注塑模新型冷却技术及其研究进展

1、/工坐q矢对i台号財r九匹饯伍志刚史玉升魏青松黄树槐华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室，武汉,430074摘要：介绍了脉冲冷却随形冷却co,气体冷却等注塑模新型冷却技术的概念和研究顼 状。从原理的角度出发分析了它们各自的优点及存在的问题，阐述了它们的应用状况。展望 了将来注塑模冷却技术的发展趋势。矢键词:脉冲冷却;随形冷却;快速制模;co?气体冷却中图分类号:s275.6; tq320.66文章编号:1004 -132x(2006) s2 -0161 -05development of plastic injection mold cooling technologywu zhi

2、gang shi yusheng wei qinsong huang shuhuaistate key laboratory of plastic forming simulation and die & mould technology ,huazhong university of science and technology , wuhan ,430074abstract: this paper introduces principles , characters and practical or possible applications of pulse cooling, c

3、onformal cooling and co2 gas cooling of injention molding . those new technologies have not only got great improvement on production efficiency and cooling uniformity , but also en2 hanced the ability to control the temperature of mold surface , and they have a promising futurekey wrds:pulse cooling

4、 ;conformal cooling ;rapid tooling ;coz gas cooling0引弓在正常生产条件下，注入模内的塑料熔体温 度为200300 °c,而注塑制品出模时的温度为60 80 °c,温度降低主要取决于模具的冷却系统，注 塑模不仅是塑料熔体的成形设备，而且是一个热 交换器。塑料熔体冷却凝固所释放的热量 95 %由冷却系统中的冷却介质带走，模内冷却时 间包括注射时间保压时间和冷却时间，占整个注 塑周期的3/4以上，因而冷却系统对注塑成形效 率有举足轻重的影响。更重要的是良好的冷却系 统能够有效控地制模具型腔表面温度，保证稳定、 合理的模具温度并实

5、现对模内塑料熔体的均匀冷 却，进而减少注塑制品的翘曲变形，提高尺寸精 度，改善力学性能，提高表面质暈和熔接强度，保 证制品质量。因而注塑模具冷却系统有十分重要 的作用，是注塑模设计的核心内容之一。为了调节模具温度，通常的办法是在模内开 设冷却水道，通过调节输入冷却水道中冷却液的 温度来实现对模具温度的调节。传统冷却技术中 的冷却水道通常是直线形的圆孔,它是通过宏观 的传热计算进行设计，利用钻床打孔完成其加工 的。该技术具有结构简单，设计加工过程容易实 收稿日期：2()06 08 ()8 基金项目：国家8 6 3高技术研究发展计划资助项巨 (2002aa6z3083)；湖北省自然科学基金创新群体

6、项巨 (2004abc001)现等优点0其缺点就是对型腔表面温度的控制力 较弱，冷却均匀度及冷却效率较低。随着注塑成 形工艺不断向精密化方向发展，传统冷却技术已 经越来越不能满足实际的需要。20世纪90年代 中后期以来，研究人员开发出了一些新型的冷却 技术，取得了相当的进步，为注塑成形的研究开仓i 了新领域。1脉冲冷却技术脉冲冷却技术是根据注塑模在生产过程中能 暈脉冲输入的特点,控制冷却液流量以脉冲输入 来实现对模具温度的控制。脉冲冷却是指其冷却 水道中冷却液的流暈是脉冲状的，而不是连续稔 定的。传统冷却是通过控制冷却液的温度来控制 模具温度，而脉冲冷却则是通过控制冷却液的沸 量来控制模具温度

7、，其原理如图1所示。传统冷却脉冲冷却图1脉冲冷却原理示意图在脉冲冷却系统中，多个热电偶被安装在模 腔表面附近以检测模具温度。冷却液流量控制器 根据热电偶采集的温度数据及模温的设定值來控 制输入的冷却液流量大小,进而实现对模温的精 确控制，图2所示为脉冲冷却系统的结构示意图。 在成形过程中，冷却液的流量随着模温的变化而 不断变化，模温高则流暈大，模温低则流暈小。当 模温达到设定模温时，则停止冷却液的输入。与 传统冷却技术相比,脉冲冷却技术的主要技术特 点如表1所示°热电偶ftflt出水阀门组进水阀门组图2脉冲冷却系统结构示意图表1脉冲冷却的技术特点传统冷却脉冲冷却冷却液流量连续稳定脉冲

8、输入冷却液温度a »:冷低温度控制部位整套模具型腔表面温度控制方式冷却液温度冷却液流量受浇口位置及注塑制品形状的影响，在模具 型腔表面不同区域间存在一定的温度差。为了竝 到较好的冷却均匀度，在脉冲冷却系统中实行了 分区冷却。根据预测的型腔表面温度状况，在模 具中划分出几块冷却区域,分别单独设计各自的 冷却水道。再在各区域分别安装热电偶，检测开 同区域的模温，进而控制输入各区域冷却水道的 冷却液流暈，这样提高了冷却的均匀度。在注塑过程中，模腔的表面温度直接影响看 注塑制品的质量。在脉冲冷却系统中热电偶被咳 装在模脐表面附近,因而其检测到的温度是模腔 表面的温度而不是整套模具的温度。流量

9、控制蛊 根据反馈的温度数据控制输入的冷却液流暈，迪 而实现了对模腔表面温度的控制。因而脉冲冷却 系统能较好调节的模腔表面温度，有利于提高注 塑制品的质量。传统冷却技术是依靠调整冷却液温度来调鑒 模温的。在脉冲冷却系统中，其冷却液温度是恒162 定的,并采用了较低温度的冷却液以提高模具与 冷却液之间的温度差。同时冷却液的脉冲状流臺 输入也增强了其流动的紊动程度,加强了冷却水 道与模具介面间的对流换热。这样大大加快了模 具冷却系统对模温的响应速度，并提高了冷41 效率。英国的brunel大学与美国的behrend大学 在脉冲冷却理论方面有较深人的研究。他们的硏 究表明，采用脉冲冷却的注塑模比普通注

10、塑模旳 成形效率高10 %30 % （图3），注塑件质量也圭 一定的提高期。美国的cito公司和德国於 re ma k公司，还生产出了各自的脉冲冷却成套该 备,并成功实现了商品化（图4）。， 传统冷却 hi形冷却80 r/c“=556s*z=476s501050100150200时间图3脉冲冷却与传统冷却的模温变化曲线图4 remak公司生产的脉冲冷却设备采用脉冲冷却技术，可以提高生产效率，改善 制品质量。但要实现脉冲冷却技术需增加相尖的 脉冲冷却设备，而且山于需要进行分区冷却和安 装多个热电偶，其模具的结构也较普通注塑模复 杂，这样一定程度上抵消了其生产效率提高所希 来的成本优势。综合考虑脉

11、冲冷却技术还是具有 一定的技术优势,具有广阔的市场前景。2随形冷却技术随形冷却技术是随着快速成形技术发展起来 的新型模具冷却技术。随形冷却是指衽模具中冷 却水道的空间结构随着模具型腔形状的变化而变 化（图5），其冷却水道始终以一定的距离附着在 模腔表面。图5传统冷却系统和随形冷却系统的示意图传统冷却注塑模的冷却水道受加工手段的限 制，通常被设计成直线形，其冷却水道距型腔表面 的距离不一致。这造成了冷却的不均匀性，导致 注塑件容易出现翘曲变形开裂等缺陷。不仅如 此，冷却的不均匀还降低了成形效率。在冷却水 道距型啓表面近的地方，传热效率高，冷却较快， 而在冷却水道距型腔表面远的地方，传热效率低，

12、冷却较慢。在注塑成形中必须要等到注塑件所有 部位都达到开模温度以下时才能开模取件，因而 冷却效率低的部位直接延长了总冷却时间，降低 了成形效率。而随形冷却注塑模由快速成形加 工，冷却水道可自由分布，可按一定的距离附着并 均匀覆盖整个模脖表面。其冷却均匀度能大幅度 提高，易实现同时冷却，大幅度缩短了冷却时间。 因而随形冷却注塑模具有制品质量好，成形效率 高等特点。在随形冷却条件下，冷却水道均匀地以较近 的距离附着在型腔表面，形成了热包络区。热量 被完全封锁在其内部，局部热传导也被限制在两 个相邻冷却水道之间的小区域内。因而模具的冷 却系统对模腔表面温度具有较强的控制力。研究 表明，在随形冷却条件

13、下的注塑模在一个成形周 期内即可达到稳定的工作状态，而传统冷却注塑 模则需要经过大约20个成形周期才能够达到稳 定的工作状态（图6）。因而在随形冷却注塑模 中，通过调整冷却液的温度即可快速准确地实现 对模腔表面温度的调节。图6随形冷却与传统冷却的模温变化曲线美国m1t的研究人员最早提出了随形冷却 技术，他们对使用3dp技术制作随形冷却注蟹 模的大星相尖研究建立了基于冷却单元的随形冷 却水道设计方法。他们的研究结果表明，较传统 冷却注塑模,随形冷却注塑模的生产效率普遍可 提高30%以上，制品的翘曲变形也有一定改 善i"。英国leed大学的dal gar no及其他学者 通过一些的快速制

14、模方法制作了随形冷却水道模 具，并与普通注塑模具进行了对比，也得出了类僞 的研究结论1,0031 »在国内只有华中科技大学模貝 技术国家重点实验室从事相尖研究，图7所示为 该实验室通过sls快速制模工艺制造的随形冷 却注塑模具。图7随形冷却注塑模具及其冷却系统随形冷却注塑模的冷却水道是随形的，因而 难以用传统的方法进行加工。目前的随形冷却注 塑模大多采用3dp和sls等快速成形技术间搖 烧结（粘合）金属粉末进行加工。使用该类方法加 工出的模具虽具有较低的成本和较短的加工周 期，但使用寿命较短（只能生产30005000件） 其他的加工方法如快速软模及电铸成形也有类化 的问题。这一状况大

15、大地限制了随形冷却技术笊 推广使用，目前该技术只能应用于生产中小批;s 注塑件的模具中。3 cch气体冷却技术co?气体冷却技术是由美国aga ab公司 开发出来的使用低温的co?气体进行注塑模冷却 的技术。其原理是利用多孔金属材料制作模具, 然后在一定的部位开进气孔通入低温的co?气 体,其他部位开设排气孔引导气体流向，以低温的 co2气体作为介质进行对模具进行冷却，其原理 示意图如图8所示。163 传统冷却注塑模的冷却系统采用液态冷却液 （水）作为冷却介质，而co?气体冷却技术则创建 性地采用了低温的co2气体作为冷却介质进行椁 具的冷却。co2气体在多孔金属材料中具有良好 的渗透性和流动

16、性,能够方便地对注塑件的复杂 和微细部位实施冷却，避免了冷却死角，有效消附 了模腔表面的热点。为了达到较高的冷却均匀度,co2气体冷却 技术也采用了分区冷却。即预先划分出不同的冷 却区域，设置好合适的进气口和排气口，引导气体 流向。在各自区域的模腔表面位置安装热电偶 进行温度检测。根据温度反馈的结果，通过pid 控制系统调节输入模具各部位的co2气体流量朵 实现对模腔表面温度的控制。由于co,气体具有 极低的温度（78 °c），致使冷却介质与型腔表面 间具有较大的温度差（100 °c以上），大幅度的提舄 了冷却效率。因而较传统冷却注塑模,co,气体 冷却注塑模具伺模温波动幅

17、度小成形周期短成 形质量高等优点。如图9所示为co?气体冷却注 塑模的模温变化曲线°研究结果表明采用co?气 体冷却技术的注塑模，其冷却效率能普遍提高 5（） %以上问。传统冷却注热电偶i <pco,气体冷却注塑模热电偶图9 82气体冷却与传统冷却模温变化曲线co2气体冷却技术的另一优势就是模具无需 脫模机构。采用该项技术能简化模具结构，减少 模具部件间干涉的可能性。在脱模时只需矢闭排 气孔,co2气体即可将注塑件吹出，实现快速无 接触脱模。由于co2气体冷却技术的具有较高技术难 度，目前只有aga ab公司对该项技术展开研 究，并构建了专门的注塑生产车间,实施该冷却技 术。此

18、外山于舟于制造该种模具的多孔性金属材 料价格昂贵，低温cch的制备成本也较高,大大限 制了该技术的应用，目前多被用于微注塑成形模 具中。4总结和展望目前出现的几种注塑模的新型冷却技术已经 逐渐发展成熟并被用于实际生产中，部分替代了 传统的冷却技术，发挥了一定的经济效益。但是 受到工艺成本等因素的制约，没有获得大规模的 推广应用。通过对现有注塑模冷却技术的总结和 分析,可以发现现有的新型冷却技术均是以提高 冷却均匀度和冷却效率增强对模腔表面温度的 控制力为目标沬来也应该继续朝这个方向发展。 将来应该继续加强对注塑模冷却技术的理论研 究，在完善现有技术的同吋,注重开发更具创新理 念的新技术。参考文

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24、中良 史玉升刘锦辉魏青松黄树槐华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室，武汉430074摘要:在采用注塑模制造注塑件的过程中，注塑的冷却阶段是一彳、涉及热力学与流体力学 的复杂过程,直接影响到注塑件的制造质暈与生产效率。随着市场对注塑件质暈要求的提高， 针对注塑模随形冷却水道的设计及其快速成形制造技术的研究逐渐成为国内外的热门课题。 介绍了注塑模随形冷却水道的概念产生及其意义;对目前国内外随形冷却水道尖键技术的研究 进行了综述;结合国内外现状，指出了随形冷却水道设计及其快速成形制造技术的发展趋势。尖键词:快速成形;注塑模;随形冷却水道;选择性激光烧结中图分类号:tp391.9文章编号：

25、1004 -432x(2006) s2 -0165 -06a gobal review of the design and manufacturing of conformal cooling channels in injection mouldlu zhongliang shi yusheng liu jinhui wei qingsong huang shuhuaistate laboratory of plastic forming simulation and die & mould technology,huazhong university of science and

26、technology , wuhan ,430074abstract: the cooling process of injection molding is a compheated process relating to thermody2 namics and hydrodynamics , and it has a direct impact on quality and productivity of injection molded part. with increasing requirements of high quality of injection molded part

27、, the research on design and rapid prototyping manufacturing technology of conformal cooling channels of injection mould gradually becomes a popular subjecl the paper introduces its definition , generation and signification. and il summarizes the worldwide re scare h achievements of key technology o

28、f co nformal cooling channels al last , the trend of development of design nnd rapid prototyping manufacturing technology of conforma) cooling channels is presented according to the present state.key words: rapid prototyping; injection mould; conformal cooling channel; selective laser si ntering0引言模

29、具是现代工业制造中的重要装备之一，模收稿日期:2006 -08 -08基金项目：湖北省自然科学基金创新群体项g(2004abc001);国 家科技型中小企业创新基金项目(05c26214201059)channels j j society of manufacturing engineers technical paper, 1999 (5) :992i15.11 | dimla d e, camilo t to m , miani f. de sign anc optimization of colilbrmal cboling channels in ln2 jcction moulding tools j journ