注射成型模具溫度調節系統的設計和優化D.E.Dimlaa,M.Camilottob,F.Mianib伯恩茅斯工程和計算設計大學，英國，多塞特，伯恩茅斯，基督城摘要隨著消費壽命越來越短，諸如手機的電子產品在人群中變的越來越時尚，注塑成型依然是成型此類相關塑料零件產品的最熱門方法。成型過程中熔融聚合物被注入模具型腔內，經過冷卻，最后頂出塑料零件產品。在一個完整的注塑成型的過程主要有三個階段，沖模，冷卻和頂出。成型周期決定生產的成本效益。相應地，其中三個階段中，冷卻階段是最重要的一步，它決定零件的生產速率。這項研究的主要目的在于使用的有限元分析和傳熱分析在注塑成型工具中配置一個最優的和最有效的冷卻/加熱的水道。一個適合注塑成型典型的組件3DCAD模型的最佳的形狀的設計完成之后，用來成型塑料零件的型芯和型腔的設計才得以實現。這些也用在有限元分析和熱分析，首先確定注射入口的最佳位置，然后確定冷卻渠道。這兩個因素對成型周期影響最大，如果要減少的成型周期時間，那么，首先必須對這些因素進行優化并使其減至最低。分析虛擬模型表明，與傳統冷卻模具相比，這樣設計的冷卻水道將大大減少循環時間，以及明顯的改善制品質量和表面光潔度。關鍵字模具設計優化，注塑成型1引言：注射成型是塑料部件工業生產中其一個利用最多的生產過程。它的成功在于，與其它成型方式相比，如吹塑成型，有高的三維形狀塑造造能力，能帶來更高的效益。注塑成型的基本原則是一種固體聚合物經加熱熔融后注入一模具型腔；然后經冷卻后從模具頂出，獲得與型腔結構相似的制品。因此一個注塑成型的過程的主要階段，涉及充模，冷卻和制品頂出。成型過程的成本效益，由成型所花的時間即成型周期決定。相應地，其中三個階段中，冷卻階段是最重要的一步，它決定零件的生產速率。因為在大多數現代工業，時間和成本有很強的聯系。成型周期越長，生產該制品的成本就越高。減少塑件被頂出前所用冷卻時間，可以大大提高產品的生產效率，因此也就降低了該產品生產成本。因此，了解此是非常重要的，從而，優化傳熱過程，使得典型的成型工藝效率更高。從歷史上看，這已得到了應用，通過在模具（核型和型腔）內打幾個直孔，注入冷卻液體進行循環，帶走模具中過多的熱量實現冷卻，使零件可以很容易地頂出。利用傳統的加工工藝，如鏜孔，加工直孔。然而，這個簡單的技術只能加工直孔，因此，主要問題是目前還沒有生產如等高線一樣的復雜的冷卻水道和其他三維結構。另一種設計冷卻系統的方法已經提出，該系統符合設在型芯，型腔，甚至兩者中都可以。這種方法采用的等高樣的水道，構造是水道盡可能接近成型零件表面，以從熔融塑料吸收帶走更多的熱量。這將確保該塑件均勻冷卻，以及使生產效率更高。該研究的第一部分主要集中在審查和評價注塑成型過程，以介紹此研究的理論及背景。然后對開發和應用冷卻水道的方法進行研究，并找出最可行的方法。人們通過應用有限元和熱流量的分析對設計工具進行精煉，現在特定的軟件已被用來優化設計與構造模具。先后，基于虛擬模型的冷卻通道的效率的研究是利用軟件I-DEASTM的原型和仿真。這項研究正在進行，在此希望其最終發展到一定的水平，能在決定生產零件成型的規格上熟練使用所需的虛擬模型。2注射成型工藝的簡要概述與其它所有的生產方式一樣，注射模具生產目前也需要降低其成本以保持市場競爭力。這方面的需求通過利用包括設計軟件，計算機數值控制機械等不同的技術已得到解決。有了這些技術后，注射成型生產才得以實現，其生產成本取決于成型周期時間的長短。可以通過調整模具結構來縮短成型周期，但最后的分析表明，成型時間主要取決于模具能使熔融聚合物快速冷卻的能力。冷卻液體會在設定的溫度下通過模具上冷卻水孔進行冷卻定型。同時必須保證熔融聚合物均勻流到模腔的各個部位，且在最短的時間內使其散失熱量進行冷卻。直至目前為止，這些水孔只能通過鉆孔方式進行加工，而這種方式只能加工直孔。如果將冷卻水道整體設計成與塑件形狀一致，同時改變它們的截面以增加導熱面積，這樣就可以大大提高塑件冷卻的效率。塑料也將更加均勻冷卻，所以也可能有助于減少塑件頂出時的翹曲變形。2.1溫度控制成型溫度，例如熔融聚合物溫度，模具溫度，環境溫度和夾緊系統的溫度都必須控制在一定范圍之內（圖1）。塑料熔體注入模腔后，必須通過冷卻固化后才能獲得所需制品形狀。模具的溫度通過冷卻液在模具內冷卻水道中的的循環進行調節，一般用水或油作冷卻液。當塑件充分冷卻后才能從模腔頂出，冷卻過程中熔體(95%)會產生收縮現象，這樣有來料對其進行補償，同時也會有一些收縮會在塑件上保留下來1。圖1.注射過程中的溫度記錄圖2.2壓力控制注射裝置和夾緊系統都要求要求有一定的壓力，且兩者方向相反（圖2）。注射系統中的壓力可以分為三種：注射壓力，保壓壓力和塑化壓力。所有這些都是通過螺桿的運動實現的。在夾緊裝置中，由油泵液壓系統控制移動模具所需要的壓力。保壓壓力是在注射完成后對冷卻凝固過程中產生的收縮空間進行補料，以保證塑件形狀而設定的。圖2.注射過程中的壓力記錄圖2.3時間控制時間是在整個成型過程中最重要的參數。從成型周期時間可估計生產成本和機械效率。原則上在時間方面應加以控制，其中包括：合模時間，注射時間和冷卻時間。圖3以一個簡單的示意圖顯示了一個典型的成型周期。圖3成型周期2.4熱參數盡管塑料材料有很高的熔融溫度，他們特定的性能與溫度有很大的關系。過高或過低的溫度都會對塑件結構帶來損壞。研究其熱性能有利于了解和預測其其它各性能。因此，成型冷卻時間必須合理設置，第一，塑化的厚度，第二，熔融熱的耗散。與金屬不同，塑料材料具有特殊的熱容量，且高結晶塑料比非結晶擁有更高的熱容量。與其它材料，例如與金屬，比較之下，塑料有一個大的熱膨脹系數。可以通過加入礦物填料，如玻璃纖維，來改善塑料的熱性能。2.5冷卻水道與其它多數制造業相同，產品的制造時間與其成本有密切的關系。生產零件的時間越長，其成本就越高，注射模具成型制造的生產周期主要在于其冷卻時間。所以，減少冷卻時間將能降低零件的生產成本。可以在模具中加工出冷卻孔，然后以一定壓力壓入冷卻液體使其在水孔內循環，這樣通過熱交換來控制模具溫度。常規的鉆孔機械如CNC客以用來鉆直孔。其中最主要的問題在于，不能制造加工在三維方向上的比較復雜的冷卻孔，尤其是在靠近模具壁的地方。這樣模具冷卻不均勻，引起制件收縮翹曲，冷卻時間增長（圖4），導致冷卻系統的效率大大降