高光無痕注塑成型模具熱響應(yīng)的研究

林 晨，陳忠家，蒙廣建，李 琳，韓永志

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，安徽 合肥， 230009；2.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥，230601）

0 前言

高光無痕注射成型（rapid heat cycle molding，RHCM）技術(shù)，又稱高溫快速熱循環(huán)注射成型技術(shù)，是一種新開發(fā)的注射成型技術(shù)。其工藝原理是：在合模前及合模過程中對模具進(jìn)行加溫，合模完成后，溫度達(dá)到設(shè)定條件即進(jìn)行注射。注射過程中模具繼續(xù)維持高溫，這樣可以使膠料在充模過程中保持很好的流動(dòng)性。注射完成后，在保壓冷卻時(shí)，則對模具降溫處理，又可以大大縮短制品的冷卻時(shí)間，從而提高了生產(chǎn)效率。

國內(nèi)外對高光無痕注塑進(jìn)行了研究［1－3］。許海航和吳宏武［4］對高光無痕注塑成型模具加熱冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。趙國群和王桂龍等［5－8］研究了傳熱速率、模具等方面。伍曉宇等［9－10］研究了RHCM的溫控系統(tǒng)。張鵬等［11］研究了RHCM 的動(dòng)態(tài)模溫控制技術(shù)。史玉升等［12］研究了冷卻介質(zhì)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

筆者通過對高光無痕注塑模具型腔的表面溫度和熔體中心層溫度分析，研究了模具的熱響應(yīng)規(guī)律和溫度均勻性，為模具設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 熱分析幾何模型

RHCM 模具必須有加熱、冷卻管道，便于在加熱和冷卻階段通過蒸汽和冷卻水對模具加熱和冷卻。筆者所選的塑件為電視機(jī)前殼，屬于薄壁回形件。模具由基體和鑲塊組成。為了研究高光無痕注塑模具的加熱和冷卻過程，忽略其型腔結(jié)構(gòu)的影響，將前殼簡化為平板塑件模型，取模具的典型對稱部分作為研究對象，如圖1所示。

圖1 二維幾何模型

圖1中：基體長40mm，鑲塊長30mm，水管直徑6mm，水管間距15 mm，水管中心線距型腔壁10mm，熔體層厚3mm，取中心層研究。

2 簡化與假設(shè)及邊界條件設(shè)定

普通注塑過程中模具的加熱冷卻過程非常復(fù)雜。高光無痕注塑模具由于其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，因此，為了便于研究其規(guī)律，進(jìn)行一些簡化與假設(shè)：

（1）假設(shè)模具、熔體以及冷卻介質(zhì)的熱性能參數(shù)為常數(shù)，加熱、冷卻介質(zhì)的溫度為恒值，忽略熔體與模具間的間隙熱阻。

（2）假設(shè)熔體和型腔壁完全接觸，不存在間隙，并且溫度相同。

（3）只考慮熔體與模具、模具與加熱冷卻管道間的熱傳導(dǎo)以及模具與空氣間的熱對流。

邊界條件也作如下設(shè)定：

（1）模具型腔表面 高光無痕注塑模具加熱和冷卻階段的邊界條件并不相同。加熱階段由于采用蒸汽加熱，所以蒸汽與型腔壁之間存在熱對流和熱傳導(dǎo)。這屬于傳熱學(xué)中的第三類邊界條件，如式（1）所示：

式中：q為熱流密度；α為換熱系數(shù)；t為注塑型腔表面溫度；t∞為環(huán)境溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。

冷卻階段熔體已充滿型腔，此時(shí)熔體與模具存在熱傳導(dǎo)。

（2）管道表面與模具接觸面 高光無痕注塑模具的加熱與冷卻管道為同一套管道。加熱階段向管道中通入170 ℃高溫的水蒸氣；冷卻階段向管道中通入20 ℃恒溫的冷卻水。通過改變通入加熱、冷卻介質(zhì)的時(shí)間，對注塑模具加熱、冷卻進(jìn)行控制。所以在模擬過程中，要對不同介質(zhì)與管道壁面的傳熱全面考慮，不能將不同溫度的介質(zhì)統(tǒng)一作為一種情況處理。

通過對高光無痕注塑模具的傳熱分析，確定了不同情況下的換熱系數(shù)：冷卻水介質(zhì)與管道壁面的換熱系數(shù)為6 400 W／m2·°C；蒸汽與管道壁面的換熱系數(shù)為7 990 W／m2·°C；加熱時(shí)模具與空氣之間的換熱系數(shù)為20 W／m2·°C；70°C 常溫水與模具管道壁面的換熱系數(shù)為3 971 W／m2·°C。

3 工藝條件

當(dāng)模具型腔的平均溫度達(dá)到115°C 時(shí)，開始向型腔內(nèi)注入熔體；當(dāng)模具型腔的平均溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，開模取出塑件。設(shè)定環(huán)境溫度為22 ℃，熔體溫度為235 ℃，水蒸氣溫度為170 ℃，冷卻水溫度為20 ℃。

4 材料性能參數(shù)

熔體材料為高光ABS，模具基體選擇45＃鋼，鑲塊材料選擇P 20。材料性能參數(shù)見表1。

5 有限元分析

5.1 加熱過程的溫度分析

綜合以上簡化與假設(shè)及工藝條件，應(yīng)用ANSYS建立高光無痕注塑模具的二維幾何模型，并分析模具加熱和冷卻過程中的溫度場和變化規(guī)律。

表1 材料性能參數(shù)

首先應(yīng)用ANSYS建立高光無痕注塑模具的二維幾何模型，然后設(shè)置工藝參數(shù)；對模具加熱過程模擬得到各時(shí)間點(diǎn)模具溫度場的分布。

管道間的中心距為15 mm，直徑為6 mm，中心線離型腔壁的距離為10mm。

經(jīng)過模擬發(fā)現(xiàn)：模具整體溫度分布呈帶狀，離管道越近處，溫度越高；而模具基體的溫度變化不大，維持在22 ℃；與管道距離相等處溫度分布較均勻，管道附近的模具部分的溫度比其他部位稍高；并且加熱過程中基體的溫度對高光無痕注塑模具的熱影響很小。

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)：加熱時(shí)型腔壁各點(diǎn)的溫差很小。這表示模具表面溫度均勻性很好。圖2為加熱過程中模具的溫度曲線。由圖2可見：加熱最初階段模具升溫速率較快，后期升溫速率逐漸減小，最后無限逼近170 ℃。這說明利用170 ℃水蒸氣加熱時(shí)，存在一個(gè)溫度上限值。

圖2 加熱過程中模具的溫度曲線

高光無痕注塑成型在加熱階段，將模具溫度快速加熱到較高溫度，一般高于塑料的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度。本實(shí)驗(yàn)的塑件為高光ABS。ABS的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度為105 ℃，所以選擇110～115 ℃為加熱過程結(jié)束時(shí)模具需要達(dá)到的溫度。通過分析，在9.2 s時(shí)，模具溫度會(huì)到達(dá)這個(gè)溫度范圍，即加熱過程結(jié)束。

圖3為加熱9.2s時(shí)型腔壁各點(diǎn)的溫度分布曲線。由圖3可見：距離管道越遠(yuǎn)處溫度越低；距離管道越近處溫度越高，且溫度以管道中心為中心對稱分布。最高溫度出現(xiàn)在距離水孔壁最近處，為114.77℃，最低溫度為112.33℃。模具表面的溫差為2.44℃。這表示模具表面溫度的均勻性很好。

圖3 加熱9.2s時(shí)型腔壁各點(diǎn)的溫度分布曲線

由圖3還可以看出：加熱9.2s時(shí)，模具溫度主要分布在112～114 ℃之間，已達(dá)到ABS的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度。此時(shí)加熱階段結(jié)束，隨即進(jìn)入冷卻階段。因此，可將9.2s時(shí)的模具溫度場作為冷卻階段的初始溫度場進(jìn)行分析，而且冷卻過程中要考慮熔體的影響。

5.2 冷卻過程的溫度分析

冷卻時(shí)模具的所有管道都通入冷卻介質(zhì)。作為模具型腔內(nèi)高溫熔體的塑件，在定模和動(dòng)模的共同作用下，快速冷卻達(dá)到脫模狀態(tài)。圖4為熔體層冷卻過程中不同時(shí)間下的溫度曲線。由圖4可見：在冷卻最初階段，熔體溫度下降的趨勢很大，隨后溫度下降逐漸變得緩慢。當(dāng)冷卻到塑件的平均溫度小于頂出溫度時(shí)，冷卻過程結(jié)束，可以開模取件。由于塑件表面均與型腔壁接觸，所以中心層的溫度最高，因此，只要塑件中心層的溫度達(dá)到頂出溫度即可，此處塑件的頂出溫度為80 ℃。

圖4 冷卻過程中不同時(shí)間下的熔體層溫度曲線

通過模擬分析：在塑件冷卻到21.34s時(shí)，塑件中心層的溫度分布在75～76 ℃，滿足頂出條件，此時(shí)可以結(jié)束冷卻過程。

圖5為熔體層冷卻21.34s時(shí)的溫度分布。從圖5可以看出：冷卻21.34s時(shí)，熔體中心層溫度最低分布在離水孔壁最近的位置，為75.78 ℃，最高為76.91 ℃，溫差為1.13 ℃。這表明塑件已充分均勻地冷卻。此時(shí)塑件達(dá)到頂出溫度，可以頂出，結(jié)束冷卻過程。由此可見：在加熱過程結(jié)束后還需要21.34s對塑件冷卻，這樣塑件才能均勻冷卻到低于熱變形溫度。

圖5 熔體層冷卻21.34s時(shí)的溫度分布

5.3 常規(guī)注塑溫度分析

為了對比高光無痕注塑成型與常規(guī)注塑成型的差異，研究了常規(guī)注塑成型完成一個(gè)生產(chǎn)循環(huán)的周期，所用的模型與高光無痕注塑的相同。由于常規(guī)注塑不存在模具加熱過程，所以只研究冷卻過程。首先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，得到管道一直通入70 ℃水的穩(wěn)態(tài)溫度場，作為冷卻分析的初始溫度場，再進(jìn)行分析。

圖6為常規(guī)注塑熔體的溫度變化曲線；圖7為冷卻30.3s時(shí)熔體的溫度分布。由圖6，7 可以看出：熔體在前20s時(shí)冷卻速率較大，以后冷卻速率變小。冷卻30.3s時(shí)，熔體溫度達(dá)到頂出溫度，最高為76.008 ℃，最低為75.997 ℃，溫差為0.011℃，冷卻均勻性很好；而高光無痕注塑冷卻時(shí)間為21.34s，遠(yuǎn)小于常規(guī)注塑成型冷卻所需的時(shí)間。

6 結(jié)論

圖6 常規(guī)注塑熔體的溫度變化曲線

圖7 冷卻30.3s時(shí)熔體的溫度分布

建立了高光無痕注塑成型模具的二維幾何模型；應(yīng)用ANSYS對模具整體的傳熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析；研究了加熱和冷卻過程中的熱響應(yīng)情況，得到了模具整體及熔體的溫度以及熱響應(yīng)情況。研究了提高模具加熱、冷卻效率以及可以改善溫度均勻性的因素；同時(shí)對比分析了常規(guī)注塑與高光無痕注塑成型周期。分析發(fā)現(xiàn)：高光無痕注塑的冷卻效率遠(yuǎn)高于常規(guī)注塑的。這是因?yàn)楦吖鉄o痕注塑通入的冷卻水溫度遠(yuǎn)低于常規(guī)注塑的，并且高光無痕注塑模具的加熱過程可以與開模、取件、合模同時(shí)進(jìn)行，而不計(jì)入成型周期。因此，隨著塑件壁厚的增加，高光無痕注塑技術(shù)的優(yōu)越性將更能體現(xiàn)出來。

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