快速热循环成型快速模具加热冷却方法的开发与评价

新型快速热循环模具的开发与评价摘要本研究开发了一种新的快速模具加热冷却方法。

快速模具加热，墨盒加热器装配在模具的孔中。

加热器与相应的安装孔之间有充满水环形缝隙。

在模具加热期间，加热器产生的热量先通过水隙将其转移到模座中，以提高腔表面温度。

快速模具冷却，压力冷却水通过环形间隙。

首先，要建立一个细胞模型，以评估新的快速模具加热和冷却的有效性方法。

在热响应分析的基础上进行了数值模拟调查加热器的间隙大小，功率密度的影响，以及加热器的布局上的热腔面响应。

此外，设计了大型液晶电视框架的注塑模具基于开发的快速模具加热和冷却方法制造。

数值模拟并进行实验，以评估的空腔表面的热响应效率。

结果表明，在大的温度范围内，空腔表面温度可以改变相对短时间。

仿真结果与实验结果吻合较好验证所建立的分析方法的有效性。

最后，进行了生产测试和制作液晶电视面板。

结果表明，该方法可以消除外表面上的焊缝痕零件的外表面光泽度可达到90以上，具有成型周期约60秒，与其他传统的快速模具加热和冷却方法相比能源和水的消耗可以大大减少。

一、介绍模具的温度控制在注塑过程中意义重大，因为它不仅直接影响成型周期，而且还对成型产品的质量影响很大，传统的注射成型（CIM）的过程中，模具温度是基于连续冷却的控制方法，其中冷却水通过冷却通道在注射模具的整个成型周期中。

因此，模具温度几乎保持不变，在整个成型快速模具加热和冷却技术中是必要的。

基于模具快速加热和冷却技术的注塑成型过程是所谓的快速热循环注塑（RHCM）过程。

对于快速模具冷却，传统的模具冷却方法通过冷却剂通过冷却通道是可行的。

然而，冷却液温度应高于CIM很多。

模具快速加热，大量的加热技术已被引入，在最近几年，他们中的一些技术已经成功地用于注塑工业生产。

现有的模具加热技术可分为外加热和内加热两大类。

外部加热，热源或加热装置位于模具底座外。

典型的外部模具的加热方法有火焰加热[ 1 ]，[ 2，4 ]–感应加热、红外线加热[ 5 ]，而且表面基于多层模具结构[6,7]电阻加热。

在外模加热中，热源产生的热量主要集中在模腔表面。

其结果是，腔表面的温度可以提高非常迅速，由于金属体积小，而且必须被加热，因此热容量比较小[ 8 ]。

这些外部模具加热方法的主要缺点是，设计相对较差的外部热源或设备的灵活性不好导致多层模腔表面温度分布不均匀、低层强度大以及火焰加热方法的安全性低等问题。

除了这些方法，还有一个特殊的外部模具加热法，使材料导热系数低的涂层或粘在模具表面的模具快速加热[9,10]。

这种加热方法的唯一性是它不需要任何外部热源或设备。

在注入过程中，注入的热聚合物熔体加热腔表面。

然而，这是让空腔表面被加热到非常高的温度的一种困难的加热方法。

内模加热，热源位于模座内。

基于热介质和电加热的筒式加热器和对流加热是注塑成型中两种典型的内模加热方法。

由于在整个模具底座加热，来提高腔表面温度，在传统的观点中他们被认为是低的加热效率和高能源消耗的加热方法。

然而，最近许多的研究表明，内模加热方法也可以实现高的加热效率，通过创新和优化设计的加热和冷却系统[ 11 - 13 ]加热效率明显提升。

目前，内模具的加热方法，特别是蒸汽加热法和电加热的方法，已广泛应用于注塑工业生产[ 14 - 15 ]。

相关塑胶零件涉及消费类电子产品，包括手机、电脑及电视、汽车产品及一些透明光学产品。

尽管内模加热方法在工业生产中成功应用，但仍有一些问题有待解决。

基于蒸汽加热RHCM，高温高压蒸汽发生器或锅炉，以及相应的配送线路是用于模具加热必要的蒸汽供应。

高压锅炉的使用和维护比较复杂，成本高，同时也存在一定的安全隐患。

此外，蒸汽的循环流出模具是非常困难的，通常是排入回水管直接连接到冷却塔，这导致了大量的能源浪费。

从模具加热效果的角度出发，沿加热通道的轴线方向的模具型腔表面温度分布不均匀是由于通道入口的渠道网点的蒸汽的压力和温度逐渐降低。

此外，锅炉提供的蒸汽的温度一般小于200 摄氏度，这反过来又决定模腔表面不能加热到非常高的水平[ 16 ]。

基于传统的电加热RHCM，与浮动型腔板和独立的冷却板模具结构通常要达到一个高的加热和冷却效率效率[ 17 ]。

然而，这样的模具结构是非常复杂的，从而导致模具成本高和模具强度降低。

为了获得空腔表面的高加热速度，所以电热元件紧密地安装在空腔中的孔或凹槽中。

因此，电热元件在安装后从孔中拔出是非常困难的，甚至是不可能的，一旦损坏，电加热元件的更换将带来很大的困难。

此外，由于电热元件与孔壁接触均匀，长时间的加热元件，过热也是一个潜在的风险。

针对内模加热方法存在的问题，提出了一种基于电加热和水冷却的快速模具加热冷却新方法。

分析了影响加热效率的因素。

在开发的模具加热和冷却方法的基础上，设计并制作了液晶电视面板的注射模。

数值模拟和实验进行了评估，加热和冷却效率的腔面。

最后，开发的模具进行生产测试，以验证新的内模加热和冷却方法的有效性。

二、快速模具加热冷却方法所开发的快速模具加热和冷却方法是基于电加热和水冷却。

与传统的电热模具相比，新研制的电加热模具的最大区别在于电热元件与相应的孔之间存在环形间隙。

环形间隙的存在可以大大简化电加热器的安装和拆卸。

此外，环形间隙也可作为冷却通道来冷却模具。

（图1所示的电加热模具的加热和冷却系统。

）因此，可以消除传统的电加热模具的外部分离冷却通道。

在模具加热时，电热器与相应安装孔壁之间的环形间隙应先用水填充，如图2所示。

这样可以显著提高该环形间隙的传热性能。

此外，热水器周围的水可以有效地避免加热器过热，从而提高加热器的使用寿命。

之后，电加热器加热以加热模具。

由于环形缝隙中水的存在，加热器产生的热量可以迅速地穿过环形间隙到空腔块，从而迅速提高模具表面的温度。

由于加热器所产生的热量几乎全部被用来提高模具温度，所以电加热法的能量效率远高于蒸汽加热法。

在模具冷却中，控制阀打开，低温冷却水通过环形冷却通道冷却模具。

由于环形冷却通道的面积远小于传统的圆柱冷却通道，环形通道内的冷却水可以达到一个湍流状态，冷却水的流速要小得多。

因此，冷却水的消耗可以减少。

由于是环形冷却通道造成水力损失会增加，所以对于这种新方法高压泵是必要的。

此外，与传统的电加热模具相比，新的冷却通道更接近模具表面，这也有助于提高冷却效率。

除了上述优点外，新的电热模具不需要任何外部孔作为冷却通道，这有利于简化模具结构，提高模具的强度，并降低制造成本。

图1-新研制的电热模具示意图图2-新型电热模具加热冷却原理示意图三、热反应的评价在注塑过程中，注塑模具的热响应效率是非常重要的，因为它直接影响成型周期和生产成本。

它已成为一个关键的技术指标，以评估快速模具加热方法的可行性。

因此在模具加热过程进行了数值模拟，以评估在本部分的模具腔表面的热响应。

研究了影响模具热响应效率的因素，得到合理的加热冷却系统设计方案。

3.1、分析模型一个细胞模型被用来评估新的电热模具[ 18 ]的热响应，如图3所示。

图中虚线点表示对称边界。

字符D，D，H，H，P分别代表加热器的直径，安装孔的直径，从加热器到模具外表面的距离，从加热器到模具底部表面和加热器之间的间距。

使用的电热元件是一种新型的防爆筒式加热器。

它主要由一个绝缘管、电阻丝、填料和不锈钢管组成，如图4所示。

筒式加热器的直径为8毫米。

该绝缘筒的直径、填料的厚度、加热元件的不锈钢管的厚度分别是5毫米，1.25毫米和0.25毫米。

图3--热响应分析的单元模型模具块的材料是一种新型的冷作工具钢，其热物理性能列于表1。

热导率，比热，密度分别由K，C和Q表示。

对筒式加热器元件的热物理性能列于表2。

加热筒和模座之间全是水，其热物理性能如图5所示。

所有参与的细胞模型材料的初始温度为30 摄氏度，与模具表面的温度是一样的，热是一种自然的空气对流，对流传热系数为15瓦/平方米C.在对称边界和底部的模型表面绝热边界条件的默认应用。

模拟热电阻丝产生的热通量施加负荷之间的绝缘筒与填料的界面。

热通量的值可用下列公式计算：HF = dS/ 2db在HF是加载的热通量，D是加热器的直径，DB是绝缘筒的直径是加热器的功率密度。

如果没有特殊说明，D，DB值是8毫米，5毫米和20 W/cm2。

图6示出了典型的网格模型的数值模拟的热响应。

图中字符“O”表示腔表面温度监测点。

在这个位置的温度响应是用来表示的空腔表面的热响应。

3.2、环隙对模具加热的影响为了定量研究加热器和结晶器之间的环形间隙的影响，进行了数值模拟的空腔表面与不同的间隙尺寸的热响应。

为了确保可比性，都保持恒定的模拟，H，H，P的值，如图3所示分别为15毫米，45毫米和20毫米。

如图7所示的是对应于不同间隙尺寸的腔表面的温度响应。

可以看出，随着加热时间的延长，腔体表面温度逐渐升高。

间隙尺寸越小，加热速度越高。

这在图8中可以看得更清楚。

60秒加热时腔面平均加热速度随着间隙大小的增加几乎呈线性减小。

空腔表面的温度升高的速率是约1.65 C / s，间隙尺寸为0.5毫米，而它是只有0.89 C / s，间隙尺寸为3毫米。

此外，值得注意的是从图7，在加热过程中的初始期间的空腔表面的温度几乎保持不变。

这样的初始周期被称为模具时间常数，它可以用来作为一个指标的热响应速率的模具[ 19 ]。

随着间隙尺寸从0.5毫米增加到3毫米，模具时间常数从5秒增加到10秒。

因此，为了实现高的加热效率的空腔表面，间隙大小应尽可能减少。

然而，间隙不能太小，或者电加热器可能与安装孔壁接触，从而导致加热器过热，防止模具冷却。

从传热的角度来看，环形水层的热阻对空腔表面的热响应有非常重要的影响。

因此，可以得出结论，空腔表面的热响应效率，可以大大提高通过提高水的传热性能。

出于这个原因，可以用一些有效的强化传热方法，如超声波和纳米流体 [20,21]。

3.3、功率密度对模具加热的影响目前，可高达40 W/cm2时，加热筒的功率密度。

为了调查电加热器的功率密度的影响，热响应模拟对应于不同的功率密度的加热器的基础上的细胞模型，如图3中进行。

调查的功率密度分别为10瓦/平方厘米，15 W/cm2时，20 W/cm2时，25 W/cm2时，30 W/cm2时，35w ／cm2和W/cm2。

H，H，P的值也保持恒定，在所有的模拟中，分别为15毫米，45毫米和20毫米。

此外，加热器和相应的安装孔的壁之间的间隙尺寸设置为1毫米。

如图9所示的是不同功率密度下谐振腔表面温度响应曲线。

研究发现，在不同功率密度的情况下，模具的时间常数大致相同，约为5 s。

随着加热器功率密度的增加，腔体表面的增加率相应增加。

图10示出的加热器功率密度与腔面加热速度的关系。

结果表明，随着加热器功率密度的增加，谐振腔的平均加热速度基本呈线性上升。

可以肯定的是，功率密度高，加热效率高。