无纺织物热模压加热系统受热变形及其结构优化

于荣鹏　倪俊芳　张娟

摘要：无纺织物热模压是通过加热板对模具传热实现产品成型的一种工艺技术，但加热系统易升温变形，导致加热板与热模压模具底部产生间隙，直接影响了模具加热速度及温度场分布。因此，控制加热板的变形量成为模具整个传热过程及其温度场分布的关键。本文基于ANSYS仿真变形改进了加热板的结构设计，并进行对比实验。最终减少了加热板翘曲变形，提高了模具的预热速度，节省了电能。

关键词：无纺织物；热模压；加热板；翘曲变形；仿真

中图分类号：TS17

文献标志码：A

文章编号：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

无纺织物热模压是在热和壓力的作用下，利用织物的热塑性对其进行成型，经过拉伸、压缩，织物由二维的平面形状转变成持久的三维立体形状的一种方法[1]。热模压模具、加热板多采用6061铝材料制备，铝的传热效率较高，不生锈且重量轻。由于工程技术条件的限制，多数企业通过增加螺栓数目来加固两加热板与底座之间的链接，螺栓分布在加热板内部，影响加热板的平整性、整体强度和温度场分布。而加热板的翘曲决定了热模压模具表面的温度分布、升温速率及能耗率，加热板变形量每减小50%，电能就可以节省20%，模具表面升温时间可以缩短35%。李冬梅、杜群贵等在模具加热效率、温度场分布方面进行研究，但都没有涉及加热板受热翘曲问题[23]。本文通过分析模具加热工作过程，基于ANSYS软件对铝制加热板的受热变形展开研究，改进与优化加热板的结构，通过对比实验、分析来控制其变形量。

1热模压加热板结构与加热过程

无纺织物热模压模具较一般冲压模具结构更加复杂，如图1所示。热模压模具的上、下加热板分别由两块板及4根加热棒组成，如图2所示，两板间分布4个通孔，以便安放加热棒。加热棒（0.5 kW/根，共8根）通电发热，由加热板表面传递给与之接触的模具，上下模具合模并对织物进行热模压。因此，控制加热板的变形成为整个加热系统及温度场分布的关键问题。

2加热板变形测量与分析

在KV168C成型机上进行测验，设定加热温度240 ℃，并通过改装千分表与工作台组合来测定各个点变形，如图3所示。

采用九点测量法来测量加热板平面的变形量，在加热板上选定9个特定点为研究对象，如图4所示。选取为测量点，各点变形量如表1所示。

通过分析试验所得数据知，加热板受热后中间部位变形较大，边缘相对较小。加热板与模具下表面不能完全贴合。

3加热板结构改进与加热过程的仿真分析

3.1结构改进

通过实验可知，加热板受热变形后，使得模具与加热板之间的接触平面出现间隙，平面接触性变差，导致热传导率降低，传热效果变差，模具预热时间变长，且模具表面温度分布不均匀，能耗增加。为减小加热板受热变形，增大其与模具底部的接触面积，对加热板结构改进[4]。通过SolidWorks建立加热板的三种开槽后的三维模型，如图5第一行所示，其对应实物如图5第二列所示。

在加热板上、下板之间、4个加热丝之间开5个平行于加热丝的凹槽（图5（a）），在4个加热丝之间开若干垂直于加热丝的短凹槽（图5（b）），在4个加热丝之间开若干十字形凹槽（图5（c））。

3.2仿真分析

用SolidWorks建立加热板的三维模型，在ANSYS中模拟仿真其受热变形情况[58]，通过设定其网格密度3 mm，导热系数192 W/m·℃，下板加热温度240 ℃，上板及侧面温度20 ℃，对其进行温度载荷分析，再转换Thermal（热）单元为Structural（结构）单元，设定材料热膨胀系数26.6 μ/℃，弹性模量59.16 GPa，泊松比0.33，比热容1 028 J/kg·℃，然后对其施加热分析载荷及位移约束等条件，求解后得到仿真结果，如图6所示，变形数据如表2所示。通过对仿真结果分析，改进方案（b）相比另外两种方案各点总体仿真变形量最小。且改进前变形量较大处点，变形量由0.493 mm减小为0.304 mm，变形量较小处点，变形量由0.441 mm减小至0.259 mm，其余各点变形量也分别有不同程度的减小。因此加热板受热变形程度变小，加热板与模具底部的接触面积也明显增加。

4结果与分析

在成型机上进行实验，温度设定240 ℃，对3种开槽的加热板，使用千分表测量其特定9个点，得出对应实验变形数据，如表3所示。

通过分析上述实验数据可知，改进方案（b）相比另外两种方案各点总体变形量最小，与ANSYS仿真数据结果相一致。因此，选定方案（b）为加热板最终改进方案。改进前、后加热板变形量如表4所示。

通过对比分析表4中数据可知，开横向槽加热板（b）改进后所测数据，与ANSYS仿真数据趋于一致，明显减小了加热板的变形程度，增大了与模具底部的接触面积，因此其结构最佳。

5结语

基于ANSYS有限元仿真分析，对加热板结构改进设计，并通过对比实验验证了改进后加热板受热变形量的减小，改善了加热板热变形后与模具底部接触面的翘曲问题，使模具预热时间大大缩短，耗电量同比节约了20%，且模具表面温度分布更加均匀，提高了织物模压成型的效果。

参考文献：

[1] 缪旭红.纺织品的模压成型[J].上海纺织科技，2004，32（6）：40-41.

[2] 李冬梅，贾建波，裴永存，等.热模压成型模具加热系统的改进[J].现代塑料加工应用，2009，21（3）：60-63.

[3] 杜群贵，邹建煌，刘邵宏.汽车顶蓬内饰件模具温度场有限元分析及应用[J].华南理工大学学报（自然科学版），2004，32（12）：51-55.

[4] 黄春曼，邵明，刘华.粉末温压中模具的加热设计及有限元热场分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），2005，33（8）：33-35.

[5] 胡仁喜，康士延.ANSYS14.0热力学有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2013：90-116.

[6] 李奉香.用ANSYS软件进行热应力分析[J].造船技术，2005，265（3）：44-46.

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（责任编辑：周颖）