專利名稱：一種蒸汽加熱快速熱循環注塑模具的制作方法
技術領域：
本發明屬于材料加工學科的注塑成型技術領域，尤其涉及一種蒸汽加熱快速熱循環注塑模具。
背景技術：
近年來，隨著3C、汽車、航空航天等產業的發展，塑料制品不斷向著外表更美觀、質量更輕、結構更精密等方向發展，以滿足人們對工業產品節能、環保、舒適、美觀等的要求。注塑成型作為一種應用最廣泛的塑料加工方法，正面臨著日益嚴峻的挑戰，需要不斷地技術革新，以滿足市場發展的需求。由于傳統注塑成型工藝采用基于連續冷卻的模溫控制方法，熔體在填充過程中將發生過早冷凝，導致塑件易產生熔接痕、流痕、噴射痕等缺陷，塑件需經打磨、噴涂等二次加工，導致塑料產品生產流程長、成本高、環境污染等問題。為此，業界提出了一種快速熱循環注塑成型技術，通過快速加熱和快速冷卻模具，在保證高成型效率的同時實現高模溫注射成型，徹底避免了熔體過早冷凝，顯著提升產品品質，消除污染嚴重的二次加工，縮短了生產流程。快速熱循環工藝是一種綜合考慮環境影響和資源消耗的先進注塑成型新技術，可有效改善產品品質，顯著降低環境污染和生產成本，實現經濟效益與社會效益的協調優化。注塑模具是快速熱循環注塑工藝的關鍵裝備之一。快速熱循環注塑工藝要求注塑模具應當具備足夠高的熱響應效率和加熱冷卻均勻性，以在保證產品質量的同時獲得足夠高的注塑生產效率。快速熱循環注塑模具的加熱方式主要包括表面加熱技術和整體加熱技術兩大類。表面加熱技術指的是熱源從模具型腔板外部直接加熱模具型腔表面，其優點是加熱效率高，但其系統結構復雜、設計柔性差、加熱均勻性差，故在實際注塑生產中受到極大限制，目前主要應用于微注塑成型領域，這類加熱技術主要包括火焰加熱、感應加熱、輻射加熱等。整體加熱技術指的是熱源從模具型腔板內部間接加熱模具型腔表面，其優點是系統結構簡單、緊湊、可靠性和穩定性高，但其缺點是加熱效率相對較低，該類加熱技術主要包括對流加熱(蒸汽加熱、熱水加熱、熱油加熱等)、電加熱等，目前蒸汽加熱快速熱循環注塑模具和電加熱快速注塑模具均在注塑工業生產中獲得了廣泛應用，尤其是在家電、汽車等相關產品領域。為了進一步提升蒸汽加熱快速熱循環注塑模具的熱響應效率和改善加熱冷卻均勻性，以縮短注塑成型周期、降低能耗、減少成本和提升產品品質，產業界和學術界均致力于模具結構創新。許南旭在2008年4月2日申請的授權公開的中國專利CN101249714A《注塑模具的瞬間加熱/冷卻裝置及其模具溫度控制方法》中公開了一種注塑模具的瞬間加熱/冷卻裝置，包括模板，模板上設有型腔，所述模板內至少設有一條循環水路，其特征是對應每一所述循環水回路的孔道處，布有復數個分別連通該循環水路入口與出口的結合孔，每一結合孔內插設有加熱棒，加熱棒的內端發熱部與結合孔壁間存有間隙。與常規蒸汽加熱注塑模具相比，該模具結構的優勢在于可以模具內部加熱棒加熱冷卻水產生的高溫蒸汽加熱模具，因而不需要額外的蒸汽發生裝置。三威塑膠制品(珠海)有限公司在2008年10月15日申請的授權公開的中國專利CN201275829Y《一種蒸汽模具》中公開了一種蒸汽模具，該模具在前模背面(與工作面相對)開設有用于升降溫的高溫蒸汽和冷卻水通道槽，并在通道槽設置有能消除冷熱沖擊造成的伸縮應力的密封蓋，其特點是有效減小了前模的體積，增大了蒸汽、冷卻水與模具的接觸面積，有效提高了升降溫效率和能量消耗，并縮短了產品成型周期。昆山乙盛機械工業有限公司在2010年11月2日申請的授權公開的中國專利CN102029694A《急冷急熱高光成型模具》中公開了一種急冷急熱高光成型模具,該模具在模具型腔板內設有蒸汽管路和冷卻水管路，利用分別通入蒸汽管路、冷卻水管路的高溫蒸汽、低溫冷卻水快速加熱和快速冷卻模具。林建岳在2010年12月11日申請的授權公開的中國專利201998386U《離合式冷卻結構的高光注塑模具》中公開了一種離合式冷卻結構的高光注塑模具，該模具采用了一種將型芯板、型腔板與冷卻板分離的結構，其特點是避開了因疊層產生的密封問題，簡化了高光注塑模具結構，達到結構簡單易做、造價低廉以及無密封之虞的目的。深圳市華益盛模具有限公司在2010年12月31日申請的授權公開的中國專利CN201989305U《高光模具》中公開了一種高光模具，該模具本體內設有多個蒸汽管道，利用通過蒸汽管道的高溫蒸汽快速加熱模具高光面，從而消除產品表面熔接線、縮痕。慈溪市盛藝模具有限公司在2011年3月4日申請的授權公開的中國專利CN202006571U《高光無熔痕蒸汽注塑模具》中公開了一種高光無熔痕蒸汽注塑模具，該模具采用新型隔熱板絕熱，以免上模發生變形，采用鑲拼式結構，以有效利用材料，從產品的內面進料，以免去除澆口時在廣品表面留下痕跡，確保廣品的外觀品質。現有蒸汽加熱快速熱循環注塑模具均在模具型腔或型芯板內部設有共用或分開的蒸汽加熱管道和冷卻管道，然后分別利用通入管道中的高溫蒸汽、低溫冷卻水快速加熱和快速冷卻模腔表面。基于常規鉆孔加工方法，模具中的蒸汽管路和冷卻管道一般只能加工成直孔，這使得具有三維復雜幾何形狀的模具型腔表面無法獲得均勻加熱和冷卻，從而使得蒸汽加熱快速熱循環注塑模具一般僅適用于幾何形狀相對簡單的塑料制品。
發明內容
本發明針對現有蒸汽加熱快速熱循環注塑模具存在的無法適應三維幾何形狀復雜注塑制品的現狀，提供一種新的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，顯著提高蒸汽加熱快速熱循環注塑模具的設計柔性和適應性，滿足三維復雜結構模具型腔高效、均勻加熱與冷卻的要求，推動快速熱循環注塑工藝在三維復雜形狀塑料制品中的應用。本發明是通過以下技術解決方案實現的:一種蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，它包括蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板，以及分別與蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板配合的型腔隔熱板和型芯隔熱板；型腔隔熱板和型芯隔熱板又分別與型腔支撐板和型芯支撐板配合在一起；在蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板的背面均設有凹槽；凹槽分別與型腔隔熱板和型芯隔熱板配合而構成加熱冷卻裝置，加熱裝置、冷卻裝置與溫控裝置連接。所述蒸汽加熱型腔板的背面與其正面(型腔面)的輪廓一致，背面與正面在空間上近似平行，即背面上各點與正面之間的距離近似相等，在蒸汽加熱型腔板的背面加工有均勻分布的凹槽，凹槽與蒸汽加熱型腔板正面(型腔面)之間的距離近似相等。所述蒸汽加熱型芯板的背面與其正面(型芯面)的輪廓一致，背面與正面在空間上近似平行，即背面上各點與正面之間的距離近似相等，在蒸汽加熱型芯板的背面加工有均勻分布的凹槽，凹槽與蒸汽加熱型芯板正面(型芯面)之間的距離近似相等。所述型腔隔熱板的正面與蒸汽加熱型腔板的背面的輪廓一致，其背面與型腔支撐板的輪廓一致，蒸汽加熱型腔板、型腔隔熱板和型腔支撐板依次緊密配合在一起。所述型芯隔熱板的正面與蒸汽加熱型芯板的背面的輪廓一致，其背面與型芯支撐板的輪廓一致，蒸汽加熱型芯板、型芯隔熱板和型芯支撐板依次緊密配合在一起。所述的蒸汽加熱型腔板與型腔隔熱板之間以及蒸汽加熱型芯板與型芯隔熱板之間設有密封裝置。所述加熱冷卻裝置為蒸汽加熱型腔板背面的凹槽與型腔隔熱板的正面圍成的加熱冷卻管道，以及蒸汽加熱型芯板背面的凹槽與型芯隔熱板的正面圍成的加熱冷卻管道，加熱冷卻管道與溫控裝置連接。在蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板內部還分別安裝測溫裝置，測溫裝置與溫控裝置連接。所述測溫裝置為熱電偶。所述密封裝置為密封墊。上述凹槽可以為隨形凹槽，所述隨形凹槽指的是根據模具型腔表面的空間幾何形狀分布的凹槽(凹槽相當于空間曲線，型腔表面相當于空間曲面，空間曲線與空間曲面平行)，凹槽與型腔表面間的距離基本一致。本發明是一種包含隨形加熱系統和隨形冷卻系統的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具結構。該模具結構包含型腔板、型芯板、型腔隔熱板、型芯隔熱板、型腔支撐板、型芯支撐板等；型腔板、型腔隔熱板、型腔支撐板依次貼合在一起，型芯板、型芯隔熱板、型芯支撐板依次貼合在一起；型腔板與型腔隔熱板之間以及型芯板與型芯隔熱板之間設有密封裝置；模具內的加熱裝置和冷卻裝置由相同的加熱冷卻管道構成，通過切換流入加熱冷卻管道中的高溫蒸汽和低溫冷卻水快速加熱和快速冷卻模具型腔表面；型腔板的背面與型腔板的表面(型腔面)具有相似輪廓，型腔板背面設有均勻分布的大量凹槽，各凹槽與型腔板表面的距離均勻一致；型芯板的背面與型芯板的表面(型芯面)同樣具有相似輪廓，型芯板背面也設有均勻分布的大量凹槽，各凹槽與型腔板表面的距離均勻一致；模具內用于通入高溫蒸汽和低溫冷卻水的加熱冷卻管道就是由型腔板背面的凹槽、型芯板背面的凹槽分別與型腔隔熱板、型芯隔熱板表面圍成的管路構成的。在加熱階段，溫控裝置通過控制換向閥向模具內部加熱冷卻管道中通入高溫蒸汽，以加熱模具型腔表面，由于各加熱冷卻管道是均勻分布，并且距離型腔表面和型芯表面的距離均勻一致，即加熱冷卻管道是根據模具型腔的幾何形狀隨形均勻分布的，因此可實現整個模具型腔的均勻加熱；在冷卻階段，溫控裝置通過控制換向閥向模具內部加熱冷卻管道中通入低溫冷卻水，同樣由于加熱冷卻管道是根據模具型腔的幾何形狀隨形均勻分布的，因此可實現整個模具型腔和模具型腔內塑件的均勻冷卻；冷卻結束后，溫控裝置通過控制換向閥向模具內部加熱冷卻管道中通入高壓氣體，以排除加熱冷卻管道中的殘留水，為下一成型周期的模具加熱做準備。在模具加熱階段，型腔板與型腔支撐板之間的型腔隔熱板、型芯板與型芯支撐板之間的型芯隔熱板可以有效減少高溫蒸汽產生的熱量由型腔板向型腔支撐板以及由型芯板向型芯支撐板的傳遞，從而有利于提高模具加熱效率，減少能量消耗；在模具冷卻階段，型腔板與型腔支撐板之間的型腔隔熱板、型芯板與型芯支撐板之間的型芯隔熱板可以有效減少型腔支撐板中的熱量向型腔板以及型芯支撐板中的熱量向型芯板中的傳遞，從而提高模具的冷卻效率，同樣有利于減少能量消耗；在模具加熱和冷卻過程中，安裝在模具電加熱型腔/型芯板中的測溫裝置實時測量和反饋模腔溫度，以實現模具型腔表面和型芯表面溫度的準確調控。本發明的有益效果是:模具結構緊湊、簡單、熱響應效率高，能夠實現三維復雜形狀模腔表面的高效、均勻加熱與冷卻，有利于推動快速熱循環注塑工藝在復雜結構產品中的應用。
圖1是本發明的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具結構示意圖；圖2是圖1中的A-A面視圖。圖中:1、主澆道，2、澆口套，3、模板，4、型芯支撐板，5、第一密封墊，5’、第二密封墊，6、型芯板，7、第一熱電偶，7’、第二熱電偶，8、型腔板，9、型腔支撐板，10、固定板，11、拉料桿，12、流道，13、澆口，14、型腔隔熱板，15、第一加熱冷卻管道，15’、第二加熱冷卻管道，16、塑件，17、型芯隔熱板。
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明蒸汽加熱快速熱循環注塑模具的型腔側包括型腔板8、型腔隔熱板14、型腔支撐板9、固定板10、拉料桿11等。型腔隔熱板14位于型腔板8和型腔支撐板9之間；型腔板8的背面與型腔隔熱板14的表面是一對配合面，型腔隔熱板14的背面與型腔支撐板9的表面是一對配合面；型腔板8和型腔隔熱板14之間設有第一密封墊5 ;型腔板8的背面與其表面具有相似輪廓，型腔板8的背面設有均勻分布的大量隨形凹槽，各凹槽與型腔表面之間的距離均勻一致；型腔板8的背面凹槽與型腔隔熱板14的表面構成封閉的管道，即第一加熱冷卻管道15，第一加熱冷卻管道15根據型腔板8的表面形狀(型腔面形狀)隨形均勻分布；型腔板8內部靠近型腔表面的位置安裝有第一熱電偶7。第一熱電偶7、第一加熱冷卻管路15與溫控裝置連接。蒸汽加熱快速熱循環注塑模具的型芯側包括型芯板6、型芯隔熱板17、型芯支撐板4、模板3、澆口套2等。型芯隔熱板17位于型芯板6和型芯支撐板4之間；型芯板6的背面與型芯隔熱板17的表面是一對配合面，型芯隔熱板17的背面與型芯支撐板4的表面是一對配合面；型芯板6和型芯隔熱板17之間設有第二密封墊5’;型芯板6的背面與其表面具有相似輪廓，型芯板6的背面設有均勻分布的大量隨形凹槽，各凹槽與型腔表面之間的距離均勻一致；型芯6的背面凹槽與型芯隔熱板17的表面構成封閉的管道，即第二加熱冷卻管道15’，第二加熱冷卻管道15’根據型芯板6的表面形狀(型芯面形狀)隨形均勻分布；型芯板6內部靠近型腔表面的位置安裝有第二熱電偶7’。第二熱電偶7’、第二加熱冷卻管路15’與溫控裝置連接。本發明的工作原理如下:根據模具溫度變化歷程，一個完整的快速熱循環注塑成型周期可以分為模具加熱階段、高溫保持階段、模具冷卻階段和低溫保持階段。下面將結合上述幾個工作階段對本發明的電加熱快速熱循環注塑模具的工作原理進行詳細說明。
在模具加熱階段，溫控裝置通過控制換向閥打開高溫蒸汽管路，高溫高壓蒸汽流入型腔板8、型芯板6分別與型腔隔熱板14、型芯隔熱板17圍城的第一加熱冷卻管道15、第二加熱冷卻管路15’，高溫高壓蒸汽包含的熱量將以對流冷凝換熱的方式不斷向型腔板8和型芯板6中擴散，從而升高型腔表面和型芯表面的溫度，而型腔隔熱板14和型芯隔熱板17可以有效阻斷高溫高壓蒸汽包含的熱量擴散入型腔支持板9和型芯支撐板4，從而減少熱量損失和提高模腔加熱效率。由于型腔板8和型芯板4背面的加熱冷卻管道18是根據型腔表面和型芯表面的幾何形狀隨形均勻布置的，即各加熱冷卻管道18與型腔表面、型芯表面的距離是均勻一致的，所以加熱過程中模具型腔面和型芯面的溫度可以得到高效、均勻地提升。在模具加熱過程中，分別安裝在型腔板8和型芯板6中的第一熱電偶7、第二熱電偶7’向溫控裝置實時反饋型腔表面和型芯表面的溫度，當溫度升高至預先設定的溫度上限時，溫控裝置通過切換換向閥切斷高溫蒸汽管路，從而停止加熱模具。在高溫保持階段，蒸汽加熱快速熱循環注塑模具處于合模狀態，注塑機料筒中的塑料熔體將依次經噴嘴、主澆道1、流道12、澆口 13進入模具型腔，直至熔體完全充滿型腔。由于充模時間很短，所以在此過程中模具型腔溫度基本可以保持住加熱結束后的狀態。在此過程中，如果模具型腔溫度下降過多，那么溫控裝置可以再次打開高溫蒸汽管路，給模具中隨形加熱冷卻管路15、第二加熱冷卻管路15’通入高溫高壓蒸汽，以維持模具型腔表面和型芯表面的高溫狀態。在模具冷卻階段，溫控裝置通過控制換向閥打開冷卻水管路，低溫冷卻水流入型腔板8、型芯板6分別與型腔隔熱板14、型芯隔熱板17圍城的加熱冷卻管道15、第二加熱冷卻管路15’，型腔板8和型芯板6包含的熱量將不斷向低溫冷卻水中擴散而被帶走，從而降低型腔表面和型芯表面的溫度，以快速冷卻模具型腔中的塑件16。在模具冷卻過程中，型腔隔熱板14和型芯隔熱板17可以有效阻斷型腔支持板9和型芯支撐板4中的熱量擴散進入加熱冷卻管道15、第二加熱冷卻管路15’中的低溫冷卻水，從而減少熱量損失和提高模腔冷卻效率。在冷卻過程中，分別安裝在型腔板8和型芯板6中的第一熱電偶7、第二熱電偶7’實時向溫控裝置反饋型腔表面和型芯表面的溫度，當溫度降低至預先設定的溫度下限時，溫控裝置切換換向閥停止向加熱冷卻管道15、第二加熱冷卻管路15’中通入低溫冷卻水，以停止冷卻模具。在低溫保持階段，溫控裝置通過控制換向閥打開高壓氣體管路，高壓氣體進入型腔板8、型芯板6分別與型腔隔熱板14、型芯隔熱板17圍城的加熱冷卻管道15、第二加熱冷卻管路15’，將加熱冷卻管道15、第二加熱冷卻管路15’中殘留的冷卻水排除，從而避免模具溫度的過度下降，同時有效避免加熱冷卻管道18中殘留的冷卻水對下一個成型周期中模具加熱的干擾，有利于提高模具加熱效率。在此階段，塑件16的溫度已冷卻至滿足頂出要求，故可以打開模具，取出塑件16，從而完成一個快速熱循環注塑成型周期。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式
進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。
權利要求
1.一種蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，包括蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板，以及分別與蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板配合的型腔隔熱板和型芯隔熱板；型腔隔熱板和型芯隔熱板又分別與型腔支撐板和型芯支撐板配合在一起；在蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板的背面均設有凹槽；凹槽分別與型腔隔熱板和型芯隔熱板配合而構成加熱冷卻裝置。
2.按權利要求1所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述蒸汽加熱型腔板的背面與其正面的輪廓一致，蒸汽加熱型腔板的背面設有均勻分布的凹槽。
3.按權利要求1所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述蒸汽加熱型芯板的背面與其正面的輪廓一致，蒸汽加熱型芯板的背面設有均勻分布的凹槽。
4.按權利要求1或2所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述型腔隔熱板的正面與蒸汽加熱型腔板的背面的輪廓一致，型腔隔熱板的背面與型腔支撐板的輪廓一致。
5.按權利要求1或3所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述型芯隔熱板的正面與蒸汽加熱型芯板的背面的輪廓一致，型芯隔熱板的背面與型芯支撐板的輪廓一致。
6.按權利要求1所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述的蒸汽加熱型腔板與型腔隔熱板之間以及蒸汽加熱型芯板與型芯隔熱板之間設有密封裝置。
7.按權利要求6所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述密封裝置為密封墊。
8.按權利要求1所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述加熱冷卻裝置為蒸汽加熱型腔板背面的凹槽與型腔隔熱板的正面圍成的加熱冷卻管道，以及蒸汽加熱型芯板背面的凹槽與型芯隔熱板的正面圍成的加熱冷卻管道。
9.按權利要求1所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，在蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板內部還分別安裝測溫裝置。
10.按權利要求9所述的蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，其特征是，所述測溫裝置為熱電偶。
全文摘要
本發明涉及一種蒸汽加熱快速熱循環注塑模具，包括蒸汽加熱型腔板和電加熱型芯板，以及分別與蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板相配合的隔熱裝置和支撐裝置；在蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板的背面設有凹槽，凹槽與隔熱裝置的表面配合而構成密閉管孔，以作為加熱裝置和冷卻裝置；蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板與其各自對應的隔熱裝置之間設有密封裝置；在蒸汽加熱型腔板和蒸汽加熱型芯板上還安裝測溫裝置；測溫裝置、加熱裝置、冷卻裝置與溫控裝置連接。所述蒸汽加熱快速熱循環注塑模具的突出優勢是加熱冷卻效率高且均勻，能夠實現三維復雜形狀模具型腔表面的均勻快速加熱與冷卻。
文檔編號B29C45/73GK103085247SQ201310063690
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者王桂龍, 趙國群, 管延錦 申請人:山東大學