張小珍

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建漳州 363105）

1 引言

塑料已成為工業(yè)中離不開的基礎(chǔ)材料，在2018年塑料制品高達(dá)6,042萬噸[1]。因塑料制品比傳統(tǒng)金屬制品價(jià)格低、塑性好、質(zhì)量輕和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使得塑料制品在生活中應(yīng)用的越來越廣泛[2～4]。近年來，塑料成型加工技術(shù)也是不斷提高，向中高端的塑料成型加工技術(shù)發(fā)展，更好的滿足國內(nèi)塑料制品經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求[5～7]。塑料碗是生活中的必需品，在制備過程中主要采用注射成型加工工藝，利用注塑機(jī)將塑料原料熔體在一定的壓力和速度下注入模具內(nèi)部并冷卻，從而固化成塑料碗[8～10]。塑料碗注射過程受冷卻影響非常大，冷卻速度和均勻布置會(huì)提高制備的效率。針對塑料碗注射成型，提出多種冷卻方案，對比表面粗糙度、流速和布置方案，借助Comsol軟件，分析冷卻工藝，確定最佳方案。同時(shí)，為塑料制品的注射模設(shè)計(jì)提供參考。

2 注射模分析

塑料碗為圓形結(jié)構(gòu)，其外形尺寸D×h為160×60mm，壁厚2.4mm。結(jié)構(gòu)較簡單，所以精度上要求較低，主要要求表面光亮。注射成型時(shí)采用PP聚丙烯材料，因PP的材料質(zhì)量輕、密度比水小，最終耐熱性、韌性強(qiáng)，有利于提高塑料碗的性能。但在碗口部分要求較高，不能出現(xiàn)有澆注口的痕跡[11]。另外，碗的壁厚較薄，如果采用簡單傳統(tǒng)注射，很難以成功，容易生產(chǎn)成缺料塑料碗。為了提高注射成型，必須加大注射壓力，但會(huì)造成內(nèi)應(yīng)力較大，難以脫模。在注射過程要求塑件不能有常見的注射表面缺陷，不允許發(fā)生變形。但發(fā)現(xiàn)在注射過程中由于冷卻速度過快，造成模具溫度低于50℃，導(dǎo)致塑件表面不光滑，而且留痕90℃以上易使塑料發(fā)生翹曲變形[12]。因此采用熱流道和冷卻結(jié)構(gòu)提高塑料碗模具注射、充滿和冷卻問題。

注射膜結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用頂出方式進(jìn)行脫模，注射中通過澆口套1將塑料熔料注入到模架3的型腔6中，保壓，通過冷卻水道5進(jìn)行冷卻。當(dāng)模具完全打開時(shí)，確保制件留在型芯4中，通過頂桿把頂桿板7向上推，從而推出模型。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)位，頂桿8向下運(yùn)動(dòng)，在復(fù)位桿彈簧9作用下頂桿板7復(fù)位。

圖1 注射模結(jié)構(gòu)

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷卻是塑料碗注射成型中的一個(gè)重要過程，首先，冷卻時(shí)間可能會(huì)占用生產(chǎn)周期時(shí)間的一半，甚至更多[13]；其次，通過均勻冷卻來避免制造塑料碗時(shí)出現(xiàn)缺陷。因?yàn)槟＞咦⑸溥^程中塑料材料均勻、緩慢地冷卻下來，可以避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其導(dǎo)致最終塑件發(fā)生扭曲和裂縫等的風(fēng)險(xiǎn)[14]。因此，冷卻對于塑料碗成型至關(guān)重要，而冷卻通過的定位和屬性成為模具設(shè)計(jì)的一個(gè)重要因素，冷卻水路布置形式直接影響了冷卻的效率，塑料碗的溫度分布，最重要是能夠保證塑料碗的冷卻比較均勻，減少了收縮變形等[15]。采用兩種方案的冷卻水路，如圖2所示，田字水路采用傳統(tǒng)的冷卻水路，在模具鋼上鉆孔加上管頭，內(nèi)部形成田字的水路，圍繞塑料碗周圍冷卻一圈，內(nèi)部采用對角連接管道，所有管道采用直線型設(shè)計(jì)。S形水路通過快速成型制造，均布在模具的上下面。水路管道均采用圓管，內(nèi)徑為φ10mm。

圖2 兩種方案的冷卻水路

4 實(shí)驗(yàn)分析

通過comsol分析冷卻過程，查看塑料碗的溫度場的分布，如圖3所示。經(jīng)過注射的塑料材料，塑料模具的平均溫度為473K（199.85℃），以室溫的水作冷卻流體，以10L/min的速度流過管道，模擬10min的冷卻過程。冷卻10min后，最熱部分與最冷部分溫度相差大概100℃；田字形冷卻后塑料碗的平均溫度為421.78K（148.63℃），S形冷卻后塑料碗的平均溫度在410K（136.85℃）左右；發(fā)現(xiàn)田字形冷卻后塑料碗的表面溫度比S形塑料碗的溫度要高，更多集中在450K（176.85℃）溫度左右；從冷卻管道溫度上分析，可知田字管道出口和中間段溫度變化不大，也就意味著水流介質(zhì)帶走的溫度不多，其效率較低；從S形管道可知出口溫度溫度較大，中間段從低到高，實(shí)現(xiàn)熱量傳導(dǎo)。對比發(fā)現(xiàn)，S形冷卻管道布置更有利于塑料碗的傳熱。

圖3 冷卻10min后塑料碗的溫度場的分布

從圖4可知，田字形布置方案中，因塑料碗內(nèi)上下布置的冷卻管道較少，可知塑料碗上下的鋼模具溫度較高，然而在鋼模具的四周，溫度較低，由于田字形冷卻增加了塑料碗周圍的冷卻管道，有利于鋼模具周圍熱量傳遞。在S形布置方案中，可知塑料碗上下面對應(yīng)冷卻管道布置較多，所以對應(yīng)位置冷卻的比較均勻，但在水流進(jìn)出口兩面模具的受熱較大。但總體上可知，S形冷卻方案的最高溫度460K（186.85℃）低于田字形468K（194.85℃），而且在塑料碗周圍散熱較均勻，效率較高。

圖4 冷卻10min后模具塊表面溫度場的分布

從圖5可知，冷卻10min后模具內(nèi)部的溫度場分布情況，發(fā)現(xiàn)田字形冷卻方案在塑料碗中央溫度較高，高于400K（128.85℃），說明塑料碗對應(yīng)上下面冷卻較少；而S形冷卻方案最高溫度為350K（76.85℃），低于田字冷卻，卻較好保證了塑料碗周圍的溫度，比較均勻，溫度低于345K（71.85℃），對于塑料具有較好冷卻效果。

圖5 冷卻10min后模具塊內(nèi)部溫度場的分布

5 冷卻系統(tǒng)傳熱分析

注射過程中產(chǎn)生大量的熱量，主要熱量來源于注射塑料熔體注入到模具后散發(fā)得到，如果這些熱量不能夠及時(shí)的散發(fā)出去，直接影響塑料碗的質(zhì)量和其的生產(chǎn)效率。注射模主要通過3個(gè)方面進(jìn)行熱量的傳遞。第一，塑料熔體的熱量跟型芯、型腔接觸，把熱量傳遞給模具；第二，模具通過冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冷卻介質(zhì)傳遞；第三，模具的外表面跟外環(huán)境接觸進(jìn)行熱量對流，把熱量散發(fā)出去。通過這3種方式冷卻模型，其中注射熔體熱量的90%～95%是通過第二種方式把熱量帶走[16]。下面通過管道流和傳熱方程，分析冷卻熱量的影響因素。

（1）管道流的設(shè)計(jì)方程。

下面的動(dòng)量和質(zhì)量守恒方程描述了冷卻通道中的流動(dòng)：

式中u——管道中心線切線方向的橫截面平均流體速度，mm/s

A——管道的橫截面積，mm2

ρ——密度，kg/mm3

p——壓力，N/mm2

dh——管道水力直徑，mm

t——時(shí)間，s

fD——摩擦因子，由以下公式給出：

由上述方程（2）可見，摩擦因子fD取決于表面粗糙度e除以管道直徑d的值e/d。

（2）傳熱設(shè)計(jì)方程。

a.冷卻管道。

管道內(nèi)冷卻水的能量方程為：

式中Cp——恒壓熱容，J/（kg·K）

T——冷卻水溫度，K

k（W/（m·K））——導(dǎo)熱系數(shù)

右側(cè)的第二項(xiàng)表示由于流體內(nèi)部摩擦引起的耗散熱，對于本模型使用的短通道忽略不計(jì)的。Qwall是表示與周圍模具塊熱交換的源項(xiàng)（W/m），通過管道所在位置的線熱源發(fā)揮熱平衡作用。

b.模具塊和聚氨酯零件。

鋼模具塊以及模制的PP材料塑料碗中的傳熱都由傳導(dǎo)控制：

式中T2——鋼塊的溫度，K

c.熱交換。

熱交換項(xiàng)Qwall（W/m）將分別由方程（3）和方程（4）得出的兩種能量平衡相耦合，通過管壁進(jìn)行的傳熱由以下公式表示：

式中Z——管的周長，m

h——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）

Text——管的外部溫度，K

Qwall——在管傳熱方程中是源項(xiàng)

傳熱系數(shù)h取決于水的物理屬性和流動(dòng)的特性，根據(jù)Nusselt數(shù)計(jì)算：

式中k——材料的導(dǎo)熱系數(shù)

Nu——Nusselt數(shù)

dh——管的水力直徑，mm

通過以上方程的計(jì)算可知，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流體速度u、壓力p、在管傳熱方程中是源項(xiàng)Qwall、摩擦因子fD等因素有關(guān)，其中，摩擦因子越大，徑向傳熱量越大。

6 優(yōu)化模型并驗(yàn)證

根據(jù)田字形和S形冷卻方案，提出兩者混合冷卻方式，如圖6所示。并對優(yōu)化后模型進(jìn)行溫度場分析。由圖6可知，冷卻后的塑料碗的溫度與S形相差不大，但作用在鋼模具的表面和內(nèi)部溫度有著進(jìn)一步的降低，可發(fā)現(xiàn)在鋼模具最高溫度380K（106.15℃）集中在模具邊角，而在鋼模具內(nèi)部對應(yīng)塑料碗底部位置溫度明顯比較均勻且溫度較低大概在345K（71.85℃）左右。優(yōu)化模型冷卻效果上得到一定的提高。

圖6 優(yōu)化模型的溫度場分布

7 結(jié)論

（1）在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。對比田字形和S形冷卻，分析了冷卻10min后溫度場的分布，可知S形冷卻方案冷卻更加均勻，冷卻效率較好，但模具在水路進(jìn)出口面的溫度要比田字形高，綜合田字方案和S形的方案提出優(yōu)化方案，提高冷卻效果。

（2）冷卻系統(tǒng)傳熱分析中，通過管道流和傳熱方程，分析冷卻熱量的影響因素，得到冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中流體速度、壓力、在管傳熱方程中是源項(xiàng)、摩擦因子等因素有關(guān)，其中，摩擦因子越大，徑向傳熱量越大。

（3）優(yōu)化模型并驗(yàn)證中，提出田字形和S形的方案的混合，在進(jìn)一步的驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)混合方案更有利塑料碗的注射冷卻成型。