2019年 10月 18日 星期五


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【原创】液体微反应器的随形冷却水道注塑模具设计

  近年来,粉末微注射成形技术在工业生产中被广泛的使用,该加工技术可以极大弥补传统成形加工技术在生产制造中的不足。在粉末微注射成形中,冷却过程对零件的质量影响极大,然而传统的冷却水道易造成零件内部温度场分布不均匀,产品冷却周期较长,冷却效率低等现象,从而造成零件的翘曲、▷•●弯曲等缺陷。对于随形冷却水道改善了传统冷却水道的这一不足。

  本文设计不同种类的冷却水道,通过Moldflow软件模拟分析,与传统冷却水道进行对比,并选择出一种最优的设计方案。结果表明,随形冷却水路与传统水路相比,零件内部温度场更为均匀,冷却效率更高,水道内部压力更大,减少了冷却过程中缺陷的产生。

  随着制造业行业的快速发展,粉末微注射成形技术已经成为粉末冶金领域的重要工艺,是一种生产周期短、成本低、近净成形技术[1]。

  而对于整个成形周期而言,冷却过程的周期占用了整个成形周期的80%以上,冷却系统对于样品成形质量起着非常关键性的作用。一个完善的冷却系统不仅可以提高生产效率,缩短生产周期,而且还可以减少样品内部的残余应力、翘曲量,对于注射成形起着至关重要的影响[3]。

  在冷却系统中,传统冷却水道一般为直线并排的形状,无法根据样品的形状而变化,在冷却曲面或形状更复杂的零件时,常常会使零件冷却不均匀导致变形、裂纹等缺陷[5]。

  传统冷却水道常常会导致模具冷却效率低,零件内部温度场分布不均匀,翘曲现象等发生,严重的影响零件的质量及其力学性能。而随形冷却水路理念的提出,可以极大的提高水道的冷却效率及注射件产品的质量[6]。

  最早在上世纪九十年代,由美国麻省理工的Sachs教授提出了注射模的随形冷却技术,并将其列为3D打印技术应用的四大发展之一[7]。

  随形冷却水道是一种水道形状随着模具型腔形状的变化而变化,水道中心与型腔表面之间的距离几乎相等的新型冷却水道。它不再是传统直线型的冷却水道,冷却效率又显著的提高,零件内部温度场更加的均匀,并且可以极大的减少零件内部的缺陷,从而提高产品的质量及性能[8,9]。

  有研究表明,采用随形冷却水道的生产周期要比采用传统水道的生产周期减少60%左右,变形的程度大约在15%左右的范围[10]。

  本文通过proe软件设计四种不同类型的随形冷却水道,在moldflow软件进行模拟分析通过冷却时间、冷却效率以及零件内部温度场等因素,与传统冷却水道进行对比,选出一种最佳的设计方案。

  本文的注射件为液体微反应器,通过Pro/Engineer Wildfire 5.0软件进行微反应器模型的绘制。形状尺寸如图1所示,该反应器的长为15mm,宽为10mm,▽•●◆高为3mm。其尺寸较小,在反应器的一侧有微小的沟槽,并且在沟槽的两侧有两个贯穿的孔洞。

  冷却水道截面有着多种形状,但是由于圆状管道内无尖角端,可以一定程度上减少应力集中的产生,故采用圆状管道作为冷却水道截面,水道直径d=1mm,水道中心到型腔表面的距离D=1mm,相邻水道之间的距离P=4mm。◆■

  根据液体微反应器的结构特点,设计出四种不同类型的冷却水道。★-●=•▽如图2所示,(a)水道为传统冷却水道,(b)水道、(c)水道、○▲-•■□(d)水道为随形冷却水道。(a)传统冷却水道上下两个水道对称,有两个入水口和两个出水口;(b)随形冷却水道有一个入水口和一个出水口;(c)随形冷却水道有三个入水口和三个出水口;(d)随形冷却水道有两个入水口和两个出水口。传统冷却水道的设置参数与随形冷却水道的设置参数相一致。

  将液体微反应器的模型导入Moldflow模拟软件中,☆△◆▲■进行三维网格划分。◁☆●•○△将划分网格后的微反应器添加浇口与流道。分析材料选取HDPE,冷却介质为水,填充物为不锈钢粉末。熔体温度170℃,模具温度60℃,冷却液温度为25 ℃,开模时间5s,注射+保压+冷却时间20s。

  图3所示为四种类型冷却水道的冷却时间。(a)传统冷却水道冷却时间为8.48s,★◇▽▼•(b)、(c)、(d)随形冷却水道冷却时间分别为8.452s、8.399s、□◁8.453s。随形冷却水道的冷却时间均小与传统冷却水道,(c)冷却水道缩短的时间最多,约0.81%。▼▼▽●▽●由于液体微反应器尺寸过小,▪•★冷却速度非常的迅速,故随形冷却水道缩短的时间幅度不是非常的明显,但均有小幅度的变化。

  图4为四种类型冷却水道的内部压力。可以看出(a)传统水道内部压力为309.4kpa,而随形冷却水道内部压力有着显著的提升。(b)、(c)、◆●△▼●(d)水道的内部压力分别为1665.5kpa、740.5kpa、1197.7kpa。

  由此可知,对于相对复杂的水道内部压力有着明显的提高,随形冷却水道入水口的压力最高,通过水道后压力降低并在出水口处降至最低。水道压力高,在弯曲部位不易存水,冷却液在水道中的流动性提高。•●在设计时可以通过增加或减少入水口数量和控制水道的复杂程度来控制水道压力处于合理的范围内,(b)水道的内部压力相对最高。

  图5为四种类型水道的回路热去除效率。由图可知,传统冷却水路的热去除率为7.85%,随形水道(b)(c)(d)的热去除率分别为49.38%、4.39%、32.84%。▲●…△(b)(d)冷却水道相比传统冷却水道热去除率有着显著的提升,而(c)水道的热去除率有所下降。(c)水道热去除效率相差较大的原因是水道数量较多,●各水道之间距离过小,热量大都从上下的冷却水道传递,环绕的冷却水道的热去除效率变低,导致结果中的最低热去除效率较低。由此可知,(b)(d)水道热去除率有着显著的提升,(b)水道的热去除率提升效果最佳。

  图6为四种类型水道的冷却液最高温度。由图可知,△▪▲□△(a)传统冷却水道的最高温度为25.06℃,(b)(c)(d)随形冷却水道的最高温度分别为25.19℃、25.09℃、25.09℃。在水道入口处,冷却介质温度均为25℃。随着冷却液在管道内的流动,温度有所上升,带走部分热量。由结果可知,(b)随形冷却水道的最高温度相对最高,一定程度上提高了冷却效率。

  图7为四种类型水道冷却注射件的平均温度。零件的平均温度反映了冷却水道在冷却时的冷却速度。由图可以看出,(a)传统冷却水道冷却的零件平均温度为44.26℃,而用(b)、(c)、(d)随形冷却水路冷却的零件平均温度分别为34.69℃、▲=○▼34.64℃、34.73℃,相比传统冷却水道冷却的零件温度都有明显的下降,三种随形冷却水道的零件平均温度相差不多。•□▼◁▼

  图8为(a)传统冷却水道与(b)随形冷却水道的零件平均温度,•☆■▲★△◁◁▽▼从图中可以看出,在相同冷却时间,传统冷却水道的零件边缘与零件中心平均温度相差5℃左右,实际冷却过程中可以相差更多,◇•■★▼而随形冷却水道的零件边缘温度与中心温度最大相差1.5℃。这说明随形冷却水道冷却的零件温度更为均匀,有利于提高微反应器的质量。

  (1)随形冷却水道相比传统冷却水道有效的缩短了冷却时间,▪…□▷▷•零件的温度场更为均匀,水道内部的压力有一定的提高,有着更好的传热效率,避免了管道内部存有“死水”的现象,极大的提高了冷却效率。

  (2)对于(b)随形冷却水道具有相对较高的水道压力,有利于冷却液的循环流动,并且回路热去除效率以及冷却液的最高温度较高,冷却的更为均匀,对于该随形冷却水道,零件的温度差较小,减少了由于温度不均造成的形变,极大地提高了液体微反应器的质量。

  作者介绍:宋凯,男,吉林人,硕士研究生,▲★-●主要从事粉末注射成形、模具设计方面的研究。Tel:;E-mail:。目前处于毕业求职阶段,欢迎有兴趣的企业联系本人。

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