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注塑模新型冷却技术及其研究进展伍志刚史玉升魏青松黄树槐华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室,武汉,430074摘要介绍了脉冲冷却、随形冷却、CO2气体冷却等注塑模新型冷却技术的概念和研究现状。从原理的角度出发分析了它们各自的优点及存在的问题,阐述了它们的应用状况。展望了将来注塑模冷却技术的发展趋势。关键词脉冲冷却随形冷却快速制模CO2气体冷却中图分类号S275.6TQ320.66文章编号1004132X2006S2016105DevelopmentofPlasticInjectionMoldCoolingTechnologyWuZhigangShiYushengWeiQinsongHuangShuhuaiStateKeyLaboratoryofPlasticFormingSimulationandDieMouldTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,430074AbstractThispaperintroducesprinciples,charactersandpracticalorpossibleapplicationsofpulsecooling,conformalcoolingandCO2gascoolingofinjentionmolding.Thosenewtechnologieshavenotonlygotgreatimprovementonproductionefficiencyandcoolinguniformity,butalsoen2hancedtheabilitytocontrolthetemperatureofmoldsurface,andtheyhaveapromisingfuture.KeywordspulsecoolingconformalcoolingrapidtoolingCO2gascooling收稿日期20060808基金项目国家863高技术研究发展计划资助项目2002AA6Z3083湖北省自然科学基金创新群体项目2004ABC0010引言在正常生产条件下,注入模内的塑料熔体温度为200~300℃,而注塑制品出模时的温度为60~80℃,温度降低主要取决于模具的冷却系统,注塑模不仅是塑料熔体的成形设备,而且是一个热交换器1。塑料熔体冷却凝固所释放的热量95由冷却系统中的冷却介质带走,模内冷却时间包括注射时间、保压时间和冷却时间,占整个注塑周期的3/4以上,因而冷却系统对注塑成形效率有举足轻重的影响。更重要的是良好的冷却系统能够有效控地制模具型腔表面温度,保证稳定、合理的模具温度并实现对模内塑料熔体的均匀冷却,进而减少注塑制品的翘曲变形,提高尺寸精度,改善力学性能,提高表面质量和熔接强度,保证制品质量。因而注塑模具冷却系统有十分重要的作用,是注塑模设计的核心内容之一2。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。随着注塑成形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的需要。20世纪90年代中后期以来,研究人员开发出了一些新型的冷却技术,取得了相当的进步,为注塑成形的研究开创了新领域。1脉冲冷却技术脉冲冷却技术是根据注塑模在生产过程中能量脉冲输入的特点,控制冷却液流量以脉冲输入来实现对模具温度的控制。脉冲冷却是指其冷却水道中冷却液的流量是脉冲状的,而不是连续稳定的。传统冷却是通过控制冷却液的温度来控制模具温度,而脉冲冷却则是通过控制冷却液的流量来控制模具温度,其原理如图1所示。图1脉冲冷却原理示意图161注塑模新型冷却技术及其研究进展伍志刚史玉升魏青松等©19942007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.net在脉冲冷却系统中,多个热电偶被安装在模腔表面附近以检测模具温度。冷却液流量控制器根据热电偶采集的温度数据及模温的设定值来控制输入的冷却液流量大小,进而实现对模温的精确控制,图2所示为脉冲冷却系统的结构示意图。在成形过程中,冷却液的流量随着模温的变化而不断变化,模温高则流量大,模温低则流量小。当模温达到设定模温时,则停止冷却液的输入。与传统冷却技术相比,脉冲冷却技术的主要技术特点如表1所示。图2脉冲冷却系统结构示意图表1脉冲冷却的技术特点传统冷却脉冲冷却冷却液流量连续稳定脉冲输入冷却液温度高低温度控制部位整套模具型腔表面温度控制方式冷却液温度冷却液流量受浇口位置及注塑制品形状的影响,在模具型腔表面不同区域间存在一定的温度差。为了达到较好的冷却均匀度,在脉冲冷却系统中实行了分区冷却。根据预测的型腔表面温度状况,在模具中划分出几块冷却区域,分别单独设计各自的冷却水道。再在各区域分别安装热电偶,检测不同区域的模温,进而控制输入各区域冷却水道的冷却液流量,这样提高了冷却的均匀度。在注塑过程中,模腔的表面温度直接影响着注塑制品的质量。在脉冲冷却系统中热电偶被安装在模腔表面附近,因而其检测到的温度是模腔表面的温度而不是整套模具的温度。流量控制器根据反馈的温度数据控制输入的冷却液流量,进而实现了对模腔表面温度的控制。因而脉冲冷却系统能较好调节的模腔表面温度,有利于提高注塑制品的质量。传统冷却技术是依靠调整冷却液温度来调整模温的。在脉冲冷却系统中,其冷却液温度是恒定的,并采用了较低温度的冷却液以提高模具与冷却液之间的温度差。同时冷却液的脉冲状流量输入也增强了其流动的紊动程度,加强了冷却水道与模具介面间的对流换热。这样大大加快了模具冷却系统对模温的响应速度,并提高了冷却效率。英国的Brunel大学与美国的Behrend大学在脉冲冷却理论方面有较深入的研究。他们的研究表明,采用脉冲冷却的注塑模比普通注塑模的成形效率高10~30图3,注塑件质量也有一定的提高3O5。美国的CITO公司和德国的Remak公司,还生产出了各自的脉冲冷却成套设备,并成功实现了商品化图4。图3脉冲冷却与传统冷却的模温变化曲线图4Remak公司生产的脉冲冷却设备采用脉冲冷却技术,可以提高生产效率,改善制品质量。但要实现脉冲冷却技术需增加相关的脉冲冷却设备,而且由于需要进行分区冷却和安装多个热电偶,其模具的结构也较普通注塑模复杂,这样一定程度上抵消了其生产效率提高所带来的成本优势。综合考虑脉冲冷却技术还是具有一定的技术优势,具有广阔的市场前景。2随形冷却技术随形冷却技术是随着快速成形技术发展起来的新型模具冷却技术。随形冷却是指在模具中冷却水道的空间结构随着模具型腔形状的变化而变化图5,其冷却水道始终以一定的距离附着在模腔表面。261中国机械工程第17卷增刊2006年10月©19942007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.neta传统冷却水道b随形冷却水道图5传统冷却系统和随形冷却系统的示意图传统冷却注塑模的冷却水道受加工手段的限制,通常被设计成直线形,其冷却水道距型腔表面的距离不一致。这造成了冷却的不均匀性,导致注塑件容易出现翘曲变形、开裂等缺陷。不仅如此,冷却的不均匀还降低了成形效率。在冷却水道距型腔表面近的地方,传热效率高,冷却较快,而在冷却水道距型腔表面远的地方,传热效率低,冷却较慢。在注塑成形中必须要等到注塑件所有部位都达到开模温度以下时才能开模取件,因而冷却效率低的部位直接延长了总冷却时间,降低了成形效率。而随形冷却注塑模由快速成形加工,冷却水道可自由分布,可按一定的距离附着并均匀覆盖整个模腔表面。其冷却均匀度能大幅度提高,易实现同时冷却,大幅度缩短了冷却时间。因而随形冷却注塑模具有制品质量好,成形效率高等特点。在随形冷却条件下,冷却水道均匀地以较近的距离附着在型腔表面,形成了热包络区。热量被完全封锁在其内部,局部热传导也被限制在两个相邻冷却水道之间的小区域内。因而模具的冷却系统对模腔表面温度具有较强的控制力。研究表明,在随形冷却条件下的注塑模在一个成形周期内即可达到稳定的工作状态,而传统冷却注塑模则需要经过大约20个成形周期才能够达到稳定的工作状态6图6。因而在随形冷却注塑模中,通过调整冷却液的温度即可快速准确地实现对模腔表面温度的调节。图6随形冷却与传统冷却的模温变化曲线美国MIT的研究人员最早提出了随形冷却技术7,他们对使用3DP技术制作随形冷却注塑模的大量相关研究建立了基于冷却单元的随形冷却水道设计方法。他们的研究结果表明,较传统冷却注塑模,随形冷却注塑模的生产效率普遍可提高30以上,制品的翘曲变形也有一定改善8,9。英国Leed大学的Dalgarno及其他学者通过一些的快速制模方法制作了随形冷却水道模具,并与普通注塑模具进行了对比,也得出了类似的研究结论10O13。在国内只有华中科技大学模具技术国家重点实验室从事相关研究,图7所示为该实验室通过SLS快速制模工艺制造的随形冷却注塑模具。图7随形冷却注塑模具及其冷却系统随形冷却注塑模的冷却水道是随形的,因而难以用传统的方法进行加工。目前的随形冷却注塑模大多采用3DP和SLS等快速成形技术间接烧结粘合金属粉末进行加工。使用该类方法加工出的模具虽具有较低的成本和较短的加工周期,但使用寿命较短只能生产3000~5000件,其他的加工方法如快速软模及电铸成形也有类似的问题。这一状况大大地限制了随形冷却技术的推广使用,目前该技术只能应用于生产中小批量注塑件的模具中。3CO2气体冷却技术CO2气体冷却技术是由美国AGAAB公司开发出来的使用低温的CO2气体进行注塑模冷却的技术。其原理是利用多孔金属材料制作模具,然后在一定的部位开进气孔通入低温的CO2气体,其他部位开设排气孔引导气体流向,以低温的CO2气体作为介质进行对模具进行冷却,其原理示意图如图8所示。图8CO2气体冷却原理361注塑模新型冷却技术及其研究进展伍志刚史玉升魏青松等©19942007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.net传统冷却注塑模的冷却系统采用液态冷却液水作为冷却介质,而CO2气体冷却技术则创造性地采用了低温的CO2气体作为冷却介质进行模具的冷却。CO2气体在多孔金属材料中具有良好的渗透性和流动性,能够方便地对注塑件的复杂和微细部位实施冷却,避免了冷却死角,有效消除了模腔表面的热点。为了达到较高的冷却均匀度,CO2气体冷却技术也采用了分区冷却。即预先划分出不同的冷却区域,设置好合适的进气口和排气口,引导气体流向。在各自区域的模腔表面位置安装热电偶,进行温度检测。根据温度反馈的结果,通过PID控制系统调节输入模具各部位的CO2气体流量来实现对模腔表面温度的控制。由于CO2气体具有极低的温度78℃,致使冷却介质与型腔表面间具有较大的温度差100℃以上,大幅度的提高了冷却效率。因而较传统冷却注塑模,CO2气体冷却注塑模具有模温波动幅度小、成形周期短、成形质量高等优点。如图9所示为CO2气体冷却注塑模的模温变化曲线。研究结果表明采用CO2气体冷却技术的注塑模,其冷却效率能普遍提高50以上14。图9CO2气体冷却与传统冷却模温变化曲线CO2气体冷却技术的另一优势就是模具无需脱模机构。采用该项技术能简化模具结构,减少模具部件间干涉的可能性。在脱模时只需关闭排气孔,CO2气体即可将注塑件吹出,实现快速、无接触脱模。由于CO2气体冷却技术的具有较高技术难度,目前只有AGAAB公司对该项技术展开研究,并构建了专门的注塑生产车间,实施该冷却技术。此外由于用于制造该种模具的多孔性金属材料价格昂贵,低温CO2的制备成本也较高,大大限制了该技术的应用,目前多被用于微注塑成形模具中。4总结和展望目前出现的几种注塑模的新型冷却技术已经逐渐发展成熟并被用于实际生产中,部分替代了传统的冷却技术,发挥了一定的经济效益。但是受到工艺、成本等因素的制约,没有获得大规模的推广应用。通过对现有注塑模冷却技术的总结和分析,可以发现现有的新型冷却技术均是以提高冷却均匀度和冷却效率、增强对模腔表面温度的控制力为目标,未来也应该继续朝这个方向发展。将来应该继续加强对注塑模冷却技术的理论研究,在完善现有技术的同时,注重开发更具创新理念的新技术。参考文献1唐志玉,李德群,徐佩弦.塑料模具设计师指南M.北京国防工业出版社.1999.2包荣华.塑料注射模冷却系统的设计J.模具制造,2003742O46.3LamontAS,CoreyJ.TheEffectsofPulseCoolingontheMoldingCycleandPartVariationC//AN2TEC20032AnnualTechnicalConferenceProceed2ings.Chicago,20032857O28614TrinaRC,DouglasF.TheStudyofProcessStabi2lizationandConsistencyUsingPulseCoolingwithaTerminatorC//ANTEC20052AnnualTechnicalConferenceProceedings.Chicago,20053387O33895McCallaBA,AllanPS,HornsbyPR.EvaluationofPulsedCoolinginInjectionMouldToolsC//ANTEC20042AnnualTechnicalConferencePro2ceedings.Chicago,2004461O464.6SachsE,EylonisE,AllenS,etal.ProductionofInjectionMoldingToolingwithConformalCoolingChannelsUsingtheThreeDimensionPrintingProcessJ.PolymerEngineeringandScience,2000,408123221247.7SachsE,EylonisE,AllenS,etal.ProgressonToolingby3DPrintingConformalCooling,Di2mensionalControl,SurfaceFinishandHardnessC//Proceedingofthe1997SolidFreeformFabri2cationSymposium,1997.8XuX.ConformalCoolingandRapidThermalCyc2linginInjectionMoldingby3DPrintedToolingD.Massachusettes,USAMIT,1999.9XuX,SachsE,AllenS.TheDesignofConformalCool2ingChannelsinInjectionMoldingToolingJ.PolymerEngineeringandScience,2001,417126521278.10JacobsPF.NewFrontiersinMoldConstructionHighConductivityMaterialsandConformalCooling461中国机械工程第17卷增刊2006年10月©19942007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http//www.cnki.net
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