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注射模冷卻系統的設計及分析
在注射成型過程中,模具溫度直接影響到塑件的質量如收縮率、翹曲變形、耐應力開裂性和表面質量等,并且對生產效率起到決定性的作用,在注射過程中,冷卻時間占注射成型周期的約80%,然而,由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同,模具溫度的要求也不盡相同。因此,對模具冷卻系統的設計及優化分析在一定程度上也決定了塑件的質量和生產成本。
1模具濕度對塑件的影響
影響注射模冷卻的因素很多,如塑件的形狀和分型面的設計,冷卻介質的種類、溫度、流速,冷卻管道的幾何參數及空間布置,模具材料,熔體溫度,塑件要求的頂出溫度和模具溫度、塑件和模具間的熱循環交互作用等。
(1)低的模具溫度可降低塑件的成型收縮率。
(2)模具溫度均勻、冷卻時間短、注射速度快可以減小塑件的翹曲變形。
(3)對于結晶性聚合物,提高模具溫度可使塑件尺寸穩定,避免后結晶現象,但是將導致成型周期延長和塑件發脆的缺陷。
(4)隨著結晶型聚合物的結晶度的提高,塑料的耐應力開裂性降低,因此降低模具溫度是有利的。但對于高粘度的無定型聚合物,由于其耐力開裂性與塑件的內應力直接相關,因此提高模具溫度和充模速度,減少補料時間有利的。
(5)提高模具溫度可以改善塑件的表面質量。
2模具溫度的確定
注射成型工藝過程中,模具溫度直接影響到塑料的充模、塑件的定型、模塑周期和塑件質量。而模具溫度的高低取決于塑料結晶性、塑件尺寸與結構、性能要求以及其它工藝條件如熔料溫度、注射速度、注射壓力和模塑周期等。
對于無定型聚合物,其熔體在注入模腔后隨著溫度的降低而固化,但并不發生相的轉變,模溫主要影響熔體的粘度,即充模速率。因此,對于熔融粘度較低和中等的無定型塑料如聚苯乙烯、醋酸纖維素等,采用較低的模具溫度可以縮短冷卻時間。對于熔融粘度高的塑料如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等,則必須采取較高的模具溫度以避免產生冷流痕、注不滿等缺陷,同時由于其軟化溫度較高,提高模具溫度可以調整塑件的冷卻速率,使之均勻一致,以防止塑件因溫度差過大而產生凹痕、內應力和裂紋等問題。
結晶性聚合物在注入模腔后,當溫度降低到熔點以下即開始結晶,結晶的速率受冷卻速率并zui終由模具溫度控制。高的模具溫度將導致大的結晶速率,有利于分子的松馳過程,因此尺寸穩定但是塑件發脆,適用于結晶速率很小的塑料如聚對苯二甲酸乙二酯。低的模具溫度將導致塑件中的分子結晶度的降低,對于玻璃化溫度低于室溫的塑料如聚烯烴類將出現后結晶現象,從而引起尺寸和力學性能的變化。適宜的模具溫度區域,冷卻速率適中,分子的結晶和定向也都是適中的。
3注射模冷卻系統的設計及分析
3.1注射模冷卻系統設計的原則
設計冷卻系統需要考慮模具的結構、塑件的尺寸和壁厚、鑲塊的位置、熔接痕的產生位置等。
(1)塑件厚度均勻,冷卻通道至型腔表面的距離相等,亦即冷卻通道的排列與型腔的形狀相吻合,塑件壁厚處冷卻通道應靠近型腔,間距要小以加強冷卻。一般冷卻通道與型腔表面的距離大于10mm,為冷卻通道直徑的1~2倍。
(2)在模具結構允許的前提下,冷卻通道的孔徑盡量大,冷卻回路的數量盡量多,以保證冷卻均勻。
(3)為防止漏水,鑲塊與鑲塊的拼接處不應設置冷卻通道,并注意水道穿過型芯、型腔與模板接縫處時的密封以及水管與水嘴連接處的密封,同時水管接頭部位設置在不影響操作的方向,通常在注射機的北面。
(4)澆口處應加強冷卻。由于澆口附近溫度zui高,通常可使冷卻水先流經澆口附近,再流向澆口遠端。
(5)降低入水與出水的溫度差,避免模具表面冷卻不均勻。
(6)冷卻通道要避免接近塑件熔接痕的生產位置,以免降低塑件的強度。
(7)冷卻通道內不應有存水和產生回流的部位,應避免過大的壓力降。冷卻通道直徑的選擇要易于加工清理,一般為φ6~φ12mm。
3.2注射模的冷卻分析
由于實際塑件的形狀往往十分復雜,因此借助于一些簡化公式或經驗公式來分析冷卻系統的可行性存在著很大的局限性。MPI/Cool應用邊界元的方法分析模具冷卻系統對模具和塑件溫度場的影響,優化冷卻系統的布局,以達到使塑件快速、均衡冷卻的目的,從而縮短注射成型的冷卻時間,提高生產效率。其流程圖如圖1所示。
1模具濕度對塑件的影響
影響注射模冷卻的因素很多,如塑件的形狀和分型面的設計,冷卻介質的種類、溫度、流速,冷卻管道的幾何參數及空間布置,模具材料,熔體溫度,塑件要求的頂出溫度和模具溫度、塑件和模具間的熱循環交互作用等。
(1)低的模具溫度可降低塑件的成型收縮率。
(2)模具溫度均勻、冷卻時間短、注射速度快可以減小塑件的翹曲變形。
(3)對于結晶性聚合物,提高模具溫度可使塑件尺寸穩定,避免后結晶現象,但是將導致成型周期延長和塑件發脆的缺陷。
(4)隨著結晶型聚合物的結晶度的提高,塑料的耐應力開裂性降低,因此降低模具溫度是有利的。但對于高粘度的無定型聚合物,由于其耐力開裂性與塑件的內應力直接相關,因此提高模具溫度和充模速度,減少補料時間有利的。
(5)提高模具溫度可以改善塑件的表面質量。
2模具溫度的確定
注射成型工藝過程中,模具溫度直接影響到塑料的充模、塑件的定型、模塑周期和塑件質量。而模具溫度的高低取決于塑料結晶性、塑件尺寸與結構、性能要求以及其它工藝條件如熔料溫度、注射速度、注射壓力和模塑周期等。
對于無定型聚合物,其熔體在注入模腔后隨著溫度的降低而固化,但并不發生相的轉變,模溫主要影響熔體的粘度,即充模速率。因此,對于熔融粘度較低和中等的無定型塑料如聚苯乙烯、醋酸纖維素等,采用較低的模具溫度可以縮短冷卻時間。對于熔融粘度高的塑料如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等,則必須采取較高的模具溫度以避免產生冷流痕、注不滿等缺陷,同時由于其軟化溫度較高,提高模具溫度可以調整塑件的冷卻速率,使之均勻一致,以防止塑件因溫度差過大而產生凹痕、內應力和裂紋等問題。
結晶性聚合物在注入模腔后,當溫度降低到熔點以下即開始結晶,結晶的速率受冷卻速率并zui終由模具溫度控制。高的模具溫度將導致大的結晶速率,有利于分子的松馳過程,因此尺寸穩定但是塑件發脆,適用于結晶速率很小的塑料如聚對苯二甲酸乙二酯。低的模具溫度將導致塑件中的分子結晶度的降低,對于玻璃化溫度低于室溫的塑料如聚烯烴類將出現后結晶現象,從而引起尺寸和力學性能的變化。適宜的模具溫度區域,冷卻速率適中,分子的結晶和定向也都是適中的。
3注射模冷卻系統的設計及分析
3.1注射模冷卻系統設計的原則
設計冷卻系統需要考慮模具的結構、塑件的尺寸和壁厚、鑲塊的位置、熔接痕的產生位置等。
(1)塑件厚度均勻,冷卻通道至型腔表面的距離相等,亦即冷卻通道的排列與型腔的形狀相吻合,塑件壁厚處冷卻通道應靠近型腔,間距要小以加強冷卻。一般冷卻通道與型腔表面的距離大于10mm,為冷卻通道直徑的1~2倍。
(2)在模具結構允許的前提下,冷卻通道的孔徑盡量大,冷卻回路的數量盡量多,以保證冷卻均勻。
(3)為防止漏水,鑲塊與鑲塊的拼接處不應設置冷卻通道,并注意水道穿過型芯、型腔與模板接縫處時的密封以及水管與水嘴連接處的密封,同時水管接頭部位設置在不影響操作的方向,通常在注射機的北面。
(4)澆口處應加強冷卻。由于澆口附近溫度zui高,通常可使冷卻水先流經澆口附近,再流向澆口遠端。
(5)降低入水與出水的溫度差,避免模具表面冷卻不均勻。
(6)冷卻通道要避免接近塑件熔接痕的生產位置,以免降低塑件的強度。
(7)冷卻通道內不應有存水和產生回流的部位,應避免過大的壓力降。冷卻通道直徑的選擇要易于加工清理,一般為φ6~φ12mm。
3.2注射模的冷卻分析
由于實際塑件的形狀往往十分復雜,因此借助于一些簡化公式或經驗公式來分析冷卻系統的可行性存在著很大的局限性。MPI/Cool應用邊界元的方法分析模具冷卻系統對模具和塑件溫度場的影響,優化冷卻系統的布局,以達到使塑件快速、均衡冷卻的目的,從而縮短注射成型的冷卻時間,提高生產效率。其流程圖如圖1所示。
關鍵詞:模具
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