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1、注射成型模具温度调节系统的设计和优化D.E. Dimla a, , M. Camilotto b, F. Miani b伯恩茅斯工程和计算设计大学， 英国，多塞特，伯恩茅斯，基督城摘要 随着消费寿命越来越短，诸如手机的电子产品在人群中变的越来越时尚，注塑成型依然是成型此类相关塑料零件产品的最热门方法。成型过程中熔融聚合物被注入模具型腔内，经过冷却，最后顶出塑料零件产品。在一个完整的注塑成型的过程主要有三个阶段，冲模，冷却和顶出。成型周期决定生产的成本效益。相应地，其中三个阶段中，冷却阶段是最重要的一步，它决定零件的生产速率。这项研究的主要目的在于使用的有限元分析和传热分析在注塑成型工具中配置一
2、个最优的和最有效的冷却/加热的水道。一个适合注塑成型典型的组件3D CAD模型的最佳的形状的设计完成之后，用来成型塑料零件的型芯和型腔的设计才得以实现。这些也用在有限元分析和热分析，首先确定注射入口的最佳位置，然后确定冷却渠道。这两个因素对成型周期影响最大，如果要减少的成型周期时间，那么，首先必须对这些因素进行优化并使其减至最低。分析虚拟模型表明，与传统冷却模具相比，这样设计的冷却水道将大大减少循环时间，以及明显的改善制品质量和表面光洁度。关键字 模具设计优化，注塑成型1 引言：注射成型是塑料部件工业生产中其一个利用最多的生产过程。它的成功在于，与其它成型方式相比，如吹塑成型，有高的三维形状塑
3、造造能力，能带来更高的效益。注塑成型的基本原则是一种固体聚合物经加热熔融后注入一模具型腔;然后经冷却后从模具顶出，获得与型腔结构相似的制品。因此一个注塑成型的过程的主要阶段，涉及充模，冷却和制品顶出。成型过程的成本效益，由成型所花的时间即成型周期决定。相应地，其中三个阶段中，冷却阶段是最重要的一步，它决定零件的生产速率。因为在大多数现代工业，时间和成本有很强的联系。成型周期越长，生产该制品的成本就越高。减少塑件被顶出前所用冷却时间，可以大大提高产品的生产效率，因此也就降低了该产品生产成本。因此，了解此是非常重要的，从而，优化传热过程，使得典型的成型工艺效率更高。从历史上看，这已得到了应用，通过
4、在模具（核型和型腔）内打几个直孔 ，注入冷却液体进行循环，带走模具中过多的热量实现冷却，使零件可以很容易地顶出。利用传统的加工工艺，如镗孔，加工直孔。然而，这个简单的技术只能加工直孔，因此，主要问题是目前还没有生产如等高线一样的复杂的冷却水道和其他三维结构。另一种设计冷却系统的方法已经提出，该系统符合设在型芯，型腔，甚至两者中都可以。这种方法采用的等高样的水道，构造是水道尽可能接近成型零件表面 ，以从熔融塑料吸收带走更多的热量。这将确保该塑件均匀冷却，以及使生产效率更高。该研究的第一部分主要集中在审查和评价注塑成型过程，以介绍此研究的理论及背景。然后对开发和应用冷却水道的方法进行研究，并找出最
5、可行的方法。人们通过应用有限元和热流量的分析对设计工具进行精炼，现在特定的软件已被用来优化设计与构造模具。先后，基于虚拟模型的冷却通道的效率的研究是利用软件I-DEASTM的原型和仿真。这项研究正在进行，在此希望其最终发展到一定的水平，能在决定生产零件成型的规格上熟练使用所需的虚拟模型。2 注射成型工艺的简要概述与其它所有的生产方式一样，注射模具生产目前也需要降低其成本以保持市场竞争力。这方面的需求通过利用包括设计软件，计算机数值控制机械等不同的技术已得到解决。有了这些技术后，注射成型生产才得以实现，其生产成本取决于成型周期时间的长短。可以通过调整模具结构来缩短成型周期，但最后的分析表明，成型
6、时间主要取决于模具能使熔融聚合物快速冷却的能力。冷却液体会在设定的温度下通过模具上冷却水孔进行冷却定型。同时必须保证熔融聚合物均匀流到模腔的各个部位，且在最短的时间内使其散失热量进行冷却。直至目前为止，这些水孔只能通过钻孔方式进行加工，而这种方式只能加工直孔。如果将冷却水道整体设计成与塑件形状一致，同时改变它们的截面以增加导热面积，这样就可以大大提高塑件冷却的效率。塑料也将更加均匀冷却，所以也可能有助于减少塑件顶出时的翘曲变形。2.1 温度控制成型温度，例如熔融聚合物温度，模具温度，环境温度和夹紧系统的温度都必须控制在一定范围之内（图1 ）。塑料熔体注入模腔后，必须通过冷却固化后才能获得所需制
7、品形状。模具的温度通过冷却液在模具内冷却水道中的的循环进行调节，一般用水或油作冷却液。当塑件充分冷却后才能从模腔顶出，冷却过程中熔体 (95%)会产生收缩现象，这样有来料对其进行补偿，同时也会有一些收缩会在塑件上保留下来1。图1. 注射过程中的温度记录图2.2 压力控制注射装置和夹紧系统都要求要求有一定的压力，且两者方向相反（图2）。注射系统中的压力可以分为三种：注射压力，保压压力和塑化压力。所有这些都是通过螺杆的运动实现的。在夹紧装置中，由油泵液压系统控制移动模具所需要的压力。保压压力是在注射完成后对冷却凝固过程中产生的收缩空间进行补料，以保证塑件形状而设定的。图2. 注射过程中的压力记录图
8、2.3 时间控制 时间是在整个成型过程中最重要的参数。从成型周期时间可估计生产成本和机械效率。原则上在时间方面应加以控制，其中包括：合模时间，注射时间和冷却时间。图3 以一个简单的示意图显示了一个典型的成型周期。图3 成型周期2.4 热参数 尽管塑料材料有很高的熔融温度，他们特定的性能与温度有很大的关系。过高或过低的温度都会对塑件结构带来损坏。研究其热性能有利于了解和预测其其它各性能。因此，成型冷却时间必须合理设置，第一，塑化的厚度，第二，熔融热的耗散。与金属不同，塑料材料具有特殊的热容量，且高结晶塑料比非结晶拥有更高的热容量。与其它材料，例如与金属，比较之下，塑料有一个大的热膨胀系数。可以通
9、过加入矿物填料，如玻璃纤维，来改善塑料的热性能。2.5 冷却水道与其它多数制造业相同，产品的制造时间与其成本有密切的关系。生产零件的时间越长，其成本就越高，注射模具成型制造的生产周期主要在于其冷却时间。所以，减少冷却时间将能降低零件的生产成本。可以在模具中加工出冷却孔，然后以一定压力压入冷却液体使其在水孔内循环，这样通过热交换来控制模具温度。常规的钻孔机械如CNC客以用来钻直孔。其中最主要的问题在于，不能制造加工在三维方向上的比较复杂的冷却孔，尤其是在靠近模具壁的地方。 这样模具冷却不均匀，引起制件收缩翘曲，冷却时间增长（图4），导致冷却系统的效率大大降低。另一方面来说，如果尽量依照零件的形状
10、(图5)加工成型冷却的水道，塑件的冷却也会变的比较均匀，这样冷却时间可以显著减少，冷却效率提高。此外，如果塑件能在非常均匀的温度下被顶出，出模是的收缩也将是均匀的，这样也可避免塑件在顶出时产生翘曲现象。最后，设有这种冷却系统的模具比设有常规标准冷却系统的模具更易达到设定的操作温度3,4。这样就可以减少启动模具到所生产操作条件所需要的时间。当聚合物熔体被注入模具后，遇到模具壁就立即冷却固化。如果塑件的体积较大，且其厚度不太小时，冷却固化的聚合物可能增大注射的阻力，导致模腔不能被完全填充。在这种情况下，需要对物料加热到一定的温度，以增加其流动性。尽管有这些好处，但我们也要注意到，模具中一定形状的复
11、杂的冷却孔的加工制造将大大增加其最初成本，尽管这门技术能给生产带来很多好处。图4 一副模具型芯型腔的冷却水道图5 同一模具的随形冷却水道3 随形冷却孔概述关于随形冷却孔的效率问题，Ring等人对三个具有不同结构的模具进行了研究，其中有的加工有随形冷却水孔，有的没有，结果表明，由于改善了热传递效率，配置有随形冷却孔的模具，其生产周期大大缩短，生产效率大大提高。Jacobs发表了一篇文献，文献主要论述了随形冷却孔的重要性，同时介绍了一种高导热性能的新材料6。这项研究表示，与配有常规冷却水孔的模具相比较，随形冷却孔的设置(层状的铜的镍或铜模子)使模具成型生产效率提高大约70%。Sachs等也对随形冷
12、却孔和钻孔法加工的冷却孔进行了比较研究3。根据他们的调查,他们对模具核心腔加上软件的使用技巧,进而建构模具理论和实验数据作比较.分析显示,随后模形通道温度高于常规，实现一个更加有效的温度分布均匀传热能力。 拜恩7提出了一种控制模具温度的方法，即通给随形冷却孔以一个准确的定位来实现控温的目的。同时他也分析了系统与环境的热交换的影响，以通过精确计算，设计更为有效的冷却系统。 Park and Know 8 进行了根据修改过的边界元素法的对铸造的过程进行了热分析，这是一种灵敏度分析，有利于模具的优化设计过程有效进行。通过热分析优化设计可对冷却时间和表面温差进行准确的预测，这表明对于较理想模具设计，特
13、殊在模具型号和冷却孔的设计方面，灵敏度分析法是一个很好的设计方法。这样在同一台机器中设置了有利于塑件冷却的加工条件，使影响产品质量和生产力因素降到最少。 模具冷却水孔的方面存在的问题不仅仅是去设计加工冷却孔结构，更在于怎么将这种技术很好地应用到多种多样结构的型腔冷却孔的设计加工。徐等9对如何克服这个问题作出了解答和提议。即将原型划分为多个小的区域，这样有利于对整体结构的研究分析，再对每个区域进行设置冷却水孔。然后综合前面的分析结果，对整个结构进行构造。为解决冷却问题，李10也提出了类似的方法，建议通过公认算法将模具按其区域结构特征不同划分成不同的小块。然后，根据每小块的结构特点，分别设定不同结
14、构的冷却孔，并对其进行最后的组合形成完整的冷却系统。算法是基于“超二次”,即模具形状特征参数,诸如在采用计算机绘图时需要参数.这种方法是解决问题的最好的选择,可以近似估计整个塑件的结构.这样，冷却系统变得容易被仿效. 当有着复杂的零件制造时这种做法是十分有效的.4 模具零件（MPA）分析 基本思路是，首先应用I-DEASTM构造一个虚拟模型，再进行模拟分析确定最佳的流道位置。 然后进行冷却系统的设计。先后对示范作进一步的分析,如有限元分析改进设计，为了帮助设计者确定模具制造的零部件，应用MPA对虚拟模型进行最后的分析。对软件唯一的要求就是能对零件材料作出正确的选择。4.1 模型 分析试验中进行
15、模型结构的选择，其依据是零件基本规格和成型塑件的特点，如模具表面斜度的设置要保证塑件冷却成型后能顺利被顶出。这个模具 (图6)表面形成一个长方形并设有一个大小有 8角度。塑件型腔内设有加强筋，这样可以增强其机械性能，也可避免成型中可能产生的变形。图6 模具的3D视图4.2 流道浇口位置最佳浇口的设置，要通过反复的试验才能实现，可以同多塑件质量来衡量设置的好坏，诸如表面熔接痕，气泡数量等(图7为一个典型的熔接痕情况)。浇口可以设计在底部中心位置和内外表面。流动分析表面，两种设置的整个成型周期相同，但浇口设置在外表面时塑件表面的成型熔接痕要小一些。选择浇口位置的标准在于是否能保证塑件的表面质量以及
16、短的成型周期。如果在塑件外表面设浇口，则会有聚合物凝料在浇口处形成，塑件被顶出后需要对其进行切割处理，由此比较浪费时间，不适合进行制件生产。另外，如果把流倒设在型腔内，将导致有新的问题出现，形状复杂的冷却水孔的布置将受到限制，浇注系统难以配置。设置较多的浇口并不能改善塑件质量，也不利于降低冷却时间，只会使冷却孔的配置更为复杂。所以，一个浇口还是最为理想的。以下是通过计算机模拟预测而设置局部优化解决方案：（1） 着力减少内外表面的熔接痕，如图8与图7相比较。（2） 加强加工质量的预测（图9）（3） 进一步的质量检查，设置冷却孔。结果表明，塑件上没有明显的痕迹出现，定出时间也在1s左右，非常合理，即浇口位置合适（图10）。（4） 同样地，表面温度和冻结时间的预测率也达到了预期
