感应加热是基于电磁感应原理的一种非接触加热方法。根据电磁感应原理，当一个高频交替式电磁场靠近金属模具型腔表面时，金属模块内部靠近型腔表面区域将感应出涡电流，从而利用焦耳热效应加热型腔表面。高频交替式电磁场可利用通入感应线圈的高频电流产生。

图3-4 模具型腔的电磁感应加热原理示意

1—冷却管道 2—金属型腔板 3—型腔表面 4—高频发生器 5—感应线圈 6—感应磁场 7—涡流

图3-4所示为模具型腔的电磁感应加热原理示意。由于电磁感应存在所谓的趋肤效应（也称为表面效应），这使得型腔板内部产生的涡流主要集中在型腔表面区域，因而产生的焦耳热也将集中在型腔表面区域。感应加热时，涡流的穿透深度取决于电流频率、工件的电阻率和磁导率。在涡流穿透厚度以内，约有86.5%的感应功率转化为热能。当材料的电阻率和磁导率一定时，加热电流频率越高，工件上的电流越趋向于工件表面，电流的穿透深度也就越浅。涡流电流密度在型腔板厚度方向的分布可用以下公式进行描述

S_z=S₀·e^-z/δ（3-1）式中，S_z表示距离金属表面z处的电流密度（A/mm²）；S₀是金属表面的电流密度（A/mm²）；z表示距离金属表面的距离（mm）；δ表示穿透深度（mm）。

电磁感应的穿透深度经由麦克斯韦方程组推导，可得

式中，ρ是材料的电阻率（Ω·mm）；μ_r是材料的相对磁导率；f是电流的频率（Hz）。(www.daowen.com)

由于趋肤效应的存在，焦耳热主要集中在型腔表面至穿透深度的范围内，对于模具钢，当高频电流的频率达到10kHz以上（高频）时，电磁感应的穿透深度一般小于0.5mm，所以电磁感应加热具有加热体积小、升温速度快的特点。

根据感应加热装置结构的不同，电磁感应加热模具一般可以分为外置式和内置式两大类。外置式就是指加热线圈与模具是完全分开的，加热时加热线圈在伺服驱动装置的作用下伸入两侧模具之间以加热模具型腔表面，加热完毕后加热线圈再在伺服驱动装置的作用下伸出两侧模具之间，便于合模操作。内置式则指的是加热线圈位于模具内部，模具加热可在合模的状态下完成，无需额外的驱动感应线圈动作的伺服装置。外置式电磁感应加热模具的优点是模具结构简单，缺点是需要额外的感应线圈驱动装置，从而增加了注塑操作流程、降低了成型效率。内置式电磁感应加热模具虽然无需额外的驱动装置，但是模具结构比较复杂、设计制造难度大、适应性差。

Wada等^[35]早在1982年就首次提出将电磁感应加热应用于注塑模具型腔的加热，并研究了高频发生器的输出功率、频率、模具材料等参数对模具加热速度的影响。但由于当时市场对高温注塑产品的需求很少，在随后约20年的时间里，高频感应加热模具一直没有得到注塑行业的足够重视，与之相关的研究也鲜有报道。直到进入21世纪初期，随着3C行业的迅速发展，市场对高温注塑的需求越来越迫切，高频感应加热模具又逐渐得到了重视和应用，尤其是在微注塑成型领域^{[25-29，49，54，59，84-88，90-96]}。李育芸^[92]结合数值模拟与实验研究了加热线圈设计、加热线圈与工件表面距离、加热线圈输入电流及加热时间对工件表面热响应与温度分布的影响。林夆融^[93]设计制作了一种可用于模具表面快速加热的内置式感应加热器，研究了不同金属材料的模板表面的热响应及温度分布规律。但由于尚未有效解决加热线圈的基板材料问题，所以并没有真正将加热线圈嵌入模具内部进行测试。Chen^[96]在其申请的美国专利中分别提出了一种基于扁平多匝圆形加热线圈的外置式和内置式高频感应加热模具结构。Chen^[25，26]对基于扁平多匝圆形加热线圈的外置式高频感应加热模具的研究发现，型腔表面温度可在4s内由110℃升高至200℃，并紧接着在21s内冷却至110℃。Huang^[90]提出了一种基于MEMS（微电子机械系统）技术与UV-LIGA（紫外光源曝光光刻）工艺的内置式高频感应加热模具的设计、加工与制造方法，用于模具镶块微结构的局部加热。Kimer-ling^[88]设计了一种基于电磁感应加热的聚合物微结构快热热模压成型模具装置，实验结果显示模板温度在70℃与200℃之间的热循环周期仅有5s。Kim^[87]将电磁感应加热应用于微型注塑模具镍基模板的表面加热，实验结果发现模板表面温度由25℃升高至258℃仅需2.7s。范家瑞^[91]研究了跑道形和螺旋形两种加热线圈加热模板时模板表面的温度响应情况，结果表明两种加热线圈对应的最高加热速度仅为4.16℃/s和3.44℃/s，明显低于其他研究者所得出的结果。这主要是因为实验中为了避免模板的热疲劳采用了最低的电源功率，并且感应线圈加热时距离模板表面的距离太大。楊坤頴^[28]研究了感应加热动态模温控制中的两种不同的模温控制模式，即加热时间控制模式和目标温度控制模式。研究结果发现，目标温度控制模式较固定加热时间可更快达到稳定的模温，但易受冷却及模具温度的影响，导致温度变化幅度大的现象；固定加热时间模式则以渐进方式逐渐趋于稳定的模温，不受冷却及模具温度的影响。Chang等^[48，100]研究了多层感应加热线圈设计对高频电磁感应表面加热的加热效率和温度均匀性的影响。研究结果显示，与传统的单层加热线圈相比，优化的多层感应线圈可以显著改善模板表面温度的均匀性。例如，当型腔表面温度升高至190℃时，型腔表面的温差可控制在5℃以内。

图3-5 模具的高频邻近加热原理

1—磁感线 2—型腔面 3—高频电流 4—涡流

上述利用感应线圈加热模具型腔表面的方法是基于电磁感应的表面效应。这种加热方式的缺点是需要根据模具型腔的几何形状设计制作专门的感应线圈。对于外置式高频感应加热模具结构，模具加热需要通过专门的伺服驱动装置控制加热线圈伸入/伸出两侧模具之间完成，这将增加额外的操作流程，延长成型周期和增加生产成本。而对于内置式高频感应加热模具结构，由于受到模具结构和加热线圈形状的限制，通常情况下加热线圈很难安装于模具内部。另外，对于具有复杂几何形状的模具型腔，加热线圈的设计将变得十分困难而无法实现模具型腔表面的均匀加热。为了消除加热线圈带来的不利影响，基于电磁感应的邻近效应，Yao等^[39，98]设计了一种无需感应加热线圈的电磁感应加热模具，其加热原理如图3-5所示。将型芯板与型腔板接入并构成一个高频电路，两板内部流过方向相反的高频电流。当型芯板与型腔板相互靠近时，由于邻近效应，两板内部靠近内表面的区域将产生涡流，从而利用焦耳热效应加热模板表面。虽然这种高频感应加热模具无需设计额外的感应线圈，但是由于需要将模板接入高频电路中，这将显著增加模具结构的复杂程度，降低模具设计的柔性，并给注塑生产带来一定的安全隐患。另外，对于形状复杂和壁厚不均匀的产品，这种加热方法也难以保证加热的均匀性。

总之，高频感应加热具有加热体积小、加热速度高的特点，可实现模具型腔表面的快速加热。但由于受到加热线圈设计或模具结构设计的限制，高频感应加热很难实现大型或形状复杂型腔表面的均匀加热。目前，高频感应加热在注塑成型中的应用仍然比较有限，主要用于加热微小型且形状简单的模具型腔或模具型腔的局部加热。另外，高频感应加热产生的电磁辐射容易干扰其他电子设备的正常工作，这也限制了高频感应加热技术在实际注塑工艺中的应用。