蒸汽發(fā)泡成型模具設(shè)計(jì)工藝研究范文
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摘要:由于聚丙烯發(fā)泡材料(EPP)的傳統(tǒng)發(fā)泡成型模具及工藝制備出的產(chǎn)品表面光滑性較差，無(wú)法完全滿足特殊行業(yè)對(duì)發(fā)泡產(chǎn)品高質(zhì)量表面的要求，因此急需一種新型成型方案，以便于生產(chǎn)制備出表面光滑的EPP產(chǎn)品。深入研究了傳統(tǒng)發(fā)泡產(chǎn)品成型模具存在的缺陷，并重新設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)泡模具，同時(shí)采用3D模型設(shè)計(jì)軟件與模流分析軟件對(duì)模具進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和可視化仿真，進(jìn)而判斷模具設(shè)計(jì)效果，并為制作出表面光滑的EPP產(chǎn)品做出技術(shù)指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:發(fā)泡聚丙烯;高質(zhì)量表面;蒸汽模具設(shè)計(jì);仿真
泡沫塑料是指大量氣體以微孔的形式分散在塑料中形成的材料［1］，泡沫塑料具有質(zhì)輕、隔熱、緩沖、絕緣、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在日用品、包裝、保溫、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、軍事工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)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進(jìn)行制備，因而會(huì)對(duì)大氣臭氧層產(chǎn)生一定的破壞性，且EPS的垃圾制品在大氣環(huán)境中不易腐爛、難回收，國(guó)際環(huán)保組織已經(jīng)嚴(yán)格限制了EPS的使用;而EPU發(fā)泡材料中存在對(duì)人體有害的物質(zhì)，并且無(wú)法回收再利用。相較而言，聚丙烯發(fā)泡材料(EPP)則相對(duì)具有較多優(yōu)點(diǎn)，例如EPP的力學(xué)強(qiáng)度高于EPE、沖擊性能優(yōu)于EPS，且耐高溫性能好、密度小以及可回收利用等［5］。國(guó)外自20世紀(jì)后期，就已開(kāi)始著重研發(fā)可發(fā)性聚丙烯材料，并使EPP材料在汽車(chē)行業(yè)、保溫行業(yè)、包裝行業(yè)以及建筑等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，逐漸成為能夠替代EPS、EPU的新型環(huán)保泡沫材料［6］。對(duì)于發(fā)泡聚丙烯而言，其常規(guī)的發(fā)泡方式是采用化學(xué)發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡，但是此種發(fā)泡工藝對(duì)環(huán)境有一定的污染，故目前大部分行業(yè)采用熱蒸汽物理發(fā)泡工藝，從而避免對(duì)環(huán)境造成污染，并生產(chǎn)制造出力學(xué)性能較高的發(fā)泡材料。由于蒸汽發(fā)泡工藝的需要，傳統(tǒng)物理發(fā)泡模具的內(nèi)表面需要均勻排布可通入蒸汽的蒸汽孔，其目的是為保證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預(yù)發(fā)泡珠粒，從而對(duì)預(yù)發(fā)泡珠粒進(jìn)行加熱，使珠粒相互熔結(jié)、成型。因此，從模具中取出的產(chǎn)品其外表面會(huì)均勻排布密集的蒸汽孔痕跡，使得產(chǎn)品沒(méi)有任何一個(gè)表面是平滑光亮的，既無(wú)法滿足特殊產(chǎn)品的表面要求，又影響產(chǎn)品的外觀美感。如果為了達(dá)到產(chǎn)品表面的平滑性而直接取消模具型腔內(nèi)表面的蒸汽孔，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在成型過(guò)程中受熱不均勻，使產(chǎn)品產(chǎn)生更多缺陷。因此，急需一種新型模具及匹配的工藝流程，以生產(chǎn)出表面光滑的發(fā)泡產(chǎn)品，且不影響產(chǎn)品的其他質(zhì)量要求。
本文的模具設(shè)計(jì)包含模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(包括部分加熱系統(tǒng))以及冷卻系統(tǒng)兩部分。
1.1模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)蒸汽成型模具的分析及研討，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)模具中蒸汽孔的存在是導(dǎo)致產(chǎn)品表面不夠光滑的根本原因，本文旨在生產(chǎn)制備出表面光滑的發(fā)泡產(chǎn)品，故決定對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。首先，取消模具一個(gè)型腔表面的部分蒸汽孔;其次，設(shè)計(jì)并增加模溫板，通過(guò)蒸汽加熱與模溫板加熱相互協(xié)同的方式為預(yù)發(fā)泡材料進(jìn)行加熱和冷卻;最后，在模具內(nèi)部設(shè)計(jì)有多重管路，以期達(dá)到最優(yōu)的加熱、冷卻效果。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)傳統(tǒng)模具生產(chǎn)缺陷的原因進(jìn)行分析，最終重新設(shè)計(jì)了一種新型的蒸汽發(fā)泡模具，同時(shí)為了避免其他相關(guān)變量對(duì)模具設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，暫時(shí)不考慮異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，本文僅以EPP發(fā)泡平板作為研究對(duì)象，并采用3D模型設(shè)計(jì)軟件對(duì)產(chǎn)品及模具進(jìn)行設(shè)計(jì)、制圖，具體如圖2、圖3所示。其中，模具包括上模組件、下模組件、上模組件和下模組件圍成的型腔。1)上模組件該上模組件主要包括上模板和透氣鋼上模芯以及模溫板。其中，透氣鋼板作為上模的模芯部分取代了傳統(tǒng)的含有蒸汽鑲件的上模芯，且與型腔的上表面接觸，透氣鋼上模芯與上模板圍成上模模腔，在上模板上設(shè)置有一個(gè)開(kāi)口，開(kāi)口的一端與上模空腔連通，另一端連接至抽真空裝置。在上模模腔中設(shè)有模溫板，模溫板中設(shè)計(jì)了“S”型流道，可在該流道中通入熱媒(或冷媒)，以達(dá)到對(duì)模具的加熱(或冷卻)效果。該模溫板緊貼透氣鋼上表面，以便于達(dá)到最高效的傳熱效果。透氣鋼與產(chǎn)品接觸表面需要手動(dòng)拋光，光澤度要達(dá)到Ra≤0.2μm。本文提出的針對(duì)上模組件的設(shè)計(jì)可以確保在取消上模蒸汽鑲件的同時(shí)，保證氣體的流通和產(chǎn)品型腔部分受熱均勻，從而制備出表面光滑的發(fā)泡產(chǎn)品。2)下模組件下模組件包括下模芯、下模板以及下模芯與下模板圍成的下模模腔。不同于傳統(tǒng)蒸汽模具，下模模腔中設(shè)置有蒸汽管路，蒸汽管路的各支路分別設(shè)置有蒸汽閥門(mén)，以便于控制蒸汽孔的排氣量以及排氣順序。下模芯上設(shè)置有蒸汽孔鑲件，蒸汽孔鑲件的一端與型腔連通，另一端連接至蒸汽管路，下?？涨恢羞€設(shè)置有相互連接的冷卻水管路和冷卻水噴頭，以便于對(duì)下模及產(chǎn)品進(jìn)行快速的冷卻。本文根據(jù)EPP發(fā)泡成型工藝要求，對(duì)下模具的蒸汽管路進(jìn)行重新排布設(shè)計(jì)，從而在取消了模具一個(gè)面的蒸汽孔的前提下，確保了蒸汽通入的可控性及均勻性，以期生產(chǎn)出傳統(tǒng)模具無(wú)法做出的表面光滑的發(fā)泡產(chǎn)品;且通過(guò)下文對(duì)模具進(jìn)行數(shù)值模擬分析，確定冷卻管路最優(yōu)排列方式，使產(chǎn)品可以快速且均勻降到脫模溫度，進(jìn)而提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。3)型腔產(chǎn)品型腔是由透氣鋼與下模芯圍成的結(jié)構(gòu)，其中下模芯表面均勻排布了若干蒸汽鑲件，蒸汽鑲件通過(guò)管路直接與蒸汽發(fā)生設(shè)備連通，以便于操作過(guò)程中蒸汽的通入及對(duì)填料的加熱，透氣鋼表面光滑且無(wú)蒸汽鑲件，并且將透氣鋼表面光滑度拋光到Ra≤0.2μm，將產(chǎn)品與透氣鋼接觸的表面定義為上表面，最終可以制備出上表面光滑的發(fā)泡產(chǎn)品。
1.2模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
關(guān)于模具的設(shè)計(jì)，通常主要考慮澆注系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)。而本文設(shè)計(jì)的模具不包含澆注過(guò)程，本文所設(shè)計(jì)模具僅需要著重考慮冷卻系統(tǒng)。對(duì)于冷卻系統(tǒng)而言，冷卻管路的分布、管路數(shù)量等會(huì)直接影響到產(chǎn)品的翹曲變形程度以及產(chǎn)品的生產(chǎn)效率［7］。由于模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改動(dòng)，為了更好地達(dá)到冷卻降溫效果，本文采用模流分析軟件對(duì)新型模具的整體冷卻效果進(jìn)行分析，進(jìn)而篩選出較為合理的冷卻管路設(shè)計(jì)方案。利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)，通過(guò)改變模具的冷卻流道設(shè)計(jì)，并對(duì)比分析流道的不同設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的所需脫模時(shí)間、脫模后產(chǎn)品表面溫度均勻性以及產(chǎn)品的翹曲變形量，從而確定模具的最終冷卻流道設(shè)計(jì)方案。本研究經(jīng)過(guò)對(duì)模具冷卻流道的多重分析，最終選定了四種冷卻流道的設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。由于考慮到上下模具結(jié)構(gòu)不同，無(wú)法將上下模具的冷卻管路設(shè)計(jì)成上下對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，故上模具與下模具的冷卻管路分開(kāi)設(shè)計(jì)?？紤]到模具自身結(jié)構(gòu)限制及冷卻效果，需將下模具冷卻管路的間距設(shè)計(jì)成上模具冷卻管路間距的2倍，同時(shí)為了便于管路注射口的設(shè)計(jì)，需提前了解冷卻液在模具中流動(dòng)距離的長(zhǎng)短，對(duì)整體冷卻效果的影響，因此本文給出四組方案，如圖4所示。其中管路尺寸大小及鋪設(shè)數(shù)量保持一致，通過(guò)改變注射口數(shù)量，從而改變管路的輸液距離。方案一:上模具只有1個(gè)冷卻液注射口，下模也只有1個(gè)冷卻液注射口;方案二:上模具有2個(gè)注射口，下模具只有1個(gè)注射口;方案三:上模具有1個(gè)冷卻液注射口，下模具有10個(gè)冷卻液注射口;方案四:上模具有2個(gè)冷卻液注射口，下模具有10個(gè)注射口。在進(jìn)行模流分析過(guò)程中，設(shè)定產(chǎn)品的成型溫度為140℃，脫模溫度30℃，冷卻水溫度20℃，冷卻水流速3.82L/min。由于發(fā)泡材料在制作過(guò)程中，受熱不均后極易發(fā)生翹曲變形，所以生產(chǎn)制備的發(fā)泡材料需要保證產(chǎn)品形變量在可接受范圍內(nèi)，在進(jìn)行模擬過(guò)程中，對(duì)四種方案制備出的產(chǎn)品進(jìn)行翹曲度分析，由結(jié)果可以觀察得出四種方案制備出的發(fā)泡產(chǎn)品的形變量(即整體翹曲度)均不大于2.049mm，均滿足發(fā)泡產(chǎn)品的形變量要求，模流分析模擬詳細(xì)結(jié)果如圖5所示。確定形變量滿足要求后，進(jìn)而再分別對(duì)比不同方案所需要的脫模時(shí)間以及脫模后產(chǎn)品溫度的均勻性。通過(guò)模擬結(jié)果以及數(shù)據(jù)表1可以看出，方案一、方案二、方案三以及方案四脫模后產(chǎn)品的最大形變量均控制在2.049mm以?xún)?nèi)。其中，不同方案所對(duì)應(yīng)脫模時(shí)間的差異性較為明顯，方案一達(dá)到脫模溫度用時(shí)為455.3s，方案二達(dá)到脫模溫度用時(shí)為413.1s，方案三達(dá)到脫模溫度用時(shí)為397.2s，方案四達(dá)到脫模溫度用時(shí)為327.4s。冷卻效果越好，達(dá)到頂出溫度越快，產(chǎn)品的生產(chǎn)效率則越高，故而冷卻水路流動(dòng)距離相對(duì)最短的方案四，其冷卻效果最好。產(chǎn)品達(dá)到脫模溫度后，當(dāng)表面最大溫差不大于3℃時(shí)，即可保證產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過(guò)模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，四種方案均滿足要求。根據(jù)上述模擬結(jié)果，在保證產(chǎn)品的翹曲度不大于2.049mm，同時(shí)確保產(chǎn)品脫模后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，如果需要達(dá)到最快的生產(chǎn)效率，則參照模擬結(jié)果的指導(dǎo)，最終選用第四組冷卻管路設(shè)計(jì)方案。本文所述模具的創(chuàng)新點(diǎn)主要有:1)可通過(guò)調(diào)節(jié)下模中的蒸汽管路閥門(mén)，達(dá)到對(duì)蒸汽流向及蒸汽流量的可控性，從而滿足蒸汽加熱的工藝要求;2)上模芯采用表面光滑度在0.2μm以下的透氣鋼替代含有蒸汽鑲件的模芯，確保可生產(chǎn)制備出表面光滑的發(fā)泡產(chǎn)品;3)上模具采用模溫板加熱方式為模具進(jìn)行輔助加熱，確保在取消部分蒸汽孔后，可以滿足產(chǎn)品在制備過(guò)程中的受熱需求;4)通過(guò)3D模型設(shè)計(jì)軟件對(duì)模具進(jìn)行構(gòu)圖，并采用模流分析技術(shù)對(duì)冷卻管路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析，使模具可以達(dá)到最佳的降溫效果。下一步，通過(guò)設(shè)計(jì)新型模具匹配工藝，生產(chǎn)出傳統(tǒng)模具無(wú)法制備的具有光滑表面(表面光滑度達(dá)到0.2μm以下)的超輕高強(qiáng)度發(fā)泡材料。
2新型模具匹配工藝設(shè)計(jì)
基于上述設(shè)計(jì)的EPP珠粒模塑成型模具，下一步將對(duì)EPP成型的匹配工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)模塑成型的條件需要，EPP應(yīng)具備雙峰熔融結(jié)晶特性［8］，且EPP發(fā)泡模塑成型的蒸汽溫度需要選在EPP的低溫晶體和高溫晶體之間，其目的是確保EPP的低溫晶體可以完全熔融進(jìn)而促進(jìn)發(fā)泡粒珠間的粘接，同時(shí)高溫晶體不熔融以保證發(fā)泡珠粒的整體泡孔形態(tài)和模塑制品的力學(xué)性能［9－10］。故經(jīng)過(guò)對(duì)EPP原料進(jìn)行DSC測(cè)試分析，最終確定產(chǎn)品的最佳成型溫度為140℃，冷卻水溫度為20℃，產(chǎn)品脫模溫度確定在30～50℃之間，超過(guò)50℃脫模后，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在熟化過(guò)程中產(chǎn)生較大的變形，要求產(chǎn)品翹曲變形量最大不得大于3mm。以JSP生產(chǎn)的EPP原料為制品的生產(chǎn)原料。具體操作步驟如下:1)加料:將預(yù)發(fā)泡原料添加入預(yù)熱好的模具型腔中，并合模;2)抽真空:在確認(rèn)上下模合模完畢，并達(dá)到密封的條件下開(kāi)啟真空泵，使模具內(nèi)部型腔壓力達(dá)到－0.6MPa的真空度;3)通入蒸汽:確保真空泵繼續(xù)工作，向型腔內(nèi)部通入熱蒸汽。同時(shí)，加熱模溫板，使其對(duì)透氣鋼上模芯進(jìn)行加熱;4)保壓:關(guān)閉排氣開(kāi)口和真空泵，進(jìn)行保壓，并持續(xù)通入熱蒸氣，當(dāng)壓力達(dá)到0.6MPa后，進(jìn)行保壓;5)冷卻:開(kāi)啟排壓閥，卸掉型腔中的壓力，通入冷卻水對(duì)下模芯進(jìn)行冷卻。同時(shí)將模溫板通入冷媒，對(duì)透氣鋼上模芯進(jìn)行冷卻;6)脫模:當(dāng)產(chǎn)品降到脫模溫度后，打開(kāi)模具，取出產(chǎn)品。采用設(shè)計(jì)出的新型EPP蒸汽發(fā)泡模塑模具輔以匹配的成型工藝制備出來(lái)的EPP發(fā)泡樣品，與傳統(tǒng)模具制備出的EPP發(fā)泡樣品進(jìn)行對(duì)比分析，兩塊樣品的發(fā)泡倍率均為11倍，分別在兩塊樣板上確定出6個(gè)對(duì)應(yīng)的區(qū)域，并使用“表面粗糙度儀”分別測(cè)試樣板各個(gè)區(qū)域的表面粗糙度，具體數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示。由表2中的數(shù)據(jù)可以得出，采用傳統(tǒng)發(fā)泡成型工藝制備出的樣品，其表面均勻性較差，粗糙度高低極度不均勻;而新型模具制備出的發(fā)泡樣品其表面粗糙度較為均勻，且采用新型模具可制備出表面更加光滑的發(fā)泡產(chǎn)品，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求Ra≤0.2μm。
3結(jié)論
所設(shè)計(jì)的新型發(fā)泡材料蒸汽成型模具及生產(chǎn)工藝，主要是為了解決制品表面光滑度較差的難題。在避免制品表面產(chǎn)生發(fā)泡珠粒間的熔接痕與蒸汽鑲件烙印的同時(shí)，更增加了發(fā)泡制品的表面結(jié)皮厚度，使得制品在具有光滑表面的同時(shí)，更提高了其本身的力學(xué)性能。其中，透氣鋼的選用應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定，孔隙直徑太大則影響產(chǎn)品表面的光滑度;如果孔隙直徑太小，蒸汽無(wú)法通過(guò)透氣鋼，從而阻礙蒸汽的順利流通，影響對(duì)發(fā)泡填料的加熱效果。采用適當(dāng)孔隙直徑的透氣鋼，并經(jīng)過(guò)人工拋光后，可制得表面粗糙度達(dá)到Ra≤0.2μm的發(fā)泡產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)上模模溫板的溫度的控制，可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)發(fā)泡產(chǎn)品表面的結(jié)皮厚度。利用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)進(jìn)行模流分析，以指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)并采取相應(yīng)的改善對(duì)策，既可以保證模具設(shè)計(jì)方案的可行性，又可以驗(yàn)證模溫板滿足加熱產(chǎn)品表面的要求，且模溫板通入冷媒后，可以取代傳統(tǒng)冷卻水路的冷卻效果。
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作者：遲興帥 呂冬 陳凱 傅軼 陳琪 余瑤 黃曉鳳 王偉 單位：廣州市香港科大霍英東研究院