第16卷第1期 塑性工程学报 Vol 16 No. 1 2009年2月 LLOURNAL OF PLASTICITY EN GINEERING Feb.2009 快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计 (山东大学模具工程技术研究中心,济南250061)李熹平赵国群管延锦李辉平 摘要:快速热循环注塑成型技术( Rapid Heating Cycle Molding,RHCM是一种新兴的注塑技术,能够消除塑件表 面熔痕、流线、银线等缺陷,塑件表面达到镜面效果,可消除污染严重的喷涂工艺。该文以大型液晶平板电视杋面 板为例,建立了RHCM注塑模具的传热分析模型,给出了RHCM模具的几种加热和冷却管道的布局结构,并通 过对不同结构模具型腔表面加热和冷却分析,讨论了影响型腔温度分布的主要因素及其规律,并选定了一种较优 的管道布局方式,在实际生产中得到了很好的应用。 关键词:快速热循环;高光无熔痕;传热分析;注塑模具 中图分类号:TQ3155文献标识码:A文章编号:10072012(2009)01-019606 process for ra pid heating cycle injection mol s Analysis and optimal design of heating and cooling LI Xrping ZHAO Guo-qun GUAN Yarjin LI Hurping Engineering Research Center for Mold Die Technologies, Shandong University, Jinan 250061 China) Abstract: Rapid Heating Cycle Molding(RHCM)is a novel plastic injection molding method. It can be used effectively to elimi- nate the many problems on polymer molding, such as weld mark, flow mark, poor surface transcription of products which are ur sually very difficult to solve. In this paper, the front shell of a large-size plat"panel TV was taken as an example, a thermal anal- ysis mathematical model for RHCM injection mold was established. Several different kinds of layouts of heating and cooling cha nels in injection mold were presented. The temperature distributions on the mold cavity surface for different channel layo uts were analyzed. The influence of process parameters on the temperature distribution of the mold surface were discussed as well. At last, an optimal channel layout was determined and the practical production application demonstrated its effectiveness Key words: rapid heating cycle molding, shine surface and no weld mark thermal analysis; injection mold (或热水),将模具快速加热到一定温度后,在模腔 中注入塑胶,完成保压,再用室温水或冷却水将塑 件快速冷却至出模温度,完成一个注塑过程,然后 注塑成型工艺已被广泛应用于国民经济的各个进入下一个注塑循环。使用该技术可使塑件表面无 领域,但采用传统注塑工艺生产的制品,其表面存熔痕并达到镜面效果,提高塑件强度和表面硬度 在熔痕、流痕、银线等缺陷,塑件表面光泽度不高 3可取消环境污染严重的喷涂工艺等二次加工,保护 难以满足人们对塑料制品力学性能、外观等要求。环境和操作人员的身体健康,减少工艺流程,节省 快速热循环注塑成型技术( Rapid Heating Cycle二次加工费用,降低生产成本,节能减排,是一种 Molding, RHCM是近年来发展起来的一种高光无前景广阔的绿色注塑工艺。 熔痕注塑成型新技术。该技术采用高温高压水蒸汽 日前,国内外对该技术的研究甚少,近两年, 日本、美国的几家公司相继推出了该项技术,在国 “十一五”国家科技支撑计划资助项目 内,本文作者和海信集团合作自主开发了该项技术 (2006BAF02A05)。 并成功应用于大型液晶平板电视机面板的注塑生产 赵国群 Email: zhaogq asdu edu cn 并建成了注塑生产线,得到了很好的应用。尽管国 作者简介:李熹平,男1981年生,山东大学材料科学与工内外开展了注塑模具传热和冷却分析研究,但所 程学院,博士研究生,主要研究方向为注塑工艺与模具技术研究的工艺都不是RHCM注塑工艺。作为一项新 收稿日期:200801-26 技术的研究和推广,有必要开展快速热循环注塑模 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.alLrightsreservedhttp://nnw.cnki.net
第 16 卷 第 1 期 2009 年 2 月 塑性工程学报 J OU RNAL OF PLASTICIT Y EN GIN EERIN G Vol116 No11 Feb1 2009 快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计3 (山东大学 模具工程技术研究中心 , 济南 250061) 李熹平 赵国群 管延锦 李辉平 摘 要 : 快速热循环注塑成型技术(Rapid Heating Cycle Molding ,RHCM)是一种新兴的注塑技术 , 能够消除塑件表 面熔痕、流线、银线等缺陷 , 塑件表面达到镜面效果 , 可消除污染严重的喷涂工艺。该文以大型液晶平板电视机面 板为例 , 建立了 RHCM 注塑模具的传热分析模型 , 给出了 RHCM 模具的几种加热和冷却管道的布局结构 , 并通 过对不同结构模具型腔表面加热和冷却分析 , 讨论了影响型腔温度分布的主要因素及其规律 , 并选定了一种较优 的管道布局方式 , 在实际生产中得到了很好的应用。 关键词 : 快速热循环 ; 高光无熔痕 ; 传热分析 ; 注塑模具 中图分类号 : TQ31515 文献标识码 : A 文章编号 : 100722012 (2009) 0120196206 Analysis and optimal design of heating and cooling process for rapid heating cycle injection mold L I Xi2ping ZHAO Guo2qun GUAN Yan2jin L I Hui2ping ( Engineering Research Center for Mold & Die Technologies , Shandong University , Jinan 250061 China) Abstract : Rapid Heating Cycle Molding (RHCM) is a novel plastic injection molding method. It can be used effectively to elimi2 nate the many problems on polymer molding , such as weld mark , flow mark , poor surface transcription of products which are u2 sually very difficult to solve. In this paper , the front shell of a large2size plat2panel TV was taken as an example , a thermal anal2 ysis mathematical model for RHCM injection mold was established. Several different kinds of layouts of heating and cooling chan2 nels in injection mold were presented. The temperature distributions on the mold cavity surface for different channel layouts were analyzed. The influence of process parameters on the temperature distribution of the mold surface were discussed as well. At last , an optimal channel layout was determined and the practical production application demonstrated its effectiveness. Key words : rapid heating cycle molding ; shine surface and no weld mark ; thermal analysis; injection mold 3 “十 一 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 (2006BAF02A05) 。 赵国群 E2mail : zhaogq @sdu1edu1cn 作者简介 : 李熹平 ,男 ,1981 年生 ,山东大学材料科学与工 程学院 ,博士研究生 ,主要研究方向为注塑工艺与模具技术 收稿日期 : 2008201226 引 言 注塑成型工艺已被广泛应用于国民经济的各个 领域 , 但采用传统注塑工艺生产的制品 , 其表面存 在熔痕、流痕、银线等缺陷 , 塑件表面光泽度不高 , 难以满足人们对塑料制品力学性能、外观等要求。 快速热循环注塑成型技术 ( Rapid Heating Cycle Molding ,RHCM) 是近年来发展起来的一种高光无 熔痕注塑成型新技术。该技术采用高温高压水蒸汽 (或热水) , 将模具快速加热到一定温度后 , 在模腔 中注入塑胶 , 完成保压 , 再用室温水或冷却水将塑 件快速冷却至出模温度 , 完成一个注塑过程 , 然后 进入下一个注塑循环。使用该技术可使塑件表面无 熔痕并达到镜面效果 , 提高塑件强度和表面硬度 , 可取消环境污染严重的喷涂工艺等二次加工 , 保护 环境和操作人员的身体健康 , 减少工艺流程 , 节省 二次加工费用 , 降低生产成本 , 节能减排 , 是一种 前景广阔的绿色注塑工艺。 目前 , 国内外对该技术的研究甚少 , 近两年 , 日本、美国的几家公司相继推出了该项技术 , 在国 内 , 本文作者和海信集团合作自主开发了该项技术 , 并成功应用于大型液晶平板电视机面板的注塑生产 , 并建成了注塑生产线 , 得到了很好的应用。尽管国 内外开展了注塑模具传热和冷却分析研究[126 ] , 但所 研究的工艺都不是 RHCM 注塑工艺。作为一项新 技术的研究和推广 , 有必要开展快速热循环注塑模 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第1期李熹平等:快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计197 具加热与冷却过程分析及其结构优化设计研究 模具的典型截面作为分析对象,暂不考虑模具的固 RHCM技术的关键是在注塑周期中,能够使模定板,但考虑动模镶块,简化后的分析模型如图2 具快速加热和冷却到预定的温度。模具型腔表面温所示。此外,由于平板电视面板为具有一定厚度的 度的高低和分布,直接影响着注塑生产的效率和塑件“回”字形结构,其模具加热/冷却管道为距型腔表 的质量。本文通过对RHCM注塑模型腔表面温度面一定距离的直孔,因此,可将三维模具简化为二 的分析,预测模具型腔、型芯的温度和温差分布及塑维平面问题进行分析。 件的冷却时间等,为实际生产中的模具设计、加热和 冷却系统布局优化设计提供了重要理论依据。 1液晶平板电视机面板RHCM模具 结构与加热冷却模型建立 图2简化的平板电视机面板RHCM注塑模具分析模型 -定模板;2-塑件;3动模 Fig 2 Simplified analysis model of RHCM mold 液晶平板电视机面板属于大平面塑件,用户对1.1加热分析几何模型 塑件的外观质量有着很高要求,目前普遍采用的注 模具加热时,热量通过加热管道只在定模内传 塑工艺得到的产品表面粗糙,存在明显的熔痕、流递,型腔表面的温度分布是影响塑件质量的关键 痕等缺陷,表面光泽度不高。为满足用户对外观质取定模结构的典型截面作为研究对象。图3为46英 量的要求,必须通过喷涂等工艺对塑件进行二次加寸液晶平板电视机面板的定模截面结构图,RHCM 工处理,这样,既延长了产品的生产周期,增加了模具结构与普通模具结构不同,常规模具结构中的 生产成本,又造成了环境污染 管道只有冷却管路,而RHCM模具中,既有冷却 将RHCM技术应用于液晶平板电视机面板等管路又有加热管路。本文采用加热和冷却共用相同 大型塑件生产,可得到表面无熔痕、高度光泽和达的管路结构。图3还分别用实线和虚线表示出了两 到镜面效果的产品,完全可以消除污染严重的喷涂种不同的加热冷却管道的布局设计方案。实线和虚 工艺,实现节能减排的短流程生产。但RHCM注线表示出的两种管路的直径分别为7mm、5mm,管 塑模具结构完全不同于现行其他注塑方法的模具结路中心距模具型腔表面的距离均为10mm。 构,RHCM注塑模具结构能否实现RHCM工艺所 要求的模具快速均匀加热和冷却效果,成为模具结 构设计的关键。因此,模具结构合理与否很大程度 上决定着该项技术能否被成功实施。图1是本文设 计的电视机面板的定模与固定板的结构示意图 图3加热模型 1.2冷却分析几何模型 模具冷却时,热量在定模、熔体和动模内传递 需要考虑到熔体和动模部分的结构及其传热情况 故冷却分析模型与加热分析模型不同,在对整个模 图1模具结构示意图 具结构分析后,将冷却模型简化为如图4所示的形 -定模;2-塑件;3定模板;4定位镶块 式,其中,上半部分为定模,下半部分为动模,中 Fig 1 General view of mold structure 间为塑件。动模上设有冷却管道,当模具进入冷却 为了研究该模具传热过程、加热和冷却效果,状态时,动模和定模上的所有管道都通入冷却水进 进而优化模具的加热冷却管道布局与结构,本文取行冷却 201994-2009chinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.allrightsreservedhttp://wwnv.cnki.net
具加热与冷却过程分析及其结构优化设计研究。 R HCM 技术的关键是在注塑周期中 ,能够使模 具快速加热和冷却到预定的温度。模具型腔表面温 度的高低和分布 ,直接影响着注塑生产的效率和塑件 的质量。本文通过对 R HCM 注塑模型腔表面温度 的分析 ,预测模具型腔、型芯的温度和温差分布及塑 件的冷却时间等 ,为实际生产中的模具设计、加热和 冷却系统布局优化设计提供了重要理论依据。 1 液晶平板电视机面板 R HCM 模具 结构与加热冷却模型建立 液晶平板电视机面板属于大平面塑件 , 用户对 塑件的外观质量有着很高要求 , 目前普遍采用的注 塑工艺得到的产品表面粗糙 , 存在明显的熔痕、流 痕等缺陷 , 表面光泽度不高。为满足用户对外观质 量的要求 , 必须通过喷涂等工艺对塑件进行二次加 工处理 , 这样 , 既延长了产品的生产周期 , 增加了 生产成本 , 又造成了环境污染。 将 R HCM 技术应用于液晶平板电视机面板等 大型塑件生产 , 可得到表面无熔痕、高度光泽和达 到镜面效果的产品 , 完全可以消除污染严重的喷涂 工艺 , 实现节能减排的短流程生产。但 RHCM 注 塑模具结构完全不同于现行其他注塑方法的模具结 构 , R HCM 注塑模具结构能否实现 RHCM 工艺所 要求的模具快速均匀加热和冷却效果 , 成为模具结 构设计的关键。因此 , 模具结构合理与否很大程度 上决定着该项技术能否被成功实施。图 1 是本文设 计的电视机面板的定模与固定板的结构示意图。 图 1 模具结构示意图 12定模 ; 22塑件 ; 32定模板 ; 42定位镶块 Fig11 General view of mold structure 为了研究该模具传热过程、加热和冷却效果 , 进而优化模具的加热/ 冷却管道布局与结构 , 本文取 模具的典型截面作为分析对象 , 暂不考虑模具的固 定板 , 但考虑动模镶块 , 简化后的分析模型如图 2 所示。此外 , 由于平板电视面板为具有一定厚度的 “回”字形结构 , 其模具加热/ 冷却管道为距型腔表 面一定距离的直孔 , 因此 , 可将三维模具简化为二 维平面问题进行分析。 图 2 简化的平板电视机面板 RHCM 注塑模具分析模型 12定模板 ; 22塑件 ; 32动模 Fig12 Simplified analysis model of RHCM mold 111 加热分析几何模型 模具加热时 , 热量通过加热管道只在定模内传 递 , 型腔表面的温度分布是影响塑件质量的关键 , 取定模结构的典型截面作为研究对象。图 3 为 46 英 寸液晶平板电视机面板的定模截面结构图 , R HCM 模具结构与普通模具结构不同 , 常规模具结构中的 管道只有冷却管路 , 而 R HCM 模具中 , 既有冷却 管路又有加热管路。本文采用加热和冷却共用相同 的管路结构。图 3 还分别用实线和虚线表示出了两 种不同的加热/ 冷却管道的布局设计方案。实线和虚 线表示出的两种管路的直径分别为 7mm、5mm , 管 路中心距模具型腔表面的距离均为 10mm。 图 3 加热模型 12型腔表面 ; 22定模 Fig13 Model for heating phase 112 冷却分析几何模型 模具冷却时 , 热量在定模、熔体和动模内传递 , 需要考虑到熔体和动模部分的结构及其传热情况 , 故冷却分析模型与加热分析模型不同 , 在对整个模 具结构分析后 , 将冷却模型简化为如图 4 所示的形 式 , 其中 , 上半部分为定模 , 下半部分为动模 , 中 间为塑件。动模上设有冷却管道 , 当模具进入冷却 状态时 , 动模和定模上的所有管道都通入冷却水进 行冷却。 第 1 期 李熹平 等 : 快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计 197 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
塑性工程学报 第16卷 180℃左右的饱和蒸汽;在冷却阶段,管道中通入 20℃~30℃的水。通过控制不同温度介质的通入时 刻和时间来实现模具的快速加热和冷却。因此,分 析时需要考虑不同温度介质与管道壁面之间的传热。 RHCM模具的定模部分与固定模板间存在隔热装 置,因此,可认为定模外表面与外界绝热 通过上述对RHCM模具不同部位在加热和冷 图4冷却模型 却阶段的传热分析,并根据具体的工艺参数条件 定模;2塑件;3动模 本文确定了传热分析的换热系数,加热时型腔表面 Fig 4 Model for cooling phase 换热系数为30W/(m2·K),水与模具管道换热系数 为11000W/(m2·K),水蒸汽与模具管道换热系数 2模具传热分析边界条件的确定 为5200W(m2·K) 2.3工艺条件 注塑模具的实际加热和冷却过程十分复杂 在液晶平板电视机面板的RHCM注塑过程中 RHCM模具由于其结构的复杂性,更增加了其加热为保证产品质量,当模具型腔平均温度加热到 和冷却过程分析的复杂程度。因此,在建立数学模120℃左右时注射熔料,当模具型腔平均温度冷却到 型时,本文作如下假设 80℃左右时开模取件。熔料注射温度设定为235℃ 1)塑料熔体、模具和冷却介质的热性能恒定,冷却水温度设定为25℃,加热水蒸汽温度为175℃, 忽略模具与熔体间的间隙热阻,并假设冷却水的温环境温度为25℃ 度不随时间变化,其导热系数为常数。 2)因塑件较薄,认为塑件与模壁完全接触,且3材料性能参数的确定 塑件表面温度与模壁温度相等 3)只考虑模具与冷却介质及塑件之间的热传导 模具材料为瑞典的热作模具钢(ⅴ IDAR SUPE 和热对流,对于RHCM模具而言,因定模外表面RIOR),塑件材料为高光ABS,分析中不考虑材料性 热量散失很小,且周围包覆有绝热层,因此可不考能参数与温度的相关性,模具和塑件材料的主要热物 虑定模外表面的辐射,视为与外界绝热 理性能参数有:模具材料的密度为7.78g/cm3,比热 2.1模具型腔表面 为46000J/(kg·O,热导率为3000W/(m·O RHCM模具型腔表面加热与冷却时的边界条件塑件材料的密度为0.968g/cm3,比热为204700 不尽相同。加热时,模具型腔表面与注塑型腔内的(kg·O,热导率为0157W/(m·O。 空气接触,与空气的传热既有对流又有辐射传热 在上述研究的基础上,本文利用 MSC. Marc软件 此两类边界条件属于传热学中的第三类边界条件,建立了平板电视机面板快速热循环注塑模具加热与冷 可统一写为 却过程分析及其结构优化设计的有限元模型,并对 RHCM模具加热和冷却过程进行了有限元分析 q d=a(t-1-) 式中q—热流密度/Wm2 4RHCM注塑过程的模具温度分析 a一换热系数/W/(m2·K) t—注塑型腔表面温度/℃ 4.1加热过程的模具温度分析 环境温度/℃ 在液晶平板电视机面板的RHCM注塑过程中, A一导热系数/w/(m· 要求模具型腔表面温度达到120℃左右时开始注射。 而在冷却时,注塑模具型腔中则已充满高温塑图5给出了管道直径为7mm、管道中心距为16mm 料熔体,高温熔体与模具型腔表面之间存在热传导。时液晶平板电视机面板RHCM注塑模具在加热24s 2.2加热和冷却管道表面与模具外廓边界 后定模型腔处P~P8点的温度分布曲线。分析发 液晶平板电视机面板的RHCM模具采用共用现,模具加热24s后,型腔P~P8点温度的平均 的加热和冷却管道,在加热阶段,管道中通入值可达到120℃。 201994-2009ChinaAcademicournalElectronicPublishingHousea/irightsreservedhttp://nne.cnki.net
图 4 冷却模型 12定模 ; 22塑件 ; 32动模 Fig14 Model for cooling phase 2 模具传热分析边界条件的确定 注塑模具的实际加热和冷却过程十分复杂 , RHCM 模具由于其结构的复杂性 , 更增加了其加热 和冷却过程分析的复杂程度。因此 , 在建立数学模 型时 , 本文作如下假设 : 1) 塑料熔体、模具和冷却介质的热性能恒定 , 忽略模具与熔体间的间隙热阻 , 并假设冷却水的温 度不随时间变化 , 其导热系数为常数。 2) 因塑件较薄 , 认为塑件与模壁完全接触 , 且 塑件表面温度与模壁温度相等。 3) 只考虑模具与冷却介质及塑件之间的热传导 和热对流 , 对于 RHCM 模具而言 , 因定模外表面 热量散失很小 , 且周围包覆有绝热层 , 因此可不考 虑定模外表面的辐射 , 视为与外界绝热。 211 模具型腔表面 R HCM 模具型腔表面加热与冷却时的边界条件 不尽相同。加热时 , 模具型腔表面与注塑型腔内的 空气接触 , 与空气的传热既有对流又有辐射传热 , 此两类边界条件属于传热学中的第三类边界条件 , 可统一写为 q = - λ 5t 5n =α( t - t ∞) (1) 式中 q ———热流密度/ W/ m 2 α———换热系数/ W/ (m 2 ·K) t ———注塑型腔表面温度/ ℃ t ∞ ———环境温度/ ℃ λ———导热系数/ W/ (m ·℃) 而在冷却时 , 注塑模具型腔中则已充满高温塑 料熔体 , 高温熔体与模具型腔表面之间存在热传导。 212 加热和冷却管道表面与模具外廓边界 液晶平板电视机面板的 RHCM 模具采用共用 的加热和 冷却管道 , 在加热阶 段 , 管道 中通入 180 ℃左右的饱和蒸汽 ; 在冷却阶段 , 管道中通入 20 ℃～30 ℃的水。通过控制不同温度介质的通入时 刻和时间来实现模具的快速加热和冷却。因此 , 分 析时需要考虑不同温度介质与管道壁面之间的传热。 R HCM 模具的定模部分与固定模板间存在隔热装 置 , 因此 , 可认为定模外表面与外界绝热。 通过上述对 RHCM 模具不同部位在加热和冷 却阶段的传热分析 , 并根据具体的工艺参数条件 , 本文确定了传热分析的换热系数 , 加热时型腔表面 换热系数为 30W/ (m 2 ·K) ,水与模具管道换热系数 为 11000W/ (m 2 ·K) ,水蒸汽与模具管道换热系数 为 5200W/ (m 2 ·K) 。 213 工艺条件 在液晶平板电视机面板的 R HCM 注塑过程中 , 为保证产品质量 , 当模具型腔平均温度加热到 120 ℃左右时注射熔料 , 当模具型腔平均温度冷却到 80 ℃左右时开模取件。熔料注射温度设定为 235 ℃, 冷却水温度设定为 25 ℃, 加热水蒸汽温度为 175 ℃, 环境温度为 25 ℃。 3 材料性能参数的确定 模具材料为瑞典的热作模具钢 (VIDAR SU PE2 RIOR) ,塑件材料为高光 ABS ,分析中不考虑材料性 能参数与温度的相关性 ,模具和塑件材料的主要热物 理性能参数有 :模具材料的密度为 7178g/ cm 3 ,比热 为 460100J/ (kg ·℃) ,热导率为 30100W/ (m ·℃) ; 塑件材料的密度为 01968g/ cm 3 ,比热为 2047100J/ (kg ·℃) ,热导率为 01157W/ (m ·℃) 。 在上述研究的基础上 , 本文利用 MSC1Marc 软件 建立了平板电视机面板快速热循环注塑模具加热与冷 却过程分析及其结构优化设计的有限元模型 , 并对 RHCM 模具加热和冷却过程进行了有限元分析。 4 R HCM 注塑过程的模具温度分析 411 加热过程的模具温度分析 在液晶平板电视机面板的 R HCM 注塑过程中 , 要求模具型腔表面温度达到 120 ℃左右时开始注射。 图 5 给出了管道直径为 7mm、管道中心距为 16mm 时液晶平板电视机面板 R HCM 注塑模具在加热 24s 后定模型腔处 P1～ P8 点的温度分布曲线。分析发 现 , 模具加热 24s 后 , 型腔 P1～ P8 点温度的平均 值可达到 120 ℃。 198 塑性工程学报 第 16 卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第1期 李熹平等:快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计199 100 平均温度 方案〗 方案3 方案4 模具型腔处的点,P 模具型腔处的点,P 图5加热24s后模具型腔处P~P8点的温度分布曲线 图6不同管道设计方案的模具型腔表面温度分布 Fig 5 Temperature distribution of cavity ig 6 Cavity temperature distribution of different cases 4.L.1管道间距对模具型腔表面加热效果的影响 由图5可以看出,加热24s后,定模型腔的温 度分布并不均匀,型腔中间部分(P5点和点)温同。在方案1中,冷却管道均匀分布,最高温度为 度分别为133℃和135C而两侧部分温度较低,特别1347℃,最低温度为909℃,型腔温差较大,最 是型腔右侧部分(P8点)温度仅为91℃。造成这种大温差约为44℃,Pl~P8点的平均温度为 情况的主要原因是C管道位于型腔最右侧壁的左1205℃。在方案2中改变了管道布局将最右边管 侧导致型腔右侧壁附近传热较慢温度较低。中间道(5)右移96mm距离,并适当增大中间两管道 两管道C3和C4由于与其他管道的距离间隔一致,C3和C4之间的距离。经分析发现,方案2的型腔最 导致中间部分加热过快,若在这种情况下注射熔体,高温度约为124℃,最低温度约为109℃,P~P8点 熔体表面温度势必不均匀,冷却速度也不一致,影的平均温度为1203℃,其最大温差只有15℃,较 响塑件质量。 方案1的温差明显减小。可见管道的间距与排布是 为获得高光无熔痕塑件和提高生产效率,要求影响型腔温度分布的重要因素 定模型腔表面温度应在尽量短的时间内到达工艺要41.2管道直径对模具型腔表面加热效果的影响 求的温度,并具有良好的温度均匀性。为此,合理 方案2和方案3的不同在于管道数量及其直径。 地确定加热/冷却管道的数量、管径、间距、及其与方案2的管道数量为5个,直径均为7m;而方案 型腔表面的距离等设计参数就显得尤为重要。一般 的管道数量为7个,直径均为5mm。从图6可知 原则是,在满足模具强度要求等前提下,力求高的方案2和方案3的温度曲线在初始阶段基本重合 加热/冷却效率和良好的加热/冷却均匀性。为研究在靠近型腔右侧时温度出现差异,由于方案3的管 不同的加热/冷却管道设计参数对模具型腔表面温度道布局方式与方案2的管道布局方式基本相同,都 分布的影响,本文提出了4种不同的管道设计方案,吸取了方案1布局的经验,二者的温度分布都在 如表1所示。经模具温度分析获得了如图6所示的120℃左右浮动。但从表1所示的加热时间看,方案 4种设计方案的型腔表面各点的温度分布曲线,可3的加热时间比方案2的加热时间短2s,加热效率 见,不同的设计方案,其型腔表面温度分布的均匀提高。方案3的模具型腔最高温度约为121.4℃ 性和加热/冷却效率不同 最低温度约为109.2℃,Pl~P8点的平均温度为 表14种管道设计方案 119.9℃,其最大温差只有122℃,温差进一步减 Tab 1 Four kinds of cases designed for channel 小 方管道直 管道管道中心加热4.L.3管道到型腔表面距离对模具型腔表面加热效 案径/mm 管道间距/ /数量/距型腔表时间 果的影响 面距离/mm/s 方案3和方案4的管道离型腔表面的距离分别 gDI 10724 为10.7mm和9.7mm,其他布局一样。由图6可 D3=18 知,在加热到型腔要求的温度后,方案4的最高温 s|Dl=15,D2=D3=145 10.723 D4=10.5 度为124℃,比方案3的最高温度高3℃,其最低温 Dl=15,D2 =D3 =14.5 9.721 度也比方案3高3℃左右,温度分布趋势基本相同 D4=105 但方案4加热所需时间比方案3短2s。因此,在保 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://ww.cnki.net
图 5 加热 24s 后模具型腔处 P1～ P8 点的温度分布曲线 Fig15 Temperature distribution of cavity surface after heating 24s 由图 5 可以看出 , 加热 24s 后 , 定模型腔的温 度分布并不均匀 , 型腔中间部分 ( P5 点和 P6 点) 温 度分别为 133 ℃和 135 ℃,而两侧部分温度较低 ,特别 是型腔右侧部分 ( P8 点) 温度仅为 91 ℃。造成这种 情况的主要原因是 C5 管道位于型腔最右侧壁的左 侧 ,导致型腔右侧壁附近传热较慢 ,温度较低。中间 两管道 C3 和 C4 由于与其他管道的距离间隔一致 , 导致中间部分加热过快 , 若在这种情况下注射熔体 , 熔体表面温度势必不均匀 , 冷却速度也不一致 , 影 响塑件质量。 为获得高光无熔痕塑件和提高生产效率 , 要求 定模型腔表面温度应在尽量短的时间内到达工艺要 求的温度 , 并具有良好的温度均匀性。为此 , 合理 地确定加热/ 冷却管道的数量、管径、间距、及其与 型腔表面的距离等设计参数就显得尤为重要。一般 原则是 , 在满足模具强度要求等前提下 , 力求高的 加热/ 冷却效率和良好的加热/ 冷却均匀性。为研究 不同的加热/ 冷却管道设计参数对模具型腔表面温度 分布的影响 , 本文提出了 4 种不同的管道设计方案 , 如表 1 所示。经模具温度分析获得了如图 6 所示的 4 种设计方案的型腔表面各点的温度分布曲线 , 可 见 , 不同的设计方案 , 其型腔表面温度分布的均匀 性和加热/ 冷却效率不同。 表 1 4 种管道设计方案 Tab11 Four kinds of cases designed for channels 方 案 管道直 径/ mm 管道间距/ mm 管道 数量 管道中心 距型腔表 面距离/ mm 加热 时间 / s 1 7 D1 = D2 = D3 = 16 5 1017 24 2 7 D2 = 22 D1 = D3 = 18 5 1017 25 3 5 D1 = 15 , D2 = D3 = 1415 , D4 = 1015 7 1017 23 4 5 D1 = 15 , D2 = D3 = 1415 , D4 = 1015 7 917 21 图 6 不同管道设计方案的模具型腔表面温度分布 Fig16 Cavity temperature distribution of different cases 41111 管道间距对模具型腔表面加热效果的影响 方案 1 和方案 2 的唯一差别是冷却管道间距不 同。在方案 1 中 , 冷却管道均匀分布 , 最高温度为 13417 ℃, 最低温度为 9019 ℃, 型腔温差较大 , 最 大温 差 约 为 44 ℃, P1 ～ P8 点 的 平 均 温 度 为 12015 ℃。在方案 2 中 ,改变了管道布局 ,将最右边管 道(C5) 右移 916mm 距离 ,并适当增大中间两管道 C3 和 C4 之间的距离。经分析发现 ,方案 2 的型腔最 高温度约为 124 ℃,最低温度约为 109 ℃, P1～ P8 点 的平均温度为 12013 ℃, 其最大温差只有 15 ℃, 较 方案 1 的温差明显减小。可见管道的间距与排布是 影响型腔温度分布的重要因素。 41112 管道直径对模具型腔表面加热效果的影响 方案 2 和方案 3 的不同在于管道数量及其直径。 方案 2 的管道数量为 5 个 , 直径均为 7mm ; 而方案 3 的管道数量为 7 个 , 直径均为 5mm。从图 6 可知 , 方案 2 和方案 3 的温度曲线在初始阶段基本重合 , 在靠近型腔右侧时温度出现差异 , 由于方案 3 的管 道布局方式与方案 2 的管道布局方式基本相同 , 都 吸取了方案 1 布局的经验 , 二者的温度分布都在 120 ℃左右浮动。但从表 1 所示的加热时间看 , 方案 3 的加热时间比方案 2 的加热时间短 2s , 加热效率 提高。方案 3 的模具型腔最高温度约为 12114 ℃, 最低温度约为 10912 ℃, P1～ P8 点的平均温度为 11919 ℃, 其最大温差只有 1212 ℃, 温差进一步减 小。 41113 管道到型腔表面距离对模具型腔表面加热效 果的影响 方案 3 和方案 4 的管道离型腔表面的距离分别 为 1017mm 和 917mm , 其他布局一样。由图 6 可 知 , 在加热到型腔要求的温度后 , 方案 4 的最高温 度为 124 ℃, 比方案 3 的最高温度高 3 ℃, 其最低温 度也比方案 3 高 3 ℃左右 , 温度分布趋势基本相同。 但方案 4 加热所需时间比方案 3 短 2s。因此 , 在保 第 1 期 李熹平 等 : 快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计 199 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
塑性工程学报 第16卷 证型腔壁不被压塌及加工条件下,管道距型腔壁越了良好的效果。 近,加热效率越高。但是管道距型腔壁较近,会对 图8为采用本文研发的RHCM高光无熔痕注 型腔强度造成影响,若型腔强度过小,不但不能保塑技术和模具所生产的高光无熔痕46英寸平板电视 证塑件的精度,而且模具使用寿命也会受到影响,机面板塑件,图9为常规注塑工艺和RHCM注塑 因此,在设计时应综合考虑模具强度、寿命和加热工艺生产的塑件的比较,RHCM注塑工艺生产的塑 效率。对于本文硏究的平板电视机面板注塑模具,件显著提高了塑件表面光泽度,消除了熔痕、流线、 建议管道到型腔表面距离在10mm左右为宜。 银线等缺陷,可直接应用于电视机装配。 4.2冷却过程的模具温度分析 冷却时,模具的所有管道都通入冷却介质,作 为模具型腔内高温熔体的塑件在定模和动模的共同 作用下,快速冷却达到脱模状态。由图4可以看出 定模部分的冷却管道较多,使塑件的外表面(在定模 内部分)冷速较快,动模内冷却管道较少,塑件的内表 面(动模内)部分冷速较慢,因此当塑件内表面的温 度达到脱模温度时,才能允许脱模。分析获得的上 述4种设计方案的塑件脱模时其内表面的温度分布 高光无熔痕平板电视机面板塑件 曲线和温度数值分别如图7和表2所示。 Plastic parts of RHCM technology 方案1 →方案2 已为案4 模具型腔处的点,P 图9两种工艺生产的塑件 图7脱模时塑件内表面温度分布曲线 a)常规塑件;b)高光塑件 Fig. 7 Temperature curves of the part inner Fig9 Products of the two methods surface when ejection 表2不同方案脱模时塑件内表面的温度 5结论 Tab 2 Temperatures of the part inner surface in different cases when ejection 本文建立了RHCM注塑模具传热分析模型, 斗低品度温差平均度优化获得了使模具加热冷却效率高、温度分布均匀 的管道布局设计方案,成功生产出了大型液晶平板 62.7 75.6 电视面板高光无熔痕塑件,通过研究得出如下结论 从RHCM模具的加热和冷却的模拟结果可以 直观的得到定模型腔的温度变化过程,了解每一时刻 由图7和表2可以看出,不同的管道布局在冷却相各个结点的瞬态温度值,并可判断加热和冷却的效 同的时间(25s)后,温度分布曲线和平均温度的数值果,验证管道分布的合理性。定模上管道排布不同, 相差不大,均达到了塑件脱模要求。塑件脱模时,型腔的加热效率极其温度分布的曲线不同,管道间 方案1的平均温度最低,但塑件表面的温差较大,距管道直径和管路数目、管道到型腔表面距离是影 会导致塑件内部的热应力较大,塑件将会发生较大响型腔表面温度分布的主要因素。模拟结果能够有 的翘曲变形。因此,在实际生产中,选用了方案3效的指导RHCM实际的模具设计,对研究RHCM 所述的管道布局,经过25s冷却后开模取件,取得模具结构,提高企业的生产效率具有重要意义 201994-2009ChinaAcademicJournalElectronicpUblishingHouseAllrightsreservedhttp://nn.cnki.net
证型腔壁不被压塌及加工条件下 , 管道距型腔壁越 近 , 加热效率越高。但是管道距型腔壁较近 , 会对 型腔强度造成影响 , 若型腔强度过小 , 不但不能保 证塑件的精度 , 而且模具使用寿命也会受到影响 , 因此 , 在设计时应综合考虑模具强度、寿命和加热 效率。对于本文研究的平板电视机面板注塑模具 , 建议管道到型腔表面距离在 10mm 左右为宜。 412 冷却过程的模具温度分析 冷却时 , 模具的所有管道都通入冷却介质 , 作 为模具型腔内高温熔体的塑件在定模和动模的共同 作用下 , 快速冷却达到脱模状态。由图 4 可以看出 , 定模部分的冷却管道较多 , 使塑件的外表面(在定模 内部分) 冷速较快 ,动模内冷却管道较少 ,塑件的内表 面(动模内) 部分冷速较慢 , 因此当塑件内表面的温 度达到脱模温度时 , 才能允许脱模。分析获得的上 述 4 种设计方案的塑件脱模时其内表面的温度分布 曲线和温度数值分别如图 7 和表 2 所示。 图 7 脱模时塑件内表面温度分布曲线 Fig17 Temperature curves of the part inner surface when ejection 表 2 不同方案脱模时塑件内表面的温度 Tab12 Temperatures of the part inner surface in different cases when ejection 方案 最高温度/ ℃ 最低温度/ ℃ 温差/ ℃ 平均温度/ ℃ 1 8417 5717 2710 7315 2 8711 6412 2219 7616 3 8612 6217 2315 7516 4 8419 6118 2311 7414 由图 7 和表 2 可以看出 , 不同的管道布局在冷却相 同的时间(25s) 后 , 温度分布曲线和平均温度的数值 相差不大 , 均达到了塑件脱模要求。塑件脱模时 , 方案 1 的平均温度最低 , 但塑件表面的温差较大 , 会导致塑件内部的热应力较大 , 塑件将会发生较大 的翘曲变形。因此 , 在实际生产中 , 选用了方案 3 所述的管道布局 , 经过 25s 冷却后开模取件 , 取得 了良好的效果。 图 8 为采用本文研发的 RHCM 高光无熔痕注 塑技术和模具所生产的高光无熔痕 46 英寸平板电视 机面板塑件 , 图 9 为常规注塑工艺和 RHCM 注塑 工艺生产的塑件的比较 , R HCM 注塑工艺生产的塑 件显著提高了塑件表面光泽度 , 消除了熔痕、流线、 银线等缺陷 , 可直接应用于电视机装配。 5 结 论 本文建立了 RHCM 注塑模具传热分析模型 , 优化获得了使模具加热冷却效率高、温度分布均匀 的管道布局设计方案 , 成功生产出了大型液晶平板 电视面板高光无熔痕塑件 , 通过研究得出如下结论 : 从 RHCM 模具的加热和冷却的模拟结果可以 直观的得到定模型腔的温度变化过程 ,了解每一时刻 各个结点的瞬态温度值 ,并可判断加热和冷却的效 果 ,验证管道分布的合理性。定模上管道排布不同 , 型腔的加热效率极其温度分布的曲线不同 ,管道间 距、管道直径和管路数目、管道到型腔表面距离是影 响型腔表面温度分布的主要因素。模拟结果能够有 效的指导 RHCM 实际的模具设计 ,对研究 R HCM 模具结构 ,提高企业的生产效率具有重要意义。 200 塑性工程学报 第 16 卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第1期李熹平等:快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计01 nalysis of heat flux from molten polymers to molds in 参考文献 injection molding processes J]. International Polymer [1 DEDimla, M Camilotto, F Miani. Design and optimisar- tion of conformal cooling channels in injection moulding 4」平学成,健萍注塑模具瞬态温度仿真研究[J].机械 tools[J] Journal of Materials Processing Technolo gy 2005.(2):69 2005.(164-165):12941300 [5」庄俭,于同敏,王敏杰微注塑成型中熔体与壁面间传 2 S H Tang, Y M Kong, S M Sapuan, R Samin, S Sulaim 热系数对充模流动影响的研究卩J]传感技术学报, an. Design and thermal analysis of plastic injection 2006.(5):14661469 mould[]. Journal of Materials Processing Technology,[6]石宪章,田中,申长雨陈静波平板塑件瞬态传热解析 2006.(171)259267 解及其在冷却分析中的应用[J]中国塑料,2004.(9) [3 Y Shiraishi, H Norikane, N Narazaki, T Kikutani.A 63-67 (上接第175页) Forming Characterization and Simulation of Advanced High Strength Steels, SAE 2001-01-1 139: 1-10 参考文献 [4 XM Chen, JJ Drouin. Stamping and Crush Perform- [1 Guofei Chen, Xiao Ming Chen, Ming F Shi Material ance of Dual Phase Steel SAE2001-01-3074: 1-8 d Processing Modeling of Dual Phase Steel Front[5] Jody Shaw等.钢的强度和加工过程对冲撞能量吸收件 Rails for crash. Hsss PROCEEDIN gS 1998 : 161- 冲击变形的影响[]世界钢铁,2003.(3):2933 [6 M Chen, D A Witmer. Metal Forming Characteriza- [2 Z Cedric Xia, Craig E Miller, Maurice Lou. A Bench tion and Simulation of Advanced High Strength Steels mark Test for Springback: Experimental Procedures SAE200401-1048:1-7 it-Ring Test, SAE Technical Pape [7] Aleksy A. Konieczny等.汽车用双相钢成形性能评价 Series,2005-01-0083:1-8 [J].世界钢铁,2003.(1):34-38 [3 Jody Shaw, Kenichi Watanabe, Ming Chen. Metal 201994-2009ChinaAcademicJOurnalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp:/hwwwe.cnkiner
参考文献 [ 1 ] D E Dimla ,M Camilotto ,F Miani. Design and optimisa2 tion of conformal cooling channels in injection moulding tools[J ]. Journal of Materials Processing Technology , 2005. (1642165) :129421300 [ 2 ] S H Tang , Y M Kong ,S M Sapuan ,R Samin ,S Sulaim2 an. Design and thermal analysis of plastic injection mould[J ].Journal of Materials Processing Technology , 2006. (171) :2592267 [ 3 ] Y Shiraishi , H Norikane , N Narazaki , T Kikutani. A2 nalysis of heat flux from molten polymers to molds in injection molding processes [J ]. International Polymer Processing ,2002. 17 :1662175 [ 4 ] 平学成 ,健萍. 注塑模具瞬态温度仿真研究[J ]. 机械 , 2005. (2) :629 [ 5 ] 庄俭 ,于同敏 ,王敏杰. 微注塑成型中熔体与壁面间传 热系数对充模流动影响的研究 [J ]. 传感技术学报 , 2006. (5) :146621469 [ 6 ] 石宪章 ,田中 ,申长雨 ,陈静波. 平板塑件瞬态传热解析 解及其在冷却分析中的应用[J ]. 中国塑料 ,2004. (9) : 63267 (上接第 175 页) 参考文献 [ 1 ] Guofei Chen , Xiao Ming Chen , Ming F Shi. Material and Processing Modeling of Dual Phase Steel Front Rails for Crash , A HSSS PROCEEDIN GS , 1998 : 1612 170 [ 2 ] Z Cedric Xia , Craig E Miller , Maurice Lou. A Bench2 mark Test for Springback : Experimental Procedures and Results of a Slit2Ring Test , SA E Technical Paper Series ,200520120083 :128 [ 3 ] Jody Shaw , Kenichi Watanabe , Ming Chen. Metal Forming Characterization and Simulation of Advanced High Strength Steels ,SA E 200120121139 :1210 [ 4 ] X M Chen ,J J Drouin. Stamping and Crush Perform2 ance of Dual Phase Steel ,SA E 200120123074 :128 [ 5 ] Jody Shaw 等. 钢的强度和加工过程对冲撞能量吸收件 冲击变形的影响[J ]. 世界钢铁 ,2003. (3) :29233 [ 6 ] X M Chen ,D A Witmer. Metal Forming Characteriza2 tion and Simulation of Advanced High Strength Steels , SAE 200420121048 :127 [ 7 ] Aleksy A. Konieczny 等. 汽车用双相钢成形性能评价 [J ]. 世界钢铁 ,2003. (1) :34238 第 1 期 李熹平 等 : 快速热循环注塑模具加热与冷却过程分析及其结构优化设计 201 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
