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。

然而，功率密度过高的加热器是没有必要的，因为成型周期不能进一步缩短模具的加热时间减少到一定程度[ 22 ]。

在实际应用中，功率密度应根据所需的模具加热效率、能量利用效率和加热器的成本来确定。

图4-所用电热元件示意图。

表1 模架中的热物理性质。

表2 对墨盒加热器元件的热物理性质
图5--水的热物理性质：（一）导热系数、比热（B）和（D）密度。

图6-热响应数值模拟的典型网格模型。

图7-不同间隙尺寸的腔面温度响应曲线图8-空腔表面平均加热速度与环形间隙尺寸的关系
图9-不同功率密度下谐振腔表面温度响应曲线图10-加热器功率密度与腔面加热速度的关系
3.4、加热器分配对模具加热的影响
为了研究加热器分布对模具加热的影响，不同的距离从加热器到腔体表面和加热器之间的不同间距的腔表面的热响应进行了模拟。

通过系统地加热/冷却效果、模具强度和以前的研究的基础上，把影响因素H和P设置为五个层次，如表3所列。

对于H，它安装孔的直径
的1至2.5倍。

对于P，它安装孔的直径的1.5至3倍。

在所有的模拟中安装孔的直径设置为10毫米。

图3中的设计参数H为45 mm。

如图11所示的是对应于加热器不同分布的腔表面的温度响应曲线。

从图11（a），可以清楚地看出，通过减少空腔表面和加热器之间的距离可以更迅速地提高腔表面温度。

腔表面和加热器之间的距离越小，模具的时间常数越短，因此热响应效率越高。

从图11（b）中，可以发现，通过减少加热器之间的间距，也可以提高空腔表面温度的增加率。

然而，对于不同的间距之间的加热器，模具的时间常数几乎保持不变。

图12示出的空腔表面的平均加热速度和加热器的分布之间的相关性。

可以更清楚地看到，随着加热器的距离的增加，空腔表面的加热速度逐渐减小。

通过比较图12（a）和图12（b），可以发现加热器与腔体表面的距离和加热器之间的间距对研究范围内的腔面加热速度有相同程度的影响。

除了腔体表面的热响应效率外，腔体表面温度均匀性也是一个非常重要的技术指标，直接影响最终成型产品外观质量的均匀性。

图13显示对应的加热器不同分布的型腔表面温度分布在整个型腔表面被加热到100 C图中，参数“X”表示距离对型腔表面的位置“O”如图6所示的位置。

从图13中可以看出，随着加热器与腔体表面距离或加热器间距的增大，腔体表面温度均匀性趋于恶化。

因此，有必要优化加热器的分布，从而达到最佳的热响应效率和温度均匀性的空腔表面之间的平衡。

表3加热器分布相关因素的设计水平
图11-对应于不同（a）h和（b）P的腔面温度响应曲线图12-腔体表面加热速度与加热器分
布设计参数的关系：（a）H和（b）P
图13-对应于加热器分布的不同设计参数的腔表面温度分布：（a）h和（b）p
四、实验
4.1、液晶电视面板的注塑模具
基于上述分析结果，开发了液晶电视面板的注塑模具，以进一步验证所提出的快速模具加热和冷却方法的有效性。

图14显示了液晶电视面板的结构。

由于液晶电视面板是一种只对外表有很高外观要求的外部部件，因此开发了快速模具加热和冷却的方法，同时也用于模具腔侧模具芯侧采用连续冷却方式。

图15显示了空腔板的结构，用于加热空腔表面的筒式加热器的数量是21。

该加热器总功率和功率密度为48千瓦和20瓦/平方厘米。

加热器的直径和相应的安装孔U8毫米10毫米。

在图16中可以更清楚地看到加热器在空腔中的分布。

从加热器中心到腔体表面的直径约为13毫米。

加热器之间的间距为20毫米。

除了加热和冷却系统、浇注系统和排气系统也为RHCM工艺意义重大。

缩短熔体流动长度，降低注射压力，同时确保均衡充填，香蕉十门用于模具产品。

因此，有两个相邻的门之间的中间位置的十个焊接区域。

为了消除这些潜在的焊接痕迹，排气系统应加强在焊接区域，如图15所示。

4.2、热响应测量与模拟
为了评价液晶电视面板模腔表面的热响应效率和温度分布，设计了一套数据采集系统，用于测量和记录多个模具加热和冷却循环时的腔面温度响应。

图17说明了数据采集系统的原理组成。

五热电偶被用来感测在不同的位置，如图18所示的腔表面温度。

为了确保测量的准确度高，速度响应快、粘接型薄膜热电偶ST-50，由日本理化kogyosho提供，使用。

的响应时间（达到95%的稳态温度）和时间常数（达到63%的稳态温度）的热电偶分别为0.4秒和0.04秒。

从热电偶的信号通过补偿导线传送到热电偶数据记录仪，USB TC-08仪器类型由英国笔克技术提供，其中电信号转换为直观的温度数据。

最后，所有的温度数据传送到安装在picolog相应的数据处理程序的个人电脑，在型腔表面温度可以显示和实时记录。

在实验中，不同的成型加热时间和冷却时间的集合被用来研究腔表面的热响应。

所使用的模具
加热时间和模具冷却时间具有相同的四个层次，分别为10秒，20秒，30秒和40秒。

除了实验，数值模拟的模具在多个加热和冷却周期的传热也是一个非常有效的方法来评估的热响应效率和温度分布的腔表面。

与实验相比，数值模拟不仅具有高效、低成本的特点，而且能提供更多有价值的信息。

通过系统地考虑的几何形状的空腔表面和加热器的分布，一个二维分析模型对应于图16中的节AA使用。

图18给出了热响应模拟的最终网格模型。

符号P1，P2 P3的P4，P5五温度跟踪在型腔表面对应点实验中的五个温度测量位置。

模腔板的热物理性质被列于表1。

根据实验条件、环境温度和型腔板的初始温度为32.5 C，都是在与周围环境接触的型腔板的外表面，采用一个值为15瓦/平方米C空气自由对流边界条件。

在空腔板的侧面和底部表面，绝热边界条件。

根据加热器的功率密度为16 W/cm2热流装上相应的表面模具加热过程中。

在结晶器冷却过程中，冷却水的温度设定为30°C，在安装孔壁处的传热和水和加热器之间的接口属于强制对流换热。

对流换热系数设置为2000 W /平方米C.
4.3、材料和设备
在注射成型实验，用于液晶电视面板的塑料材料是一种新型的明亮和高光泽ABS／PMMA，hg-0760tv，由三星Cheil Industries Inc.的熔体质量流动速率的材料是56克/ 10分钟（220 C / 10公斤）。

它的玻璃化转变温度和喷射温度为94 C和88 C。

为了消除零件外表面的焊接痕迹，腔表面应加热到约110 C，以完全固化的部分，在冷却阶段的腔表面温度应冷却到约70 C。

基于开发的模具快速加热和冷却的方法，建立了实验系统的注塑生产液晶电视面板的高光泽、无熔接痕。

注塑机在实验中使用的是由博创机械有限公司bs800-i提供，在中国。

注塑机锁模力8000 kN，2090杆的最大注射压力。

螺杆直径为100毫米的L / D比22:1。

表面光泽度是在注塑加工零件的表面质量评价的重要指标。

根据标准测试方法ASTM D523镜面光泽的规定，便携式光泽计，jfl-bz60，由天津科技有限公司生产的JFL，在中国，用于成型塑件表面的光泽测量。

对熔接痕的成型塑件的外表面，倒置光学显微镜、尼康epiphot 300，日本尼康公司推出的，以100的倍数观察焊缝区的形貌。

图14 液晶电视面板结构。

图15 空腔板结构
图16 加热器在空腔板中的分布
图17 温度数据采集系统的原理组成
图18 腔板热响应数值模拟的网格模型
五、结果与讨论
如图19所示，在不同的模具加热时间和冷却时间下，在热循环实验中，腔表面的五个点的温度响应曲线是典型的温度响应曲线。

图中参数“TH”、“TC”分别代表模具加热时间和模具冷却时间。

可以看出，型腔表面温度波动的周期交替加热和冷却模具。

在热循环过程中，腔表面温度逐渐升高，直到达到稳定的腔面温度波动。

这五个点的温度响应不是非常一致的，这表示在空腔表面上的温度分布不均匀。

它反过来表明，加热器的分布，必须进一步优化，在未来的研究。

以40和30的模具冷却时间模具的加热时间，可以看出五点在型腔表面可以被加热到高于110℃，然后冷却到低于70℃，可充分满足型腔表面温度控制要求并消除熔接痕在零件表面并获得高光泽的表面。

事实上，在焊接过程中消除焊痕所需的腔表面温度的显着影响的焊缝收敛角。

会聚角越大，所需的腔体表面温度越低。

由于110 C是所需的腔表面
温度为零焊缝的收敛角，它是不需要提高整个腔表面温度高于110 C，因此，它不需要这样的长的模具加热时间和冷却时间。

还进行了数值模拟，以评估所开发的电加热模具的热响应。

图20示出了在加热过程中的空腔表面的五点的模拟和实验的热响应的比较。

可以清楚地看到，仿真结果与实验结果有很好的一致性。

在整个加热过程中，模拟值与实验温度值的最大相对差值小于5%。

为了进一步验证数值模拟的有效性，模拟了多个模具的加热和冷却循环。

图21显示的温度响应曲线的P5的腔面通过仿真和实验得到的。

得到的温度曲线模拟与实验得到的温度曲线一致。

结果表明，建立的热响应模拟分析模型是一个非常有效的工具，用于评估和预测的空腔表面的热响应，这可以进一步用于优化设计的加热和冷却系统的模具。

如图22所示，是在加热后的腔板的温度等高线图。

可以看出，腔体表面的温度分布是相对均匀的整体，特别是对腔表面的中心区域。

然而，在空腔表面的边缘区域的温度相对较低。

通过模拟得到的这种温度分布也与以前的实验结果相一致。

在实际生产中，通常允许在零件的边缘区域上有轻微的焊缝痕迹，而边缘区域的低温可能会导致在模制零件的相应外表面上出现焊接痕。

总之，进一步的研究是必要的，以改善的空腔表面的温度分布。

基于开发的模具快速加热和冷却系统，对液晶电视面板的注塑生产线的建立。

经过几个成型试验，合格的产品生产，如图23所示。

可以发现，外表面上的焊缝痕已完全消除。

测试结果表明，该产品的外表面光泽度约92，这是比产品成型的CIM高得多。

在优化的工艺参数设定下，模具加热时间和冷却时间分别设定为25 s和20 s。

因此，成型周期为60 s，这是在基于传统蒸汽加热或电加热RHCM注塑成型周期相同的水平。

值得注意的是，在模具的加热能耗仅为1250 kJ，其中大约有一半是在相同的条件下为常规电加热RHCM模具加热的能量消耗蒸汽加热RHCM模具加热的能源消耗和三分之二。

此外，新的RHCM技术与另外两种常规RHCM技术相比用来冷却模具的水也明显减少。