無紡織物熱模壓加熱系統(tǒng)受熱變形及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

于榮鵬　倪俊芳　張娟

摘要：無紡織物熱模壓是通過加熱板對模具傳熱實現(xiàn)產(chǎn)品成型的一種工藝技術(shù)，但加熱系統(tǒng)易升溫變形，導(dǎo)致加熱板與熱模壓模具底部產(chǎn)生間隙，直接影響了模具加熱速度及溫度場分布。因此，控制加熱板的變形量成為模具整個傳熱過程及其溫度場分布的關(guān)鍵。本文基于ANSYS仿真變形改進(jìn)了加熱板的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進(jìn)行對比實驗。最終減少了加熱板翹曲變形，提高了模具的預(yù)熱速度，節(jié)省了電能。

關(guān)鍵詞：無紡織物；熱模壓；加熱板；翹曲變形；仿真

中圖分類號：TS17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2017）02-0063-04

Abstract：Heat molding of nonwoven fabric is a technology with heat transfer to die through heating plate so as to realize product molding. However， the heating system is vulnerable to heat deformation， which causes gap between heating plate and the bottom of heat molding die and directly influences die heating speed and temperature field distribution. Therefore， the control over deformation of heating plate becomes a key to the whole heat transfer process of die and temperature field distribution. This paper improves the structural design of heating plate based on ANSYS simulation deformation， conducts contrast experiment and finally reduces buckling deformation of heating plate， increases preheating speed of die and saves electric energy.

Key words：nonwoven fabric； heat molding； heating plate； buckling deformation； simulation

無紡織物熱模壓是在熱和壓力的作用下，利用織物的熱塑性對其進(jìn)行成型，經(jīng)過拉伸、壓縮，織物由二維的平面形狀轉(zhuǎn)變成持久的三維立體形狀的一種方法[1]。熱模壓模具、加熱板多采用6061鋁材料制備，鋁的傳熱效率較高，不生銹且重量輕。由于工程技術(shù)條件的限制，多數(shù)企業(yè)通過增加螺栓數(shù)目來加固兩加熱板與底座之間的鏈接，螺栓分布在加熱板內(nèi)部，影響加熱板的平整性、整體強(qiáng)度和溫度場分布。而加熱板的翹曲決定了熱模壓模具表面的溫度分布、升溫速率及能耗率，加熱板變形量每減小50%，電能就可以節(jié)省20%，模具表面升溫時間可以縮短35%。李冬梅、杜群貴等在模具加熱效率、溫度場分布方面進(jìn)行研究，但都沒有涉及加熱板受熱翹曲問題[23]。本文通過分析模具加熱工作過程，基于ANSYS軟件對鋁制加熱板的受熱變形展開研究，改進(jìn)與優(yōu)化加熱板的結(jié)構(gòu)，通過對比實驗、分析來控制其變形量。

1熱模壓加熱板結(jié)構(gòu)與加熱過程

無紡織物熱模壓模具較一般沖壓模具結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如圖1所示。熱模壓模具的上、下加熱板分別由兩塊板及4根加熱棒組成，如圖2所示，兩板間分布4個通孔，以便安放加熱棒。加熱棒（0.5 kW/根，共8根）通電發(fā)熱，由加熱板表面?zhèn)鬟f給與之接觸的模具，上下模具合模并對織物進(jìn)行熱模壓。因此，控制加熱板的變形成為整個加熱系統(tǒng)及溫度場分布的關(guān)鍵問題。

2加熱板變形測量與分析

在KV168C成型機(jī)上進(jìn)行測驗，設(shè)定加熱溫度240 ℃，并通過改裝千分表與工作臺組合來測定各個點變形，如圖3所示。

采用九點測量法來測量加熱板平面的變形量，在加熱板上選定9個特定點為研究對象，如圖4所示。選取為測量點，各點變形量如表1所示。

通過分析試驗所得數(shù)據(jù)知，加熱板受熱后中間部位變形較大，邊緣相對較小。加熱板與模具下表面不能完全貼合。

3加熱板結(jié)構(gòu)改進(jìn)與加熱過程的仿真分析

3.1結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過實驗可知，加熱板受熱變形后，使得模具與加熱板之間的接觸平面出現(xiàn)間隙，平面接觸性變差，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)率降低，傳熱效果變差，模具預(yù)熱時間變長，且模具表面溫度分布不均勻，能耗增加。為減小加熱板受熱變形，增大其與模具底部的接觸面積，對加熱板結(jié)構(gòu)改進(jìn)[4]。通過SolidWorks建立加熱板的三種開槽后的三維模型，如圖5第一行所示，其對應(yīng)實物如圖5第二列所示。

在加熱板上、下板之間、4個加熱絲之間開5個平行于加熱絲的凹槽（圖5（a）），在4個加熱絲之間開若干垂直于加熱絲的短凹槽（圖5（b）），在4個加熱絲之間開若干十字形凹槽（圖5（c））。

3.2仿真分析

用SolidWorks建立加熱板的三維模型，在ANSYS中模擬仿真其受熱變形情況[58]，通過設(shè)定其網(wǎng)格密度3 mm，導(dǎo)熱系數(shù)192 W/m·℃，下板加熱溫度240 ℃，上板及側(cè)面溫度20 ℃，對其進(jìn)行溫度載荷分析，再轉(zhuǎn)換Thermal（熱）單元為Structural（結(jié)構(gòu)）單元，設(shè)定材料熱膨脹系數(shù)26.6 μ/℃，彈性模量59.16 GPa，泊松比0.33，比熱容1 028 J/kg·℃，然后對其施加熱分析載荷及位移約束等條件，求解后得到仿真結(jié)果，如圖6所示，變形數(shù)據(jù)如表2所示。通過對仿真結(jié)果分析，改進(jìn)方案（b）相比另外兩種方案各點總體仿真變形量最小。且改進(jìn)前變形量較大處點，變形量由0.493 mm減小為0.304 mm，變形量較小處點，變形量由0.441 mm減小至0.259 mm，其余各點變形量也分別有不同程度的減小。因此加熱板受熱變形程度變小，加熱板與模具底部的接觸面積也明顯增加。

4結(jié)果與分析

在成型機(jī)上進(jìn)行實驗，溫度設(shè)定240 ℃，對3種開槽的加熱板，使用千分表測量其特定9個點，得出對應(yīng)實驗變形數(shù)據(jù)，如表3所示。

通過分析上述實驗數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)方案（b）相比另外兩種方案各點總體變形量最小，與ANSYS仿真數(shù)據(jù)結(jié)果相一致。因此，選定方案（b）為加熱板最終改進(jìn)方案。改進(jìn)前、后加熱板變形量如表4所示。

通過對比分析表4中數(shù)據(jù)可知，開橫向槽加熱板（b）改進(jìn)后所測數(shù)據(jù)，與ANSYS仿真數(shù)據(jù)趨于一致，明顯減小了加熱板的變形程度，增大了與模具底部的接觸面積，因此其結(jié)構(gòu)最佳。

5結(jié)語

基于ANSYS有限元仿真分析，對加熱板結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計，并通過對比實驗驗證了改進(jìn)后加熱板受熱變形量的減小，改善了加熱板熱變形后與模具底部接觸面的翹曲問題，使模具預(yù)熱時間大大縮短，耗電量同比節(jié)約了20%，且模具表面溫度分布更加均勻，提高了織物模壓成型的效果。

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（責(zé)任編輯：周穎）