异形件塑料注射模的冷却水道设计.doc

异形件塑料注射模的冷却水道设计【摘要】异形件注射模冷却水道的设计细节有关的变量和参数早已被研究过。矢量和简单的数学计算方法常被用于解决由不同模具产品几何构型所引起的冷却水道布置问题。此外，基本的几何特性表面标志和数据库已经被建立了。下一步，由规则塑料模具制造的模具形状可以通过基本结合特称表面组成和呈现出来。同时也引进量面积变换的概念来简化模具的选择和对由于冷却造成的模具问微小的形变的调整。第一阶段冷却时间的优化以能量平衡为基础。运用一个简明的公式来确定最佳的冷却时间和所要求得最重要的几何限制因素，这个公式以实验为依据总结形成用来限制几何设计。最佳流道设计是为了得到槽板的快速均匀冷却。本为提出的方法对于通过转变到一个等面积的规则面积来处理非矩形塑料平面产品是可行的。这种方法简化了由热源分不均引起的工件流道设计问题并且还减少了试验的次数。此外，这种方法与传统的几种方法相比能够更快地完成优化，节省了冷却流道的设计时间并且可以得到快速和均匀的冷却制成品。 【引言】 理想冷却系统的设计和冷却过程的操作环境是注塑处理过程十分地重要影响条件，因为它们都影响模具产品的质量和注塑过程的生产效率。高效率的冷却系统设计可以减少所需的冷却时间。均与冷却可以减小模具遇冷收缩产生的缺陷、热残留应力和翘曲。因此理想冷却系统的设计必须要到达到尽可能短的冷却时间同时也要达到均匀冷却。在注射塑制的过程中有许多与冷却相关的参数。影响模具均匀冷却的最重要因素是冷却流道的设计。设计优良的冷却流道坡道配置加上合适的操作环境达到快速均匀冷却的目的以缩短程序循环同时也可以提高模具制品的质量。 直到20世纪80年代初期，冷却系统和模具腔的热相互作用才开始被研究。在这一时期大多数的模拟是进行一维或二维平均稳定态分析和圆周稳定态分析（如Austin1985）。使用的方法包括有限差分方法和有限元件方法和cycle-averged 界限元素方法（Singh 1987,Singh 和 Wang 1982,Barone 和Caulk 1981,1982)。大致的分析不走在1985年发表的研究中已经采用了所谓的two-stage 或者three-stage分析（Kwon，shen，Wang 1986）。最初的分析主要是用形状参数方法评估冷却系统的效率（Kwon shen，Wang1986；Chen， Hu. Davidoff 1990）。这一时期的分析结果已经主要以冷却系统的形状和冷却流道的尺寸的操作环境为参考依据。分析方法都是一维或者二维稳定态或这是稳定态（Kwon,Shen,Wang 1986; Chen, Hu , Davidff 1990 ; Himasekhar ,Wang,Lottey 1989 ; Himasekhar , Hiber , Wang 1989 ; Chen he Hu1991)。许多模拟分析软件包在1990年开始被运用（Himasekar 1989; Himasekhar 和Wang 1990 )，包含MCAP , MOLDCOOL , MILDTEMP. -POLYCOOL2，和C-COOL3D.这些分析方法包括有限差分方法、有限元件方法和交接元件方法（Turng 和Wang1990；Himasekhar, Lottey, Wang 1992)。有时将有限元件方法和shape factor method结合使用。这些分析过程都是随着不断地完善减少了存储空间和CPU使用时间，并且尝试得出与实际条件相匹配的分析结果（Himasekhar,Lottey,Wang1992)。本文结合了能量平衡和实验运算方法来构建体系模具。同时使用矢量和简单数学计算来处理复杂的体系并且拜托了复杂的数字计算和分析。 依照惯例，模具制造依靠反复试验得到的经验和直觉。因此，经常造成性能和经济上的负担。现在，由于计算机的迅速发展，模具可以通过理论和数字方法设计，同时模具的结果可以直接地通过模具软件包模拟和预测，这样提高了生产效率和产品的质量。在数字方法中，有限元件方法与有限差分方法相比较有更高的稳定性和收敛性。但是它的原理更复杂并且需要更多的计算储存空间。尽管软件包可以迅速解决模具设计问题，但是它不能有效地帮助工程师简化体系的复杂性和模糊性。同时用于模拟的软件包实际上只能解决设计中遇问题到的60%-70%。反复试验和改正是不可避免的，在设计中工程师缺乏经验仍然是一个影响因素。 用规则塑料为研究主题，研究主题简化了在模具中由冷却水道中多样的和有影响力的参数帮助设计师迅速完成获得最优冷却时间和冷却通道部署有关的细节问题。这个概念被用在简化冷却水道的部署研究结合了能量平衡，形状和经验值来构建平衡关系作为设计冷却水道部署的参考模型。图1冷却时间和制模周期的关系【注射模冷却系统理论】一副模具冷却系统通常包括一个温度控制单位，泵，冷却供给管，软管，冷却水道和集合管道。在模具配置当中控制温度系统影响模具温度和稳定度分配，控制温度系统的冷却效率增加就增加了它的产品效率。【注射模的冷却】在注射模中，模具冷却时间常常占据整个循环时间的70%-80%图一展示了模具冷却时间和造模周期的关系（1999周）一个有效率的冷却水道设计不仅减少了冷却时间而且有效地增加了生产率还减少了成本。此外，均匀的冷却避免了制件的一些缺陷如收缩，翘曲，热应力的变形，这增加了模具的精确度和可靠性提高了产品质量。图二展示了有效的冷却和单个模具产品与大量产品的关（1999周）。一般来说，一副模具由三部分组成冷却水道，模具主题，塑料性物质，图三说明了一个简单的冷却机械装置，这个是冷却水在没有没有热的能量的假设下通过产品边缘的假设图2冷却效率，产品性质和生产量之间的关系图2模具冷却水道图四展示了模具热传导率大体的情况，他假设热能完全被冷却剂取走，热能首先通过这一界面，然后在模具和冷却液之间进行传导，然后热量被转移到冷却剂，最后热量带出模具。图4普通模具的热传导率 【冷却水道的简洁计算】 模具注射过程的每个级包含有冷却程序，因此冷却时间通常如下，塑料融化开始到它注入型腔，充填的时间，冷却到整个模具一直到产品被推出型腔的时间，推出型腔被视为冷却结束时间如图一所示的冷却时间占据造模的70%-80%时间，因此缩短冷却时间能大大缩短造模时间，缩短冷却时间是最接而且是最重要的因素对于模具产品来说，在这段中，最理想的冷却时间被当做基本时间在模具冷却系统设计中。图5影响冷却时间的因素【冷却时间的计算】 塑料的冷却时间正被Ballman and Shusman (1959).研究，在这之上更高的研究已经被公布(Kening and Kamal 1970).在这份研究中一分简洁的冷却时间计算被计算出，模具中的冷却和塑料的凝固被用一个3D热传导率方程表示如下C, = C,(T): 塑料的容量k: 塑料的热传导率p: 塑料的密度X, X, 和X3：厚度方向的热传导系数这里塑料的结晶率和潜在热不被考虑此外，在大多数情况下，冷却主要沿厚度方向发生，在注射过程中，热能会随着冷却流道而移动，因此在短周内充填时间的冷却被忽略，因此，常假设塑料在一样的温度冷却下来，有如下方程 扩散率图6形成产品的边界条件图7冷却水道边界条件在图六显示出来（chang1985）,冷却时间关系（3）和（4）通过傅里叶发展公式得出（chang1985）1 在厚度方向均匀冷却到T的时间为2 如果拿厚度方向的中心点作为基数的话那么他的冷却时间为tc: 冷却时间 （秒）Tm :塑料的温度（摄氏度）Tw 模具壁的温度（摄氏度） Te 形成产品的温度（摄氏度）H 产品的均匀厚度（毫米）3 整形因素 长度和大小在图七中显示(Rohsenow and Hartnett 1973).d 冷却直径D 冷却中心和塑料中心的距离P 二个冷却管之间的距离能量平衡原理 在这段中冷却时间来自于能量平衡原理，被用作冷却过程的数学理论，冷却时间和产品厚度方向的平均温度当做基数，温度在模具中不同零件的热能如图四所示，由于热转移不断接近Q1 塑料到空腔之间的平衡热能Q2 空腔到冷却水道表面的热量Q3 热能被引出冷却水道的能量Q4 被冷却剂取走的能量Tw 模腔的平均温度Tm 塑料融化的起始温度Te 产品温度Tin 冷却剂进口的温度Tout 冷却剂出口的温度Te 冷却管壁的平均温度Tf 冷却液的平均温度W 塑料重量、q 冷却剂的流量p 冷却液密度L 冷却水道长度d 冷却水道直径Sf 传导因数ReferencesAustin, C. 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He later received hisPhD in manufacturing group from the School of IndustrialEngineering, Purdue University, West Lafayette, IN, in 1984. In 1977,he joined Chung-Shan Institute of Science an