注射成型模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化

1、鶇躋咆獎吖蔣艉隳囚踅酲注射成型模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化誰在髫荻擤媸紓肅憐河驗D.E. Dimla a, , M. Camilotto b, F. Miani b軍漳宵縱鉀拗遮瀲苑腹轄伯恩茅斯工程和計算設(shè)計大學(xué)， 英國，多塞特，伯恩茅斯，基督城癀封禊蟠蟥恧洮嘞涂隕糕摘要 隨著消費壽命越來越短，諸如手機的電子產(chǎn)品在人群中變的越來越時尚，注塑成型依然是成型此類相關(guān)塑料零件產(chǎn)品的最熱門方法。成型過程中熔融聚合物被注入模具型腔內(nèi)，經(jīng)過冷卻，最后頂出塑料零件產(chǎn)品。在一個完整的注塑成型的過程主要有三個階段，沖模，冷卻和頂出。成型周期決定生產(chǎn)的成本效益。相應(yīng)地，其中三個階段中，冷卻階段是最重要的一步，它決

2、定零件的生產(chǎn)速率。這項研究的主要目的在于使用的有限元分析和傳熱分析在注塑成型工具中配置一個最優(yōu)的和最有效的冷卻/加熱的水道。一個適合注塑成型典型的組件3D CAD模型的最佳的形狀的設(shè)計完成之后，用來成型塑料零件的型芯和型腔的設(shè)計才得以實現(xiàn)。這些也用在有限元分析和熱分析，首先確定注射入口的最佳位置，然后確定冷卻渠道。這兩個因素對成型周期影響最大，如果要減少的成型周期時間，那么，首先必須對這些因素進行優(yōu)化并使其減至最低。分析虛擬模型表明，與傳統(tǒng)冷卻模具相比，這樣設(shè)計的冷卻水道將大大減少循環(huán)時間，以及明顯的改善制品質(zhì)量和表面光潔度。校垂蜉紿氵慳柏悅璁夼亠關(guān)鍵字 模具設(shè)計優(yōu)化，注塑成型橇嘉龠槨顢釘鄣孌

3、陶膜及1 引言：祝檢潘滯嶇就純昵鐸霪漢注射成型是塑料部件工業(yè)生產(chǎn)中其一個利用最多的生產(chǎn)過程。它的成功在于，與其它成型方式相比，如吹塑成型，有高的三維形狀塑造造能力，能帶來更高的效益。注塑成型的基本原則是一種固體聚合物經(jīng)加熱熔融后注入一模具型腔;然后經(jīng)冷卻后從模具頂出，獲得與型腔結(jié)構(gòu)相似的制品。因此一個注塑成型的過程的主要階段，涉及充模，冷卻和制品頂出。成型過程的成本效益，由成型所花的時間即成型周期決定。相應(yīng)地，其中三個階段中，冷卻階段是最重要的一步，它決定零件的生產(chǎn)速率。因為在大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)，時間和成本有很強的聯(lián)系。成型周期越長，生產(chǎn)該制品的成本就越高。減少塑件被頂出前所用冷卻時間，可以大大提

4、高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，因此也就降低了該產(chǎn)品生產(chǎn)成本。因此，了解此是非常重要的，從而，優(yōu)化傳熱過程，使得典型的成型工藝效率更高。從歷史上看，這已得到了應(yīng)用，通過在模具（核型和型腔）內(nèi)打幾個直孔 ，注入冷卻液體進行循環(huán)，帶走模具中過多的熱量實現(xiàn)冷卻，使零件可以很容易地頂出。利用傳統(tǒng)的加工工藝，如鏜孔，加工直孔。然而，這個簡單的技術(shù)只能加工直孔，因此，主要問題是目前還沒有生產(chǎn)如等高線一樣的復(fù)雜的冷卻水道和其他三維結(jié)構(gòu)。另一種設(shè)計冷卻系統(tǒng)的方法已經(jīng)提出，該系統(tǒng)符合設(shè)在型芯，型腔，甚至兩者中都可以。這種方法采用的等高樣的水道，構(gòu)造是水道盡可能接近成型零件表面 ，以從熔融塑料吸收帶走更多的熱量。這將確保該塑件

5、均勻冷卻，以及使生產(chǎn)效率更高。律窒畎神滓萬禍鈀絢朽碡該研究的第一部分主要集中在審查和評價注塑成型過程，以介紹此研究的理論及背景。然后對開發(fā)和應(yīng)用冷卻水道的方法進行研究，并找出最可行的方法。蜘褪閡課珧耷卮褻扦植某人們通過應(yīng)用有限元和熱流量的分析對設(shè)計工具進行精煉，現(xiàn)在特定的軟件已被用來優(yōu)化設(shè)計與構(gòu)造模具。先后，基于虛擬模型的冷卻通道的效率的研究是利用軟件I-DEASTM的原型和仿真。這項研究正在進行，在此希望其最終發(fā)展到一定的水平，能在決定生產(chǎn)零件成型的規(guī)格上熟練使用所需的虛擬模型。蘆眉接薯焚公瞀懼肴徂爆2 注射成型工藝的簡要概述芎事禪椿撿蠓惑病魅拔股與其它所有的生產(chǎn)方式一樣，注射模具生產(chǎn)目前也

6、需要降低其成本以保持市場競爭力。這方面的需求通過利用包括設(shè)計軟件，計算機數(shù)值控制機械等不同的技術(shù)已得到解決。有了這些技術(shù)后，注射成型生產(chǎn)才得以實現(xiàn)，其生產(chǎn)成本取決于成型周期時間的長短?？梢酝ㄟ^調(diào)整模具結(jié)構(gòu)來縮短成型周期，但最后的分析表明，成型時間主要取決于模具能使熔融聚合物快速冷卻的能力。冷卻液體會在設(shè)定的溫度下通過模具上冷卻水孔進行冷卻定型。同時必須保證熔融聚合物均勻流到模腔的各個部位，且在最短的時間內(nèi)使其散失熱量進行冷卻。直至目前為止，這些水孔只能通過鉆孔方式進行加工，而這種方式只能加工直孔。如果將冷卻水道整體設(shè)計成與塑件形狀一致，同時改變它們的截面以增加導(dǎo)熱面積，這樣就可以大大提高塑件冷

7、卻的效率。塑料也將更加均勻冷卻，所以也可能有助于減少塑件頂出時的翹曲變形。賑羿誚汕侉線焙薰亨擺姿2.1 溫度控制喳蟣鱟糖鄢皺鑾錁戚眺尻成型溫度，例如熔融聚合物溫度，模具溫度，環(huán)境溫度和夾緊系統(tǒng)的溫度都必須控制在一定范圍之內(nèi)（圖1 ）。塑料熔體注入模腔后，必須通過冷卻固化后才能獲得所需制品形狀。模具的溫度通過冷卻液在模具內(nèi)冷卻水道中的的循環(huán)進行調(diào)節(jié)，一般用水或油作冷卻液。當(dāng)塑件充分冷卻后才能從模腔頂出，冷卻過程中熔體 (95%)會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，這樣有來料對其進行補償，同時也會有一些收縮會在塑件上保留下來1。枸錛耪畿漲酎籀罱琰娉至蓀雋堋愛鋃躒氅戲菀酉毹圖1. 注射過程中的溫度記錄圖背甯蘼督獰柜窿涯

8、橐藍猥2.2 壓力控制虬止臺圩苷芴哞丞藺蔬勞注射裝置和夾緊系統(tǒng)都要求要求有一定的壓力，且兩者方向相反（圖2）。注射系統(tǒng)中的壓力可以分為三種：注射壓力，保壓壓力和塑化壓力。所有這些都是通過螺桿的運動實現(xiàn)的。在夾緊裝置中，由油泵液壓系統(tǒng)控制移動模具所需要的壓力。保壓壓力是在注射完成后對冷卻凝固過程中產(chǎn)生的收縮空間進行補料，以保證塑件形狀而設(shè)定的。泫鯢狃薦鎵視拓住廁延栳釋畛赭刃反妒浚瞪舐律逵圖2. 注射過程中的壓力記錄圖蹬萏丸每堙镅骷捱榪撟奏2.3 時間控制且藶仳磯孽腔搟貿(mào)閨前穹 時間是在整個成型過程中最重要的參數(shù)。從成型周期時間可估計生產(chǎn)成本和機械效率。原則上在時間方面應(yīng)加以控制，其中包括：合模時

9、間，注射時間和冷卻時間。圖3 以一個簡單的示意圖顯示了一個典型的成型周期。呤闊賭偎側(cè)晗卟叔譫快戛冕撐胥嚕泳旅嗔蝗倥恿醑圖3 成型周期禚吃踴冰畎坰旄靼陷佬臨2.4 熱參數(shù)鼠刃檻超搛投乃胙衲肓刺 盡管塑料材料有很高的熔融溫度，他們特定的性能與溫度有很大的關(guān)系。過高或過低的溫度都會對塑件結(jié)構(gòu)帶來損壞。研究其熱性能有利于了解和預(yù)測其其它各性能。因此，成型冷卻時間必須合理設(shè)置，第一，塑化的厚度，第二，熔融熱的耗散。與金屬不同，塑料材料具有特殊的熱容量，且高結(jié)晶塑料比非結(jié)晶擁有更高的熱容量。與其它材料，例如與金屬，比較之下，塑料有一個大的熱膨脹系數(shù)。可以通過加入礦物填料，如玻璃纖維，來改善塑料的熱性能。汛

10、輕郄箍糕頭瘦篪椅缺窶2.5 冷卻水道諂宥賡簟艾嫁防例魔緦楚與其它多數(shù)制造業(yè)相同，產(chǎn)品的制造時間與其成本有密切的關(guān)系。生產(chǎn)零件的時間越長，其成本就越高，注射模具成型制造的生產(chǎn)周期主要在于其冷卻時間。所以，減少冷卻時間將能降低零件的生產(chǎn)成本?？梢栽谀＞咧屑庸こ隼鋮s孔，然后以一定壓力壓入冷卻液體使其在水孔內(nèi)循環(huán)，這樣通過熱交換來控制模具溫度。常規(guī)的鉆孔機械如CNC客以用來鉆直孔。其中最主要的問題在于，不能制造加工在三維方向上的比較復(fù)雜的冷卻孔，尤其是在靠近模具壁的地方。 這樣模具冷卻不均勻，引起制件收縮翹曲，冷卻時間增長（圖4），導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的效率大大降低。另一方面來說，如果盡量依照零件的形狀(圖5

11、)加工成型冷卻的水道，塑件的冷卻也會變的比較均勻，這樣冷卻時間可以顯著減少，冷卻效率提高。此外，如果塑件能在非常均勻的溫度下被頂出，出模是的收縮也將是均勻的，這樣也可避免塑件在頂出時產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。最后，設(shè)有這種冷卻系統(tǒng)的模具比設(shè)有常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)冷卻系統(tǒng)的模具更易達到設(shè)定的操作溫度3,4。氚澹歿肺誰紅裥舭所祝茇這樣就可以減少啟動模具到所生產(chǎn)操作條件所需要的時間。當(dāng)聚合物熔體被注入模具后，遇到模具壁就立即冷卻固化。如果塑件的體積較大，且其厚度不太小時，冷卻固化的聚合物可能增大注射的阻力，導(dǎo)致模腔不能被完全填充。在這種情況下，需要對物料加熱到一定的溫度，以增加其流動性。盡管有這些好處，但我們也要注意到，模

12、具中一定形狀的復(fù)雜的冷卻孔的加工制造將大大增加其最初成本，盡管這門技術(shù)能給生產(chǎn)帶來很多好處。悴采疏籪獒逡艄咸瞰痍戇鋁谫巽愈臏添宦焉膩郝挨圖4 一副模具型芯型腔的冷卻水道仄潦砜茭滯陶蜘錦禁境毒黨臨碑倨獅淋捂件尺犁暮圖5 同一模具的隨形冷卻水道回盜探膻鏞居醅匝堙桿檢3 隨形冷卻孔概述將枰敝?jǐn)D桁熨陀洶豉芏于關(guān)于隨形冷卻孔的效率問題，Ring等人對三個具有不同結(jié)構(gòu)的模具進行了研究，其中有的加工有隨形冷卻水孔，有的沒有，結(jié)果表明，由于改善了熱傳遞效率，配置有隨形冷卻孔的模具，其生產(chǎn)周期大大縮短，生產(chǎn)效率大大提高。Jacobs發(fā)表了一篇文獻，文獻主要論述了隨形冷卻孔的重要性，同時介紹了一種高導(dǎo)熱性能的新材

13、料6。這項研究表示，與配有常規(guī)冷卻水孔的模具相比較，隨形冷卻孔的設(shè)置(層狀的銅的鎳或銅模子)使模具成型生產(chǎn)效率提高大約70%。Sachs等也對隨形冷卻孔和鉆孔法加工的冷卻孔進行了比較研究3。根據(jù)他們的調(diào)查,他們對模具核心腔加上軟件的使用技巧,進而建構(gòu)模具理論和實驗數(shù)據(jù)作比較.分析顯示,隨后模形通道溫度高于常規(guī)，實現(xiàn)一個更加有效的溫度分布均勻傳熱能力。閹棲汀秒螃鄱鉻童祛砍膽 拜恩7提出了一種控制模具溫度的方法，即通給隨形冷卻孔以一個準(zhǔn)確的定位來實現(xiàn)控溫的目的。同時他也分析了系統(tǒng)與環(huán)境的熱交換的影響，以通過精確計算，設(shè)計更為有效的冷卻系統(tǒng)。锍灞煺漚櫛薤祜縻痙粟麩 Park and Know 8 進

14、行了根據(jù)修改過的邊界元素法的對鑄造的過程進行了熱分析，這是一種靈敏度分析，有利于模具的優(yōu)化設(shè)計過程有效進行。通過熱分析優(yōu)化設(shè)計可對冷卻時間和表面溫差進行準(zhǔn)確的預(yù)測，這表明對于較理想模具設(shè)計，特殊在模具型號和冷卻孔的設(shè)計方面，靈敏度分析法是一個很好的設(shè)計方法。這樣在同一臺機器中設(shè)置了有利于塑件冷卻的加工條件，使影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)力因素降到最少。倭胨艟宵撥芎錫沫蔥多滌 模具冷卻水孔的方面存在的問題不僅僅是去設(shè)計加工冷卻孔結(jié)構(gòu)，更在于怎么將這種技術(shù)很好地應(yīng)用到多種多樣結(jié)構(gòu)的型腔冷卻孔的設(shè)計加工。徐等9對如何克服這個問題作出了解答和提議。即將原型劃分為多個小的區(qū)域，這樣有利于對整體結(jié)構(gòu)的研究分析，再對

15、每個區(qū)域進行設(shè)置冷卻水孔。然后綜合前面的分析結(jié)果，對整個結(jié)構(gòu)進行構(gòu)造。為解決冷卻問題，李10也提出了類似的方法，建議通過公認算法將模具按其區(qū)域結(jié)構(gòu)特征不同劃分成不同的小塊。然后，根據(jù)每小塊的結(jié)構(gòu)特點，分別設(shè)定不同結(jié)構(gòu)的冷卻孔，并對其進行最后的組合形成完整的冷卻系統(tǒng)。算法是基于“超二次”,即模具形狀特征參數(shù),諸如在采用計算機繪圖時需要參數(shù).這種方法是解決問題的最好的選擇,可以近似估計整個塑件的結(jié)構(gòu).這樣，冷卻系統(tǒng)變得容易被仿效. 當(dāng)有著復(fù)雜的零件制造時這種做法是十分有效的.椽靂蹁儆簿商分稀務(wù)蜆斐4 模具零件（MPA）分析嚷艚馗憷劍池楸敝皓素忄 基本思路是，首先應(yīng)用I-DEASTM構(gòu)造一個虛擬模型

16、，再進行模擬分析確定最佳的流道位置。 然后進行冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。先后對示范作進一步的分析,如有限元分析改進設(shè)計，為了幫助設(shè)計者確定模具制造的零部件，應(yīng)用MPA對虛擬模型進行最后的分析。對軟件唯一的要求就是能對零件材料作出正確的選擇。殃檳放抹坫韻舫幕焊淳羝4.1 模型儷鐒衽鋅湎繁饣塄逆朔粱 分析試驗中進行模型結(jié)構(gòu)的選擇，其依據(jù)是零件基本規(guī)格和成型塑件的特點，如模具表面斜度的設(shè)置要保證塑件冷卻成型后能順利被頂出。這個模具 (圖6)表面形成一個長方形并設(shè)有一個大小有 8角度。塑件型腔內(nèi)設(shè)有加強筋，這樣可以增強其機械性能，也可避免成型中可能產(chǎn)生的變形。栗牝胲阡刑刳題竟踹觀邳肌舂剴餞較柵肼褡坷誤滸圖6 模

17、具的3D視圖雕膛麻筋巰尋胃煨嘲蹈鉦4.2 流道澆口位置菝褫航心鉛赍猁稼憚笏瀑最佳澆口的設(shè)置，要通過反復(fù)的試驗才能實現(xiàn)，可以同多塑件質(zhì)量來衡量設(shè)置的好壞，諸如表面熔接痕，氣泡數(shù)量等(圖7為一個典型的熔接痕情況)。澆口可以設(shè)計在底部中心位置和內(nèi)外表面。流動分析表面，兩種設(shè)置的整個成型周期相同，但澆口設(shè)置在外表面時塑件表面的成型熔接痕要小一些。選擇澆口位置的標(biāo)準(zhǔn)在于是否能保證塑件的表面質(zhì)量以及短的成型周期。如果在塑件外表面設(shè)澆口，則會有聚合物凝料在澆口處形成，塑件被頂出后需要對其進行切割處理，由此比較浪費時間，不適合進行制件生產(chǎn)。另外，如果把流倒設(shè)在型腔內(nèi)，將導(dǎo)致有新的問題出現(xiàn)，形狀復(fù)雜的冷卻水孔的

18、布置將受到限制，澆注系統(tǒng)難以配置。詢攥灬鏘莎螂嵋芍腓幞囊設(shè)置較多的澆口并不能改善塑件質(zhì)量，也不利于降低冷卻時間，只會使冷卻孔的配置更為復(fù)雜。所以，一個澆口還是最為理想的。寤揶稼芄肆唬浣蔡炒碉蹺以下是通過計算機模擬預(yù)測而設(shè)置局部優(yōu)化解決方案：二倪瀘漾筵氤眠孳锝噶預(yù)（1） 著力減少內(nèi)外表面的熔接痕，如圖8與圖7相比較。絹覯肘凄濮綸鍛婉譴勞淙（2） 加強加工質(zhì)量的預(yù)測（圖9）蟲番繞諼自吾忙楷滇鰾攜（3） 進一步的質(zhì)量檢查，設(shè)置冷卻孔。結(jié)果表明，塑件上沒有明顯的痕跡出現(xiàn)，定出時間也在1s左右，非常合理，即澆口位置合適（圖10）。池癖慰闞換胍垃熨巰璧敏（4） 同樣地，表面溫度和凍結(jié)時間的預(yù)測率也達到了預(yù)

19、期目標(biāo)（圖11，圖12）。善痔沛磺縵躔胙硝羿菖蝸 圖10從根本上表明，優(yōu)化條件的選擇使得成型工藝過程可順利成型，這樣更加保證了成型塑件的質(zhì)量。這種條件下，注射時間預(yù)計為1.18 s。菡衾輜棉蜊貴卦樺箴哭儐 攜俘刮刂抵躊鞏箔鷴捩偷圖7 模具表面的熔接狠 圖8 減少模具外表面的熔接痕飧麻鋼笆寥嗨憐鰾譯酤戧 掂簌鰣窘扦妗莽晦渺基踢圖9 獨立澆口位置：質(zhì)量預(yù)測 圖10 計算機分析結(jié)果磯卟墓訓(xùn)墻豆狗跫癡精赦 薅撈崆門孌雜笙巫金導(dǎo)經(jīng)圖11 表面溫度 圖12 冷卻時間嬲篩縹扮氖好峒漆鶉嫫飾5 冷卻水道定位笛踺憾啄驍哲餡鉛攘盯螵5.1 一般考慮因素薩岍庚硪稹肚猙挑忐詢伶制件的最終輪廓和形狀精確性不僅僅是由其成

20、型工藝條件決定，而且也取決于成型時型腔壁的溫度高低11。物料的冷卻過程即為結(jié)晶過程，為了是物料順利冷卻結(jié)晶，對模具溫度必須進行嚴(yán)格的控制，因此，冷卻系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位對于生產(chǎn)合格的制品來說是非常重要的。確定流道位置關(guān)鍵問題在于如何保證型芯和型腔整體有均一的溫度。如果型腔內(nèi)兩個部位有很大的溫度梯度，這將導(dǎo)致塑件翹曲或結(jié)構(gòu)的破壞（圖13）。案婦踽瀆臼莼酌百正韌琚拋繼雙鄺階鐮瓜艘鮚浠譫圖13. 溫度梯度影響11鎩涎佛凌貧櫞畢鱭義遞戎既要盡可能縮短成型周期，又要保證熔體的順利結(jié)晶，一個折中的辦法是，冷卻系統(tǒng)的設(shè)置要保證模具壁有一個均一的溫度，另外也要保證聚合物物料均勻冷卻，這樣就比較符合生產(chǎn)的要求。敲筇準(zhǔn)

21、通賒科氬讖莖葆瘰5.2 溫度特性嚎逼禹瘦裸夏長熱肝盆懶由于諸如模具材料性能和聚合物原料性能等多種因素的影響，在成型周期中，模具的溫度有周期性的變化（圖14）。冷卻系統(tǒng)不能控制這種波動的幅度，但是，最重要的是當(dāng)具有高溫的聚合物熔體流動到型腔并與型腔壁接觸時，會產(chǎn)生最大的溫度回升現(xiàn)象11。所以，必須對相關(guān)的物理效應(yīng)進行監(jiān)測，來保持模內(nèi)溫度的均一性。蚊并拶綿幔蠃痖秸諒辣鞔第圣壹孺希裴悄莊釓農(nóng)郟 模具內(nèi)凸高的區(qū)域容易產(chǎn)生熱量的集中，因此需要比較集中的冷卻水孔。相反，在凹低的區(qū)域，由于有較多的物料存在有利于散熱，因此其不需要太集中的冷卻孔。由此，必須注意這些區(qū)域彎道和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計及配置。在三維冷卻系統(tǒng)

22、的設(shè)計中，需要考慮三面的因素：截面的直徑（或當(dāng)不是圓形時截面面積）;孔與孔之間的距離；孔與模具壁制件的距離；冷卻孔直徑的選擇和流道的設(shè)計時需要考慮的問題是其使系統(tǒng)產(chǎn)生壓力損失。Zollner 11中對加熱與冷卻中壓力損失的關(guān)系進行了研究論述，并指出了確定冷卻孔位置的方法。對此關(guān)系的研究結(jié)果表明，在半結(jié)晶熱塑性塑料中為2.5到5 之間，在無定形熱塑性塑料中為5到 10 。兇钚敬戛喟薔掖鍛赫驗糇5.3 型腔冷卻水道定位菩踞視淥謊蛭哪喊弱歲羚 在此研究中，對于型芯及型腔中冷卻孔的設(shè)置提出了多種不同的方案，并將隨形冷卻系統(tǒng)（圖15）和直孔冷卻系統(tǒng)（圖16）相對比。由于有限元分析軟件包只對其四分之一進行

23、了插入分析，因此還必須對這些零件進行全面的分析。順著塑件的表面，要設(shè)置四條冷卻水道，其中三條用于其側(cè)表面降溫，另外一條對其底部進行冷卻降溫。迷奏罄椏棵嫠誚扌劓箋楫 孝咯蔞腑財揣靡掂測劑圳圖15 型腔隨形冷卻水道皆炎仨朐纓慳條奠共鎦姝 嗎兵梃煸詼倦剴雙鬢唇啻圖16 型腔直線冷卻水道蹭枧克猬諂碉鴛該荮應(yīng)甬5.4 型芯冷卻水道定位群徘楓嗄牧苕遺鱟靦斃必 型芯的冷卻系統(tǒng)由兩條順著型芯幾何表面形狀的冷卻孔組成，其中一條流道對其頂部和短尺寸表面進行冷卻，另外一條用來冷卻其相對較大的表面?？梢酝ㄟ^設(shè)置彎道來減少.冷卻系統(tǒng)中流體動力的損失。 在直流道的方案中，一條水道（圖18）的加工需要三種鉆孔操作。在這種情

24、況下不可能有圓角，這要對冷卻液體的損失較前一種方案要大。下一步是有限元分析，以檢查該零部是否能夠抵抗注射是的巨大壓力。速胖蜀連唾集從調(diào)鈧嵇妞這項研究工作一直在進行，而且由于在注射過程中，其底部承受的壓力為最大，研究也將集中在這樣的部位。醵躍準(zhǔn)教逗溪斤醅匾幌蘄觶噓榪颥酮噱駔摸館釁殃圖17 型芯隨形冷卻水道氌撥罌玩炻謔氮好拐磚舶撤卻餳燦虼約疬蹇藁淮濱圖18 型芯直線水道攻廾困殳奇烤弈弭祟眶草6 結(jié)論銅么技怨鞔髫搭踉滅拱遛 作為注射模具結(jié)構(gòu)組成的一部分，隨形冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化已可以通過虛擬樣機模擬進行。這種方法包括塑件三維CAD模型的建立，其中型芯和型腔的構(gòu)造都是通過這種方式實現(xiàn)的。模擬研究表明，

25、與直流道的設(shè)置相比，可以對隨形冷卻水道進行優(yōu)化設(shè)計并預(yù)測流道的最佳位置，更有利于縮短制件的冷卻時間，提高生產(chǎn)效率。該研究正在進行，在此希望通過虛擬模型技術(shù)對零件生產(chǎn)成型規(guī)格進行確定，最終將此項研究提高到一個較高的能力水準(zhǔn)。引用有限元分析法對型腔型芯樣本進行測試，這方面需要做更多的工作，一檢查模具對注射壓力了承受能力，并最終設(shè)定模板的厚度。對于一些嚙合結(jié)構(gòu)的塑件，需要對其進行結(jié)構(gòu)平面化，并利用平面要素處理，這樣也有利于在隨形冷卻系統(tǒng)和傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中理解冷卻時間。鞭痂蹦佃茲膾蟊粒獎歷犖兵戩臟盲迕恨滑哆括烈嘩龍譙檁臚瞇廡款岜霈羼澗閂媽鳳醭策掣舜聶鄹仰嗷甘市轂閹瞠耍萏列邁丑乓鵂筠裊枝坭嫦咼動硝核裒救蹂

26、柬痰匹黃俏坦填條景寤危楂銎歆械科的崽镅游預(yù)迂灌剔解茸鈞架黎舞猩醇鰒酮沫宮匭苗粢磊諢僧陣蘋蜈埋贛澍材施璺迸膏參考文獻：汪鯀旎底踽題廂蒔總坊桿1 D.M. Bryce, Plastic Injection Moulding, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, MI, 1996.禎齄更竣鲴婧媯逗甩鉦婧2 Anon., Intelligent Systems Laboratory, Michigan State University, 1999 accessed October 30, 2003. http:/islnotes.cps.msu.

27、edu/ trp/inj/inj time.html.唾窈寇敦顆局瞑略疙瞿蚋3 E. Sachs, et al., Production of injection molding with conformal cooling channels using the three dimensional printing process, Polym. Eng. Sci. 40 (5) (2000) 12321247.肫功錢渣奶猾鍍莽鞏嫘菲4 K.W. Delgarno, Layer manufactured production tooling incorporating conformal he

28、ating channels for transfer moulding of elastomer compounds, Plastic Rubber Compos. 30 (8) (2001) 384388.銷愍惘居沾斯冫桔荇肅鬼5 M. Ring, et al., An investigation of effectiveness of conformal cooling channels and selective laser sintering material in injection moulding tools, RPD (2002) 15.紗注襻避盛忽包喘奘綿告6 F. Jac

29、obs, High-conductivity Materials and Conformal Cooling Channels, Warwick Manufacturing Group, Warwick University, UK accessed September 29, 2003. rpd399.xpress.html.貽髡想娥每眭循詞碣乃接7 Anon., Rapid tooling/rapid prototyping, EGS Associates Corporation accessed September 29, 2003. rapid tooling.htm.惱伉鎢堰鎂墓蔡鉅

30、烊僚埸8 S.J. Park, T.H. Know, Thermal and design sensitivity analyse for cooling system of injection mold, Part 1 and Part 2, J. Manuf. Sci. Eng. 120 (1998) 287305.羅緒揮甍裝恬絮膠綢痢梆9 X. Xu, et al., The design of conformal cooling channels in injection molding tooling, Polym. Eng. Sci. 41 (7) (2001) 12651279.

31、於獗毓呦唾臥婿曠翻碹錢10 C.L. Li, A feature-based approach to injection mould cooling system design, Comput.-Aided Des. 33 (2000) 10731090.陋囔證獨盞久仁茛嗤麂蕃11 O. Zollner, Optimised mould temperature control, Appl. Technol. Inform. (1997) 1104.色椎銅淶眶輔溈蝽綺化瞢Design and optimisation of conformal cooling channels in贍吸旺溴迤常刷

32、窈癘綈汔injection moulding tools莧稂吵舞門入噼雜俺票籍D.E. Dimla a, , M. Camilotto b, F. Miani b興競筷甯讎洞鰾拮歇蔥堤a School of Design, Engineering and Computing, Bournemouth University, 12 Christchurch Road, Bournemouth, Dorset BH13NA, UK劑遁非泫湮艸嘟炙嫌咧商DIEGM, Universita Degli Studi di Udine, via delle Scienze 208, 33100 Udine

33、, Italy血鈴藩糯癔色傅醑而岔保Abstract仳蘗滔糯稆拘糈齷嚙韁銬 With increasingly short life span on consumer electronic products such as mobile phones becoming more fashionable, injection moulding remains the most popular method for producing the associated plastic parts. The process requires a molten polymer being injected

34、 into cavity inside a mould, which is cooed and the part ejected. The main phases in an injection moulding process therefore involve filling, cooling and ejection. The cost-efficiency of the process is dependent on the time spent in the moulding cycle. Correspondingly, the cooling phase is the most

35、significant step amongst the three, it determines the rate at which the parts are produced. The main objective of this study was to determine an optimum and efficient design for conformal cooling/heating channels in the configuration of an injection moulding tool using FEA and thermal heat transfer

36、analysis. An optimum shape of a 3D CAD model of a typical component suitable for injection moulding was designed and the core and cavity tooling required to mould the part then generated. These halves were used in the FEA and thermal analyses, first determining the best location for the gate and lat

37、er the cooling channels. These two factors contribute the most in the cycle time and if there is to be a significant reduction in the cycle time, then these factors have to be optimised and minimised. Analysis of virtual models showed that those with conformal cooling channels predicted a significan

38、tly reduced cycle time as well as marked improvement in the general quality of the surface finish when compared to a conventionally cooled mould.濉班樞翥漆牽叻跟泌芍虞Keywords: Tool design optimisation; Injection moulding儔歉驄酏鐲舡凄第觫鉗昧1. Introduction懨碑瓚薇輯諞璞巴噍蔽廖Injection moulding is one of the most exploited indus

39、trial processes in the production of plastic parts. Its success relies on the high capability to produce 3D shapes at higher rates than, for example, blow moulding. The basic principle of injection moulding is that a solid polymer is molten and injected into a cavity inside a mould; which is then co

40、oled and the part ejected from the machine. The main phases in an injection moulding process therefore involve filling, cooling and ejection. The cost-efficiency of the process is dependent on the time spent in the moulding cycle. Correspondingly, the cooling phase is the most significant step among

41、st the three, it determines the rate at which the parts are produced. As in most modern industries, time and costs are strongly linked. The longer is the time to produce parts the more are the costs. A reduction in the time spent on cooling the part before its is ejected would drastically increase t

42、he production rate, hence reduce costs. It is therefore important to understand and thereby optimise the heat transfer processes within a typical moulding process efficiently. Historically, this has been achieved by creating several straight holes inside the mould (core and cavity) and forcing a coo

43、ler liquid to circulate and conduct the excess heat away so the part can be easily ejected. The methods used for producing these holes rely on the conventional machining process such as drilling.However this simple technology can only create straight holes and so the main problem is the incapability

44、 of producing complicated contour-like channels or anything vaguely in 3D space. An alternative method that provides a cooling system that conforms to the shape of the part in the core, cavity or both has been proposed. This method utilises a contour-like channel, constructed as close as possible to

45、 the surface of themould to increase the heat absorption away from the molten plastic. This ensures that the part is cooled uniformly as well as more efficiently.雋鵒散羔捏霉媛昌獸攘掙The first part of this investigation concentrates on reviewing and evaluating the injection moulding process, to set the knowle

46、dge and background on the subject. Then a study of proposed methods for developing and applying conformal channels is conducted, identify the most viable method. 鼾鲴俊效藝蕪脖鶚侮祿紹Specific softwarewas used to optimise the design and construction of the mould, with attention on refining the tool design thro

47、ugh application of finite element and thermal flow analyses.Successively, a study on the effectiveness of the conformal cooling channel based on virtual models was performed using I-DEASTM software for prototyping and simulation. The study is on going and hopefully would culminate in the suggestion

48、of the level of proficiency required using virtual models in deciding moulding specifications for production parts.惱芐都闃郛黿桶噢逆湃辱2. Brief overview of the injection moulding process掄忻嬰舍捆欷沁蒹澉還駙 The injection moulding industry, like all industries, at present needs to reduce costs to remain competitive. T

49、his need has been addressed using various technologies ranging from design software to computer numerical control machinery. After these technologies are in place and moulding begins the cost is usually based on cycle time. Adjustments can be made to the moulding machine to help reduce the time to m

50、ould but in the final analysis the time is dictated by the ability of the mould to carry the heat away from the molten polymer. Liquid is passed through cooling channels in the mould at the required temperature. This must allow the molten polymer to flow into all sections of the cavity while at the

51、same time remove the heat as quickly as possible. Up to nowthese channels have been produced by drilling which can only produce straight lines. If the channels carrying the water could be conformed to the shape of the part and their crosssection changed to increase the heat conducting area then a mo

52、re efficient means of heat removal could be realised. This may also help to reduce warpage when the part is ejected, as the plastic would be cooled more uniformly.晃墀曷碹愫躇斟他東儆策2.1. Temperature control孳京址違膨鵒泅揞鼐衷痕 Temperatures such as those for the molten polymer, the mould, the surround temperature and

53、 the clamping system temperature need to be controlled (Fig. 1). When molten plastic is injected in the mould it must be solidified to form the object. The mould temperature is regulated by circulation of a liquid cooler, usually water or oil that flows inside channels inside the mould parts. When t

54、he part is sufficiently cooled it can be ejected. Most (95%) of the shrinkage happens in the mould and it is compensated by the incoming material; the remainder of the shrinkage takes place sometime following the production of the part 1.僳喵埕遮遣鰭獸肺鋨穹卻2.2. Pressure control趼濘私菝茲埭樟霓蔫綆冬 Both the injection

55、 unit and the clamping system require npressure with the latter developed to resist the former (Fig. 2). Three different pressures can be distinguished in the injection unit: initial, hold and back. All these are obtained by the action of a screw. In the clamping unit the oil pump of the hydraulic s

56、ystem controls the pressure needed to move the mould. Holding pressure is required to finish the filling operation and maintained during solidification to supply the shrinkage.髕渚胝拇駑瓠工梨骸磕矗顴榪昊鈽引艫桷墓吧毒乾2.3. Time control咽趙斷忤硯司黃俟堇頎爛 Time is the most significant parameter in the entire operation. Cost and

57、machine efficiency can be estimated from the cycle time. The principle temporal aspects to be controlled include: gate-to-gate time, injection time and cooling time. A simple schematic illustration of a typical cycle time is shown in Fig. 3.僖吹昀味哦侍籃鈉咬券笠2.4. Thermal proprieties其臂閼妊淋玲卜煙菝舶皖Despite their

58、 large diffusion, for all plastic materials temperature range is a limit to their purpose. Both high and low temperature can create damage to plastic components. It is important to study thermal proprieties to understand and predict this behaviour. Therefore cooling times in 輜酸批疔俞粒劐髑恥算基moulding machines must be set carefully to permit, first, plasticization of the thickness and secondly dissipation of me