CN103085247B - 一种蒸汽加热快速热循环注塑模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸汽加热快速热循环注塑模具，包括蒸汽加热型腔板和电加热型芯板，以及分别与蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板相配合的隔热装置和支撑装置；在蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板的背面设有凹槽，凹槽与隔热装置的表面配合而构成密闭管孔，以作为加热装置和冷却装置；蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板与其各自对应的隔热装置之间设有密封装置；在蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板上还安装测温装置；测温装置、加热装置、冷却装置与温控装置连接。所述蒸汽加热快速热循环注塑模具的突出优势是加热冷却效率高且均匀，能够实现三维复杂形状模具型腔表面的均匀快速加热与冷却。

Description

一种蒸汽加热快速热循环注塑模具

技术领域

本发明属于材料加工学科的注塑成型技术领域，尤其涉及一种蒸汽加热快速热循环注塑模具。

背景技术

近年来，随着3C、汽车、航空航天等产业的发展，塑料制品不断向着外表更美观、质量更轻、结构更精密等方向发展，以满足人们对工业产品节能、环保、舒适、美观等的要求。注塑成型作为一种应用最广泛的塑料加工方法，正面临着日益严峻的挑战，需要不断地技术革新，以满足市场发展的需求。由于传统注塑成型工艺采用基于连续冷却的模温控制方法，熔体在填充过程中将发生过早冷凝，导致塑件易产生熔接痕、流痕、喷射痕等缺陷，塑件需经打磨、喷涂等二次加工，导致塑料产品生产流程长、成本高、环境污染等问题。为此，业界提出了一种快速热循环注塑成型技术，通过快速加热和快速冷却模具，在保证高成型效率的同时实现高模温注射成型，彻底避免了熔体过早冷凝，显著提升产品品质，消除污染严重的二次加工，缩短了生产流程。快速热循环工艺是一种综合考虑环境影响和资源消耗的先进注塑成型新技术，可有效改善产品品质，显著降低环境污染和生产成本，实现经济效益与社会效益的协调优化。

注塑模具是快速热循环注塑工艺的关键装备之一。快速热循环注塑工艺要求注塑模具应当具备足够高的热响应效率和加热冷却均匀性，以在保证产品质量的同时获得足够高的注塑生产效率。快速热循环注塑模具的加热方式主要包括表面加热技术和整体加热技术两大类。表面加热技术指的是热源从模具型腔板外部直接加热模具型腔表面，其优点是加热效率高，但其系统结构复杂、设计柔性差、加热均匀性差，故在实际注塑生产中受到极大限制，目前主要应用于微注塑成型领域，这类加热技术主要包括火焰加热、感应加热、辐射加热等。整体加热技术指的是热源从模具型腔板内部间接加热模具型腔表面，其优点是系统结构简单、紧凑、可靠性和稳定性高，但其缺点是加热效率相对较低，该类加热技术主要包括对流加热（蒸汽加热、热水加热、热油加热等）、电加热等，目前蒸汽加热快速热循环注塑模具和电加热快速注塑模具均在注塑工业生产中获得了广泛应用，尤其是在家电、汽车等相关产品领域。

为了进一步提升蒸汽加热快速热循环注塑模具的热响应效率和改善加热冷却均匀性，以缩短注塑成型周期、降低能耗、减少成本和提升产品品质，产业界和学术界均致力于模具结构创新。许南旭在2008年4月2日申请的授权公开的中国专利CN101249714A《注塑模具的瞬间加热/冷却装置及其模具温度控制方法》中公开了一种注塑模具的瞬间加热/冷却装置，包括模板，模板上设有型腔，所述模板内至少设有一条循环水路，其特征是对应每一所述循环水回路的孔道处，布有复数个分别连通该循环水路入口与出口的结合孔，每一结合孔内插设有加热棒，加热棒的内端发热部与结合孔壁间存有间隙。与常规蒸汽加热注塑模具相比，该模具结构的优势在于可以模具内部加热棒加热冷却水产生的高温蒸汽加热模具，因而不需要额外的蒸汽发生装置。三威塑胶制品（珠海）有限公司在2008年10月15日申请的授权公开的中国专利CN201275829Y《一种蒸汽模具》中公开了一种蒸汽模具，该模具在前模背面（与工作面相对）开设有用于升降温的高温蒸汽和冷却水通道槽，并在通道槽设置有能消除冷热冲击造成的伸缩应力的密封盖，其特点是有效减小了前模的体积，增大了蒸汽、冷却水与模具的接触面积，有效提高了升降温效率和能量消耗，并缩短了产品成型周期。昆山乙盛机械工业有限公司在2010年11月2日申请的授权公开的中国专利CN102029694A《急冷急热高光成型模具》中公开了一种急冷急热高光成型模具，该模具在模具型腔板内设有蒸汽管路和冷却水管路，利用分别通入蒸汽管路、冷却水管路的高温蒸汽、低温冷却水快速加热和快速冷却模具。林建岳在2010年12月11日申请的授权公开的中国专利201998386U《离合式冷却结构的高光注塑模具》中公开了一种离合式冷却结构的高光注塑模具，该模具采用了一种将型芯板、型腔板与冷却板分离的结构，其特点是避开了因叠层产生的密封问题，简化了高光注塑模具结构，达到结构简单易做、造价低廉以及无密封之虞的目的。深圳市华益盛模具有限公司在2010年12月31日申请的授权公开的中国专利CN201989305U《高光模具》中公开了一种高光模具，该模具本体内设有多个蒸汽管道，利用通过蒸汽管道的高温蒸汽快速加热模具高光面，从而消除产品表面熔接线、缩痕。慈溪市盛艺模具有限公司在2011年3月4日申请的授权公开的中国专利CN202006571U《高光无熔痕蒸汽注塑模具》中公开了一种高光无熔痕蒸汽注塑模具，该模具采用新型隔热板绝热，以免上模发生变形，采用镶拼式结构，以有效利用材料，从产品的内面进料，以免去除浇口时在产品表面留下痕迹，确保产品的外观品质。

现有蒸汽加热快速热循环注塑模具均在模具型腔或型芯板内部设有共用或分开的蒸汽加热管道和冷却管道，然后分别利用通入管道中的高温蒸汽、低温冷却水快速加热和快速冷却模腔表面。基于常规钻孔加工方法，模具中的蒸汽管路和冷却管道一般只能加工成直孔，这使得具有三维复杂几何形状的模具型腔表面无法获得均匀加热和冷却，从而使得蒸汽加热快速热循环注塑模具一般仅适用于几何形状相对简单的塑料制品。

发明内容

本发明针对现有蒸汽加热快速热循环注塑模具存在的无法适应三维几何形状复杂注塑制品的现状，提供一种新的蒸汽加热快速热循环注塑模具，显著提高蒸汽加热快速热循环注塑模具的设计柔性和适应性，满足三维复杂结构模具型腔高效、均匀加热与冷却的要求，推动快速热循环注塑工艺在三维复杂形状塑料制品中的应用。

本发明是通过以下技术解决方案实现的：

一种蒸汽加热快速热循环注塑模具，它包括蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板，以及分别与蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板配合的型腔隔热板和型芯隔热板；型腔隔热板和型芯隔热板又分别与型腔支撑板和型芯支撑板配合在一起；在蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板的背面均设有凹槽；凹槽分别与型腔隔热板和型芯隔热板配合而构成加热冷却装置，加热装置、冷却装置与温控装置连接。

所述蒸汽加热型腔板的背面与其正面（型腔面）的轮廓一致，背面与正面在空间上近似平行，即背面上各点与正面之间的距离近似相等，在蒸汽加热型腔板的背面加工有均匀分布的凹槽，凹槽与蒸汽加热型腔板正面（型腔面）之间的距离近似相等。

所述蒸汽加热型芯板的背面与其正面（型芯面）的轮廓一致，背面与正面在空间上近似平行，即背面上各点与正面之间的距离近似相等，在蒸汽加热型芯板的背面加工有均匀分布的凹槽，凹槽与蒸汽加热型芯板正面（型芯面）之间的距离近似相等。

所述型腔隔热板的正面与蒸汽加热型腔板的背面的轮廓一致，其背面与型腔支撑板的轮廓一致，蒸汽加热型腔板、型腔隔热板和型腔支撑板依次紧密配合在一起。

所述型芯隔热板的正面与蒸汽加热型芯板的背面的轮廓一致，其背面与型芯支撑板的轮廓一致，蒸汽加热型芯板、型芯隔热板和型芯支撑板依次紧密配合在一起。

所述的蒸汽加热型腔板与型腔隔热板之间以及蒸汽加热型芯板与型芯隔热板之间设有密封装置。

所述加热冷却装置为蒸汽加热型腔板背面的凹槽与型腔隔热板的正面围成的加热冷却管道，以及蒸汽加热型芯板背面的凹槽与型芯隔热板的正面围成的加热冷却管道，加热冷却管道与温控装置连接。

在蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板内部还分别安装测温装置，测温装置与温控装置连接。所述测温装置为热电偶。

所述密封装置为密封垫。

上述凹槽可以为随形凹槽，所述随形凹槽指的是根据模具型腔表面的空间几何形状分布的凹槽（凹槽相当于空间曲线，型腔表面相当于空间曲面，空间曲线与空间曲面平行），凹槽与型腔表面间的距离基本一致。

本发明是一种包含随形加热系统和随形冷却系统的蒸汽加热快速热循环注塑模具结构。该模具结构包含型腔板、型芯板、型腔隔热板、型芯隔热板、型腔支撑板、型芯支撑板等；型腔板、型腔隔热板、型腔支撑板依次贴合在一起，型芯板、型芯隔热板、型芯支撑板依次贴合在一起；型腔板与型腔隔热板之间以及型芯板与型芯隔热板之间设有密封装置；模具内的加热装置和冷却装置由相同的加热冷却管道构成，通过切换流入加热冷却管道中的高温蒸汽和低温冷却水快速加热和快速冷却模具型腔表面；型腔板的背面与型腔板的表面（型腔面）具有相似轮廓，型腔板背面设有均匀分布的大量凹槽，各凹槽与型腔板表面的距离均匀一致；型芯板的背面与型芯板的表面（型芯面）同样具有相似轮廓，型芯板背面也设有均匀分布的大量凹槽，各凹槽与型腔板表面的距离均匀一致；模具内用于通入高温蒸汽和低温冷却水的加热冷却管道就是由型腔板背面的凹槽、型芯板背面的凹槽分别与型腔隔热板、型芯隔热板表面围成的管路构成的。在加热阶段，温控装置通过控制换向阀向模具内部加热冷却管道中通入高温蒸汽，以加热模具型腔表面，由于各加热冷却管道是均匀分布，并且距离型腔表面和型芯表面的距离均匀一致，即加热冷却管道是根据模具型腔的几何形状随形均匀分布的，因此可实现整个模具型腔的均匀加热；在冷却阶段，温控装置通过控制换向阀向模具内部加热冷却管道中通入低温冷却水，同样由于加热冷却管道是根据模具型腔的几何形状随形均匀分布的，因此可实现整个模具型腔和模具型腔内塑件的均匀冷却；冷却结束后，温控装置通过控制换向阀向模具内部加热冷却管道中通入高压气体，以排除加热冷却管道中的残留水，为下一成型周期的模具加热做准备。在模具加热阶段，型腔板与型腔支撑板之间的型腔隔热板、型芯板与型芯支撑板之间的型芯隔热板可以有效减少高温蒸汽产生的热量由型腔板向型腔支撑板以及由型芯板向型芯支撑板的传递，从而有利于提高模具加热效率，减少能量消耗；在模具冷却阶段，型腔板与型腔支撑板之间的型腔隔热板、型芯板与型芯支撑板之间的型芯隔热板可以有效减少型腔支撑板中的热量向型腔板以及型芯支撑板中的热量向型芯板中的传递，从而提高模具的冷却效率，同样有利于减少能量消耗；在模具加热和冷却过程中，安装在模具电加热型腔/型芯板中的测温装置实时测量和反馈模腔温度，以实现模具型腔表面和型芯表面温度的准确调控。

本发明的有益效果是：模具结构紧凑、简单、热响应效率高，能够实现三维复杂形状模腔表面的高效、均匀加热与冷却，有利于推动快速热循环注塑工艺在复杂结构产品中的应用。

附图说明

图1是本发明的蒸汽加热快速热循环注塑模具结构示意图；

图2是图1中的A-A面视图。

图中：1、主浇道，2、浇口套，3、模板，4、型芯支撑板，5、第一密封垫，5’、第二密封垫，6、型芯板，7、第一热电偶，7’、第二热电偶，8、型腔板，9、型腔支撑板，10、固定板，11、拉料杆，12、流道，13、浇口，14、型腔隔热板，15、第一加热冷却管道，15’、第二加热冷却管道，16、塑件，17、型芯隔热板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明

蒸汽加热快速热循环注塑模具的型腔侧包括型腔板8、型腔隔热板14、型腔支撑板9、固定板10、拉料杆11等。型腔隔热板14位于型腔板8和型腔支撑板9之间；型腔板8的背面与型腔隔热板14的表面是一对配合面，型腔隔热板14的背面与型腔支撑板9的表面是一对配合面；型腔板8和型腔隔热板14之间设有第一密封垫5；型腔板8的背面与其表面具有相似轮廓，型腔板8的背面设有均匀分布的大量随形凹槽，各凹槽与型腔表面之间的距离均匀一致；型腔板8的背面凹槽与型腔隔热板14的表面构成封闭的管道，即第一加热冷却管道15，第一加热冷却管道15根据型腔板8的表面形状（型腔面形状）随形均匀分布；型腔板8内部靠近型腔表面的位置安装有第一热电偶7。第一热电偶7、第一加热冷却管路15与温控装置连接。

蒸汽加热快速热循环注塑模具的型芯侧包括型芯板6、型芯隔热板17、型芯支撑板4、模板3、浇口套2等。型芯隔热板17位于型芯板6和型芯支撑板4之间；型芯板6的背面与型芯隔热板17的表面是一对配合面，型芯隔热板17的背面与型芯支撑板4的表面是一对配合面；型芯板6和型芯隔热板17之间设有第二密封垫5’；型芯板6的背面与其表面具有相似轮廓，型芯板6的背面设有均匀分布的大量随形凹槽，各凹槽与型腔表面之间的距离均匀一致；型芯6的背面凹槽与型芯隔热板17的表面构成封闭的管道，即第二加热冷却管道15’，第二加热冷却管道15’根据型芯板6的表面形状（型芯面形状）随形均匀分布；型芯板6内部靠近型腔表面的位置安装有第二热电偶7’。第二热电偶7’、第二加热冷却管路15’与温控装置连接。

本发明的工作原理如下：

根据模具温度变化历程，一个完整的快速热循环注塑成型周期可以分为模具加热阶段、高温保持阶段、模具冷却阶段和低温保持阶段。下面将结合上述几个工作阶段对本发明的电加热快速热循环注塑模具的工作原理进行详细说明。

在模具加热阶段，温控装置通过控制换向阀打开高温蒸汽管路，高温高压蒸汽流入型腔板8、型芯板6分别与型腔隔热板14、型芯隔热板17围城的第一加热冷却管道15、第二加热冷却管路15’，高温高压蒸汽包含的热量将以对流冷凝换热的方式不断向型腔板8和型芯板6中扩散，从而升高型腔表面和型芯表面的温度，而型腔隔热板14和型芯隔热板17可以有效阻断高温高压蒸汽包含的热量扩散入型腔支持板9和型芯支撑板4，从而减少热量损失和提高模腔加热效率。由于型腔板8和型芯板4背面的加热冷却管道18是根据型腔表面和型芯表面的几何形状随形均匀布置的，即各加热冷却管道18与型腔表面、型芯表面的距离是均匀一致的，所以加热过程中模具型腔面和型芯面的温度可以得到高效、均匀地提升。在模具加热过程中，分别安装在型腔板8和型芯板6中的第一热电偶7、第二热电偶7’向温控装置实时反馈型腔表面和型芯表面的温度，当温度升高至预先设定的温度上限时，温控装置通过切换换向阀切断高温蒸汽管路，从而停止加热模具。

在高温保持阶段，蒸汽加热快速热循环注塑模具处于合模状态，注塑机料筒中的塑料熔体将依次经喷嘴、主浇道1、流道12、浇口13进入模具型腔，直至熔体完全充满型腔。由于充模时间很短，所以在此过程中模具型腔温度基本可以保持住加热结束后的状态。在此过程中，如果模具型腔温度下降过多，那么温控装置可以再次打开高温蒸汽管路，给模具中随形加热冷却管路15、第二加热冷却管路15’通入高温高压蒸汽，以维持模具型腔表面和型芯表面的高温状态。

在模具冷却阶段，温控装置通过控制换向阀打开冷却水管路，低温冷却水流入型腔板8、型芯板6分别与型腔隔热板14、型芯隔热板17围城的加热冷却管道15、第二加热冷却管路15’，型腔板8和型芯板6包含的热量将不断向低温冷却水中扩散而被带走，从而降低型腔表面和型芯表面的温度，以快速冷却模具型腔中的塑件16。在模具冷却过程中，型腔隔热板14和型芯隔热板17可以有效阻断型腔支持板9和型芯支撑板4中的热量扩散进入加热冷却管道15、第二加热冷却管路15’中的低温冷却水，从而减少热量损失和提高模腔冷却效率。在冷却过程中，分别安装在型腔板8和型芯板6中的第一热电偶7、第二热电偶7’实时向温控装置反馈型腔表面和型芯表面的温度，当温度降低至预先设定的温度下限时，温控装置切换换向阀停止向加热冷却管道15、第二加热冷却管路15’中通入低温冷却水，以停止冷却模具。

在低温保持阶段，温控装置通过控制换向阀打开高压气体管路，高压气体进入型腔板8、型芯板6分别与型腔隔热板14、型芯隔热板17围城的加热冷却管道15、第二加热冷却管路15’，将加热冷却管道15、第二加热冷却管路15’中残留的冷却水排除，从而避免模具温度的过度下降，同时有效避免加热冷却管道18中残留的冷却水对下一个成型周期中模具加热的干扰，有利于提高模具加热效率。在此阶段，塑件16的温度已冷却至满足顶出要求，故可以打开模具，取出塑件16，从而完成一个快速热循环注塑成型周期。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，包括蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板，以及分别与蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板配合的型腔隔热板和型芯隔热板；型腔隔热板和型芯隔热板又分别与型腔支撑板和型芯支撑板配合在一起；在蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板的背面均设有凹槽；凹槽分别与型腔隔热板和型芯隔热板配合而构成加热冷却装置；所述加热冷却装置与温控装置连接；所述凹槽为根据模具型腔表面的空间几何形状分布的随形凹槽；所述加热冷却装置为蒸汽加热型腔板背面的凹槽与型腔隔热板的正面围成的加热冷却管道，以及蒸汽加热型芯板背面的凹槽与型芯隔热板的正面围成的加热冷却管道。

2.如权利要求1所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述蒸汽加热型腔板的背面与其正面的轮廓一致，蒸汽加热型腔板的背面设有均匀分布的凹槽。

3.如权利要求1所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述蒸汽加热型芯板的背面与其正面的轮廓一致，蒸汽加热型芯板的背面设有均匀分布的凹槽。

4.如权利要求1或2所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述型腔隔热板的正面与蒸汽加热型腔板的背面的轮廓一致，型腔隔热板的背面与型腔支撑板的轮廓一致。

5.如权利要求1或3所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述型芯隔热板的正面与蒸汽加热型芯板的背面的轮廓一致，型芯隔热板的背面与型芯支撑板的轮廓一致。

6.如权利要求1所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述的蒸汽加热型腔板与型腔隔热板之间以及蒸汽加热型芯板与型芯隔热板之间设有密封装置。

7.如权利要求6所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述密封装置为密封垫。

8.如权利要求1所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，在蒸汽加热型腔板和蒸汽加热型芯板内部还分别安装测温装置。

9.如权利要求8所述的蒸汽加热快速热循环注塑模具，其特征是，所述测温装置为热电偶。