蒸汽发泡成型模具设计工艺研究范文

本站小编为你精心准备了蒸汽发泡成型模具设计工艺研究参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

摘要:由于聚丙烯发泡材料(EPP)的传统发泡成型模具及工艺制备出的产品表面光滑性较差，无法完全满足特殊行业对发泡产品高质量表面的要求，因此急需一种新型成型方案，以便于生产制备出表面光滑的EPP产品。深入研究了传统发泡产品成型模具存在的缺陷，并重新设计蒸汽发泡模具，同时采用3D模型设计软件与模流分析软件对模具进行模型设计和可视化仿真，进而判断模具设计效果，并为制作出表面光滑的EPP产品做出技术指导。

关键词:发泡聚丙烯;高质量表面;蒸汽模具设计;仿真

泡沫塑料是指大量气体以微孔的形式分散在塑料中形成的材料［1］，泡沫塑料具有质轻、隔热、缓冲、绝缘、价格相对低廉等优点，因此在日用品、包装、保温、工业、农业、交通运输业、军事工业、航天工业等领域得到广泛应用。目前，市场上已经实现工业化生产和应用的聚合物泡沫材料主要有聚苯乙烯泡沫(EPS)［2］、聚乙烯泡沫(EPE)［3］、聚氨酯泡沫(EPU)［4］。其中，由于EPS需要采用氟氯碳化物进行制备，因而会对大气臭氧层产生一定的破坏性，且EPS的垃圾制品在大气环境中不易腐烂、难回收，国际环保组织已经严格限制了EPS的使用;而EPU发泡材料中存在对人体有害的物质，并且无法回收再利用。相较而言，聚丙烯发泡材料(EPP)则相对具有较多优点，例如EPP的力学强度高于EPE、冲击性能优于EPS，且耐高温性能好、密度小以及可回收利用等［5］。国外自20世纪后期，就已开始着重研发可发性聚丙烯材料，并使EPP材料在汽车行业、保温行业、包装行业以及建筑等行业得到了广泛的应用，逐渐成为能够替代EPS、EPU的新型环保泡沫材料［6］。对于发泡聚丙烯而言，其常规的发泡方式是采用化学发泡剂进行发泡，但是此种发泡工艺对环境有一定的污染，故目前大部分行业采用热蒸汽物理发泡工艺，从而避免对环境造成污染，并生产制造出力学性能较高的发泡材料。由于蒸汽发泡工艺的需要，传统物理发泡模具的内表面需要均匀排布可通入蒸汽的蒸汽孔，其目的是为保证蒸汽可以充分通入到模具型腔中，并可以完全穿透型腔中的预发泡珠粒，从而对预发泡珠粒进行加热，使珠粒相互熔结、成型。因此，从模具中取出的产品其外表面会均匀排布密集的蒸汽孔痕迹，使得产品没有任何一个表面是平滑光亮的，既无法满足特殊产品的表面要求，又影响产品的外观美感。如果为了达到产品表面的平滑性而直接取消模具型腔内表面的蒸汽孔，则会导致产品在成型过程中受热不均匀，使产品产生更多缺陷。因此，急需一种新型模具及匹配的工艺流程，以生产出表面光滑的发泡产品，且不影响产品的其他质量要求。

1模具设计

本文的模具设计包含模具内部结构设计(包括部分加热系统)以及冷却系统两部分。

1.1模具内部结构设计

经过对传统蒸汽成型模具的分析及研讨，发现传统模具中蒸汽孔的存在是导致产品表面不够光滑的根本原因，本文旨在生产制备出表面光滑的发泡产品，故决定对模具结构进行重新设计。首先，取消模具一个型腔表面的部分蒸汽孔;其次，设计并增加模温板，通过蒸汽加热与模温板加热相互协同的方式为预发泡材料进行加热和冷却;最后，在模具内部设计有多重管路，以期达到最优的加热、冷却效果。具体结构如图1所示。对传统模具生产缺陷的原因进行分析，最终重新设计了一种新型的蒸汽发泡模具，同时为了避免其他相关变量对模具设计产生影响，暂时不考虑异形结构产品，本文仅以EPP发泡平板作为研究对象，并采用3D模型设计软件对产品及模具进行设计、制图，具体如图2、图3所示。其中，模具包括上模组件、下模组件、上模组件和下模组件围成的型腔。1)上模组件该上模组件主要包括上模板和透气钢上模芯以及模温板。其中，透气钢板作为上模的模芯部分取代了传统的含有蒸汽镶件的上模芯，且与型腔的上表面接触，透气钢上模芯与上模板围成上模模腔，在上模板上设置有一个开口，开口的一端与上模空腔连通，另一端连接至抽真空装置。在上模模腔中设有模温板，模温板中设计了“S”型流道，可在该流道中通入热媒(或冷媒)，以达到对模具的加热(或冷却)效果。该模温板紧贴透气钢上表面，以便于达到最高效的传热效果。透气钢与产品接触表面需要手动抛光，光泽度要达到Ra≤0.2μm。本文提出的针对上模组件的设计可以确保在取消上模蒸汽镶件的同时，保证气体的流通和产品型腔部分受热均匀，从而制备出表面光滑的发泡产品。2)下模组件下模组件包括下模芯、下模板以及下模芯与下模板围成的下模模腔。不同于传统蒸汽模具，下模模腔中设置有蒸汽管路，蒸汽管路的各支路分别设置有蒸汽阀门，以便于控制蒸汽孔的排气量以及排气顺序。下模芯上设置有蒸汽孔镶件，蒸汽孔镶件的一端与型腔连通，另一端连接至蒸汽管路，下模空腔中还设置有相互连接的冷却水管路和冷却水喷头，以便于对下模及产品进行快速的冷却。本文根据EPP发泡成型工艺要求，对下模具的蒸汽管路进行重新排布设计，从而在取消了模具一个面的蒸汽孔的前提下，确保了蒸汽通入的可控性及均匀性，以期生产出传统模具无法做出的表面光滑的发泡产品;且通过下文对模具进行数值模拟分析，确定冷却管路最优排列方式，使产品可以快速且均匀降到脱模温度，进而提高产品的生产效率。3)型腔产品型腔是由透气钢与下模芯围成的结构，其中下模芯表面均匀排布了若干蒸汽镶件，蒸汽镶件通过管路直接与蒸汽发生设备连通，以便于操作过程中蒸汽的通入及对填料的加热，透气钢表面光滑且无蒸汽镶件，并且将透气钢表面光滑度抛光到Ra≤0.2μm，将产品与透气钢接触的表面定义为上表面，最终可以制备出上表面光滑的发泡产品。

1.2模具冷却系统设计

关于模具的设计，通常主要考虑浇注系统以及冷却系统。而本文设计的模具不包含浇注过程，本文所设计模具仅需要着重考虑冷却系统。对于冷却系统而言，冷却管路的分布、管路数量等会直接影响到产品的翘曲变形程度以及产品的生产效率［7］。由于模具结构进行了改动，为了更好地达到冷却降温效果，本文采用模流分析软件对新型模具的整体冷却效果进行分析，进而筛选出较为合理的冷却管路设计方案。利用计算机仿真模拟技术，通过改变模具的冷却流道设计，并对比分析流道的不同设计方案对应的所需脱模时间、脱模后产品表面温度均匀性以及产品的翘曲变形量，从而确定模具的最终冷却流道设计方案。本研究经过对模具冷却流道的多重分析，最终选定了四种冷却流道的设计方案，如图4所示。由于考虑到上下模具结构不同，无法将上下模具的冷却管路设计成上下对称结构，故上模具与下模具的冷却管路分开设计。考虑到模具自身结构限制及冷却效果，需将下模具冷却管路的间距设计成上模具冷却管路间距的2倍，同时为了便于管路注射口的设计，需提前了解冷却液在模具中流动距离的长短，对整体冷却效果的影响，因此本文给出四组方案，如图4所示。其中管路尺寸大小及铺设数量保持一致，通过改变注射口数量，从而改变管路的输液距离。方案一:上模具只有1个冷却液注射口，下模也只有1个冷却液注射口;方案二:上模具有2个注射口，下模具只有1个注射口;方案三:上模具有1个冷却液注射口，下模具有10个冷却液注射口;方案四:上模具有2个冷却液注射口，下模具有10个注射口。在进行模流分析过程中，设定产品的成型温度为140℃，脱模温度30℃，冷却水温度20℃，冷却水流速3.82L/min。由于发泡材料在制作过程中，受热不均后极易发生翘曲变形，所以生产制备的发泡材料需要保证产品形变量在可接受范围内，在进行模拟过程中，对四种方案制备出的产品进行翘曲度分析，由结果可以观察得出四种方案制备出的发泡产品的形变量(即整体翘曲度)均不大于2.049mm，均满足发泡产品的形变量要求，模流分析模拟详细结果如图5所示。确定形变量满足要求后，进而再分别对比不同方案所需要的脱模时间以及脱模后产品温度的均匀性。通过模拟结果以及数据表1可以看出，方案一、方案二、方案三以及方案四脱模后产品的最大形变量均控制在2.049mm以内。其中，不同方案所对应脱模时间的差异性较为明显，方案一达到脱模温度用时为455.3s，方案二达到脱模温度用时为413.1s，方案三达到脱模温度用时为397.2s，方案四达到脱模温度用时为327.4s。冷却效果越好，达到顶出温度越快，产品的生产效率则越高，故而冷却水路流动距离相对最短的方案四，其冷却效果最好。产品达到脱模温度后，当表面最大温差不大于3℃时，即可保证产品的结构稳定性，通过模拟结果可以发现，四种方案均满足要求。根据上述模拟结果，在保证产品的翘曲度不大于2.049mm，同时确保产品脱模后的结构稳定性的前提下，如果需要达到最快的生产效率，则参照模拟结果的指导，最终选用第四组冷却管路设计方案。本文所述模具的创新点主要有:1)可通过调节下模中的蒸汽管路阀门，达到对蒸汽流向及蒸汽流量的可控性，从而满足蒸汽加热的工艺要求;2)上模芯采用表面光滑度在0.2μm以下的透气钢替代含有蒸汽镶件的模芯，确保可生产制备出表面光滑的发泡产品;3)上模具采用模温板加热方式为模具进行辅助加热，确保在取消部分蒸汽孔后，可以满足产品在制备过程中的受热需求;4)通过3D模型设计软件对模具进行构图，并采用模流分析技术对冷却管路进行设计、分析，使模具可以达到最佳的降温效果。下一步，通过设计新型模具匹配工艺，生产出传统模具无法制备的具有光滑表面(表面光滑度达到0.2μm以下)的超轻高强度发泡材料。

2新型模具匹配工艺设计

基于上述设计的EPP珠粒模塑成型模具，下一步将对EPP成型的匹配工艺进行设计。根据模塑成型的条件需要，EPP应具备双峰熔融结晶特性［8］，且EPP发泡模塑成型的蒸汽温度需要选在EPP的低温晶体和高温晶体之间，其目的是确保EPP的低温晶体可以完全熔融进而促进发泡粒珠间的粘接，同时高温晶体不熔融以保证发泡珠粒的整体泡孔形态和模塑制品的力学性能［9－10］。故经过对EPP原料进行DSC测试分析，最终确定产品的最佳成型温度为140℃，冷却水温度为20℃，产品脱模温度确定在30～50℃之间，超过50℃脱模后，会导致产品在熟化过程中产生较大的变形，要求产品翘曲变形量最大不得大于3mm。以JSP生产的EPP原料为制品的生产原料。具体操作步骤如下:1)加料:将预发泡原料添加入预热好的模具型腔中，并合模;2)抽真空:在确认上下模合模完毕，并达到密封的条件下开启真空泵，使模具内部型腔压力达到－0.6MPa的真空度;3)通入蒸汽:确保真空泵继续工作，向型腔内部通入热蒸汽。同时，加热模温板，使其对透气钢上模芯进行加热;4)保压:关闭排气开口和真空泵，进行保压，并持续通入热蒸气，当压力达到0.6MPa后，进行保压;5)冷却:开启排压阀，卸掉型腔中的压力，通入冷却水对下模芯进行冷却。同时将模温板通入冷媒，对透气钢上模芯进行冷却;6)脱模:当产品降到脱模温度后，打开模具，取出产品。采用设计出的新型EPP蒸汽发泡模塑模具辅以匹配的成型工艺制备出来的EPP发泡样品，与传统模具制备出的EPP发泡样品进行对比分析，两块样品的发泡倍率均为11倍，分别在两块样板上确定出6个对应的区域，并使用“表面粗糙度仪”分别测试样板各个区域的表面粗糙度，具体数据结果如表2所示。由表2中的数据可以得出，采用传统发泡成型工艺制备出的样品，其表面均匀性较差，粗糙度高低极度不均匀;而新型模具制备出的发泡样品其表面粗糙度较为均匀，且采用新型模具可制备出表面更加光滑的发泡产品，并达到设计要求Ra≤0.2μm。

3结论

所设计的新型发泡材料蒸汽成型模具及生产工艺，主要是为了解决制品表面光滑度较差的难题。在避免制品表面产生发泡珠粒间的熔接痕与蒸汽镶件烙印的同时，更增加了发泡制品的表面结皮厚度，使得制品在具有光滑表面的同时，更提高了其本身的力学性能。其中，透气钢的选用应根据实际情况而定，孔隙直径太大则影响产品表面的光滑度;如果孔隙直径太小，蒸汽无法通过透气钢，从而阻碍蒸汽的顺利流通，影响对发泡填料的加热效果。采用适当孔隙直径的透气钢，并经过人工抛光后，可制得表面粗糙度达到Ra≤0.2μm的发泡产品。通过对上模模温板的温度的控制，可以根据需要调节发泡产品表面的结皮厚度。利用计算机仿真模拟技术进行模流分析，以指导模具设计并采取相应的改善对策，既可以保证模具设计方案的可行性，又可以验证模温板满足加热产品表面的要求，且模温板通入冷媒后，可以取代传统冷却水路的冷却效果。

参考文献

［1］吴舜英，徐敬一．泡沫塑料成型［M］．第2版，北京:化学工业出版社，1999:5－9．

［5］邹洋．发泡聚丙烯母料的制备及发泡性能研究［D］．哈尔滨:哈尔滨工业大学，2015．

［6］刘有鹏，吕明福，郭鹏，等．釜式法制备聚丙烯发泡珠粒研究进展［J］．合成树脂及塑料，2012，29(6):44－48．

［7］范亚博．基于CAE技术的汽车内饰板翘曲与缩痕的优化研究［D］．广州:广东工业大学，2015．

［8］郭艳婷．使用高压釜制备聚丙烯发泡珠粒(EPP)的理论及技术［D］．广州:华南理工大学，2013．

作者：迟兴帅 吕冬 陈凯 傅轶 陈琪 余瑶 黄晓凤 王伟 单位：广州市香港科大霍英东研究院