噴槍水道塑件成型質(zhì)量控制與分析

鄭森偉，劉 偉，童慧芬，王 偉

（閩南理工學(xué)院，光電與機(jī)電工程學(xué)院，福建 泉州362700）

0 引言

隨著塑料制件在人們生活當(dāng)中的需求越來越多，塑件的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)質(zhì)量就顯得尤為重要。塑件模具中的分型面選擇、熔融塑料流動(dòng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性往往直接影響著塑件的生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。涂小文提出了一種自動(dòng)生成模具分型面的方法，并按照不同的規(guī)則，生成一系列連續(xù)的面片；最后通過面片縫合生成分型面[1]。金新明通過正交試驗(yàn)研究了注射速度、模具溫度和保壓時(shí)間對注塑件幾何尺寸、重量、翹曲變形、溢料飛邊和拉伸力的影響[2]。丁磊為深入研究快速熱冷注塑成型工藝，消除模具溫度給注塑制品表面質(zhì)量帶來的不良影響，開發(fā)了一種對模具型腔溫度進(jìn)行快速熱冷循環(huán)控制的系統(tǒng)，使模具型腔表面溫度能夠根據(jù)注塑過程中各階段的需求快速轉(zhuǎn)換[3]。本文以噴槍水道塑件為例，討論分型面選擇、熔融塑料流動(dòng)性、冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，以AMI分析塑件成型質(zhì)量。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示為噴槍水道塑件，材料為POM，塑件質(zhì)量要求螺紋螺紋處不能有澆口痕跡、熔接痕、氣泡等缺陷。從圖1可知塑件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不規(guī)則，水道頭部帶有外螺紋，尾部存在側(cè)孔，內(nèi)部通道中心線是帶有夾角的折線。根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其成型方法需要采用注塑成型，模具中進(jìn)膠方式采用側(cè)澆口進(jìn)膠，為保證塑件冷卻均勻，型芯與型腔需要設(shè)置冷卻水路[4]。

圖1 噴槍水道塑件

2 塑件成型澆口與分型面選擇

由于塑件結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，經(jīng)AMI分析熔融塑料在模具型腔中的流動(dòng)性，可知在塑件頭部的螺紋部分以及尾部流動(dòng)阻力最大[5]，為保證螺紋處的形狀與尺寸符合塑件技術(shù)要求，需要保證熔融塑料在充模螺紋處時(shí)流動(dòng)順暢。同時(shí)澆口不能設(shè)置在螺紋處，以免在螺紋處留下澆口痕跡影響螺紋裝配。因此把塑件的進(jìn)膠位置設(shè)置在螺紋附近位置，以保證從進(jìn)膠口到螺紋處路程盡量短，同時(shí)減少壓力的損失，以保證熔融塑料填充螺紋時(shí)的流動(dòng)性，如圖2所示。

圖2 水道模流分析與進(jìn)膠位置

當(dāng)進(jìn)膠位置選擇在如圖2的位置時(shí)，型腔中的氣體所形成的氣泡大部分集中在塑件的中心面，如圖3所示。為保證注塑過程中熔融塑料的流動(dòng)順暢以及減小熔接痕，應(yīng)進(jìn)量把型腔中氣體排放；為確保產(chǎn)品能夠正常脫模，分型面選擇在產(chǎn)品的最大輪廓處；同時(shí)要考慮模具結(jié)構(gòu)的簡單化，為使塑件尾部的兩個(gè)側(cè)孔不用側(cè)抽芯成型。塑件在模具中的放置方位以及分型面選擇如圖4所示，箭頭所指方向?yàn)殚_模方向。

圖3 塑件氣泡分布位置

圖4 水道分型面位置

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于塑件的材料為POM，其收縮率比較大，在冷卻的過程當(dāng)中需要考慮冷卻的均勻性，保證塑件形狀與尺寸的穩(wěn)定性。因此模具的型芯與型腔均需要設(shè)置冷卻水路。

3.1 型芯冷卻水路設(shè)計(jì)

由于噴槍水道的型芯比較狹長，塑件內(nèi)徑最小直徑只有10 mm，因此型芯的冷卻方式考慮噴流式冷卻[6]。塑件的內(nèi)孔成型零件是由兩段型芯對接形成，兩部分型芯的冷卻水路分別是由型芯中部的盲孔（直徑5 mm，深度接近底部）和直徑4 mm的銅管組成。如圖5所示。冷卻水通過銅管流入型芯，并噴灑向型芯內(nèi)孔側(cè)壁進(jìn)行冷卻。

圖5 型芯冷卻水路圖

3.2 型腔冷卻水路設(shè)計(jì)

根據(jù)牛頓流體力學(xué)分析，流體在管道中的流動(dòng)方式有層流與湍流，如圖6所示。當(dāng)模具中冷卻水道流動(dòng)的冷卻水處于層流狀態(tài)的時(shí)候，冷卻水的最外層總是與水道側(cè)壁接觸，隨著模具中的熱量傳遞給冷卻水的增加，最外層冷卻水溫度提升，熱量交換的效率會隨之降低。而當(dāng)模具中的冷卻水處于湍流狀態(tài)時(shí)，冷卻水在水道內(nèi)處于翻滾狀態(tài)，與水道側(cè)壁接觸的冷卻水隨時(shí)在更新，這樣總能保持最開始時(shí)的熱量傳遞效率，達(dá)到更好的冷卻效果。因此，模具冷卻水道中的水流狀態(tài)應(yīng)當(dāng)處于湍流狀態(tài)。

圖6 層流和湍流示意圖

流體流動(dòng)層流與湍流的區(qū)分通常以雷諾數(shù)（Re）為準(zhǔn)則，Re＜2 100～4 000時(shí)為層流，Re＞4 000時(shí)為部分湍流，當(dāng)Re＞10 000時(shí)為完全湍流[7]。

根據(jù)雷諾數(shù)公式

Re ＝ ρvd/η

其中，ρ為流體的密度，v為流體的流速，d為管道直徑，η為流體的粘度。

當(dāng)模具冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)為10℃的水時(shí)，水的密度取1 000 kg/m3，水流速度取1.10 m/s，水粘度如表 1 所示，取 0.00131Pa·s。

表1 溫度與水的粘度對照表（溫度單位：℃，粘度單位：Pa·s）

根據(jù)牛頓流體湍流的條件Re＞10 000可知：

當(dāng)通入冷卻水的溫度為10℃時(shí)，為使得了冷卻水道中水流達(dá)到完全湍流的效果，冷卻水道直徑可取12 mm。經(jīng)計(jì)算在水溫10°C的條件下，當(dāng)冷卻水路直徑與水流速度如表2所示時(shí)，可達(dá)到Re＞10 000的條件。

表2 冷卻流道的穩(wěn)定湍流速度、流量、流道直徑表

塑料傳給模具的熱量與自然對流散發(fā)到空氣中的模具熱量、輻射散發(fā)到空氣中的模具熱量以及模具傳給注射劑熱量的差值，即為需要用冷卻水帶走的模具熱量，計(jì)算如下：

式中Q為單位時(shí)間內(nèi)塑料傳給模具的熱量，單位為KJ/h；n為每小時(shí)注射次數(shù)；m為每次注射的塑料量，單位為kg；q為單位質(zhì)量的塑料在模具型腔內(nèi)釋放的熱量，單位為KJ/kg；Cp為塑料的比熱容，單位為KJ/（kg·K）；θ1為塑料熔體充模時(shí)的溫度；θ0為塑件脫模時(shí)的溫度，溫度單位為℃。

由于熱量一部分的散發(fā)傳遞到其他介質(zhì)中，最后冷卻水需要帶走模具的熱量為

QW＝ 0.95Q，取 n=90，m=0.018，CP=1.926，θ1=190，θ0=60，計(jì)算可得

Qw=0.95×90×0.018×1.926×（190-60）＝385.3 KJ/h

根據(jù)牛頓冷卻定律，用水流冷卻模具時(shí)需用的熱傳導(dǎo)面積計(jì)算如下：

其中Aw為熱傳導(dǎo)面積，單位為m2；hw為冷卻水對通道表壁傳熱系數(shù)，單位為W/（m2·K）；△θ為傳導(dǎo)面的平均溫度與冷卻水平均溫度的差值；f為與水溫有關(guān)系的物理系數(shù)；v為冷水在圓管中的流速，單位m/s；d為冷卻水道的直徑，單位m；λ為冷卻水的平均導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·K）；μ為冷卻水的平均粘度，單位Pa·s；cpw冷卻水比熱容，單位J/（kg·℃）。見表 3、表 4。

取△θ＝ 150 ℃，f=5.68，v=1.1，d=0.012

計(jì)算得：

表3 不同水溫下的f值（單位：℃）

表4 冷卻水比熱容（單位：J/（kg·℃））

則冷卻水道的長度為：

型腔的冷卻水路布局主要是圍繞塑件周圍進(jìn)行布局，參與熱量交換的水路長度為426 mm，可達(dá)到熱量交換長度需求，如圖7所示。

圖7 冷卻水路分布圖

4 塑件質(zhì)量分析

依據(jù)所設(shè)置澆口位置以及冷卻系統(tǒng)設(shè)置，經(jīng)AMI分析熔融塑料在螺紋處的充模時(shí)壓力比澆口處降低1.19 MPa～3 MPa，如圖8所示。產(chǎn)品不存在氣泡，排氣合理，頭部內(nèi)孔有微小熔接痕，在螺紋處沒出現(xiàn)熔接痕，不影響噴槍水道制件的使用功能，塑件成型質(zhì)量比較高，如圖9所示。

圖8 塑件充模壓力降分布圖

圖9 塑件充模質(zhì)量效果圖

5 結(jié)束語

該模具依據(jù)塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合理的進(jìn)膠與分型面位置；結(jié)合牛頓流體力學(xué)與冷卻定律，理論分析設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)。經(jīng)AMI分析，塑件質(zhì)量符合產(chǎn)品質(zhì)量需求。表明所設(shè)計(jì)的進(jìn)膠位置選擇與冷卻設(shè)計(jì)合理，對塑件成型的質(zhì)量提升有明顯作用，為此類塑件模具設(shè)計(jì)的進(jìn)膠選擇以及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)方案，具有一定參考價(jià)值。