蒸汽發泡成型模具設計工藝研究范文

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摘要:由于聚丙烯發泡材料(EPP)的傳統發泡成型模具及工藝制備出的產品表面光滑性較差，無法完全滿足特殊行業對發泡產品高質量表面的要求，因此急需一種新型成型方案，以便于生產制備出表面光滑的EPP產品。深入研究了傳統發泡產品成型模具存在的缺陷，并重新設計蒸汽發泡模具，同時采用3D模型設計軟件與模流分析軟件對模具進行模型設計和可視化仿真，進而判斷模具設計效果，并為制作出表面光滑的EPP產品做出技術指導。

關鍵詞:發泡聚丙烯;高質量表面;蒸汽模具設計;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］，泡沫塑料具有質輕、隔熱、緩沖、絕緣、價格相對低廉等優點，因此在日用品、包裝、保溫、工業、農業、交通運輸業、軍事工業、航天工業等領域得到廣泛應用。目前，市場上已經實現工業化生產和應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行制備，因而會對大氣臭氧層產生一定的破壞性，且EPS的垃圾制品在大氣環境中不易腐爛、難回收，國際環保組織已經嚴格限制了EPS的使用;而EPU發泡材料中存在對人體有害的物質，并且無法回收再利用。相較而言，聚丙烯發泡材料(EPP)則相對具有較多優點，例如EPP的力學強度高于EPE、沖擊性能優于EPS，且耐高溫性能好、密度小以及可回收利用等［5］。國外自20世紀后期，就已開始著重研發可發性聚丙烯材料，并使EPP材料在汽車行業、保溫行業、包裝行業以及建筑等行業得到了廣泛的應用，逐漸成為能夠替代EPS、EPU的新型環保泡沫材料［6］。對于發泡聚丙烯而言，其常規的發泡方式是采用化學發泡劑進行發泡，但是此種發泡工藝對環境有一定的污染，故目前大部分行業采用熱蒸汽物理發泡工藝，從而避免對環境造成污染，并生產制造出力學性能較高的發泡材料。由于蒸汽發泡工藝的需要，傳統物理發泡模具的內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發泡珠粒，從而對預發泡珠粒進行加熱，使珠粒相互熔結、成型。因此，從模具中取出的產品其外表面會均勻排布密集的蒸汽孔痕跡，使得產品沒有任何一個表面是平滑光亮的，既無法滿足特殊產品的表面要求，又影響產品的外觀美感。如果為了達到產品表面的平滑性而直接取消模具型腔內表面的蒸汽孔，則會導致產品在成型過程中受熱不均勻，使產品產生更多缺陷。因此，急需一種新型模具及匹配的工藝流程，以生產出表面光滑的發泡產品，且不影響產品的其他質量要求。

1模具設計

本文的模具設計包含模具內部結構設計(包括部分加熱系統)以及冷卻系統兩部分。

1.1模具內部結構設計

經過對傳統蒸汽成型模具的分析及研討，發現傳統模具中蒸汽孔的存在是導致產品表面不夠光滑的根本原因，本文旨在生產制備出表面光滑的發泡產品，故決定對模具結構進行重新設計。首先，取消模具一個型腔表面的部分蒸汽孔;其次，設計并增加模溫板，通過蒸汽加熱與模溫板加熱相互協同的方式為預發泡材料進行加熱和冷卻;最后，在模具內部設計有多重管路，以期達到最優的加熱、冷卻效果。具體結構如圖1所示。對傳統模具生產缺陷的原因進行分析，最終重新設計了一種新型的蒸汽發泡模具，同時為了避免其他相關變量對模具設計產生影響，暫時不考慮異形結構產品，本文僅以EPP發泡平板作為研究對象，并采用3D模型設計軟件對產品及模具進行設計、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，在上模板上設置有一個開口，開口的一端與上模空腔連通，另一端連接至抽真空裝置。在上模模腔中設有模溫板，模溫板中設計了“S”型流道，可在該流道中通入熱媒(或冷媒)，以達到對模具的加熱(或冷卻)效果。該模溫板緊貼透氣鋼上表面，以便于達到最高效的傳熱效果。透氣鋼與產品接觸表面需要手動拋光，光澤度要達到Ra≤0.2μm。本文提出的針對上模組件的設計可以確保在取消上模蒸汽鑲件的同時，保證氣體的流通和產品型腔部分受熱均勻，從而制備出表面光滑的發泡產品。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。不同于傳統蒸汽模具，下模模腔中設置有蒸汽管路，蒸汽管路的各支路分別設置有蒸汽閥門，以便于控制蒸汽孔的排氣量以及排氣順序。下模芯上設置有蒸汽孔鑲件，蒸汽孔鑲件的一端與型腔連通，另一端連接至蒸汽管路，下模空腔中還設置有相互連接的冷卻水管路和冷卻水噴頭，以便于對下模及產品進行快速的冷卻。本文根據EPP發泡成型工藝要求，對下模具的蒸汽管路進行重新排布設計，從而在取消了模具一個面的蒸汽孔的前提下，確保了蒸汽通入的可控性及均勻性，以期生產出傳統模具無法做出的表面光滑的發泡產品;且通過下文對模具進行數值模擬分析，確定冷卻管路最優排列方式，使產品可以快速且均勻降到脫模溫度，進而提高產品的生產效率。3)型腔產品型腔是由透氣鋼與下模芯圍成的結構，其中下模芯表面均勻排布了若干蒸汽鑲件，蒸汽鑲件通過管路直接與蒸汽發生設備連通，以便于操作過程中蒸汽的通入及對填料的加熱，透氣鋼表面光滑且無蒸汽鑲件，并且將透氣鋼表面光滑度拋光到Ra≤0.2μm，將產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泡產品。

1.2模具冷卻系統設計

關于模具的設計，通常主要考慮澆注系統以及冷卻系統。而本文設計的模具不包含澆注過程，本文所設計模具僅需要著重考慮冷卻系統。對于冷卻系統而言，冷卻管路的分布、管路數量等會直接影響到產品的翹曲變形程度以及產品的生產效率［7］。由于模具結構進行了改動，為了更好地達到冷卻降溫效果，本文采用模流分析軟件對新型模具的整體冷卻效果進行分析，進而篩選出較為合理的冷卻管路設計方案。利用計算機仿真模擬技術，通過改變模具的冷卻流道設計，并對比分析流道的不同設計方案對應的所需脫模時間、脫模后產品表面溫度均勻性以及產品的翹曲變形量，從而確定模具的最終冷卻流道設計方案。本研究經過對模具冷卻流道的多重分析，最終選定了四種冷卻流道的設計方案，如圖4所示。由于考慮到上下模具結構不同，無法將上下模具的冷卻管路設計成上下對稱結構，故上模具與下模具的冷卻管路分開設計。考慮到模具自身結構限制及冷卻效果，需將下模具冷卻管路的間距設計成上模具冷卻管路間距的2倍，同時為了便于管路注射口的設計，需提前了解冷卻液在模具中流動距離的長短，對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數量保持一致，通過改變注射口數量，從而改變管路的輸液距離。方案一:上模具只有1個冷卻液注射口，下模也只有1個冷卻液注射口;方案二:上模具有2個注射口，下模具只有1個注射口;方案三:上模具有1個冷卻液注射口，下模具有10個冷卻液注射口;方案四:上模具有2個冷卻液注射口，下模具有10個注射口。在進行模流分析過程中，設定產品的成型溫度為140℃，脫模溫度30℃，冷卻水溫度20℃，冷卻水流速3.82L/min。由于發泡材料在制作過程中，受熱不均后極易發生翹曲變形，所以生產制備的發泡材料需要保證產品形變量在可接受范圍內，在進行模擬過程中，對四種方案制備出的產品進行翹曲度分析，由結果可以觀察得出四種方案制備出的發泡產品的形變量(即整體翹曲度)均不大于2.049mm，均滿足發泡產品的形變量要求，模流分析模擬詳細結果如圖5所示。確定形變量滿足要求后，進而再分別對比不同方案所需要的脫模時間以及脫模后產品溫度的均勻性。通過模擬結果以及數據表1可以看出，方案一、方案二、方案三以及方案四脫模后產品的最大形變量均控制在2.049mm以內。其中，不同方案所對應脫模時間的差異性較為明顯，方案一達到脫模溫度用時為455.3s，方案二達到脫模溫度用時為413.1s，方案三達到脫模溫度用時為397.2s，方案四達到脫模溫度用時為327.4s。冷卻效果越好，達到頂出溫度越快，產品的生產效率則越高，故而冷卻水路流動距離相對最短的方案四，其冷卻效果最好。產品達到脫模溫度后，當表面最大溫差不大于3℃時，即可保證產品的結構穩定性，通過模擬結果可以發現，四種方案均滿足要求。根據上述模擬結果，在保證產品的翹曲度不大于2.049mm，同時確保產品脫模后的結構穩定性的前提下，如果需要達到最快的生產效率，則參照模擬結果的指導，最終選用第四組冷卻管路設計方案。本文所述模具的創新點主要有:1)可通過調節下模中的蒸汽管路閥門，達到對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，確保可生產制備出表面光滑的發泡產品;3)上模具采用模溫板加熱方式為模具進行輔助加熱，確保在取消部分蒸汽孔后，可以滿足產品在制備過程中的受熱需求;4)通過3D模型設計軟件對模具進行構圖，并采用模流分析技術對冷卻管路進行設計、分析，使模具可以達到最佳的降溫效果。下一步，通過設計新型模具匹配工藝，生產出傳統模具無法制備的具有光滑表面(表面光滑度達到0.2μm以下)的超輕高強度發泡材料。

2新型模具匹配工藝設計

基于上述設計的EPP珠粒模塑成型模具，下一步將對EPP成型的匹配工藝進行設計。根據模塑成型的條件需要，EPP應具備雙峰熔融結晶特性［8］，且EPP發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而促進發泡粒珠間的粘接，同時高溫晶體不熔融以保證發泡珠粒的整體泡孔形態和模塑制品的力學性能［9－10］。故經過對EPP原料進行DSC測試分析，最終確定產品的最佳成型溫度為140℃，冷卻水溫度為20℃，產品脫模溫度確定在30～50℃之間，超過50℃脫模后，會導致產品在熟化過程中產生較大的變形，要求產品翹曲變形量最大不得大于3mm。以JSP生產的EPP原料為制品的生產原料。具體操作步驟如下:1)加料:將預發泡原料添加入預熱好的模具型腔中，并合模;2)抽真空:在確認上下模合模完畢，并達到密封的條件下開啟真空泵，使模具內部型腔壓力達到－0.6MPa的真空度;3)通入蒸汽:確保真空泵繼續工作，向型腔內部通入熱蒸汽。同時，加熱模溫板，使其對透氣鋼上模芯進行加熱;4)保壓:關閉排氣開口和真空泵，進行保壓，并持續通入熱蒸氣，當壓力達到0.6MPa后，進行保壓;5)冷卻:開啟排壓閥，卸掉型腔中的壓力，通入冷卻水對下模芯進行冷卻。同時將模溫板通入冷媒，對透氣鋼上模芯進行冷卻;6)脫模:當產品降到脫模溫度后，打開模具，取出產品。采用設計出的新型EPP蒸汽發泡模塑模具輔以匹配的成型工藝制備出來的EPP發泡樣品，與傳統模具制備出的EPP發泡樣品進行對比分析，兩塊樣品的發泡倍率均為11倍，分別在兩塊樣板上確定出6個對應的區域，并使用“表面粗糙度儀”分別測試樣板各個區域的表面粗糙度，具體數據結果如表2所示。由表2中的數據可以得出，采用傳統發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泡產品，并達到設計要求Ra≤0.2μm。

3結論

所設計的新型發泡材料蒸汽成型模具及生產工藝，主要是為了解決制品表面光滑度較差的難題。在避免制品表面產生發泡珠粒間的熔接痕與蒸汽鑲件烙印的同時，更增加了發泡制品的表面結皮厚度，使得制品在具有光滑表面的同時，更提高了其本身的力學性能。其中，透氣鋼的選用應根據實際情況而定，孔隙直徑太大則影響產品表面的光滑度;如果孔隙直徑太小，蒸汽無法通過透氣鋼，從而阻礙蒸汽的順利流通，影響對發泡填料的加熱效果。采用適當孔隙直徑的透氣鋼，并經過人工拋光后，可制得表面粗糙度達到Ra≤0.2μm的發泡產品。通過對上模模溫板的溫度的控制，可以根據需要調節發泡產品表面的結皮厚度。利用計算機仿真模擬技術進行模流分析，以指導模具設計并采取相應的改善對策，既可以保證模具設計方案的可行性，又可以驗證模溫板滿足加熱產品表面的要求，且模溫板通入冷媒后，可以取代傳統冷卻水路的冷卻效果。

參考文獻

［1］吳舜英，徐敬一．泡沫塑料成型［M］．第2版，北京:化學工業出版社，1999:5－9．

［5］鄒洋．發泡聚丙烯母料的制備及發泡性能研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2015．

［6］劉有鵬，呂明福，郭鵬，等．釜式法制備聚丙烯發泡珠粒研究進展［J］．合成樹脂及塑料，2012，29(6):44－48．

［7］范亞博．基于CAE技術的汽車內飾板翹曲與縮痕的優化研究［D］．廣州:廣東工業大學，2015．

［8］郭艷婷．使用高壓釜制備聚丙烯發泡珠粒(EPP)的理論及技術［D］．廣州:華南理工大學，2013．

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