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1、华中科技大学 硕士学位论文 随形冷却注塑模的设计与制造关键技术研究 姓名：伍志刚 申请学位级别：硕士 专业：数字化材料成形 指导教师：史玉升 20070501 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 注塑成型是生产塑料制品最有效的方法之一，注塑模冷却系统的设计直接影响 着注塑成型效率和最终制品的质量。较传统的注塑模冷却系统，随形冷却系统有冷 却效率高、冷却均匀度好等优点。由于缺乏科学的设计理论与方法的指导，当前对 随形冷却系统的设计仍然不得不采用传统的设计方法，致使设计效率低下，设计结 果无法达到最优化。这已成为推广应用随形冷却技术的瓶颈。 本文在对随形冷却注塑模的传热过程
2、进行理论分析和模拟研究的基础上，对该 瞬态传热过程建立了详细准确的数学描述。该数学描述不但适用于圆形截面的冷却 水道，还适用于椭圆截面、U 形截面等非圆截面和一些特殊的冷却结构，具有广泛 的适用性。 本文研究了基于选择性激光烧结（SLS）技术的注塑模快速制造工艺，通过实 验的方法对随形冷却注塑模形坯可加工性问题进行了深入研究，并制定了相应的设 计规则。 综合传热过程及可加工性问题研究的相关结论，根据注塑模随形冷却系统的特 点，开发出了一套随形冷却系统的设计方法和设计规则。该方法基于区域冷却技术， 以最佳型腔壁温度和最短冷却时间为目标，实现了设计结果的最优化。通过以香盒 零件注塑模为研究对象的模
3、拟及实物研究表明，内置随形冷却水道的注塑模，其生 产效率提高了 30，由冷却不均匀引起的翘曲变形仅为普通模具的 20。最后，采 用 SLS 快速制模工艺制作了金属注塑模具，并成功生产出了注塑件。 关键词：注塑成型；冷却过程；随形冷却水道；快速制模；设计方法 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Injection molding is one of the most effictive techniques for plastic production. The design of the cooling system of injection molds d
4、irectly affects both productivity and the quality of the final part. Compared with conventional drilled cooling channels, conformal cooling channels have demonstrated simultaneous improvements in cooling efficiency and cooling uniformity. However, because there is no methodology for the design of co
5、nformal cooling channels, designers have to use convetional methodology to design them. This is the major bottleneck for the application of conformal cooling system. The transient heat- transfer process of the plastic injection molding is reaserched by the means of heat tranfer theory and numerial s
6、imulation software. On the base of those conclusions, the heat transfer mathematic model for conformal cooling is built. In this model, the shape factor is used to correct the calculate result. Not only is this heat transfer model suitable for the circule corss- section cooling channels, but also fo
7、r other section shapes, such as ellipse, U shape etc. The SLS rapid tooling technology is also studied. Green shape of injection mold with internal conformal cooling channels is formed using the composite metal powders developed in this work and optimal forming parameters. After decomposition, vacuu
8、m sintering，dropping infiltration of liquid bronze (or infiltration of epoxy and curing) and being simply machined, the mold can be used for plastic injection. Conformal cooling system design methodology and design rules are developed after reaserching the features of the conformal cooling system. S
9、ome new concepts are used in this mehodology, such as cell cooling technology, minium cooling time and suitable temperature of cavity walls etc. By the guide of this methodology, designers can design optimal coformal cooling system efficiency. Finally, the injection mold of pomander with the designe
10、d optimal conformal cooling channels is fabricated by using the SLS technique. The production efficiency of the injection mold of pomander with conformal cooling channels is improved 30, and the warpage is only 20% as much as the conventional injection mold. Key words: Plastic injection molding; Coo
11、ling process; Conformal cooling channel; Rapid tooling; Design methodology 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门
12、或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言 塑料具有密度小、比强高、绝缘性好、介电损耗低、化学稳定性高、减摩耐磨 性好、减震隔音性能好、成型工艺好、成型生产效率高和价格低廉等优点，因而在 国民经济和人民生活的
13、各个领域得到了日益广泛的应用。在机电、仪表、化工、建 筑、医疗、兵器、汽车、原子能和航天航空等领域，塑料已成为金属的良好代用材 料，出现了金属零件塑料化的趋势。据统计，美国塑料的年使用量已经在体积上超 过了钢、铝、铜的总和，并正以比钢材高两倍的速度发展，本世纪人类将跨入塑料 时代1。 作为最有效的塑料成型方法之一的注塑成型具有以下优点： 1）可以一次性成型 各种结构复杂、尺寸精密和带有金属嵌件的制品；2）制品表面可以和模具型腔表面 一样平滑光亮，或者同样的纹理或镌刻；3）只需要少量修整或完全不需要修整；4） 成型周期短，可以一模多腔，生产效率高；5）大批量生产时成本低廉，易于实现自 动化、半自
14、动化生产。据不完全统计，目前国内注塑模约占所有模具的 38.2%，世 界范围内注塑模约占塑料制造模具的 50以上。因此，塑料注射成型在塑料加工行 业中占有非常重要的地位2。 在塑料的成型过程中，时时刻刻伴随着温度的变化。温度是塑料成型加工中一 个非常关键的工艺参数。模具温度的高低直接影响着成型过程能否顺利进行；不同 时刻的温度场分布情况也直接关系到最终制品表面质量的好坏；不同时刻的温度场 变化又是产生制品热应力分布，进而影响制品物理机械性能的主要原因。另外，温 度变化的快慢又影响着塑料制品成型过程中的能量消耗多少和产品成型周期的长 短，进而直接影响产品的生产效率和企业的经济效益。因此，及时了解
15、塑料成型过 程中的温度场分布是工程中非常关心的问题。注塑模温度调解系统的设计是注塑模 设计的核心内容之一3。 为了调节模具温度，通常的办法是在模内开设冷却水道，通过调节输入冷却水 道中冷却液的温度来实现对模具温度的调节。传统冷却技术中的冷却水道通常是直 线形的圆孔，它是通过宏观的传热计算进行设计，利用钻床打孔完成其加工的。该 技术具有结构简单，设计、加工过程容易实现等优点。其缺点就是对型腔表面温度 的控制力较弱，冷却均匀度及冷却效率较低。随着注塑成型工艺不断向精密化方向 发展，传统冷却技术已经越来越不能满足实际需要。九十年代中后期以来，脉冲冷 却、随形冷却、CO2气体冷却等一些新型的冷却技术相
16、继被开发出来，为注塑成型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 的研究开创了新领域。其中随形冷却技术具有冷却效果好、成本低、适用面广等优 点，有广泛的应用前景。 1.2 随形冷却技术的研究概况 1.2.1 研究起因 为了调节模具温度，需要在模内开设冷却水道。通常情况下，传统冷却水道是 钻床加工出来的，因而只能加工出直线形冷却水道（如图 1 所示） 。这就不可避免的 造成了在复杂注塑制品模具中冷却水道距型腔表面距离的不一致的问题。容易致使 冷却不均匀，进而引发注塑制品的翘曲变形。为了达到更好的冷却效果，通过镶拼 结构，一些新型冷却回路结构被开发出来，如喷流管、螺旋形冷却回路等。但是镶 拼结构模具加工周期长、成本高、精度不易保证，而且需要考虑密封性，这大大限 制了该技术的应用。 英国 Brunel大学的研究人员开发出了脉冲冷却技术。脉冲冷却技术是根据注塑 模在生产过程中热量脉冲输入的特点，控制冷却液流量相应进行脉冲输入。脉冲冷 却技术中冷却液流量根据模温的高低进行调整，其流量不是连续稳定的
