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面向埋铸铜管随形回路的注塑模调温水道优化设计 摘要 在我国塑料工业是一个新兴发展的行业，塑料模具设计主要依靠模具 设计师的直觉和经验。模具往往要经过反复调试和修正才能正式投入生 产，不仅模具设计周期长，成本高，而且难以保证产品质量。采用c a e 技术，在计算机上做试验，可以一次试模成功，注射模c a e 技术包含了 多方面的内容。在采用注塑模制造注塑件的过程中，注塑的冷却阶段是一 个涉及热力学与流体力学的复杂过程，直接影响到注塑件的制造质量与生 产效率。随着市场对注塑件质量要求的提高，针对注塑模随形冷却水道的 设计的研究逐渐成为国内外的热门课题。本论文针对注射模随行冷却系 统的设计，运用传热学的基本原理，利用计算机数值模拟技术，建立了 冷却过程的解析模型。在此基础上，利用v c + + 开发工具，设计了注射模 冷却数值模拟系统，模拟出模具温度场，并且利用m p i 软件对塑件进行冷 却模拟，得到塑件的冷却时间和温度场。对比分析直水道和随形水道的 塑件温度场和模具温度场，改变冷却参数，分析在不同冷却条件下，随 形管道的冷却效果，最终来合理安排冷却水管位置、大小，提高冷却系 统设计效率。 研究结果表明：在相同冷却条件下，随形冷却比传统冷却的时间要少 且塑件的温度分布更加均匀，因此相比较而言，随形冷却能提高塑件的 质量和冷却效率。对随形冷却分析，当其它条件不变时，随着注射温度 增加，冷却时间和温差增加：随着冷却水温度增加，冷却时间增加，温差 减少；随着开模温度增加，冷却时间减少，温差增加：随着塑件厚度增加， 冷却时间增加，温差减少：随着距型腔壁距离越大，冷却时间和温差均增 大：随着水管间距增大，冷却时间和温差逐渐减少，到达一定值后，又逐 渐增大：随着冷却水流速增大，冷却时间减少，温差增大：随着直径尺寸变 大，冷却时间减少，温差增大。 关键词：注塑模；冷却系统；c a e ；随形冷却管道 a bs t r a c t p 1 a s t i ci n d u s t r yi s ad e v e l o p i n gi n d u s t r yn e w l y i nc h i n a m o u l d d e s i g n e r sd e p e n dt h e i ri n t u i t i o na n de x p e r i e n c eo nm o u l dd e s i g n m o u l d l s a l w a y sd e b u ga n dc o r r e c t e da g a i na n da g a i nb e f o r ei t c a nb eu s e dt op r o d u c e p r o d u c t s n o to n l yt h em o u l dd e s i g nc y c l ei sl e n g t h e n i n ga n dt h em o u l dc o s t i sh i g h ，b u ta l s ot h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tc a nn o t b eg u a r a n t e e d 。i 。a k l n g a d v a n t a g eo ft h ec a et e c h n 0 1 0 9 ya n dd o i n gt h ee x p e r i m e n to nt h ec o m p u t e r m o u l dd e s i g nc a nb ei m p l e m e n ts u c c e s s f u l l yi no n et r a i l i n je c t i n g m o u l d c a et e c h n o l o g yi n c l u d e ss e v e r a la s p e c t so fc o n t e n t t h ec o o l i n gp r o c e s so t i n e c t i o nm o l d i n gi sac o m p l i c a t e dp r o c e s sr e l a t i n gt ot h e r m o d y n a m l c sa n d h v d r o d y n a m i c s ，a n di th a sad i r e c ti m p a c to nq u a l i t ya n dp r o d u c t l v l t y o f i n ie c t i o nm o l d e dp a r t w i t hi n c r e a s i n gr e q u i f e m e n t so fh i g hq u a l i t y o t i n i e c t i o nm 0 1 d e dp a r t ，t h er e s e a r c ho nd e s i g no fc o n f o r m a lc o o l i n g c h a n n e l s o fi n i e c t i o nm o u l dg r a d u a l l yb e c o m e s a p o p u l a rs u b j e c t t h i sp a p e r e s t a b l is h e st h ea n a l v t i c a lm o d e lo fc o o l i n gp r o c e s sb ym e a n s o fb a s i ct h e o r y o fh e a tt r a n s p o r t a t i o na n dc o m p u t e rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y a p r a c t i c a lc o o l i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o n a ls ys t e m i s d e s i g n e db yu s l n g v c + + 6 o t h em o u l dt e m p e r a t u r ef i e l dc a nb e s i m u l a t e db yt h ec o o n n g a n a l y s i ss y s t e m u s i n gm p is o f t w a r ef o rp l a s t i cp a r t sf o rc o o l l n go f t h e s i m u l a t i o n ，c o o l i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r ef i e l d s ，c o m p a r i s o na n da n a l y s l s o f t r a d i t i o n a lw a t e r w a y sa n ds h a p eo ft h ew a t e r w a yp l a s t i cm o u l dt e m p e r a t u r e f i e l da n dt e m p e r a t u r ef i e l d c h a n g ei n d i f i e r e n tp a r a m e t e r s ， a n dc o o l l n g c o n d i t i o n s ，t h ec 0 0 1 i n ge f f e c to ft h ec o n f o r m a lc o o l i n gp i p e s t h r o u g h1 t ，t h e h o s ed i s l o c a t i o na n dt h eh o s ed i a m e t e ra r ea r r a n g e dc o r r e c t l y t h e r e f o r e ，l t c a ne n h a n c et h ee f f i c e n c yo fd e s i g n m e a n w h i l e ，b yu s i n g1 t ，s o m ep r o c e s s f a c t o r sa f e c t i n gt h ec o o l i n gc a p a c i t yw a sa n a l y s l z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so f t h er e s e a r c h ，i nt h es a m ec o o l l n gc o n d l t l o n s t h e s h a p eo f t h ec o o l i n gt i m et h a n t r a d i t i o n a lc o o l i n gl e s s o f 。t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dm o r eu n i f o r m ， c o m p a r e dw i t hs h a p e ，c o o l l n g c a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fp l a s t i cp a r t sa n dc o o l i n ge f f i c i e n c y w h e n0 t h e r f a c t o r si su n c h a n g e d ，c o o l i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea r el a r g e rl t i n i e c t i n gt e m p e r a t u r eo rd i s t a n c ef r o mm o u l dw a l l i sr a i s e d ；c o o l i n gt l m el s l a r g e ra n dt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c eb e c o m es m a l l e r i fc o o l i n gw a t e r 面向埋铸铜管随形回路的注塑模调温水道优化设计 t e m p e r a t u r eo rp l a s t i ct h i c kb e c o m et h i n n e r ；c o o l i n gt i m ei s s m a l l e ra n d t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e c o m el a r g e ri fo p e nt e m p e r a t u r e ，o rc o o lw a t e r s p e e d ，o rh o s ed i a m e t e ri sr a i s e d ；c o o l i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e g r a d u a l l yb e c o m es 玎【l a l l e rb e f b r et h e yr e a c hac e r t a i nv a l u ea n dt h e yb e c o m e l a r g e ri fh o s ed i s t a n c ei sr a i s e da ta l lt i m e s k e yw o r d s ： i n j e c t i n gm o u l d ；c o o l i n gs y s t e m ；c a e ；c o n f o r m a lc o o l i n g p l p e 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名：武】，习4 y 日期：2 伊- 罗年月彩日 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。本人授权兰州理工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。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：龟j ，朔莎 导师签名：a 峙百 日期：力虎7 年月日 日期：伽吵年占月矿日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 模具是现代工业制造中的重要装备之一，模具工业是国民经济中重要 的基础工业，模具的设计和制造水平高低是衡量一国家综合制造能力的 重要标志，它决定着产品的质量、效益和新产品的研发能力，并具有高 效节能成本低等优点，早已引起世界各国的重视。振兴和发展我国的 模具工业，日益受到人们的重视和关注。在电子、汽车、电机、电器、 仪器、仪表、家电和通讯等产品中，6 0 8 0 的零部件都要依靠模具成 形。用模具生产制件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高 生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具工业是高新 技术产业的一个组成部分。例如，属于高新技术产业领域的集成电路的 设计与制造，不能没有做引线框架的精密级进冲模和精密的集成电路塑 封模；计算机的机壳、接插件和许多元器件的制造，也必须有精密塑料模 具和精密冲压模具；数字化电子产品的发展，没有精密模具也不行。模具 工业又是高新技术产业化的重要领域。c a d c a m c a e 技术的应用，使模 具的设计制造技术发生了重大变革：模具的开发和制造水平的提高，有赖 于采用数控精密高效加工设备；逆向工程、并行工程、敏捷制造、虚拟技 术等先进制造技术。在模具工业中的应用，也要与电子信息等高新技术 嫁接，实现高新技术产业化。国民经济的五大支柱产业一机械、电子、 汽车、石化、建筑，都要求模具工业的发展与之相适应，以满足其发展 的需要。机械、电子、汽车工业都需要大量的模具：石化工业一年生产50 0 多万吨聚乙烯、聚丙烯和其他合成树脂，很大一部分需要塑料模具成型， 做成制品，才能用于生产和生活的消费。建筑业过去与模具工业的关系 不太，现在不同了，地板砖和卫生洁具需要大量的陶瓷模具，塑料管件 和塑钢门窗也需要大量的塑料模具成型。模具工业地位日益重要1 2 j 。 注塑模的冷却系统是注塑模的核心部分，不仅决定着注塑模的性能 和制造成本，而且也直接关系着注塑件的制造质量与生产效率。在塑料产 品的注射成型过程中，模具温度对塑料产品的质量和生产率都具有极大 的影响。在正常生产条件下，注入模内的塑料熔体为2 0 0 左右，而塑件 出模时的温度仅为6 0 左右，温度的降低主要取决于模具中的冷却系统 【3j 。塑料注射模具冷却系统设计不但对制品精度、变形、耐应力开裂性、 坚璺垄：呈型耋墼垄窒塑墼鎏型堡塑鎏尘堡兰兰垒望 表而质量等影响较大更为重要的是，由于在“射成型过程中，冷却时间 占成型周期的比重较大( 图11 ) ，所以塑料注射模其冷却系统设训的优劣 对塑料制品的牛产效率起着至关重要的怍_ l l 。l 趟此，设计合理的冷却系统 对模具温度进行有效调节是十分必要的。但是，塑料注射模其冷却系统的 设计经常被认为只是次要的问题，对于冷却系统的尺寸和结构设计都没 有给予足够的重视，往往将冷却系统的设计作为模具结构设计的最后一道 工序柬做，其结果是哪口有可利用的空问，就在哪里加上冷却水路，这样 的冷却漫计很难满足客户对生产效率和高质量制品的要求h j 。 图l1 成型时间分配图 f i e l1f o r g1 1 mcd ls t r l b u t l o 口 我围注塑模具的水平与国外先进国家的差距不仅仪体现在型腔精 度、型腔表面粗糙度、模具生产周期和模具寿命等方面，还有非常重要的 一点是模具在注射成形周期l 缺乏竞争力。模具的温度状态受多种因素 的影响，但其控制和调节主要靠冷却系统来完成。 f 1 ) 塑件翘曲变形 翘曲变形是塑件常见的质量缺陷之一。消除塑件翘曲变形要从注塑过 程参数、塑件材料及结构、模具结构及温度等多方面去考虑，其中均匀 一致的模具温度尤为重要。当模具温度不均匀刚与较冷模腔血接触的 熔体很快冷却f 来，而与较热 【f 分接触的熔体则会继续收缩，冈此收缩 不均匀是塑件产生翘曲变形。 ( 2 ) 塑件内部应力 减少塑件内应力或使塑件截面上内应力分布均匀化可提高塑件的物 理性能和使用寿命。塑件内部应力主要包括取向应力和温度应力。取向 应力是在充模和冷却过程中，由于聚合物大分子形状发生变化和一定的 构象被固定下来而产生的，它主要与注塑过程参数( 如熔体温度、注塑压 硕士学位论文 力及保压时间等) 有关。温度应力则是由于冷却不均匀而产生的，它与冷 却系统的设计有关。 ( 3 ) 塑件表面质量 塑件的表面质量缺陷主要包括表面无光泽、凹凸不平及出现明暗相间 条纹等情况。模具温度控制不当时产生这些缺陷的主要原因之一。一般 来讲，提高模具的温度可改善塑件的表观质量。 除上述几方面外，模具的温度状态还直接影响着塑件的收缩率、力学 性能及充填性能等。 冷却时间在整个注塑周期中占50 8 0 的时间。在保证塑件质量前提 下，限制和缩短冷却时间是提高生产效率的关键。让高温熔体尽快降温 固化，模温调节系统应有较高的冷却效率。注入模具的塑料熔体所具有 的热量，由模具传导，对流和辐射散传于大气和注射机的仅占5 左右。 热量大部分由冷却水带走。缩短冷却时间途径有三个方面】。 ( 1 ) 让冷却水处于湍流状态 模具冷却管道中冷却水应处于湍流状态，流速v = o 5 1 5 m s ，甚至更 高，雷诺r e 10 0 0 0 。使冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热系数h 提高。 资料表明，无规则的湍流流体在r e l0 0 0 0 时，其传热能力比层流高l0 - 2 0 倍。 ( 2 ) 扩大模具与冷却水的温差 在模温一定时，采用低温的冷却水。但倘若设计不当，会加剧模温分 布的不均匀。采用低于室温的冷却水时，有可能使型腔表面凝聚大气中 的水分。 ( 3 ) 增大冷却介质的传热面积 也就是尽量增大管道孔径和增加孑l 数。但是受模具结构，如脱模零 件镶块接缝的限制。要防止型腔压力过大时，型腔壁压塌的现象。 注塑模随形冷却水道( c o n f o r m a lc o o l i n gc h a n n e l sc c c ) 是指随着注塑 模型腔变化而改变的冷却水道，它与直线冷却水道的区别如图1 2 所示。 3 面向埋铸铜管随形同路的注塑模调温水道优化设计 直线冷却水道随形冷却水道 图1 2 直线冷却水道与随形冷却水道 f i 9 1 2s t r a i g h tc o o l i n gc h a n n e l sa n dc o m f o r m a lc o o l i n gc h a n n e l s 过去，在采用带有直线冷却水道的注塑模制造注塑件的过程中，由于 熔融塑料不能同时均匀冷却，通常导致注塑件产生严重翘曲变形等缺陷 并且熔融塑料的冷却时间占注塑件制造周期的比重大，制造周期长。因 此，对注塑模冷却水道进行优化设计不仅能提高生产效率，降低生产成 本，而且有利于塑料熔体均匀性冷却，减小残余应力，防止注塑件的翘 曲变形【6 1 。 相对于传统冷却水道系统，在采用带有c c c 的注塑模制造注塑件时， 熔融塑料各个部分能够同时均匀冷却，基本消除了翘曲变形等缺陷，而且 有着更高的冷却效率，显著地缩短了注塑件的制造周期，提高了生产效率， 降低了制造成本，增强了企业的竞争能力。在注塑中，冷却水道的作用是 调节温度，流动性差的塑料如聚碳酸酯、聚苯醚、聚甲醛等，要求模温 高，若模具温度过低则会影响塑料的流动，增大流动剪切力，使塑件内 应力较大，甚至还会出现冷流痕、银丝、注不满等缺陷。尤其是当冷模 刚刚开始注射时，这种情况更为明显。因此对于高融点、流动性差的塑 料，流动距离长的( 相对壁厚而言) 的制品，为了防止填充不足，有时 也在水管中通入温水或把模具加热。但模具温度也不能过高，否则要求 冷却时间延长，且制品脱模后易发生变形。总之，要做到优质、高效率 生产，模具必须能够进行温度调节，应根据需要，进行优化设计1 7 叫j 。 在2 0 世纪8 0 年代以前，国内外研究者对注塑模冷却水道的设计主要 依靠经验和一些简单的公式。至2 0 世纪8 0 年代早期，冷却水道的优化设 计才引起重视，随后，针对冷却过程中注塑模和注塑件的温度场、残余应 力和热变形等有关冷却水道优化设计问题陆续被提出。但是，目前关于 c c c 优化设计的研究还处在初级阶段，随着研究者的深入探索，必将促使 4 硕士学位论文 注塑件的制造质量与生产效率不断提高。建立c c c 的设计规则具有如下 意义：1 为以后c c c 的设计建立统一的理论依据，解决凭经验确定各种 c c c 设计参数的问题。2 当材料性能和注塑模的几何形状发生变化时 c c c 设计参数又得重新通过大量的试验确定，不仅工作量大，材料浪费严 重，而且效率低和制造成本高，通过建立c c c 设计规则可以解决上述问题 【l o l ”。 1 2 国内外现状综述 1 2 1 国内研究状况 在国内，过去被提出的注塑模冷却水道设计规则主要是针对直线冷却 水道系统，例如：19 9 4 年，江苏工学院的骆志高【1 4 】对注塑模直线冷却水道的 设计进行了初步研究。19 9 7 年，西北工业大学的吴建军等【1 5 】探讨了注塑 模直线冷却水道的二维优化设计方法。2 0 01 年，贵州工业大学的尹健等 6 j 采用最优化方法，结合热传导理论，获得了注塑模直线冷却水道的重要 设计参数的最优解。2 0 0 3 年，四川大学的申开智等也对注塑模直线冷却 水道的设计进行了探索【1 7 】。尽管这些设计规则主要适用于直线冷却水道 系统，但是它们为探索c c c 的设计奠定了基础。 2 0 0 0 年，香港城市大学的l i 等【1 8 】对注塑模c c c 的设计也进行过初 步研究，主要分析了冷却水道的功能，提出了“基于特征算法。该算法不 仅适合于注塑模直线冷却水道，也适合c c c 冷却水道，经仿真和试验表明， 根据上述算法建立曲c c c 冷却水道相对于直线的冷却水道，注塑件的制 造周期有所缩短、质量有所提高，但是在设计过程中，也没有考虑冷却水 道的可制造性等问题。直到2 0 0 4 年，他们才从可制造性和功能两方面完善 了先前提出的“基于特征算法，并且建立了相应的规则一“路径搜索算 法”【l 引。经仿真分析表明：c c c 的冷却性能指数在o 1 之间，可制造性较 好，但是“路径搜索算法 是在包含一条冷却水道和不平行冷却的情况下 建立的，具有一定的局限性。2 0 0 5 年，华中科技大学初步建立了基于注 塑模与注塑件均匀冷却的设计方法。2 0 0 6 年，华中科技大学的史玉升等 利用m o l d f l o w 软件对注塑冷却过程进行模拟，以香盒为例设计了随形冷 却水道，通过模拟结果，优化出最佳随形冷却水道，利用选择性激光烧 结快速制模工艺制造出设计好的具有最优随形冷却水道的注塑模具，应 用该模具进行实际的注塑生产撑其工艺参数和最终注塑产品质量均验证 了模拟结果，生产效率提高了3o ，翘曲变形仅为普通模具的2 0 。 5 面向埋铸铜管随形回路的注塑模调温水道优化设计 1 22 国外研究状况 2 0 0 0 年，美国m i t 的x u 等【2 0 1 对注塑模c c c 的设计进行r 详细研究， 从a 个方面提出了设计原则。图3 所示注塑模c c c 就是根据这些规则制 造的，经m i t 的3 d p 实验室测试表明：与传统冷却方式帽比，该c c c 拎却 水道能缩短注塑件制造周期2 0 左右，减少注塑件变形约l5 。但是，这 些设计规则为了方便和容易推导冷却单元仅采_ j 了二维分析方法且注塑 件使用一维网格的有限差分法进行分析，明显不如采用三维方法精确而 且，设计的c c c 横截面是单一的圆形，直径始终相同，并不是根据需要而 改变，也没有考虑几何形状与可制造性方面的物理限制。2 0 0 4 年，新加坡 南洋理工大学的l a m 等口”从冷却管道的设计和工艺参数两个方面进行分 析，结合遗传算法和c a e 技术，建立了注塑模c c c 等冷却水道的优化设 计系统，克服了过去仅从冷却水道设计或者工艺参数单方面进行c c c 设 计的缺点。试验证明，根据浚优化设计系统设计的c c c 冷却效果较好，提 高了注塑件的成型质量和生产效率【2 ”。另外，美国m i t 、英国伯恩默惭 大学以及葡萄牙和意大利的个别科研院所也对c c c 设计进行过初步探索 2 32 4 1 图l3 采用3 d p 技术制造的带有c c c 的注塑模和注塑件实例 f 1 9 l33 d pt e c h n o l o g yu s e dc c cw i t ht h cl n je c t l o nm o l da n di n j e c t j o n m o l d e dd a r t s e x a m 口l e s 1 3 存在的问题 日前国内外随形冷却的研究均在初期阶段，并且设计过程中仅仅采用 一维或者二维冷却单元模型。r p 技术是目前制造随形冷却水道的手段， 但其成本高选择的材料有限且制造的模具在性能上无法与传统制造 的模具相比较。 硕十学位论文 1 4 本课题的目的和意义 本研究通过建立数值模拟得到随形冷却的模具温度场和利用m p i 模 拟塑件冷却，为埋铸工艺能否成为制造随形冷却水道的工艺做初步的探 索。 l 通过模具冷却模拟可以得到模具的温度场，利用m p i 模拟塑件冷却 得到塑件的冷却时间和温度。 2 对比分析直冷却与随形冷却的模拟结果，体现随形冷却的优势。 3 优化随形冷却管道布置，避免过热点，减少塑料件残余应力和翘曲 变形。 4 缩短冷却循环时间以达到使用塑料件快速均匀冷却的目的。 5 利用数值模拟对随形圆形冷却水道进行二维经典截面的温度场研 究，对其制造工艺进行探索研究。 1 5 本课题主要研究内容和及特点 1 分析模具和塑料熔体的热量传递界面，分析模具和埋铸铜管的热量 传递界面，建立的注塑过程数值模拟及边界条件。 2 进行模具温度场的数值模拟。 3 利用m p i 对塑件进行冷却模拟。 4 对比传统直管冷却水道和随形冷却水道的冷却过程。 5 进行冷却水道位置及直径等参数试验，提出优化的工艺参数。 7 面向埋铸铜管随形回路的注塑模调温水道优化设计 第2 章随形水道的制造技术及c a e 冷却模拟 2 1 随形冷却水道的制造技术 c c c 设计的实现需要c c c 的制造技术，目前r p 技术成为制造c c c 的理想手段，它有以下优点：l 在制造过程中，不受其形状复杂程度的限 制，不需要任何的工装夹具；2 从理论上来说，任何受热后能够粘结的粉末 都可以用作r p 材料，因而原材料来源广泛，其范围覆盖高分子、陶瓷、金 属粉末以及它们的复合粉：3 可以快速地制造出供注塑模用户和制造商进 行沟通和确认的r p 原型，避免设计的误差，还可以采用r p 原型代替实物 进行试验，减少了由于设计误差带来的多次修模、返工、甚至失败的危险， 大大缩短了产品的开发周期；4 具有低消耗、低污染的优点。但r p 技术有 着本身的缺点，例如：采用部分熔化沉积技术，粉末颗粒之间靠较弱的 摩擦力连接，因此制造的注塑模存在强度低，机械性能差等，并且工艺 复杂、制造周期长、成本高。而在本课题中，采用锌基合金埋铸预制随 形冷却工艺与快速原型相结合为c c c 的制造技术，它不仅有r p 技术的 优点，而且强度高、成本低、制造工艺简单。 锌基合金综合性能优良，作为塑料模具型腔材料，其快速经济的制模 特点，正适合市场对品种多、批量小、价格低、生产周期短的塑件的需求， 可用于注射模、吹塑模、吸塑模、发泡模、压缩模等。锌基合金的导热 性好，铸造性能优异，能够复映模型上各种细微部分，如装饰纹、加强筋的 深槽和齿形等，易于获得光洁型腔和复杂型腔。锌基合金可采用多种方法 制模，精密铸造、温挤压和切削加工均可成型；精密铸造可采用砂型、石膏 型、陶瓷型、石墨型、金属型等多种铸型。锌基合金的熔点在38 0 和5 0 0 之间，可以很方便地将预制形状的冷却水道埋铸于模具中，不需要另外 加工冷却水道，而且这种埋铸工艺还可以根据塑件的形状，借助注射过程 仿真等分析手段，优化设计冷却水道在模具中的空间走向，尽量精确地使 塑件各部位冷却均匀，从而达到改善塑件质量和缩短生产周期的目的。显 然，采用机械加工锌基合金坯料的工艺很难实现冷却水道的任意空间布置， 根据锌基合金熔点低和铸造性能好的特点，埋铸预制冷却水道是实现任意 布置水道的最切实可行的工艺。 2 1 1 模型制造 用来制作模型的材料有木材、塑料、石膏或者金属等等，具体采用何 8 硕七学位论文 种材料要根据铸造工艺和可用设备决定。模型既可以用机械加工的方法 制造，又可以采用热成型，如挤压、焊接或快速成型等方法获得。快速成型 工艺能够通过c a d 模型直接制造出实体模型，在经过后期处理后可以直 接用于快速模具制造。采用s l a 快速成型工艺制造模型，该快速成型工艺 采用紫外激光分层照射光敏树脂叠加成型，具有原型精度高、成型速度快、 成型零件复杂的特点。 2 1 2 铸型制作 s l a 原型制作完成后必须转制成硅橡胶模才能用于铸型制作。首 先，s l a 原型是凸模，要获得具有原型形状的模具，铸型也必须是凸模的形 状，因此需要将s l a 原型转制成凹模来制造铸型；其次，如果直接用s l a 原 型制作铸型，除非将原型破坏，否则起模将会非常困难。由于硅橡胶具有一 定的弹性，因此无论对于s l a 原型还是铸型来说，起模都将很容易，而且由 于硅橡胶模的复制性能非常好，对原型形状和精度的损失非常小，是理想 的中间过渡模。通过硅橡胶模可以很容易地获得铸型，铸型可以是砂型、 石膏型、陶瓷型等。砂型制造精度较低，适合制造大型模具铸型；陶瓷型强 度最好，也可保证较高的精度和表面粗糙度，但是工艺复杂；石膏型虽然强 度较低，但是工艺简单，复制精度高，零件较小，故采用石膏型铸造锌基合金 模具镶块非常合适。将硅橡胶模固定在模板上，并在周围放置模框。将石 膏、耐火粉料和水充分混合制成的石膏浆料注入模框内，待石膏凝固硬化 后，取掉模框和模板，将硅橡胶模从石膏型中取出，就得到了具有模具型腔 镶块形状的石膏型。 2 1 3 冷却水道的制作和放置 冷却水道采用紫铜管制造，具有管壁光洁、耐腐蚀、韧性好、弯曲不 易破裂等特点。弯制冷却水道采用常规工具手工弯制，为尽量保证弯制后 水道各截面尺寸不变，弯制前，紫铜管内要填砂并在两端封严，然后再按照 优化设计的冷却水道几何形状进行弯制。水道完成后必须进行水压试验， 以避免铸造时锌基合金从破损处流入水道。在新制好的石膏型中放置冷 却水道支撑，支撑不能影响模具型腔的工作部分。仔细测量冷却水道各处 与铸型的距离，保证冷却水道的设计位置，并在石膏型侧壁与冷却水道进 出口对应的位置挖出比水道稍大的孔( 见图2 1 ) 。为了避免浇注时合金液 沿进出口进入冷却水道，须将水道的进出口封堵，现采用石棉绳作为封堵 材料，既可以防止合金液进入冷却水道，又可使浇注时水道中受热膨胀的 气体排出。将冷却水管从预留的水道进出口插入侧壁的孔中，并将水道按 照设计位置固定于支撑上，然后将侧壁的孔修补好。 9 垦皇堡堑型至墼垂! ! 塑墼鎏篓堡墼尘查篓堡些耋兰 圉2 l 埋铸工艺示意图 f 1 9 2 】b u r le dc a s gp 。o ces sd 1 8 9 r a m 2 2m p i 软件对塑件的冷却模拟 m p i 是m o l d f l o w 系列软件中的一种，能够模拟热塑悻塑料门塑成 型过程中的充填、保压以及冷却阶段，还能预测出制品成型后的缺陷， 如制品翘曲变形等。采用m p i ，c o o l 通过分析塑料注射模具的冷却系统 对塑件制品温度场的影响，优化冷却系统的布局，可达到使塑料制品快 速、均衡冷却的目的。在m p i 环境下，对杯状零件进行冷却模拟，得到 随形冷却水道与传统冷却水道的塑件冷却时间和塑件的温度场等。塑件 足外直径为i0 0 m m 、高度为15 0 m m 、壁厚为3m m 的杯状零件。 2 21 冷却模拟前处理 在p f o e 中建立实体模型( 图1 1 ，将其导入m p l 中。 图22 塑件图 f 1 9 22p jc t u f1 “jcc t l o nm o u l d e dp 8 r t 网格划分和修改是m p l 分析前处理中最为重耍，同时也是最为复杂、 烦琐的环竹，需要耐心仔细地进行处理，这与其他内容的有限元分析是 致的。并且，网格划分的是否合理，将直接影响到产品的最终分析结 某。 颦件的最小厚度为3m m ，m p i 给出的g 1 0 b a le d g el e n g t h 为16 m m - 并且由于导入的模型为s t l 格式文件，网此l g e s 合并容差i u 以忽略。 网格自动划分完成，网格类型为f u s ，网格单元个数为7 l0 2 在m p i 中系统自动生成的网格随塑件形状的复杂程度存在或多或 少的缺陷，网格的缺陷不仅可能对计算结果的正确性和准确性产牛影响， 而且在些网格缺陷比较严重的情况下，会导致计算的无法进行。所以， 就需要对网格缺陷进行修改。在网格修改之前，首先需要肘网格状态进 行统训，根据统计的结果对现有网格缺陷进行修改，通过统计，发现网 格在交叉、纵横比以及零面积单元等方面存在问题利用网格处理丁具修 补交叉、重叠单元，降低模型网格中的最大纵横比，使之不超过极限值6 。 处理后上下表面网格的单元匹配率到达9 7 。在m p i 中，表面网格匹配 率到达85 以r 后其数值解收敛，结果真实。 嘲格划分及缺陷修改完后选择c y c 0 1 a cg p m 55 0 0 ，进行最佳浇口位 置的分析，得晟佳浇口位置在杯底中心处。选择c o o i + f l o w + w a r p ( 冷却+ 流动+ 翘曲1 分析类型，利用系统的直线、曲线创建功能，茸先勾画出浇 注系统、冷却系统的中心线，再对中心线进行杆单元的网格划分，来创 建浇注系统和冷却系统。最后为工艺参数的设置，包括了整个注塑间期 内自关模具、注塑机等所有柏关设备及其冷却、保压、丌合模等下艺的 参数。过程参数的设定将直接影响到产品注塑成型的分析结果，一般根 据实际的丁艺参数设定。 22 3 冷却模拟及其结果分析 随形冷却管道的设置是按照塑件的形状，管道。山到塑件表皿的距离 相等为原则建立的，这样就尽量可使塑件各部分同时均匀冷却。图22 墼垦垒堑! ! 至墼垩些坠墼耋矍堡些! ! 查尘兰些量耋 中，左侧为传统冷却水道，是儿处并行管道，其连接处为软管右侧为 随形冷却水道，按照塑件形状及其高热量的位置设计水道。 图23 冷却系统 f 1 9 23c o o “go m “ 图23 中管道道都为串行，因为采用串行管道可以获得均匀的流动速 率和冷却效果。但是，由于串行管道具有较长的长度，损耗的压力也较 大。并行管道能在较低的压力下进行冷却，但管道的流速不均匀，冷印 效果不理想，还容易产啦污垢阻流。相对于本文的迥件，由十是一小型 且简单的零件，因此其压力不大，从而采用串行管道。但是对于大型或 者复杂的零件来说，需要采h j 并行管道。 图24 冻结时间 ：_ 兰i b f 1 9 24fr cc 2 i n gi 本文对时、温度等结果进行利比分析，从图24r r 】可以看出，传统 冷却的时间为i955s ，随形冷却的时间为160 4s ，塑件的成型周期减少 了35 s 。图25 是颦件的甲均温度，传统冷却的塑件温度是5 0 ，而随 形冷却的塑件温度要相对低一些，而且温度范围较小。冈此随形管道比 传统管道的冷却时问要少，这就提高了生产效率，而且冷却更加均匀。 图26 是塑件变形，冷却因素使塑件，“生变形量的相对大小。相比较随 形冷却减少了塑件的变彤量，提高了塑件的台格率。 移t 删 图25 平均温度 f 1 9 25a v cr 8 9 6t e “per a t u r e “”一 l 0 * 咆：墨笔，翼臻。 一 l ，；： 本节通过实例设计了随形冷却水道并且与传统冷却水道进行比较分 析。传统冷却水道由于自身的限制管壁到塑件表面的距离大小不等， 这造成了塑件各处的冷却不均匀。随形冷却水道则是依照塑件形状进行 设计，尽量保证管壁到塑件表面的距离相等使塑件各处能同时冷却到脱 模温度，因此随形冷却水道可以缩短成型周期，提高产品质量，节约生 产成本。 23 结语 本章阐述了随形冷却水道的制造工艺，确定埋铸工艺与快速成型相结 合。利用埋铸预制铜管制造模具，用快速成型技术制造型心，并且使用 m p i 软件对杯形件进行冷却模拟，但由于软件对本课题的工艺无法完全 模拟，模拟结果与实际有不同，因此设计合适于本课题的冷却系统的数 值模拟。其不同在于：】在m p i 中，冷却水道的设置无法加入铜管，2m p i 的冷却模拟结果只有塑件的温度场而没有模具的温度场。 面向埋铸铜管随形同路的注塑模调温水道优化设计 第3 章冷却系统设计 在注射成形中，模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率。由于 各种塑料的性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不同。一般 注射到模具内的塑料熔体的温度为2 0 0 左右，熔体固化成为制品后，从 6 0 左右的模具中脱模，温度的降低是依靠在模具内通入冷却水，将热 量带走。 3 1 冷却系统的设计原则 为提高冷却效率和争取型腔表面温度的均匀与稳定，在系统的综合 设计中应遵守生产中的约定准则【2 6 1 。 ( 1 ) 要优先考虑冷却管道的位置，而后综合处理脱模机构零件布置和 镶块结构。并首先保证型芯的冷却。通常对凹模和型芯采用两条回路。 减小型芯壁和型腔壁之间的温差是很重要的，特别是大型模具。使用模 温调节装置，可有效保证模温控制质量。在通常注射成型生产中，模温 波动不超过2 5 ，精密注射时模温误差在士1 之内，并采用缓冷方法， 保证制品尺寸精度和质量。 ( 2 ) 要保证实现管道冷却水湍流状态的流速和流量，还要保证足够的 水压。冷却管道总长在15 m 以下；弯头数目不要超过15 个。出水温度与入 水温度相差越大，模具内温度越不均匀。精密注射的模具，此二者温度 差限制在2 之内。一般模具也应在5 左右。管道作串连布置，特别是 从模具外用管接头和水管连接，加工维修方便，但由于流程长使冷却水 的压力降和进出口温差大。多路并联冷却，冷却效果好，但需要控制好 各路的流量和水温的一致性。 ( 3 ) 管道直径经湍流计算确定，一般取d = 8 2 5 m m ，管道过细，加工和 清理困难。水垢和铁锈会使冷却效率变坏一个数量级因此需定期清理， 或用软水，也可对孑l 壁作磷化处理。较大管道孔径和根数能增加有效冷 却面积。只要不妨碍模具总体结构，愈大愈多为好。水管接头孔径应与 管道孔径一致。进水和出水接头尽可能在模具一侧，并置于不妨碍注塑 操作的方向。 ( 4 ) 冷却管道布置应以均匀为前提。孔壁与型腔壁通常的间距 h = ( 1 5 3 ) d ，孔壁之间的间距b = ( 2 5 4 ) d 。均匀布置后，按需要作局部调整。 过大间距会使模温不均匀；过小的间距孔壁承受型腔高压后，由于弯曲应 1 4 硕士学位论文 力和剪切应力及其综合变形作用，在孔的中央部位会产生型腔壁的压塌 现象。 ( 5 ) 注塑模的浇注系统，如主流道的末端等处需要加强冷却，可利用 较冷的进水。塑料制品局部的厚壁及转角处，需减小间距h 和b 。在塑料 熔流末端，特别是熔合缝的汇合处，冷却孔道应远离。 ( 6 ) 从冷却效果来选取模具材料。常用模具钢的导热系数均较低。含 碳量和含铬量越高的钢种导热性能愈差。不锈钢相比之下可视为绝热材 料。普通钢传热性差，且热稳定性不好，还导致了型腔表面硬度下降。 铍铜合金导热性和热稳定性好，且可获得较高硬度。如我国铍铜合金 q b e 2 ( 铍1 9 2 2 ，镍0 2 o 5 ，其余为铜) ，经固熔时效处理后，硬度 可达h r c 4 9 。导热系数为4 30 k j m h 。碳素钢为( c 0 5 ) 19 0 8k j m h 。 3 2 冷却系统的工艺计算 传热学的基本原理与计算公式应用到注塑模的冷却系统的计算，需了 解塑料材料和金属材料的热性能需结合注塑工艺和模具结构，经过一些 具体且可行的方法，才能获得工程应用所允许的近似结果。应用计算机 和冷却系统软件作模具冷却的模拟，可获得较为精确的计算结果27 1 。传 统的计算方法包括注塑冷却时间的计算，冷却管道的简略计算和详细计 算。 3 2 1 冷却时间的计算 注塑过程中塑件熔体冷却时间，通常是指塑料熔体从充满模具型腔 起，到可以开模取出塑件为止的时间。可以开模取出塑件的时间，常以 塑件己充分凝固，具有一定强度和刚度，在开模推出时不致变形开裂为 准。目前主要有三种衡量制品已充分固化的准则： ( 1 ) 对于无定形塑料，制品最大壁厚中心部分的温度己冷却到该种塑 料的热变形温度以下： ( 2 ) 对于无定形塑料，制品截面内的平均温度已达到所规定的制品的 出模温度： ( 3 ) 对于结晶形塑料，最大壁厚的中心层温度达到固熔点，或者结晶 度达到某一个百分比。 目前，借助于简化公式或者经验公式对冷却时间作计算。对于上述 的第一条和第二条准则，可假定制品的温度只沿着模壁的方向传递，即 简