一种马芬纸杯成型模具热分析

一种马芬纸杯成型模具热分析

◇安徽理工大学机械工程学院 张 正 张星光 汪 凯 程 生 【期刊名称】内江科技 【年(卷),期】2024(039)001 【总页数】2

根据马芬纸杯加工过程中的模具实际工况，以其中的冲压模具为研究对象，运用Solidworks Simulation对模具进行稳态与瞬态热分析，用有限元分析模拟马芬纸杯模具冲压过程中各时刻模具的温度分布情况，并以热分析结果对模具的加热位置进行验证，为模具的加热设计提供一定的理论依据。

马芬纸杯作为一种方便、快捷的新型纸杯，具有质轻、易加工、价格低廉等优点，其用途已渗透到整个国民经济和人们日常生活的各个方面。在各种纸杯给人们生活带来便利，改善生活质量的同时，其加工生产也是人们所关注的焦点，马芬纸杯主要是通过对原料纸张进行热压成型，且原料纸张表面具有一层极薄的食用硅胶油，再经过杀菌包装等工艺生产出的绿色环保产品。然而纸杯成型过程中纸张特性，需要对模具进行整体加热，因而模具加热位置的设计、加热功率的选择对马芬纸杯的冲压成型有着极其重要的影响。

1 马芬纸杯机成型模具介绍

1.1 成型模具工作原理

成型模具主要由两组上模具与两组下模具、气缸、可移动导轨等部件组成，如图1所示。具体工作过程：先对模具进行加热到一定温度，热变形有利于纸杯的成型，纸张放入压皱翻边模中，上模具向下冲压，通过模具头部带负压的孔将被冲压成型的纸杯吸入卷边模，对纸杯进行卷边，再将纸杯吸入到定型模中，

最后通过送纸杯气缸将纸杯送走并收集打包，其中气缸推动上模上下运动，下模通过导轨左右快速移动。 1.2 模具加热位置

目前模具的加热位置有两种方案，一种是在模具上部，采用陶瓷电热圈固定在模具上部加热；另一种是在模具下部有两个直径5 mm、深30 mm的孔，将单头加热管放入两个孔中进行通电加热，如图2所示。根据实际生产所知，采用陶瓷电热圈加热不均匀、耗电严重、外表不美观，现对采用单头加热管加热的卷边模具进行热分析。

2 模具热分析

一般而言，热分析分为稳态热分析和瞬态热分析，对模型进行热分析，优先进行稳态热分析，再以稳态热分析得到的初始温度分布，进行瞬态热分析，分析从瞬态过度到稳态这个过程的传热问题。据能量守恒原理，可得到该两种热平衡方程的统一表达公式（1）：

式中：a-热扩散率，m2/s；λ-导热系数，W/m；qv-内热源强度，W/m3。 2.1 稳态热分析

根据实际条件，结合Solidworks、Solidworks Simulation热分析等工具，将卷边模和单头加热管进行建模并装配，如图2所示。成型模具的材料选用40Cr，该材料调质处理后具有良好的综合力学性能、低温冲击性和低缺口敏感性，适合用作马芬杯冲压模具的制造。本文对该卷边模进行热场分析，选用Solidworks自带的网格划分工具，一共有83533个单元以及124676个节点，网格品质高，如图3所示。

参数设置：选用稳态分析，零部件接触采用全局接触，每个单头加热管热量为

50 W。设置绝热部分面，其余与空气接触部分施加条件：对流换热系数25 W/(m^2.K)，总环境温度300 K，分析结果如图4所示。 2.2 瞬态热分析

在Solidworks Simulation中继续新建算例分析，设置属性为瞬态分析，总时间为3600秒，时间增量为60秒，分别将稳态算例的零件文件夹和热载荷文件夹拖动到瞬态算例选项卡上并释放，设置所有零件的初始温度为25℃，分析结果如图5所示。

3 结果对比

用探测工具选取模具最顶端表面一特征点，得出温度随时间响应曲线，如图6所示。温度随着加热时间的增加，在2892秒时，温度基本趋于稳定状态，在1800秒左右，卷边模具最上部的温度为100 ℃左右，该模具温度比较适合进行马芬纸杯的加工。从图3的温度场稳态分布云图中得知，最高温度为172.175℃，图5 的3600秒时瞬态分布云图中模具最高温度为168.589℃，两者偏差为2.1%，符合误差范围内，瞬态温度分析结果接近于稳态结果。从稳态与瞬态温度云图结果来看，温度分布符合实际，相比较之前采用200 W陶瓷电热圈时，出现温度过高，分布不均匀的现象，采用内部加热的方式，效果更好，更加节能、美观。

4 结论

本文通过对马芬纸杯成型的部分模具进行热分析，研究成型模具在冲压前预热过程，得到冲压过程中的温度分布，得出了在模具下部区域打孔进行加热的有效可行。为解决模具内部加热问题，选用50 W功率的单头加热管，以有限元热分析为基础进行理论验证，为成型模具的加热设计提供了一定的理论基础，