[发明专利]具有简化的冷却系统的注塑模具

说明书

技术领域

本发明涉及注塑模具，更具体地，本发明涉及具有简化的冷却系统的注塑模具。

背景技术

注塑是一种通常用于大批量制造由可熔性材料制成的部件(最常见的是由热塑性聚合物制成的部件)的技术。在重复性注塑加工期间，将塑性树脂(最常见的为小珠或球剂形式)引入注塑机中，注塑机在热、压力和剪切下使所述树脂珠熔融。此类树脂可包括母料材料，连同一种或多种着色剂、添加剂、填料等。现在熔融树脂被有力地注入到具有特定腔体形状的模具腔体中。注入的塑料在模具腔体中保持在压力下、冷却、然后作为固化部件取出，所述固化部件具有基本上复制了模具的腔体形状的形状。模具自身可具有单个腔体或多个腔体。每个腔体均可通过浇口连接至流动通道，所述浇口将熔融树脂流引导至腔体中。模塑部件可具有一个或多个浇口。常见的是大部件具有两个、三个或更多个浇口以缩短聚合物为填充模塑部件而必须行进的流动距离。每个腔体的一个或多个浇口可位于部件几何形状上的任何位置，并具有任何横截面形状如基本上圆形或以1.1或更大的纵横比成型。因此，典型的注塑规程包括四个基本操作：(1)将塑料在注塑机中加热，以使其在压力下流动；(2)将熔融塑料注入被限定在已闭合的两个模具半块之间的一个或多个模具腔体中；(3)使塑料在一个或多个腔体中在压力下冷却并硬化；以及(4)打开模具半块以允许部件从模具中被顶出。

将熔融塑性树脂注入模具腔体中并且通过注塑机迫使塑性树脂挤过腔体，直至塑性树脂到达腔体中的最远离浇口的位置。该部件的所得的长度和壁厚取决于模具腔体的形状。

用于注塑机的模具必须能够承受这些高熔体压力。此外，形成模具的材料必须具有能够耐受对于模具在其寿命过程中被预期运行的总循环数而言的最大循环应力的疲劳极限。因此，模具制造商通常用具有高硬度的材料，诸如具有大于30Rc，且更通常大于50Rc的工具钢来形成模具。这些高硬度材料是耐久的并被装备成耐受注塑加工期间使模具组件保持相对于彼此压紧所需的高夹紧压力。另外，这些高硬度材料还能够更好地抵抗来自模塑表面和聚合物流之间的重复接触的磨损。

生产薄壁消费产品的高产注塑机(即，101类和102类模塑机)仅使用模具中的大部分由高硬度材料制成的模具。高产注塑机通常生产出500,000个部件或更多部件。工业品质产量的模具必须被设计成生产出至少500,000个部件，优选地超过1,000,000个部件，更优选地超过5,000,000个部件，且甚至更优选地超过10,000,000个部件。这些高产注塑机具有多腔体模具和复杂的冷却系统以提高生产率。上述高硬度材料与较低硬度材料相比更能够承受夹紧和注入操作中的重复的高压力。然而，高硬度材料(诸如大多数工具钢)具有相对低的热导率，一般小于20BTU/HR FT℉，这导致较长的冷却时间，因为热从熔融塑性材料传递通过高硬度材料而到达冷却流体。

为了减少循环时间，典型的具有由高硬度材料制成的高产注塑机包括使冷却流体在模具内循环的相对复杂的内部冷却系统。这些冷却系统加速模塑部件的冷却，由此允许机器在给定量的时间内完成更多循环，这增加了生产率并由此增加了生产的模塑部件的总量。然而，这些冷却系统增加了注塑模具的复杂度和成本。在一些101类模具中，可生产出超过1或2百万个部件，有时将这些模具称为“超高产模具”。在行业内，有时将在400吨或更大的压机中运行的101类模具称为“400类”模具。

高硬度材料一般非常难以进行机加工。因此，已知的高生产量注射模具要求大量机加工时间和昂贵的机加工设备来形成，以及昂贵和费时的后机加工步骤来释放应力并优化材料硬度。在这些复杂的模具内铣削和/或形成冷却通道为典型的高通过量注塑模具的制造增加了甚至更多的时间和成本。

在传统高硬度模具中，存在机加工复杂度和冷却效率之间的权衡。理想的是，冷却通道应当被机加工成尽可能地靠近模具腔体表面。另外，共形冷却也是所期望的且最为有效。然而，对靠近模塑表面的共形冷却通道进行机加工较为困难、费时且昂贵。一般来讲，对处在模具表面的约5mm内的冷却通道进行机加工被认为是实际上的极限。所述实际上的极限由于冷却流体和具有低热导率的热塑料之间的材料而降低了冷却效率。常规机加工技术连同常规模具材料(即，高硬度和低热导率)为给定模具给定了循环时间和冷却效率的下限。