关于快速热循环注塑模具热应力,变形和疲劳极限的研究

关于快速热循环注塑模具热应力，变形和疲劳极限的研究

摘要：

快速加热循环（RHCM）是一种新型的蒸汽无痕塑料注塑工艺。他能有效的避免许多传统注塑工艺产生的缺点。在这篇论文中将以大型液晶电视外壳作为一个例子。建立对于RHCM 注塑模具耐温性、变形系数和疲劳极限的分析模型。首先，通过分析RHCM模具的热量传输过程确定模具型腔表面的温度分布情况。第二,通过数学模拟获的 RHCM 模具的受力区和变形区。这表明了固定模仁和固定模板之间的固定模式对于模具的热应力与变形有很大影响。结果，对于固定模仁和固定模板的一种新的固定模式的建立能有效的减少由于温度改变引起的变形损害。

最后，它表示出在不同固定模式下模具的寿命，并且能够提供如何提高RHCM 模具寿命的合理建议。在工程应用中证明，使用建议的固定模式是一个非常有效的方法来提高RCHM模具的寿命。

关键词：快速加热循环成型，数字模拟，热传输，热疲劳

1 引言

注射成型技术已广泛应用于几乎国民经济的各个领域。然而，通过传统注塑方式生产的部件存在许多问题，例如熔接痕，流动标志，表面外观差。结果，机械性能和塑料部件的外观不能满足客户的需要。在注塑成型工艺后不得不进行如喷漆涂料类的后处理来提高部件的性能。这些程序增加了工件的工序和材料能源的浪费。更糟糕的是它们也不可避免的增加了生产成本和环境污染。快速热循环成型工艺作为一种新型聚合物注入成型方法在最近几年被Ono Sangyo Co. Ltd和Mitsu Chemical Co. Ltd提出。它能造出拥有出色外观和无熔接痕的高质量塑料制件。制件的表面硬度和强度也可以被改良。另外,附加工序—污染环境的喷雾和涂层—被取消。所以，整个生产过程的流程将被缩短。能源、材耗和生产成本也会降低。 RHCM 是一种潜在的绿色制造技术在注塑生产工厂。

在过去的两年里, 快速热循环成型工艺被越来越广泛的应用。在日本、韩国、美国以及欧洲国家，越来越多的公司致力于RHCM技术。我们的设计小组与来自海信集团的工程师合作，已经独立研发出了这项技术，并且成功生产了性能良好的大屏幕液晶电视，很多条生产线已经建立并且正常工作。然而，作为一项技术，这项技术仍然有很多问题需要解决。至今，已有几篇关于RHCM技术在实际生产中的应用的文章已经发表。[1]中推荐了真实3 D的RHCM模型以及瞬态加热及冷却反应分析，但是他的目的并不是生产真实产品。[2]研究了模具表面温度以及他对焊接标志表面的作用，但是模具变形和疲劳没有提到。[3]中提到了一种新颖的而且更正式的塑料注塑模的冷却设计，但是它只能应用于通常的塑料注塑模，诸如Nakao和Dimla 及其他学者所提出的一种对于注塑模具新颖的和更多形冷却的设计，但是它只能应用在传统注塑模具中。如Nakao 和 Dimla [4–12] ，这些学者已经对注塑工艺作了很多研究但是他们也没有针对RHCM注射技术作出研究。由于RHCM技术的复杂性，所以它对模具的结构和加工有特殊的要求。模具的材料同样不同于传统模具。由于RHCM 模具工作在很高的温度下，导致它的寿命要比传统模具要短。因此，RHCM模具对于同样的生产类型要花的时间是传统模具的2到5倍。为进一步提高各部分的质量和减少生产成本，分析RHCM模具的耐热性、变形系数和疲劳极限是非常必要的。

2 LCD电视面板的RCHM技术和模具结构

2.1 RHCM 技术

在传统注塑成型工艺中，动模和定模通常不需要加热设备。当溶化的聚合物注入模具中时，型腔的温度会升高到50。当溶化的聚合物充满型腔后，使用冷却水使他们的温度降低到大约30。然后打开模具却出注塑制品。到现在为止，一个传统注塑工艺的周期完全结束。但是使用传统注塑工艺生产的塑料制件存在有熔接痕、流动痕迹等许多问题。

RHCM工艺和传统注塑工艺是不同的。首先在加热阶段，型腔表面的温度被加热到超过该聚合物的热变形温度。然后把溶化的聚合物注入到型腔内。在注射和包装阶段都要保持型腔的温度。接下来，模具在冷却阶段迅速冷却，然后开模，弹出制品。在下一个注塑工序开始前型腔表面温度被再次迅速的加热。模具温度的升高和降低在很短时间内完成，这个成型周期几乎和传统成型工艺相等。快速热循环成型工艺的原理过程如图1。

在RHCM的工作过程中，模具的型腔温度必须加热到聚合物的热变形温度，通常是100。今天有很多加热模具的方法。Chen et al. [13] 从事于通过模板进行电磁感应加热。电脑模拟证明加热模板表面是一种非常有效的加热方式。Chang 和 Hwang [14] 提出的红外线加热方式加热型腔表面，并且用短暂的热模拟来评估表面的热条件。Kang [15] 研究的电加热方式也是一种非常有效的加热型腔表面的方法。

图1，RHCM 技术过程

本文，作者对蒸汽辅助加热的研究和模具设计只能适合在这个RHCM的加热方式。

RHCM的模具型腔初始温度要比传统那个注塑工艺高很多。通常模具型腔温度用蒸汽加热，用冷水冷却。

RHCM模具的结构也是与传统注塑模具不同的。考虑到RHCM模具型腔的加热或者冷却效率和温度分布的一致性。模具结构和加热或者冷却流道的分布特别重要。通常，RHCM的生产效率几乎与传统的注塑工艺相等。由于高温，快速加热和冷却方法在RHCM中的应用，溶化物的流动性增加，粘度减小，溶化的聚合物能够在注塑过程中充分的混合。另外，模具型腔加工到很高的表面精度。因此，由RHCM技术生产的产品表面非常明亮、光滑，没有熔接痕、流动痕迹、与其他表面上的缺陷。图2说明了用这种技术生产一种LCD面板的一部分。然而，图3说明传统工艺生产的产品表面质量是非常粗糙的而且有许多缺陷。图3现实RHCM技术和传统注塑工艺的生产效果相比是非常明显的。

RHCM生产工艺有很明显的优点。但是模具结构、热传输、疲劳度和模具的使用寿命是这项新技术的和难点。

图2，用RCHM生产的产品

图3，RCHM与传统注塑工艺注塑产品比较

2.2 LCD电视外壳的RHCM 模具结构

LCD电视外壳是巨大的平的部分，必须具备高品质的外观。传统的注塑工艺并不能满足这种需要，因为产品表面明显的缺陷。由于额外的生产工艺，如必须的喷雾工艺，整个生产流程时间变得很长；花费增加了并且污染了环境。最近，RCHM技术应用于LCD电视外壳和其他的大型聚合物产品，并且获得了具有良好外观的产品。

RCHM模具结构与传统的注塑模具是不同的。图4表示了由本文作者设计的LCD电视外壳的RCHM模具的四分之一，有许多加热/冷却通道在模具的型腔表面的上部。它们是沿着型腔表面垂直分布并且彼此制件有很远的间距。在加热过程中，这些通道用来加热模具，而在冷却阶段，它们用来冷却模具。合理形状和布局的通道可以带来高效率的加热/冷却，同时可以获得高表面质量的产品。因此，他们是这种新的注塑技术成功实施的重要方面。