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。