制造技術領域的用于注塑的外置式組合感應線圈陣列結(jié)構(gòu)及其應用，該結(jié)構(gòu)包括線圈整體框架和若干個通過對應調(diào)節(jié)螺栓與之活動連接的感應線圈單元；感應線圈單元包括電熱線圈、底座、電極及卡銷，其中設置與底座正面的電熱線圈的兩端分別于兩個設置于底座背面的電極相連，卡銷設置于底座背面且與調(diào)節(jié)螺栓相連。本發(fā)明特別用于對由熱塑性或熱固性復合材料制成的部件進行注塑或者壓塑生產(chǎn)中，解決注塑生產(chǎn)中外置式感應線圈缺乏通用性及無法根據(jù)實際生產(chǎn)情況進行局部調(diào)整的問題，能夠根據(jù)模腔的表面起伏作相應的調(diào)節(jié)，且可以對線圈范圍內(nèi)局部溫度可調(diào)。
文檔編號B29C45/78GK102358016SQ20111023812
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者于滬平, 尹紅靈, 李宏生, 王祖明 申請人:上海交通大學