塑料碗注射模冷却系统设计与分析

【摘要】分析了塑料碗的注射模型和注射模的结构， 采用田字形和s形冷却水路， 设计冷却系统；对比两种水路冷却方案， 分析冷却10min后塑料碗的温度场分布、 钢模具块表面和内部温度场的分布， 得到S形冷却方案优于田字形， 为了实现更好冷却效果， 提出优化模型。分析管道流和传热方程， 得到冷却影响因素， 并用优化模型分析温度场分布及验证了水力流速、 管道材料、 表面粗糙度对冷却起着决定作用。

关键词： 塑料碗；注射模；冷却分析；温度分布

1 引言

塑料已成为工业中离不开的基础材料， 在2018年塑料制品高达6,042万吨 [1] 。因塑料制品比传统金属制品价格低、 塑性好、 质量轻和耐腐蚀等优点， 使得塑料制品在生活中应用的越来越广泛 [2~4] 。近年来， 塑料成型加工技术也是不断提高， 向中高端的塑料成型加工技术发展， 更好的满足国内塑料制品经济的发展需求 [5~7] 。塑料碗是生活中的必需品， 在制备过程中主要采用注射成型加工工艺， 利用注塑机将塑料原料熔体在一定的压力和速度下注入模具内部并冷却， 从而固化成塑料碗 [8~10] 。塑料碗注射过程受冷却影响非常大，冷却速度和均匀布置会提高制备的效率。针对塑料碗注射成型， 提出多种冷却方案， 对比表面粗糙度、 流速和布置方案， 借助Comsol软件， 分析冷却工艺， 确定最佳方案。同时， 为塑料制品的注射模设计提供参考。

2 注射模分析

塑料碗为圆形结构， 其外形尺寸 D×h 为 160×60mm， 壁厚2.4mm。结构较简单， 所以精度上要求较低， 主要要求表面光亮。注射成型时采用PP聚丙烯材料， 因PP的材料质量轻、 密度比水小， 最终耐热性、韧性强， 有利于提高塑料碗的性能。但在碗口部分要求较高， 不能出现有浇注口的痕迹 [11] 。另外， 碗的壁厚较薄， 如果采用简单传统注射， 很难以成功， 容易生产成缺料塑料碗。为了提高注射成型， 必须加大注射压力， 但会造成内应力较大， 难以脱模。在注射过程要求塑件不能有常见的注射表面缺陷， 不允许发生变形。但发现在注射过程中由于冷却速度过快， 造成模具温度低于50℃， 导致塑件表面不光滑，而且留痕90℃以上易使塑料发生翘曲变形 [12] 。因此采用热流道和冷却结构提高塑料碗模具注射、 充满和冷却问题。

注射膜结构如图1所示。采用顶出方式进行脱模， 注射中通过浇口套1将塑料熔料注入到模架3的型腔6中， 保压， 通过冷却水道5进行冷却。当模具完全打开时， 确保制件留在型芯4中， 通过顶杆把顶杆板7向上推， 从而推出模型。为了实现复位， 顶杆8向下运动， 在复位杆弹簧9作用下顶杆板7复位。

图1 注射模结构

1.浇口套 2.定位圈 3.模架 4.型芯 5.冷却水道 6.型腔 7.顶杆板 8.顶杆 9.复位杆弹簧

3 冷却系统设计

冷却是塑料碗注射成型中的一个重要过程， 首先， 冷却时间可能会占用生产周期时间的一半， 甚至更多 [13] ；其次， 通过均匀冷却来避免制造塑料碗时出现缺陷。因为模具注射过程中塑料材料均匀、 缓慢地冷却下来， 可以避免产生残余应力， 其导致最终塑件发生扭曲和裂缝等的风险 [14] 。因此， 冷却对于塑料碗成型至关重要， 而冷却通过的定位和属性成为模具设计的一个重要因素， 冷却水路布置形式直接影响了冷却的效率， 塑料碗的温度分布， 最重要是能够保证塑料碗的冷却比较均匀， 减少了收缩变形等 [15] 。采用两种方案的冷却水路， 如图2所示， 田字水路采用传统的冷却水路， 在模具钢上钻孔加上管头， 内部形成田字的水路， 围绕塑料碗周围冷却一圈， 内部采用对角连接管道， 所有管道采用直线型设计。S形水路通过快速成型制造， 均布在模具的上下面。水路管道均采用圆管， 内径为 ? 10mm。

图2 两种方案的冷却水路

a — —田字水路 b — —S形水路

4 实验分析

通过comsol分析冷却过程， 查看塑料碗的温度场的分布， 如图3所示。经过注射的塑料材料， 塑料模具的平均温度为473K （199.85℃） ， 以室温的水作冷却流体， 以10L/min的速度流过管道， 模拟10min的冷却过程。冷却10min后， 最热部分与最冷部分温度相差大概 100℃ ；田 字 形 冷 却 后 塑 料 碗 的 平 均 温 度 为421.78K （148.63℃） ， S形冷却后塑料碗的平均温度在410K （136.85℃） 左右；发现田字形冷却后塑料碗的表面温度比S形塑料碗的温度要高， 更多集中在450K（176.85℃） 温度左右；从冷却管道温度上分析， 可知田字管道出口和中间段温度变化不大， 也就意味着水流介质带走的温度不多， 其效率较低；从S形管道可知出口温度温度较大， 中间段从低到高， 实现热量传导。对比发现， S形冷却管道布置更有利于塑料碗的传热。从图4可知， 田字形布置方案中， 因塑料碗内上下布置的冷却管道较少， 可知塑料碗上下的钢模具温度较高， 然而在钢模具的四周， 温度较低， 由于田字形冷却增加了塑料碗周围的冷却管道， 有利于钢模具周围热量传递。在S形布置方案中， 可知塑料碗上下面对应冷却管道布置较多， 所以对应位置冷却的比较均匀， 但在水流进出口两面模具的受热较大。但总体上可知， S形冷却方案的最高温度 460K （ 186.85℃） 低于田字形 468K（ 194.85℃ ） ， 而且在塑料碗周围散热较均匀， 效率较高。

从图5可知， 冷却10min后模具内部的温度场分布情况， 发现田字形冷却方案在塑料碗中央温度较高， 高于400K （128.85℃） ， 说明塑料碗对应上下面冷却较少；而S形冷却方案最高温度为350K （76.85℃） ，低于田字冷却， 却较好保证了塑料碗周围的温度， 比较均匀， 温度低于345K （71.85℃） ， 对于塑料具有较好冷却效果。

图3 冷却10min后塑料碗的温度场的分布

图4 冷却10min后模具块表面温度场的分布

图5 冷却10min后模具块内部温度场的分布

5 冷却系统传热分析

（1） 管道流的设计方程。

下面的动量和质量守恒方程描述了冷却通道中的流动：

式中 u — —管道中心线切线方向的横截面平均流体速度， mm/s

A — —管道的横截面积， mm 2

ρ — —密度， kg/mm 3

p — —压力， N/mm 2

d h — —管道水力直径， mm

t — —时间， s

f D — —摩擦因子， 由以下公式给出：

由上述方程 （2） 可见， 摩擦因子f D 取决于表面粗糙度e除以管道直径d的值e/d。

（2） 传热设计方程。

a.冷却管道。

管道内冷却水的能量方程为：

T — —冷却水温度， K

k （W/ （m · K） ） — —导热系数

右侧的第二项表示由于流体内部摩擦引起的耗散热， 对于本模型使用的短通道忽略不计的。Q wall 是表示与周围模具块热交换的源项 （W/m） ， 通过管道所在位置的线热源发挥热平衡作用。

b.模具块和聚氨酯零件。

钢模具块以及模制的PP材料塑料碗中的传热都由传导控制：

式中 T 2 — —钢块的温度， K

c.热交换。

热交换项Q wall （W/m） 将分别由方程 （3） 和方程 （4）得出的两种能量平衡相耦合， 通过管壁进行的传热由以下公式表示：

式中 Z — —管的周长， m

h — —传热系数， W/ （m 2 · K）

T ext — —管的外部温度， K

Q wall — —在管传热方程中是源项

传热系数h取决于水的物理属性和流动的特性，根据Nusselt数计算：

式中 k — —材料的导热系数

Nu — —Nusselt数

d h — —管的水力直径， mm

通过以上方程的计算可知， 冷却系统设计中流体速度u、 压力p、 在管传热方程中是源项Q wall 、 摩擦因子f D 等因素有关， 其中， 摩擦因子越大， 径向传热量越大。

6 优化模型并验证

根据田字形和S形冷却方案， 提出两者混合冷却方式， 如图6所示。并对优化后模型进行温度场分析。由图6可知， 冷却后的塑料碗的温度与S形相差不大， 但作用在钢模具的表面和内部温度有着进一步的降低， 可发现在钢模具最高温度380K （106.15℃） 集中在模具边角， 而在钢模具内部对应塑料碗底部位置温度明显比较均匀且温度较低大概在345K （71.85℃）左右。优化模型冷却效果上得到一定的提高。

图6 优化模型的温度场分布

a — —优化模型水路布置方案 b — —冷却10min后塑料碗的温度场的分布

c — —冷却10min后模具块表面温度场的分布 d — —冷却10min后模具内部温度场的分布

7 结论

（1） 在冷却系统设计中， 提出田字形和S形水路方案。把田字形和S形水路均布在模具的上下面。对比田字形和S形冷却， 分析了冷却10min后温度场的分布， 可知S形冷却方案冷却更加均匀， 冷却效率较好，但模具在水路进出口面的温度要比田字形高， 综合田字方案和S形的方案提出优化方案， 提高冷却效果。

（2） 冷却系统传热分析中， 通过管道流和传热方程， 分析冷却热量的影响因素， 得到冷却系统设计中流体速度、 压力、 在管传热方程中是源项、 摩擦因子等因素有关， 其中， 摩擦因子越大， 径向传热量越大。

（3） 优化模型并验证中， 提出田字形和S形的方案的混合， 在进一步的验证后， 发现混合方案更有利塑料碗的注射冷却成型。

—The End—