照相機(jī)前蓋的注塑模具設(shè)計(jì)及工藝-抽芯塑料注射模含11張CAD圖,照相機(jī),注塑,模具設(shè)計(jì),工藝,塑料,注射,11,十一,cad 注塑模具之電力驅(qū)動(dòng)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) ------材料加工技術(shù)雜志187–188 (2007) 690–693 1、 文章的定義和介紹 通過(guò)熱電（TEM）手段冷卻模具技術(shù)的發(fā)展，派生出的工業(yè)實(shí)踐和問(wèn)題，即在設(shè)計(jì)，制作工具和開(kāi)發(fā)工具之中形成。當(dāng)前的冷卻技術(shù)有技術(shù)上的限制，通過(guò)有限元分析模擬包的提前預(yù)測(cè)可以發(fā)現(xiàn)這些局限，但是不能夠完全避免。各種不同的分析結(jié)果顯示，現(xiàn)在所有的冷卻系統(tǒng)不能夠提供可控制的傳熱能力，而足以適應(yīng)目前聚合物加工工藝要求的技術(shù)窗口。 當(dāng)前聚合物的加工是在熱容量處理能力上被限制的（從生產(chǎn)周期和降低成本上看）。其他生產(chǎn)優(yōu)化功能幾經(jīng)突破了機(jī)械和聚合物加工的限制。 1.1.注射成型塑料加工中的熱處理工藝 塑料加工是以塑件材料和模具型腔之間的熱量轉(zhuǎn)移為基礎(chǔ)的，在熱傳遞的計(jì)算中應(yīng)該考慮兩個(gè)主要事實(shí)：第一是所有使用的能源應(yīng)該遵循能量守恒的熱力學(xué)第一定律，第二個(gè)是傳熱速度。熱傳遞分析的基本任務(wù)是隨著時(shí)間的推移和在被研究系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布計(jì)算。最后取決于系統(tǒng)和環(huán)境之間、系統(tǒng)內(nèi)部之間的熱量傳遞速率。塑料加工產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射進(jìn)行傳遞。 1.2.冷卻時(shí)間 完整的注塑成型工藝周期包括合模階段，熔體注入型腔階段，保持壓力補(bǔ)償收縮效果階段，冷卻階段，開(kāi)模階段和部分彈射階段。在大多數(shù)情況下，以上所描述的所有階段中，所需時(shí)間最長(zhǎng)的是冷卻階段。 在注塑過(guò)程中，冷卻時(shí)間定義為塑料部件的溫度降到可以被彈射出時(shí)而所需要的時(shí)間。 冷卻過(guò)程的主要目的是為了降低額外的冷卻時(shí)間，但這在理論上是沒(méi)有必要的，在實(shí)際生產(chǎn)中，冷卻時(shí)間會(huì)在整個(gè)生產(chǎn)周期中由45%增加到67%。 從大量的文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)中可知，模具自身的溫度對(duì)于模具的排出時(shí)間，尤其是冷卻時(shí)間有巨大的影響。 模具注塑成型過(guò)程是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程中，模具溫度變化如圖1所示，由圖可看出模具溫度的變化跨過(guò)整個(gè)生產(chǎn)周期的平均值。 二、注塑模具的冷卻技術(shù) 由于作了一些說(shuō)明，現(xiàn)在已經(jīng)有幾個(gè)不同的冷卻技術(shù)，這樣可以幫助廠家冷卻模具。最常用的冷卻方法就是鉆孔技術(shù)，即在模具上鉆出一些空。通過(guò)這些小孔（冷線），流動(dòng)的冷卻介質(zhì)可以從模具中帶走注塑時(shí)產(chǎn)生和積累的熱量。這些小孔同樣可以很方便的鉆在不同的材料上，為了增強(qiáng)對(duì)模具溫度的控制，應(yīng)使用不同于模具材料熱傳導(dǎo)率的冷卻介質(zhì)。因此這種調(diào)控溫度的方法對(duì)于模具的溫度控制來(lái)說(shuō)是被動(dòng)的。 做出一個(gè)主動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的系統(tǒng)，即可以改變熱量狀況，從而得到期望的方面，例如產(chǎn)品質(zhì)量或周期時(shí)間，而這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。這種做法之一就是整合熱電氣模塊(TEM),他可以改變模具熱量條件，從而得到理想的模具特性。用這種方法，可以在時(shí)間變量和空間變量下控制熱量傳遞，這就意味著，模具溫度可以通過(guò)注塑周期來(lái)被調(diào)節(jié)，而不受模具自身各部位的影響。熱量控制可以通過(guò)控制單元完成，控制單元中的輸入變量可由人工輸入或注塑模擬輸入而被接收。在有輸出值的情況下，控制單元可以監(jiān)視TEM模塊的運(yùn)行狀況。 2.1.熱電模塊（TEM) 因?yàn)闊崃靠刂频男枰?，熱電模塊被集成到模具之中。熱變量和電氣變量之間的相互作用來(lái)改變熱量是基于珀耳帖效應(yīng)，珀耳帖效應(yīng)的現(xiàn)象眾周所知的，但它到現(xiàn)在為止從未在注塑應(yīng)用中使用過(guò)。TEM模塊是一種位于兩個(gè)陶瓷板之間的合理布置的幾套P型和N型半導(dǎo)體構(gòu)成的裝置，從而形成冷的和熱的電勢(shì)點(diǎn)。熱量傳遞的功率易于被提供電流的大小和極性來(lái)控制。 2.2.模具冷卻的應(yīng)用 該應(yīng)用的主要目的是將TEM模塊插入模具型腔的內(nèi)壁中來(lái)作為一個(gè)主要的熱量傳遞裝置。 由圖3可以看出熱電模塊的基本裝配，通過(guò)常規(guī)的液體冷卻系統(tǒng)，使熱流量通過(guò)模腔熱力系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)二次換熱。 在圖3中，該裝置由熱電模塊（A)組成，它可以將大部分熱量傳遞到溫度可以被控制的模具型腔的表面上(B)。經(jīng)過(guò)冷卻通道（C)以實(shí)現(xiàn)二次傳熱，這樣可以使模具內(nèi)部溫度保持不變。熱電模塊(A)作為熱力泵來(lái)運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣可以通過(guò)流體冷卻系統(tǒng)(C)來(lái)控制熱量在模具內(nèi)導(dǎo)入或?qū)С?。整個(gè)系統(tǒng)是在冷卻通道下進(jìn)行二次熱量控制的熱轉(zhuǎn)換工作。為了減少熱容量可控區(qū)域，絕緣體(D)被安裝在模腔(F)和模具結(jié)構(gòu)板(E)之間。 整個(gè)應(yīng)用包括溫度模塊，溫度傳感器和一個(gè)控制整個(gè)系統(tǒng)的電子裝置。這個(gè)系統(tǒng)描述如圖4所示，其中包括輸入單元（輸入接口）和應(yīng)用單元（電子單元和電力電子供應(yīng)，即H橋單元）。 溫度傳感器的循環(huán)信息的輸入和供應(yīng)單元都連接到一個(gè)控制單元 ，其作為一種執(zhí)行元件試圖加強(qiáng)預(yù)先確定的溫度/時(shí)間/位置關(guān)系。應(yīng)用珀?duì)柼?yīng) ，這個(gè)執(zhí)行元件可以用于加熱或冷卻。 通過(guò)流體冷卻介質(zhì)，二次熱量的消除可以實(shí)現(xiàn)，由圖4的熱量轉(zhuǎn)換可以看出。該執(zhí)行單元是基于目前的冷卻技術(shù)，并作為一個(gè)散熱器或熱源來(lái)使用。這使得在溫度，時(shí)間和位置方面的整個(gè)循環(huán)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)完全控制成為可能。此外，它允許在循環(huán)過(guò)程中不同溫度/時(shí)間/位置結(jié)構(gòu)可以開(kāi)始和停止進(jìn)程。以上所敘述的工藝可以用于那些要求精確控制溫度/時(shí)間/位置的不同產(chǎn)業(yè)和科研之中。圖3和圖4所展現(xiàn)的系統(tǒng)是從理論和實(shí)際的關(guān)點(diǎn)來(lái)分析的。理論方面是通過(guò)有限元模擬分析的，而實(shí)踐方面是將元件通過(guò)真實(shí)環(huán)境應(yīng)用程序測(cè)試來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)展起來(lái)的。 三、模具冷卻的有限元分析 目前注塑模具設(shè)計(jì)的發(fā)展，包括幾個(gè)階段。其中也包括冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化階段。這是目前通過(guò)模擬來(lái)執(zhí)行并使用定制的有限元建模包，它可以預(yù)測(cè)冷卻系統(tǒng)的功能，尤其是它對(duì)塑料制品的影響力。依據(jù)這種模擬，模具設(shè)計(jì)人員可以收集到產(chǎn)品流變、產(chǎn)品收縮變形和產(chǎn)品生產(chǎn)周期的綜合信息。 這種熱量信息通常是準(zhǔn)確的，但是由于材料流變信息的不足，它仍然是不可信的。為了對(duì)熱電模塊調(diào)節(jié)系統(tǒng)有高質(zhì)量的輸入，在整個(gè)注塑循環(huán)周期中，需要一個(gè)溫度分布圖，并貫穿模具表面和模具厚度層。因此需要不同工藝模擬。 3.1.物理模型，有限元分析 由于工作人員大量經(jīng)驗(yàn)而積累如此多的數(shù)據(jù)和在虛擬環(huán)境中成功完成不同實(shí)驗(yàn)可能性上，而使有限元分析法能在已發(fā)展項(xiàng)目上成功實(shí)施。整個(gè)冷卻系統(tǒng)原型是在有限元環(huán)境中設(shè)計(jì)的，且貫穿冷卻系統(tǒng)原型的每一部分溫度分布，同時(shí)對(duì)這些聯(lián)系進(jìn)行了探討。為了模擬已開(kāi)發(fā)原型的內(nèi)在物理特性，可以使用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建一個(gè)仿真模型。結(jié)果有限元模型和實(shí)際模型是一樣的，并且通過(guò)它有了比較和評(píng)估的可能性。 從熱量轉(zhuǎn)換的物理現(xiàn)象觀點(diǎn)探討有限元模型時(shí)，應(yīng)該考慮兩個(gè)熱源：一個(gè)是 水變換和流體物理，一個(gè)是熱電模塊與熱物理轉(zhuǎn)換（僅僅分析了傳導(dǎo)和對(duì)流，由于相對(duì)溫度低，輻射影響被忽視了，所以對(duì)溫度影響也低）。 在實(shí)際試驗(yàn)中，有限元分析的邊界條件被設(shè)定為獲得同樣工作條件的這樣一個(gè)目標(biāo)。周圍的空氣轉(zhuǎn)換器和水轉(zhuǎn)換器設(shè)定為20?C穩(wěn)定的溫度。 Fig. 6. Temperature distribution according to FEM analysis. Fig. 7. Prototype in real environment. 在圖6中可以觀察到有限元分析的結(jié)果，圖5顯示了模擬區(qū)域的溫度分布情況，圖6描述了在穩(wěn)定狀態(tài)下的分析情況，和樣機(jī)試驗(yàn)相比，這是非常準(zhǔn)確的。為了模擬響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也進(jìn)行了瞬時(shí)模擬，這對(duì)于以后的工作顯示出了非常積極的效果。這在很短的時(shí)間內(nèi)可能會(huì)達(dá)到200 ?C，以至于熱電模塊結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一些難題。這些問(wèn)題已經(jīng)被幾個(gè)解決方案解決了，比如適當(dāng)?shù)陌惭b，選擇合適的TEM材料和智能電子調(diào)節(jié)的應(yīng)用。 3.2.實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 因?yàn)橐呀枋鲞^(guò)，這樣的型號(hào)也已經(jīng)制作出來(lái)并作了測(cè)試（如圖7所示）。由顯示的結(jié)果可知，先前設(shè)定的假設(shè)也被證實(shí)了。在注塑周期的時(shí)間內(nèi)，TEM模塊控制模具不同部位的溫度分布是可能的。由實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試證明，TEM模塊確實(shí)可以控制熱處理的問(wèn)題。在有注塑機(jī)Krauss Maffei KM 60 C，溫度傳感器，紅外線照相機(jī)和原型TEM模塊的情況下，這個(gè)實(shí)驗(yàn)，即模擬真實(shí)工業(yè)環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室中完成了。實(shí)驗(yàn)的溫度在1.8秒內(nèi)由5攝氏度到80攝氏度變化著，這代表了在注塑周期內(nèi)有一個(gè)大的溫度控制區(qū)域。 四、結(jié)論 在輸入和輸出的關(guān)系中，使用熱電模塊有著直接的聯(lián)系，這在冷卻技術(shù)的應(yīng)用中是有里程碑的意義。注塑模具時(shí)，把熱電模塊引入不穩(wěn)定的冷卻結(jié)構(gòu)中，不準(zhǔn)確的工藝精度中和高質(zhì)量的塑料結(jié)構(gòu)中這一技術(shù)顯示出了很高的期望。 作者假設(shè)在注塑模具時(shí)運(yùn)用珀?duì)柼?yīng)可以實(shí)現(xiàn)溫度控制。隨著模擬工作的開(kāi)始和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的實(shí)際生產(chǎn)，這些假設(shè)被證實(shí)了。模擬的結(jié)果表明在注塑過(guò)程中TEM模塊可能會(huì)有很大的應(yīng)用空間。 隨著在周期時(shí)間里溫度曲線功能的提及，注塑過(guò)程可以被完全控制?，F(xiàn)在可以解決的工業(yè)問(wèn)題，例如均勻冷卻的有問(wèn)題的一類表面和塑料部分外觀的形狀等。在注塑時(shí)間里提高一些表面的溫度，這樣可以解決注塑薄壁塑件的難題。此外，利用這些技術(shù)，控制塑性材料的流變特性就可以實(shí)現(xiàn)了。在填充模腔階段，合理調(diào)節(jié)熱電模塊的熱量，它就可能甚至可以調(diào)控模腔里的熔融液體，這樣做是運(yùn)用了模具中合適的問(wèn)題分布（產(chǎn)品中的薄壁部分應(yīng)有更高的溫度）。 在注塑過(guò)程中，應(yīng)用TEM模塊技術(shù)減少周期時(shí)間的可能性是非常明顯的，可能減少周期時(shí)間的限制在于會(huì)有10—25%的額外冷卻時(shí)間，這在1.2節(jié)中描述過(guò)。 隨著TEM模塊技術(shù)的應(yīng)用，它可以很好地控制產(chǎn)品的扭曲和產(chǎn)品扭曲的數(shù)量，以這種方法就可以獲得要求的產(chǎn)品尺寸。 因?yàn)門ECOS擁有TEM模塊冷卻的技術(shù)，所以在注塑工藝時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮這種技術(shù)的專利問(wèn)題。 5