Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu của đề tài trong và ngoài nước 1.1 Ngoài nước - “Study on Induction Heating Coil for Uniform Mold Cavity Surface Heating” (Nghiên cứu cuộn cảm ứng từ cho gia nhiệt các bề mặt có biên dạng cố định) [4]. Tác giả Yu-Ting Sung–National Cheng Kung University– Taiwan. Xuất bản năm 2013 bởi Hindawi. Hình 1-1: Vị trí giữa phôi và cuộn dây Trong bài báo này, thiết kế cuộn dây và phân bố nhiệt độ là mục tiêu chính.
Có một số kỹ thuật để sửa đổi phân bố từ trường và phân bố nhiệt đồng đều dọc theo chiều dài gia nhiệt như giảm số lần quay ở tâm hoặc quay mật độ, điều chỉnh khoảng cách giữa cuộn dây và phôi gia công – biên dạng cắt ngang của cuộn dây làm việc , hoặc sử dụng nhiều lớp của cuộn dây làm việc. Cuộn coil đồng nhất không thể gia nhiệt phôi đồng nhất, do đó thiết kế cuộn phải xem xét một số điều kiện, chẳng hạn như hướng dòng, khoảng cách giữa cuộn dây và phôi gia công và các cuộn dây. 1 - “Numerical analysis and thermographic investigation of induction heating” [5]. Tác giả Matej Kranjc, University of Ljubljana.
Xuất bản năm 2010 bởi Elsevier. Hình 1-2: Phôi thép hình trụ được bao quanh bởi bốn vòng cuộn dây. Quá trình nung nóng cảm ứng đã được nghiên cứu về số lượng và thực nghiệm. Các phôi thép hình trụ được gia nhiệt bằng nhiều cách khác nhau.
Mô hình cad với các hiện tượng vật lý điện từ và nhiệt được kết hợp đã được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Các thuộc tính vật liệu thép độc lập với nhiệt độ và phụ thuộc nhiệt độ được xem xét và tác động của chúng lên mô phỏng kết quả được đánh giá. Kết quả mô phỏng cũng được so sánh với các phép đo thực nghiệm sử dụng thuật toán xử lý ảnh nhiệt. Sự kết hợp tốt giữa chúng thu được các sản phẩm không có khuyết điểm.
Với khả năng quan sát các phân bố nhiệt độ và các khuyết tật vật chất, máy ảnh chụp từ xa đã chứng minh là một công cụ đo lường không tiếp xúc hiệu quả và là lựa chọn thích hợp cho các cặp nhiệt điện. 2 -“Forming Complicated Surface in Shipyard Using Neural Network System”[6]. Tác giả Nguyen Truong Thinh, Ho Chi Minh City University of Technical Education. Xuất bản năm 2012, Trans Tech Publications, Switzerland.
Xác định vị trí 3 điểm gia nhiệt và các thông số của quá trình gia nhiệt là rất quan trọng để làm biến dạng bề mặt lõm trong xưởng đóng tàu, cũng như máy bay. Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một mô hình mạng nơron nhân tạo (ANN) để dự đoán các vị trí gia nhiệt và các thông số của quá trình gia nhiệt dựa trên các giải pháp phân tích. Mô hình ANN này có thể giúp các nhà sản xuất xác định vị trí gia nhiệt và các thông số gia nhiệt để tạo thành một hình dạng cong mong muốn. Hệ thống mạng nơ-ron ngược dòng để xác định các vị trí đường gia nhiệt từ hình dạng chi tiết.
Một mô hình mạng được phát triển với mối quan hệ giữa hình dạng mong muốn của tấm và các đường dẫn của gia nhiệt cảm ứng. Dữ liệu đầu vào là chuyển vị dọc của tấm và dữ liệu đầu ra là các đường gia nhiệt phụ thuộc biên dạng cong của thiết kế. Các giá trị mô phỏng thu được với mạng nơron tương ứng chặt chẽ với kết quả thử nghiệm. ANN được đề xuất được áp dụng cho kích thước ban đầu của tấm 500x500x20 (mm3).
Khoảng cách giữa 2 điểm lưới để tính chuyển vị là 50 (mm). Kiến trúc của ANN được xây dựng với 121 đơn vị đầu vào, đại diện cho dịch chuyển dọc của tấm được thiết lập dưới dạng biến đầu vào và đường dẫn ước tính của đường dây cảm ứng trong 400 nhóm (800 đơn vị) được thiết lập dưới dạng biến đầu ra. Cuộc thử nghiệm bắt đầu một lớp ẩn với 200 tế bào thần kinh, và độ chính xác của các giá trị dự đoán được kiểm tra trước khi cấu trúc tối ưu của ANN được chọn. Mục đích là để tối đa hóa độ chính xác để có được một mạng lưới với sự khái quát hóa tốt nhất.
3 Hình 1-3: Điểm gia nhiệt được dự đoán bởi NN với (a) yên ngựa và (b) hình gối Hình 1-4: Hình dạng biên dạng (a) yên ngựa và (b) hình dạng gối của tấm sau khi gia nhiệt so với hình dạng ban đầu. - “Analysis and simulations of multifrequency induction hardening” (Phân tích và mô phỏng quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số) [7], bài báo khoa học của các tác giả Dietmar Hömberg, Thomas Petzold, Elisabetta Rocca đến từ Viện khoa học ứng dụng Mohrenstr - Đức và Khoa cơ khí - Đại học Milano - Italy, xuất bản năm 2014 bởi Elsevier. Trong bài báo, nhóm tác giả tính toán quá trình gia nhiệt cảm ứng điện từ dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Đề tài tập trung vào các phương trình nhiệt của Macxell và lý thuyết dòng điện cảm ứng Faucalt nhằm 4 khảo sát nhiệt lượng sinh ra trong quá trình theo lý thuyết, sau đó tiến hành mô phỏng với các thông số đã chọn ở trên.
Việc mô phỏng số quá trình tôi cảm ứng điện từ đa tần số được thực hiện với chi tiết bánh răng. Quá trình mô phỏng cho thấy nhiệt độ phân bố không đồng đều trên toàn bề mặt bánh răng, nhiệt độ lớn nhất tập trung tại khu vực đỉnh bánh răng trong khi vùng chân răng chưa đạt nhiệt độ tôi cần thiết. Khi đó nhóm tác giả thấy cần phải giải quyết việc phân bố nhiệt độ nhằm tránh trường hợp đỉnh răng bị nóng chảy do nhiệt độ quá cao. Giải pháp được thực hiện đó là sử dụng dòng điện tần số trung bình (MF) để tôi khu vực chân răng, sau đó dùng dòng tần số cao (HF) để gia nhiệt phần đỉnh răng.
Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng kết hợp dòng điện đa tần số (MF và HF) đem lại hiệu quả gia nhiệt và thời gian tối ưu nhất. Hình 1-5: Quá trình gia nhiệt bánh răng với các tần số khác nhau: Tần số trung bình (MF) dùng gia nhiệt chân răng, tần số cao để gia nhiệt đỉnh răng và kết hợp đa tần số (MF + HF) đem lại kết quả tối ưu nhất. “Effect of 2d and 3d coil on the dynamic mold temperature control by induction heating”[8]. Tác giả Phạm Sơn Minh, Ho Chi Minh City University of Technical Education.
Xuất bản năm 2014, Tạp chí khoa học và công nghệ. Hình 1-6: So sánh dòng từ tính bằng cách mô phỏng. Trong nghiên cứu này, bằng phương pháp thực nghiệm và mô phỏng, thiết kế 2D và 3D của cuộn dây gia nhiệt (Induction coil) được sử dụng nhằm đánh giá khả năng gia nhiệt cho bề mặt của khuôn. Với cuộn dây 2D, thời gian gia nhiệt 2 s, nhiệt độ bề mặt khuôn đã tăng từ 400C đến 1080C.
Tuy nhiên, vùng nhiệt độ thấp vẫn tồn tại tại trung tâm của bề mặt khuôn. Ngược lại, với thiết kế 3D, nhiệt độ cao nhất tại cuối quá trình gia nhiệt là 890C, và vùng nhiệt độ thấp đã được khắc phục. 6 Hình 1-7: Phân bố nhiệt độ với cuộn dây 2D (a) và cuộn dây 3D (b) 7 1.2 Tính cấp thiết đề tài Các sản phẩm nhựa hiện nay bao gồm từ đơn giản đến phức tạp, từ lớn đến nhỏ. Với sự phát triển hiện nay của xã hội, yêu cầu mới với công nghệ ép phun được đặt ra, một trong những yêu cầu cấp bách nhất là: sản xuất các sản phẩm nhựa bằng công nghệ ép phun với độ dày nhỏ hơn 1 mm dành riêng cho biochips, thiết bị quang học.
Hình 1-8: Các sản phẩm nhựa có thành mỏng. Trong quá trình đúc nhựa với các sản phẩm có thành mỏng, các lớp nhựa tiếp xúc với bề mặt khuôn (bề mặt khuôn ở nhiệt độ thấp) sẽ đóng rắn. Quá trình đóng rắn tại bề mặt tiếp xúc của khuôn sẽ làm giảm áp lực của nhựa, khiến nhựa không thể điền đầy khuôn. 8 Hình 1-9: Sản phẩm bị khuyết tật (không điền đầy đầy đủ).
Để khắc phục tình trạng này, cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng khuôn đến nhiệt độ tối ưu, làm cho nhiệt độ dòng chảy nhựa được duy trì ở trạng thái chảy, không bị giảm nhiệt độ, hóa rắn trong quá trình điền đây khuôn. Quá trình ép phun nhờ thế được tăng lên. Hiện nay có rất nhiều phương pháp gia nhiệt bề mặt khuôn như: gia nhiệt bằng chất lỏng, gia nhiệt bằng điện, gia nhiệt bằng không khí. Trong đó phương pháp gia nhiệt chất lỏng và gia nhiệt điện có một số thuận lợi và bất lợi như: sau quá trình đúc phun, cần phải làm mát các cuộn dây với thời gian tương đối dài.
Đối với phương pháp gia nhiệt với không khí nóng, có nhiều ưu điểm như gia nhiệt linh hoạt ở nhiều vị trí, gia nhiệt nhanh và các thiết bị đơn giản có thể tự cung cấp.3 Mục tiêu đề tài, đối tượng nghiên cứu.1 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo nguyên lý gia nhiệt bề mặt bằng cảm ứng từ với các mục tiêu như sau: Khảo sát thông số ảnh hưởng (t,W,L, heat flux) của thiết kế tấm insert tới phân bố nhiệt độ. Tốc độ gia nhiệt đủ nhanh (sau 3-5 giây, nhiệt độ bề mặt khuôn > 200oC) Phân tích, mô phỏng quá trình gia nhiệt nhằm dự đoán phân bố nhiệt độ ứng với các thiết kế khác nhau của cuộn dây (phần mềm Comsol) Thực nghiệm kết quả quá trình gia nhiệt So sánh, tóm tắt kết quả 1.2 Đối tượng nghiên cứu Mô hình gia nhiệt cho tấm khuôn phun ép bao gồm: Hệ thống điều khiển nhiệt độ cho khuôn bằng từ trường IH machine Mould insert Coil Phương pháp mô phỏng nhằm dự đoán kết quả gia nhiệt cho bề mặt khuôn.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài 1.1 Nhiệm vụ nghiên cứu Thu thập và phân tích các tài liệu về kỹ thuật kiểm soát nhiệt độ cho khuôn phun bao gồm 2 nhóm chính: gia nhiệt khuôn, giải nhiệt khuôn. Hiểu được các yêu cầu của cấu trúc khuôn bằng phương pháp điều khiển nhiệt độ theo nguyên lý cảm ứng từ. Phân tích và thiết kế hệ thống cảm ứng từ cảm ứng cho khuôn phun.
Mô phỏng gia nhiệt. Thí nghiệm xác minh kết quả phân tích, mô phỏng.2 Giới hạn của đề tài Tấm khuôn mẫu kích thước : 100x100x10 mm Quá trình gia nhiệt cho khuôn đạt nhiệt độ cao nhất: 200oC 11 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về khuôn ép nhựa 2.1 Khái niệm chung về khuôn Khuôn là cụm gồm nhiều chi tiết lắp với nhau để tạo thành một bộ khuôn hoàn chỉnh.