注塑模的新型冷却道设计概要

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET. HYPERLINK 本科毕业设设计（论论文）外文参考文文献译文文及原文文学 院 机电工工程学院院 专 业 机械设设计制造造及其自自动化 年级班别 学 号 学生姓名 * 指导老师 * 2010年年6月注塑模的新新型冷却却道设计计A B MM Saiifulllahh, S.HH. Massoodd andd Igoor Sbaarskki摘要注塑模是大大规模生生产中最最通用和和最重要要的手段段之一。在在这个过过程中，因因为冷却却系统几几乎决定定了注塑塑周期而

2、而使得其其变得尤尤加重要要。好的的冷却系系统设计计可以降降低周期期而获得得稳定的的零件尺尺寸。本本文讲述述一种专专门为注注射成型型模具设设计的新新型方形形截面冷冷却道，以以某工业业零件为为例，利利用molldfllow模拟分分析软件件，对该该新型冷冷却道系系统与普普通冷却却道进行行各种模模拟与实实验，并并进行对对比分析析。利用用微型注注塑机对对塑件试试样进行行多种实实验，对对比结果果将以温温度对模模具表面面、冷却却时间或或者塑件件冻结时时间的影影响描述述出来，最最终以达达到降低低塑件周周期。关键词：共共形冷却却道，molldfllow周期，方方形简介生产塑件中中，注射射模是一一种广为为利用的的

3、制造工工艺1。注射射模的基基本原则则是固体体聚合物物在熔融融状态下下注射进进模腔内内，经过过冷却，然然后在模模中被顶顶出。因因此注射射模工艺艺过程涉涉及到填填充阶段段，冷却却阶段和和顶出阶阶段。因因此注射射模的工工艺过程程主要就就是决定定于成型型周期，而而冷却时时间又是是最重要要的一个个步骤。成成型的冷冷却时间间决定了了生产塑塑件的速速度。一一直以来来，现代代工业中中，时间间与成本本有着很很大的关关连，生生产时间间越长成成本越高高。降低低零件冷冷却时间间将会大大大提高高生产速速率和降降低成本本。因此此在典型型的成型型过程中中，了解解并优化化热传导导是非常常重要的的。注塑塑件和模模具之间间的热交

4、交换对注注射成型型的经济济行为起起着决定定性的因因素。必须达到稳稳定状态态下（即即可以脱脱模时）才才能将塑塑件热量量释放。需需要达到到这个状状态的时时间叫做做零件冷冷却时间间或者冻冻结时间间。正确确的冷却却系统设设计必须须使得聚聚合塑料料件与模模具之间间有最佳佳的热传传导。在在传统的的模具中中，通过过在模心心和模腔腔里创建建直孔，然然后通以以冷却液液并导走走聚合塑塑料件多多余的热热量，可可以实现现降低冷冷却时间间。这种种加工孔孔的方法法依赖于于普通加加工工艺艺，例如如钻孔，却却不能生生产复杂杂的轮廓廓状通道道或者立立体空间间里的隐隐藏部位位。另一种适合合模腔和和模心形形状的方方法可以以为注塑塑

5、模工艺艺提供一一种更好好的热传传导方案案，因此此可以优优化周期期。这种种办法利利用不同同平面的的交错轮轮廓通道道，与模模具表面面尽可能能贴近，以以增加对对熔融聚聚合物热热量的吸吸收，这这种方法法保证了了塑件冷冷却的一一致性和和效率。目目前，随随着快速速成型的的利用，例例如直接接金属沉沉积（DMD），直直接金属属激光烧烧结（DMLLS）和许许多先进进的计算算机辅助助工程（CAE）软件件，更多多高效的的冷却道道可以通通过复杂杂布局与与交错截截面的设设计和制制造获得得。本文讲述一一种为注注射模而而设计的的方形截截面的冷冷却道（SSCCCC），以某某工业塑塑件的圆圆盘形作作为试样样进行模模拟试验验，并

6、通通过MPI软件将将之与普普通直冷冷却道（CSCC）进行行对比。对对比得出出的实验验结论也也是通过过SSCCCC和与CSCCC对圆盘盘的注塑塑试样的的影响进进行对比比而得出出。结果果显示SSCCCC相对于CSCCC，有着着更加好好的冷却却和温度度分布效效果。塑件设计与与模具设设计塑件设计圆盘塑料件件有PP聚合物物组成，如如图1（a），由Proo-Ennginneerr设计，后后以IGEES格式导导出文件件并将之之导入MPI进行分分析。塑塑件体积积是1777.9ccm3，质量量为1622.3gg。试样样同样也也是由Pro-Enggineeer设计，如如图1（b），实实验结果果通过两两种材料料PP

7、和ABS进行过过处理，试试样体积积是8.88 cmm3，ABS和PP的质量量分别为为8.668g、8.113g。 图1(a) 圆盘塑塑件的CAD模型 图1(bb) 试件CAD模型模具设计模具设计已已经通过过Proo-Ennginneerr的模具具设计模模块完成成并通过过数控机机床加工工制造。模模具分为为两部分分，模心心与模腔腔，如图图2。SSCCCC通过CNC加工，一一部分在在腔板上上，另一一部分在在心板上上，板与与板之间间通过螺螺钉连接接，为了了避免水水泄漏，使使用液体体垫圈（佩马特克斯）。图2 两块块腔板与与心板的的CAD装配图图分析和分析析结果使用MPII模拟软软件对塑塑件进行行分析5。

8、分析析顺序是是流动冷却翘曲分分析。使使用PP聚合物物作为分分析对象象，对CSCCC和SSCCCC进行比比较分析析。CSCCC的直径径是12mmm，SSCCCC的长度度是12mmm，如图3。全局局网格划划分的平平均长度度是0.9995ccm，CSCCC个SSCCCC的网格格单元数数目分别别为129944和122291. 图3（a）CSCCC的MPI分析 图3（b）SSCCCC的MPI分析冷却介质温温度都是是25C。雷诺诺数为10000，熔融融温度为为2300C，比较较结果如如图4，图中中表明了了SSCCCC相对于CSCCC，有更更好的温温度分布布和更少少的冷却却时间。对CSCC而言，除了顶部位置

9、外，大部分都在24S冷却，然而SSCCC需要的时间是少于20S。同时，CSCC的冷却时间在0.4693.7S之间，SSCCC则在0.387.15S之间。因此，使用SSCCC方案，可以降低5S的冷却时间即35%的冷却时间。实验结论和和结果实验结论通通过使用用圆形塑塑件试样样获得，制制造试样样的模具具如图5。塑件件直径为40mmm，厚7mm。模具具大小为为10102.55cm33。模具具材料是是低碳钢钢。实验验通过微微型注射射机（TECCHSOOFT微型注射射机）完完成，如如图6，TC008 KK型的PCIIO技术用用来测量量试件顶顶部和底底部表面面的温度度。ABS和PPP材料的的熔融温温度达到到

10、2500C，冷却却介质是是普通水水，室温温是25C，因此此水是冷冷却水，CSCCC和SSCCCC的直径径是5mm。使用用两个温温度计，试试件每一一刻的表表面温度度都被测测量到。图7和图8的温度分布比较表明了，试件顶部与底部的降温需要30S。 图5（a）SSCCCC的低碳碳钢模心心和模腔腔 图5（b）CSCC的低碳碳钢模图6注射模模的实验验设备图7 AABS温度比比较点图8 PPP温度比比较点从图7可以以知道，对对于ABS，使用SSCCCC方案时时，试件件的顶部部和底部部表面温温度比CSCCC更早达达到冷却却温度。对对于SSCCCC，在注注射后，最最大的顶顶部和底底部温度度记录是是53.36C

11、、52.1C。30S后，温温度下降降到42.47C、43.07C。然而而对于CSCCC，它的的温度是是53.24、52.01 和 47.47、47.2C。因此此使用SSCCCC可以达达到45C的下降降。同样样结果也也在PP试件中中获得，从从图8可以看看出，使使用SSCCCC后，温温度可以以下降23C。在实验过程程中，使使用了60个同样样的试件件，数据据的结果果几乎一一致，图图9所示为ABS何PP的样本本。图9 实验验用的样样品试件件（左为为ABS，右为PP）结论冷却过程是是注射模模的中最最重要的的一个过过程，因因为它常常常占了了周期的的一半，同同时也直直接影响响着塑件件产品的的收缩，弯弯曲和翘

12、翘曲，因因此设计计好冷却却道是非非常重要要的，因因为它影影响着生生产效率率和产品品质量。MPI模拟结结果和实实验结果果证明了了使用方方形截面面冷却道道有效降降低了35%的冷却却时间，注注射周期期缩短了了20%。因此此大大的的改善了了注塑件件的生产产效率和和产品质质量。致谢在此我感谢谢Merrediith女女士，菲菲尔沃森森工程及及工业科科技以及及斯威本本科技大大学的数控加加工与模模具制造造技术学学院对我我这次的的支持。参考文献D.V. Rossatoo, DD.V. Roosatto andd M.G. Rossatoo, IInjeectiion Mouuldiing Hanndboook3

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15、aliity impprovvemeent usiing novvel cooolinng cchannnells iin pplassticc injjecttionn mooulddingg. AANTECCNPPE20009,USAA.微注射成型型：零件件脱模的的表面处处理效果果C.A. Griiffiithss1, S. S. Dimmov11,E.B. Brooussseauu1, C. Choouquuet22, JJ. GGaviilleet2, S. Biigott11Manuufaccturringg Ennginneerringg Ceentrre, Carrdifff U

16、Univverssityy, CCarddifff CFF24 3AAA, UUK2Frennch Atoomicc Ennerggy CCommmisssionn (CCEA), LLaboorattoryy off Innnovvatiion forr Neew EEnerrgy Tecchnoologgiess annd NNanoomatteriialss (LLITEEN), 3880544 Grrenooblee, FFrannce摘要微注射成型型作为一一种仿制制成型方方法，是是微型制制造的关关键技术术之一，对对过程的的理解约约束着已已选定的的生产路路线，这这一点在在设计阶阶段和大

17、大规模生生产中非非常必要要的。在在这项研研究中一一种模具具表面处处理被用用作研究究那些拥拥有微观观特征的的零件的的脱模效效果，特特别是一一种表层层涂有类类金刚石石碳（DLC）的模模具将会会与没有有涂有DLC的同种种模具进进行对比比。通过过一连串串的实验验测试出出四个工工艺参数数的影响响融化和和模具温温度，冷冷却和弹弹出时间间，这些些工艺参参数将会会用来评评价脱模模过程，利利用两种种高分子子材料PP和ABS，重点关关注脱模模力，最最终引出出DLC表面处处理的影影响和各各种因素素的影响响的结论论。关键词：微微注塑模模，表面处处理，脱模，微微流体介绍微流控技术术在许多多领域都都广为运运用，例例如生物

18、物技术、流流式细胞胞仪、医医疗诊断断和微化化学。这这种微仪仪器设备备的成功功发展高高度依赖赖于能够够经济又又可靠地地生产大大规模微微型组件件的制造造系统。在在这个前前提下，聚聚合物的的微注射射成型技技术是微微型制造造的关键键技术之之一。为为了获得得经济可可靠的微微流控技技术的产产品零件件，了解解影响微微型注射射成型的的因素并并形成系系统性的的研究是是很重要要的。在在成型周周期的凝凝固阶段段，聚合合物熔体体在模腔腔壁上收收缩并成成型。在在这个发发展阶段段，零件件的内部部应力必必须被克克服，以以避免随随后造成成的局部部偏移。在在打碎聚聚合物和和模腔之之间的粘粘料时，为为了避免免翘曲变变形，抑抑止局

19、部部偏移的的最大等等效应力力不应超超过材料料的拉伸伸屈服应应力1。因此此，影响响脱模过过程的因因素必须须加以研研究，避避免因为为塑件变变形而造造成破坏坏零件特特征和引引入更多多的内部部应力。本本文将讲讲述那些些拥有微微观特征征的零件件，在不不同的表表面处理理下表现现出来的的效果。本本文由如如下的几几部分组组成，下下一章将将研究影影响排出出的重要要因素，尤尤其零件件成型动动力和表表面处理理方式。然然后，把把那些检检测脱模模的腔涂涂料影响响所用到到的实验验装置和和测试工工具用实实验结果果描绘出出来。最最后列出出实验结结果，并并分析微微注射成成型的表表面处理理和脱模模力之间间的关系系。脱模因素拔模力

20、聚合物注射射成型过过程中，对对零件和和模具之之间粘附附力的预预测是一一项很复复杂的任任务，由由于它依依赖于产产品的几几何与工工艺参数数，如过过程中的的温度、压压力调控控。脱模模力（释释放力）被被定义为为模具与与聚合物物界面之之间的总总摩擦力力。以往往对注射射成型和和脱模的的研究，实实例表明明摩擦因因素是非非常难解解释的。同同时它表表明注射射压力对对脱模力力的影响响并不显显著，在在过程中中，它的的摩擦系系数与公公布出来来的摩擦擦系数大大相径庭庭。鉴于于顶针的的数量对对拔模力力的影响响，具体体而言，成成型零件件的压力力分布与与顶针的的数量成成反比。在在另一项项研究中中，脱模模力的大大小随着着模具的

21、的表面粗粗糙度的的增加而而增加。保保压压力力和腔体体的表面面温度对对脱模力力的影响响很大。综合了大的的表面容容积比和和大侧面面比的微微观特征征，目前前微注射射成型面面临的挑挑战是：降低拔拔模力和和模具的的磨损，以以保证出出品最佳佳的机械械的性能能、结构构稳定性性，并增增加模具具的使用用寿命。模具涂层运用表面处处理可以以用来改改善模具具表面的的耐磨性性。同时时，可以以通过传传统的方方法去降降低表面面的磨损损低，如如加热处处理和氮氮化处理理。过往往研究表表明物理理汽相淀淀积技术术和化学学汽相淀淀积技术术不但使使模具耐耐磨性显显著提升升，而且且注塑件件的质量量也因为为拔模力力的降低低而得到到了改善善

22、。模具的涂层层在使用用类金刚刚石碳的的脉冲激激光淀积积技术对对模具进进行表面面处理后后，它的的表面硬硬度提高高到了70GGPa。优化化沉积可可以使类类金刚石石碳表面面精度达达到m级（0.0050.2），足足足比陶陶瓷涂层层低了一一个数量量级。除除此之外外，模具具涂层还还可以阻阻止不良良聚合物物和模具具的相互互作用。为为医疗产产品生产产微型模模具存在在着释放放金属离离子的危危险。例例如镍是是一种常常见的接接触过敏敏原，同同时它也也是用于于制造微微型模具具的材料料，通过过涂抹腔腔体，模模具与聚聚合物之之间的隔隔膜就形形成了。而而且，由由于类金金刚石碳碳涂层的的非晶体体特性，它它可以引引入可调调抗菌

23、成成分，从从而达到到对抗污污染。基基于过往往的研究究，可以以清楚地地知道表表面处理理可以降降低拔模模力和模模具的磨磨损。这这项研究究探讨了了模具涂涂层在微微注射成成型的脱脱模部位位的效果果。实验设备实验材料选用两种常常用的注注塑成型型材料来来进行计计划的实实验ABS和PC，执行行微注射射成型的的机器是是巴顿菲菲尔50微型系系统。零件设计和和模具制制造在这项研究究中，该该设计零零件尺寸寸是15mmm20mmm1mm微射流流平台(图1)，该设设计所包包含的特特征都是是在微射射流平台台中常见见的，如如冷料穴穴和流道道。引脚脚直径是是500m，高度600m，交叉叉位置的的主流道道尺寸是是2000200

24、m，两个个相同的的模具都都用黄铜铜制造。他他们通过过微加工工制作出出来。动动模与定定模被装装配到主主模上，然然后检查查其并行行性和配配合的紧紧闭性。图1 微射射流平台台和顶出出位置类金刚石碳碳表面处处理类金刚石薄薄膜是在在一个低低频等离离子体化化学气相相沉积反反应器内内形成。沉沉积前，首首先将基基板置于于超声波波清洗机机中，并并用丙酮酮和乙醇醇清洗，然然后在Ar+H2下进行行等离子子刻蚀，为为了提高高附着力力，利用用四甲基基等离子子和氩气气将Si-C:HH的中间间层沉积积在基板板上，然然后2m的类金金刚石涂涂层也就就形成了了，其相相关参数数如表1表1类金刚刚石碳膜膜的机械械特性性质数值硬度GP

25、Pa222杨氏模量GPaa160110摩擦系数0.05磨损率mmm3.N-11.m-1510-7力的测量研究中，在在注射成成型的脱脱出阶段段，变化化的力可可以通过过压电式式力传感感器（美美国Dyynissco）估估算，测测力范围围是0100000NN，传感感器输出出的信号号可以通通过国家家仪器ccDAQQ-91172 USBB数据采采集单元元转载到到计算机机上。同同时测量量值可以以通过国国家仪器器Labbvieew 88软件进进行访问问。为了了适应力力传感器器，每个个工具都都必须进进行修改改。制造造出来喷喷射器子子装配件件是用来来放置那那4根移除除零件的的顶针。为为了实现现力的测测量，传传感器

26、放放置在顶顶板子装装配件的的中间（图2）。喷射器装配件移动的时候，传感器受到机械负载和成一定比例的电压，机械负载和电压都是由仪器NI 920（16位）模块检测出来。图2 力传传感器和和顶出装装置表2 AABS的部分分正交矩矩阵试样Tb(CC)Tm(CC)Tc(CC)Te(CC)数值数值数值数值1A1220B140C11D102A1220B260C25D253A1220B380C310D3104A2250B140C25D3105A2250B260C310D106A2250B380C11D257A3280B140C310D258A3280B260C11D3109A3280B380C25D10表3

27、PCC的部分分正交矩矩阵试样Tb(CC)Tm(CC)Tc(CC)Te(CC)数值数值数值数值1A1280B180C11D102A1280B2100C25D253A1280B3120C310D3104A2300B180C25D3105A2300B2100C310D106A2300B3120C11D257A3320B180C310D258A3320B2100C11D3109A3320B3120C25D10实验设计通过探测料料筒温度度（Tb）和模模具温度度（Tm）发现现，微成成型的充充盈能力力主要受受到注射射成型过过程的温温度控制制影响。填填充完毕毕后，零零件的温温度必须须足够的的低，以以方便脱脱模

28、而又又不造成成零件的的变形。因因此充盈盈后的冷冷却时间间（tc）、注注射时间间的延迟迟作用（te）也应当列入考虑之内，考虑到三个层次上的四种因素，选用田口L9的正交矩阵（如表2和表3），每个模具表面处理的反应和每一步的控制参数都会在测量弹出零件期间的脱模力的时候分析出来。两种模具的表面，不处理、类金刚石碳和两种材料PC、ABS，考虑到这些都被检查过，四种低频光接入系统就这样被定义出来了。结果分析平均力研究中，低低频光接接入系统统用来确确保实验验结果在在考虑的的处理窗窗口中，每每一个试试验。基基于脱模模力测试试时的表表面处理理，基于于试验，脱脱模力的的平均值值就这样样被系统统计算出出来了，如如图

29、3。对于于未经处处理的ABS和PC，结果果都受到到了最高高脱模力力的影响响，ABS的平均均值比PC高。通通过实验验对比，经经过类金金刚石涂涂层处理理的模具具的脱模模力比未未受处理理的要低低。ABS的平均均结果是是所有结结果中最最低的,与未经经表面处处理的模模具对比比，类金金刚石涂涂层处理理后的脱脱模力下下降了41.6%。而PC则下降降了10.68%。图3 OAAS的平均均脱模力力最佳参数水水平平均脱模力力的计算算是基于于每一个个组合的的控制参参数的试试验，这这是为了了决定最最优参数数水平，并并用来研研究那些些已经运运用田口口方法的的表面处处理和聚聚合物。假假如相对对平均值值是最低低的，那那么它

30、的的值就是是已给参参数的三三个等级级中最好好的，表表4展示了了实验的的结果。通通过利用用这个方方法，可可以在研研究工艺艺处理窗窗口中确确定与脱脱模力有有关的最最佳那一一组参数数。理论论最佳工工艺参数数如表4。图4 各种种聚合物物和表面面处理的的组合作作用表4 理论论最优工工艺参数数参数对最优优性能的的影响通过实验结结果，用用方差分分析去估估计各个个工艺参参数对脱脱模的影影响。表表5列出各各个参数数的影响响率。基基于这个个分析和和已选的的最优参参数水平平（表4），可可以算出出最低理理论脱模模力，表表6列出了了这些组组合。表5 各个个参数的的影响率率未经处理表面DLCC处理ABSPCABSPCTb

31、10.327.772.912.4Tm38.842.323.3-Tc-11.11-48.2Te-35.0表6 理论论最低脱脱模力未经处理表面DLCC处理ABSPCABSPCFEN12.6229.337.907.99 结论本文讲述了了一个实实验性的的研究微注射射成型的的零件脱脱模的探探讨，本本文着重重于表面面处理对对脱模力力的影响响。而且且，通过过运用实实验设计计方法，微微射流平平台的脱脱模性能能研究是是一个与与工艺参参数组合合的研究究，而这这些参数数分别是是Tb, Tmm, ttc 和和 tee,。通通过研究究报告，可可以得出出以下的的结论：通过对PCC和ABS的平均均脱模力力的测量量，发现现经

32、过表表面处理理后的脱脱模力比比没有处处理过的的显著降降低了。通过实验性性的研究究，就目目前而言言，截至至本研究究，尚没没有一个个唯一的的选择性性参数水水平能够够像本研研究一样样，对关关于脱模模行为所所考虑到到的最佳佳表面处处理或者者聚合物物研究，这这是显而而易见的的。通过方差分分析，可可以估算算工艺参参数对最最优性能能的作用用。通过过模具处处理和聚聚合物组组合计算算出来的的最低理理论脱模模力证明明了类金金刚石碳碳涂层显显著的降降低了脱脱模力。最后，值得得强调的的是，在在微注射射成型中中选择表表面处理理时，聚聚合物的的特性是是一个很很重要的的因素。实实验研究究和模拟拟脱模动动作必须须先于模模具的

33、制制造。特别鸣谢本文得研究究是由“工程物物理研究究理事会会规划”、“卡迪夫夫创新制制造业研研究中心心”、“欧共体体第六框框架计划划”、“光学微微流体的的表面增增强系统统”资助, 同时，它它也是在在教统会会第六框框架卓越越网络的的框架内内进行的的，即“多种材材料的微微制造技技术及应应用”。参考文献Navabbpouur, P.,ett all.,Evvaluuatiion of nonn-sttickk prropeertiies of maggnettronn-spputttereed ccoattinggs ffor mouuldss ussed forr thhe pproccesssin

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