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注塑成型工具中形腔冷却通道的设计和优化

注塑成型工具中形腔冷却通道的设计和优化

1，研究Camilotto B，F. Miani b

摘要:

随着消费类电子产品的极速发展，如手机变得时尚且寿命变短，注塑成型，是生

产出相关塑件最常用的方法。该过程需要将熔融聚合物，注入到模具型腔内，然后将冷

却部分弹出。因此，注塑过程中主要包括灌装、冷却和喷射。它的成本效益主要依赖于

成型周期所花费的时间。冷却阶段是三个相应阶段中最重要的一步，决定了该部件的生

产速度。本研究的主要目的是确定形冷却/加热注塑，使用有限元分析和热传热分析工

具配置渠道的优化和高效的设计。一个典型的组件，适合注塑成型三维CAD模型的最佳

形状设计和芯和型腔模具，模具所需的部分，然后生成。这些被用于有限元分析和热分

析，首先确定门的最佳位置和后来的冷却通道。这两个是影响周期的主要因素，如果要

显著减少周期，那么要对这些因素进行优化。虚拟模型的分析表明，与传统冷却模具相

比，形冷却通道的设定，显著缩短了生产周期，明显改善了表面光洁度的质量。

关键词

：注塑模具设计优化;

1 引言

注塑是塑料部件的生产过程之一。它的作用在于生产上的高能力，和更高的利率比，

例如，三维形状的吹塑生产。注塑的基本原则是固体聚合物熔融注入型腔模具内，然后

冷却并从机器中弹出。因此，注塑过程中主要包括灌装、冷却和喷射。它的成本效益主

要依赖于成型周期的长短。所以冷却阶段是这三个阶段中最重要的一步，它决定了部件

的生产速度。在现代行业中，时间与成本密切相关。生产零部件的时间越长，成本越高。

减少冷却阶段的时间，将大幅提高生产效率，从而降低成本。因此重要的是下架，从而

在成型过程中的传热过程，是最有效地优化手段。所以，在模具（型芯和型腔）内设立

直孔和冷却液，环流至下旬将多余的热量带走，能更快的推出部件。而生产这些孔的方

法主要是传统的加工工艺，如钻孔。然而，这个简单的技术只能创造直孔等，而无法生

产轮廓复杂的渠道或任何在三维空间。另一种方法，提供了一个合适的型腔或双方已经

提出了部分的形状，及冷却系统。这种方法采用了轮廓状的通道，尽可能的构建在靠近

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模具表面，使熔融塑料的热吸收增加。这将确保塑件均匀冷却并且更有效。

本次调查的第一部分集中ING关于审查和评价的注塑成型工艺，设置主体的知识和

背景。然后对形渠道的开发和应用提出的方法，进行研究，找出最可行的方法。

使用特定的软件优化模具的设计和加工，通过应用有限元和热流量分析工具，研究

虚拟模型中保形冷却通道的有效性，使我用DEASTM软件设计的原型和SIMU形成关系。

这是一项持续的研究，希望最终在提高生产零件成型的水平时，使用虚拟模型。

2 注塑成型过程的简要概述

注塑行业，与所有行业一样，目前的需求，以降低成本来保持竞争力。这需要使用

不同的技术，从设计软件的马奇内里控制计算机数值来解决后，这些技术的到位和成型

通常是基于周期时间。可以作出调整，以帮助减少模具的时间，但归根到底是由模具的

能力，从熔融聚合物的散热性能来进行调整，让液体通过冷却通道来控制模具所需的温

度。这必须允许熔融聚合物流入型腔部分，而在同一时间散热完全。到现在为止，这些

渠道已经出现，但只能产生直线。如果携带的水渠道可以符合部分的形状，并改变他们

的横截面增加导热面积，有效的散热手段是可以实现的。这也可能有助于减少翘曲时，

部分被弹出，使塑件冷却更均匀。

2.1 温度控制

如熔融聚合物，模具、环绕温度和夹紧系统温度都需要控制温度（图1）。当熔融塑

料TIC在注入模具并凝固形成塑件时，模具冷却器中用来调节温度的液体，通常为水或

油，它们模具零件里的渠道内流动循环。塑件充分冷却时，则可以被弹出。大多数（95％）

的收缩发生在模具，由来料补偿收缩，剩余的收缩发生在后生产的一部分[1]。

图1 注塑成型过程中的温度历史[2]

2.2 压力控制

注射装置和夹紧系统都需要抵制前（图2）后者的压力。在注入时可分为三种不同

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的压力：最初、保持和背部。所有这些都通过一个螺丝钉的动作来控制。在夹紧装置的

液压系统油泵控制移动模所需的压力。保压要求完成灌装操作，并保持在凝固过程中提

供收缩压力。

图2 压力注塑成型过程中的历史[2]

图3 在注塑周期时间[2]

2.3 时间控制

时间是在整个过程中最重要的参数。从周期的时间成本和整机效率可估计。要控制

时间方面的原则包括：门到门的时间，注射时间和冷却时间。一个典型的周期时间的简

单示意图如图3。

2.4 热性质

尽管它们的扩散温度是所有塑料材料，来限制他们的目的。高或低的温度可以让塑

料部件损坏。它是重要的研究热性质，来了解和预测这种行为。因此在成型机的冷却时

间必须仔细。第一，塑化厚度，其次熔化热耗散。不同于金属，塑料的热容量为高结晶

性塑料，比非结晶有更高的容量。塑料抽动，如果比较大的热膨胀系数，例如金属。修

改这些值的一种方法是使用矿物填料，如玻璃纤维。

2.5 冷却通道

与大多数制造领域一样，生产时间和成本（超前和滞后）有密切的关系。时间越长，

则需要更多的费用，并与注射成型生产行业的冷却时间往往是作为指标的周期时间。提

高冷却系统将降低生产成本。一个简单的方法来控制温度和热交换是创建多个渠道内的

模具，冷却液强制循环。像传统加工数控钻可以用来做直通道。在此，主要问题是不可

能在三维坐标中产生复杂的通道，尤其是靠近壁的模具。这将产生一个低效率的冷却系

统，因为热量不能均匀的带走，不同的收缩导致翘曲和冷却时间增加（图4）。另一方

面，如果冷却通道可以作出与部件尽可能相同的形状（图5），所有区域均匀冷却的冷

却系统周期时间可以大大减少。此外，如果在每一个点的弹出部分温度相同，模具后续

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收缩也是统一的，这避免了注射后的零件翘曲。另一个优点是，一模配有形通道达到工

作温度的速度比正常的配备标准（或钻孔）冷却通道[ 3 , 4]快。

这样，一方面可以减少成型机启动时所需的时间。当注入聚合物，它巩固立即触壁

的摸具。如果该卷的部分是足够大，其厚度太小，聚合物固化可妨碍和阻碍完全填补了

腔。在这种情况下模具必须加热到特定的温度以允许聚合物流动。尽管所有这些优势可

能发现新技术在生产工具与形通道可以增加初始成本的额外的复杂的施工过程。

图4 腔（A）和核心（B）的一个钻取的渠道模[3]

图5 相同的模具图4形通道[3]

3 形渠道概述

结果通过CON环等正规渠道的有效调查。 [5]表明，后者的技术通过三种不同的无

形冷却模具，这一建议导致显著的技术改进和一般的周期时间减少，同时改善传热。

了解构象的正常渠道和新型高导电材料的重要性是由雅各布[6]贡献的。这项研究

表明，与传统的钢钻的冷却通道相比，使用镍/铜模具成形的通道（铜层）导致生产率

提高70％左右。萨克斯等人也对钻形渠道和冷却通道进行了比较[3]。他们根据自己的

调查研究模型的核心和型腔，加上在建设模具比较理论和实验数据使用软件技巧。随后

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的分析表明，形通道模具及运行温度的速度比传统的快，实现更均匀的温度分布与高效

传热能力。

拜尔[ 7 ]对控制成型温度提出了一种手段，找到正确的位置的冷却通道形的模具

表面。他还分析了热交换与环境，是必不可少的冷却系统。

帕克和诺恩[8]根据修改后的边界元法成型工艺进行了热分析，加入到设计的敏感

性分析，结果表明，以达到优化设计过程中成型。通过热分析冷却时间和温度梯度，表

面上可以预测说明设计灵敏度分析是一种获得最佳模具设计的自然方式，特别是在冷却

通道的大小和定位上。在同一台仪器，发现在冷却操作的最佳工艺条件，尽量减少与加

工质量和生产率的函数。

在没有冷却通道配置时，只有找到一种方式来解决他们的问题，这项技术适用于各

种型腔形状。徐等人提出一个解决方案，以解决这个问题[9]。最初的对象被划分为小

区域，便于分析和每个这些冷却通道系统的构造。然后，所有的信息是用来建立最终的

工具。李提出一个解决散热问题的相似的方法[10]，提出了基于特征的方法，即通过识

别算法将复杂的模具分为简单的形状。然后为每个形状，构造一个特定的冷却系统，且

在结束时，所有这些都是组装。该算法的基础上的“超二次曲面”，第格律形状建模功

能，如用于计算机图形，家庭。在这种方法的主要问题是选择最好的超二次，以近似整

体的一部分。一旦做到这一点，冷却系统变得容易被模仿。，这种方法是非常有用的。

4 模具部顾问（MPA）的分析

其基本的想法是在I-DEASTM模型大师上建立一个虚拟模型，然后使用Moldflow的

分析选项，找到最佳位置运行。然后冷却系统设计的一部分。先后模型准备进一步分析，

如有限元分析，优化设计等，MPA是使用虚拟对象的实体模型，帮助设计师确定的零部

件制造模具，所独有的一种工具。该软件的唯一的要求是从该对象确定材料的选择。

4.1 该模型

在这次实验中使用的几何模型是根据所需的对象规格和特性选择，如列入草案的角

度，允许部分被弹出很容易一次冷却。为了创建这个模型（图6），创建一个矩形的表面

比挤压，角度草案8◦。在内部腔一根肋骨被加入的部分增加了机械阻力，避免变形的可

能性。

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图6 三维实体模型的观点 图7 在模型表面焊接线

4.2 浇口位置

通过试验和错误及不同位置的门发现门的最佳位置，在质量方面建议和可视化，通

过模型的一部分，焊接线的存在，空气陷阱和接收器（图7显示了一个典型的场景焊接

线）。在这两个解决方案之一底面中心的门是可能的内部状况和外部位置。从流量分析

可以看出两倍的总周期是相同的，但外表面的门与定位焊接线低于内部的位置，尤其是

在外部表面。位置的选择，可以通过标准的表面质量或生产时间选择。在外部位置的门

在切割最终轨道的聚合物花费更多的时间，形成门部分地区被弹出，这是不可接受的生

产目的。把流道腔内可导致问题产生的冷却系统，因没有太多的空间，使它可以是很难

把形状复杂的渠道及分流道。

门数的增加，不仅不会导致改善双方改善冷却时间和质量，但要求建立一个复杂的

流道形状。因此，一门流道的解决方案是首选。

通过计算机预测，从优化的解决方案的一部分中，提出了以下意见：

•图相比显著降低，同时大大减少焊线的外部和内部表面（图8）相比，图7。

•改进质量预测（图9）。

•进一步检查质量，冷却水槽是主要标记。结果表明，门的位置是最佳的，没有明

显的标志作为证明和注射合理时间约1秒（图10）。

•同样，良好的预测率分别为实现双方的表面温度和凝固时间（图11和12）。

图10基本上表明，以条件为选择的优化导致更好的产品，为工艺属于区，这表明

一个很好的可能性，创建对象没有问题（绿区）。在同一形式中，注射的时间预计估计

为1.18秒。

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图8 减少对外部表面焊接线 图11 表面温度

图9 单门的位置是：质量预测 图12 冻结时间

图10 结果形成从Moldflow的窗口分析

5 冷却通道定位

5.1 总体考虑

它的对象和形状精度的最后一个方面，不仅取决于工艺条件，也由腔壁的温度[11]

决定。冷却通道系统的准确定位，因此，需要以满足生产的质量标准，模具温度必须保

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持高以允许材料的结晶。这个问题在渠道定位是保证均匀一致的温度在型芯和型腔。如

果有一个强梯度的两部分之间的腔的一部分可能会变形和扭曲它的形状（图13）。

这样的目标，一个正确的冷却系统必须遵循的统一的壁面温度和逐步减少的聚合物

的温度，为了减少周期时间和允许的结晶的必要性之间找到一个妥协的承诺。

图13 非增强塑料墙表面的温度梯度的影响[11]

5.2 温度特性

在生产周期中，模具的温度如下周期性波动（图14），由于几个因素，如模具和聚

合物材料的性能。冷却系统是不能够控制这些波动的幅度，但最重要的是最大接触温度，

达到时的热流量和接触聚合物到内部腔[11]。为了保持温度均匀，一些物理效应必须加

以监测。凸领域需要较高的冷却，因为在这些部位有一个热的浓度。相反凹地区需要较

少的冷却，因为存在更多有助于在模具上热扩散的材料。因此，必须注意在这些领域的

边角设计和冷却系统。

在设计冷却通道的三维标准问题上，有三个方面考虑：该直径的横截面（或横截面

的面积如果不循环），之间的距离与距离之间的通道与通道壁的模具。选择这些尺寸时

出现的主要问题涉及从选择的直径和通道的设计派生的压力损失。一个加热/冷却的关系

在左纳报道[11]给出了一个渠道定位的指引。这说明，从解决关系所产生的价值应保持

在2.5和5％之间为半结晶的热塑性塑料和5至10％的无定形热塑性抽动。

5.3 腔渠道定位

为这种分析提出了不同的解决方案的核心和腔冷却系统，包括1构象正常的冷却系

统（图15）和直钻冷却系统进行比较（图16）。因为这些部位进行分析，用有限元程序

包后，只有插入每个季度进行了分析。四通道系统创建物体表面后，放置冷却的侧面和

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一个冷却底部的三个通道。

图14 在墙壁内的腔温度波动成型周期[11]。 图15 形通道命题腔

图16。腔的直通道解决方案。 图17。形冷却通道为核心的解决方案。

5.4 核心渠道定位

形渠道为核心的系统包括两个渠道，一个冷却通道上，短边面，第二个冷却的大侧

表面的几何形状（图17）。渠道各个角落圆角的液体冷却器，以减少流体动力损失。在

直通道解决方案创建一个冷却线（图18），需要3个钻井作业。在这种情况下，它是不

可能的，圆角的角落，这样的液体冷却器的损失大于在前面的情况。下一步是有限元分

析检查是否能抵御注射压力。

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图18 直通道为核心的解决方案

6 总结

在冷却形通道的设计与优化注塑组件已进行了我们的虚拟原型。从该工具的核心和

腔，该方法继续参与构建的三维CAD模型的对象。随后进行的模拟表明，它是可能的

优化和预测等渠道的最佳位置，以减少冷却时间相比，直线钻渠道。这项研究正在进行，

希望将导致建议一个熟练的水平需要使用虚拟模型在决定成型规格生产配件。

进一步的工作是需要测试的型芯和型腔样品，利用有限元分析检查机械阻力，注射

压力，并最终修改模具的厚度。一些啮合对象，减少它的表面模型使用平面元素是必需

的，这应导致更好的理解之间的共形冷却的工具和传统的冷却时间。

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