注塑模具温度分布规律的研究及应用[1].pdf

收稿日期 :2005 - 01 - 09作者简介 :李兆东 (1963 - ) ,男 ,山东海阳人 ,山东建筑工程学院机电工程学院讲师 ,学士 ,主要从事材料成型与自动化专业的教学与研究工作 1003 - 5990(2006) 02 - 0170 - 03注塑模具温度分布规律的研究及应用李兆东 ,袁文生 ,原政军(山东建筑工程学院 机电工程学院 ,山东 济南 250101)摘要 :注塑模具的温度控制对注塑工艺和注塑件的质量有非常重要的影响。通过模拟、分析模具温度场的分布规律 ,确定最佳的模具温度控制方案 ,并借助于先进的真空钎焊工艺实现对模具温度的最佳控制 ,从而减少注塑的循环时间、提高生产效率并提高注塑件的质量。关键词 :注塑模具 ;温度分布 ;温度控制 ;硬钎焊中图分类号 :文献标识码 :of in 50101 , of in of on of is to of to of so be a be 引言加工热固性和热塑性塑料的主要方法是注射成型 ,采用这种生产方法每个注塑件都需要一套模具 ,模具的主要任务包括 :将塑料融料成型 ;导出 将已经固化的塑料件推出。在注塑过程中影响注塑件成本的最主要因素是生产循环时间和废品率 ,因此在保证产品质量的前提下 ,应当尽可能将循环时间缩短。注塑件的质量与模具的温度有着直接的关系 ,温度过高会造成融料分解 ,使其失去原来的性能 ;温度过低融料无法完全充满型腔 ,工件为废品。因此有效地控制注塑模具的温度具有十分重要的意义。通过优化的设计方案并借助于特殊的加工工艺可以实现模具型腔表面温度的均匀分布和它与冷却介质之间的高效热交换 ,当然必须首先了解模具的温度分布、变化规律 1 。1 温度分布规律与冷却水路模具温度场的模拟有很多方法 ,如计算机模拟等。这些方法需要专门人员并且投资较大 ,对生产厂家来说不经济 ,相比之下电场模拟法简单、易行。(1) 模具在纵向上的温度分布规律第 21 卷 第 2 期2006 年 4 月 山 东 建 筑 工 程 学 院 学 报F F 21 22006由于模具外壁上的温度基本上趋于稳定 ,温度随时间的变化很小 ,因此可以将这种变化忽略不计。假设模具上温度分布规律固定不变 ,即为静态 ,则模具的温度场可近似用二维的拉普拉斯微分方程来表示 ,即静态温度场 : 525 525 0 (1)式中 : 为温度。根据电磁场有关理论 ,静态电场同样可以用二维的拉普拉斯微分方程来表示 ,即静态电场 : 525 525 0 (2)式中 : 为电势 (电压 ) 。比较方程 (1) 和 (2) 可以看出 ,静态温度场的温度分布曲线与静态电场的电势分布曲线是相同的 ,因此可以借助分析静态电场中的等势线分布情况来分析注射模具中温度场的分布规律 ,并以此为依据确定模具的冷却水路在纵向上的布置位置。静态电场的模拟方法如下 :首先将注塑件和冷却水路模型沿纵向剖开 ,并按剖面的形状和尺寸用银箔裁剪出注塑件和冷却水路的模型 ,模型比例最好为 1 1 ,为了避免出现压降 ,注塑件的壁厚尺寸比实际尺寸要稍微放大些 ,一般以放大 10 % 20 %为宜 ,然后将其贴在电阻纸上。按照图 1 所示将接线连接好 ,测量电压可使用普通电压表。将线连接好后 ,即可用导电测出等势线并将其画出 ,这些势线即相当于模具的等温线。如果同一条等温线或者等势线在注塑件附近与注塑件的距离保持不变的话 ,则说明这样的布置可以保证热流密度处处相等 ,即工件冷却均匀 ,冷却水路的布置方式合理。反之 ,如果同一条等温线的分布与注塑件之间的距离不均匀的话 ,则说明工件在各处的热流密度不一 ,即各个部位不均匀冷却。在第二种情况下可以将冷却水路的位置作相应的调整 ,即将同侧冷却水路之间的距离增大或者缩小 ,或者将冷却水路与注塑件之间的距离调大或者调小 ,并重做上述实验 ,直到取得满意效果的等温线为止 2 。图 2 是修正后的模拟等势电势图 ,从图中可以看出 ,距注塑件较近的等势线与注塑件之间的距离基本相同 ,因而注塑件在各处的冷却效果基本趋于一致 ,这样就可以避免因为冷却不均匀而出现的内应力使注塑件发生变形 ,从而保证注塑件的尺寸和形状精度。实践证明 ,模具的冷却水路应尽量布置在靠近模具型腔处。图 1 模拟温度场接线图 2 修正温度场分布情况(2) 模具横向上的温度分布规律模具横向上的温度分布规律可以通过类比方法来确定。即在有限个纵切面上重复做上述实验 ,实验证明 ,模具冷却水路与注塑件之间的距离在各处基本相等 ,这样就可以确定模具冷却水路的平面布置位置了。2 冷却水路的加工方法冷却水路一般布置在模具的型腔和型芯等部位。目前冷却水路基本上是通过钻削等在有关的零件上直接加工出来。在冷却水路结构比较简单时 ,171第 2 期 李兆东等 :注塑模具温度分布规律的研究及应用 这是一种简单实用的方法。当工件结构比较复杂 ,即 冷却水路结构比较复杂时 ,由于钻削工艺本身的技术局限行 (只能加工出直线型孔 ) ,因此无法将模具的冷却水路按照优化的结构用常规的方法加工出来。在实际生产中 ,模具的温度控制可能会由于某种简单的结构等技术方面的限制而无法实现最佳调节 ,比如模具中的顶出杆、槽和筋等的布置位置以及工件的形状等就可能成为用常规方法加工冷却水路无法逾越的技术障碍 ,或者不得不改变模具的结构。采用铣削加工和硬钎焊相结合的办法可以解决上述难题 3 ,4 。用这种方法加工冷却水路 ,首先必须把模具的有关部件 ,比如型心分成两层或更多 ,并用立铣刀将各层上将优化的冷却水路加工单独出来 ,然后将各部分用真空钎焊的方法连接在一起 ,使其成为一个整体图 3。由于分割后的冷却水路属于外部轮廓 ,因此便于加工。采用这种方式几乎可以加工出任意形状、任意结构的冷却水路并可以避开与冷却水路发生干涉的零件 ,比如顶出杆、型芯等 ,见图 4。图 3 冷却水路的加工和组装真空钎焊是一种无助剂的焊接工艺 ,它是在一图 4 冷却水路布局定条件下 ,利用原子扩散的原理使两个或者两个以上的固相材料进行冶金结合而连接起来 ,但在此过程中不产生液相 ,其连接强度可以达到原来材料强度的 90 %左右。工件焊接之后必须进行调质处理 ,以使模具具有足够的硬度 ,保证模具的使用寿命 5 。3 结论与常规的方法相比 ,采用上述方法制造的冷却水路成本虽然稍高 ,但由于优化了冷却水路 ,加强了热传递的效果 ,可以大大降低生产循环时间 ,提高生产效率 ,使单件成本明显下降 ,同时可以使模具在各处的温度趋于平衡 ,避免了注塑件因模具温度不均匀而产生的变形 ,可以明显改善注塑件的质量。参考文献 :1 塑料模具设计手册编写组 . 塑料模具设