为了验证和定量描述快速热循环注塑工艺在这些方面的技术优势，我们拟借助注塑模拟技术对快速热循环注塑工艺和常规注塑工艺进行了分析对比。在对两种工艺成型塑件的双折射现象进行模拟分析对比时，选用的塑件材料为日本住友化工公司生产的牌号为Sumipex HT55X的注塑级PMMA塑料，其玻璃化转变温度为101℃，生产商推荐的注塑工艺模具温度、熔体温度、顶出温度分别为70℃、240℃和91℃。

利用表8-3给出的中心复合试验设计方案，研究两段式反保压模式对塑件翘曲变形和缩痕深度的影响。图8-30所示为模拟获得的多段保压工艺参数对翘曲变形的影响。式（8-2）与式（8-3）的多项式数学模型为Wz=27.57888+1.26927p1-3.62963p2+21.64306t1+11.09332t2+0.0011519p1p2+0.0022417p1t1-0.012152p1t2-0.081758p2t1+0.15371p2t2-1.71769t1t2-0.028867p21+0.018930p22+0.42620t21-0.92643t22（8-2）S=0.22111+0.0022320p1-0.011606p2+0.011606t1-0.020499t2-0.0011189p1t1+0.0044250t1t2（8-3）由上述分析可知，多段保压工艺参数对塑件翘曲变形和缩痕深度的影响比较复杂。

3.模具内热传导方程的边界条件模具外边界式中，ha为空气与模具间的表面传热系数，[W/]；Ta为空气的温度。

图7-16 中心复合试验设计的几何空间模型中心复合设计是拟合二阶响应曲面模型最为常用的一种试验设计方法。基于CCD的试验设计，一般要求设计变量具有5个水平。模具加热系统的优化设计问题共包含三个设计变量，相应地需要进行三因素五水平的中心复合设计。表7-8 型腔板和电加热元件的热物理性能表7-9 中心复合试验设计表和试验结果

图7-19所示分别为设计变量A和B、A和D以及B和D对响应变量trh交互作用的响应曲面。这表明减小电加热元件间距，增大电加热元件与模具型腔表面之间的距离，或者减小电加热元件直径，将有利于改善模具型腔表面温度分布的均匀性。上述结果表明，缩小电加热元件间距，增加电加热元件与型腔表面间的距离或增加电加热元件直径，将有利于减小型腔板承受的最大等效应力，提高模具的热疲劳寿命。

图3-8所示为一种利用热管加热的注塑模具结构组成示意。另外，由于热管和均热板具有十分优良的导热性能，因此只要通过合理的模具结构设计，就可以实现模具的均匀快速加热。热管、均热板加热的不足之处在于，因受自身结构限制导致模具结构设计的柔性化较差，很难满足形状复杂产品的设计要求。上述几方面的因素限制了热管或均热板加热技术在动态模温控制系统中的应用。

图6-4 模具加热阶段的三维瞬态传热分析有限元网格模型表6-1 型腔板材料的力学与热物理性能图6-5所示为计算获得的不同加热时间对应的型腔板温度分布云图。基于以上初始条件和边界条件，对多个连续快速热循环注塑成型周期进行了瞬态传热模拟分析。

为了描述加热冷却管道布局及尺寸与模具加热效率、温度均匀性和模具强度之间的关系，需要建立三个目标函数，分别为模具加热时间函数trh、模具型腔表面最高温度函数Tmax和模具承受的最大等效应力函数σmax。通过最小化三个目标函数，可分别实现模具热循环效率的最高化、产品表面质量的最优化和模具热疲劳寿命的最大化。由于各目标函数对设计变量的要求是相互制约的，所以无法同时实现三个目标函数的最小化。

缩痕一般是因为塑料制品局部壁厚增加引起制品局部收缩率增大而产生的，它通常产生于塑件壁厚突变处，例如加强筋、凸起、沉孔、支座等结构的背面。另外，通过提高注射压力、适当降低注射速率或延长保压时间和冷却时间也能够减小表面凹缩。注塑模拟中两种注塑工艺的注射时间、保压时间、保压压力和冷却时间分别设为2.5s、12s、8MPa和8s。图8-12所示为模拟预测的快速热循环注塑和常规注塑塑件的缩痕深度结果对比。

表8-9和表8-10分别给出了关于塑件翘曲变形量和缩痕深度多项式数学模型的ANOVA分析结果。从表中数据可以看出，回归模型的F值分别为20.74和346.99，这表明拟合得出的多项式数学模型在设计空间范围内是显著的。塑件最大Z向翘曲变形和缩痕深度的二次多项式数学模型为Wz=-244.50479+13.43483ti+1.88174Tm+0.39662Tc+0.061072p-0.058250tiTm+0.16630tiTc-0.0061150TmTc-2.17850t2i-0.0031037T2m+0.0076625T2c （8-5）S=3.34478+0.044533ti-0.021428Tm-0.00893784Tc-0.014340p-0.00017500tiTm+0.000096667tip+0.0000030000TmTc+0.000035333Tmp+0.000017667Tcp+0.000037802T2m-0.0000071765T2c+0.000024467p2 （8-6）表89 关于塑件翘曲变形的ANOVA分析结果

模具加热冷却系统直接决定蒸汽加热快速热循环注塑模具的热响应效率，故模具加热冷却系统设计是快速热循环注塑模具结构设计的关键部分。蒸汽加热快速热循环注塑模具的加热系统主要由模具型腔板内一系列加热管路组成，而其冷却系统则主要由模具型腔板内一系列冷却管路组成，所以模具加热冷却系统设计实际上主要指的是型腔板内加热管路和冷却管路的设计。

与常规注塑产品相比，快速热循环注塑产品的结构必须满足以下要求：1）产品结构设计要合理，便于模具的加工制造和快速热循环注塑成型工艺的实施。为此，快速热循环注塑产品的结构设计应遵循以下原则。快速热循环注塑产品的壁厚要以不引起表面缩痕为标准。快速热循环注塑产品要求其表面达到镜面状态，因此，为保证表面的平整度，经常在塑件背面设计加强筋以提高其刚度。

与常规注塑产品相比，快速热循环注塑产品具有更低的残余应力和更好的形状和尺寸精度。因此，快速热循环注塑工艺可节省多道工序，缩短高品质塑件生产流程，降低生产成本和产品次品率，显著减少因喷涂造成的环境污染并保护员工身体健康。

与蒸汽加热模具相比，由于电加热模具的冷却管道与型腔表面之间需要安装电加热元件，故电加热模具的冷却管道距模具型腔表面较远。另外，与模具金属相比，电加热元件的导热性能较差，这势必减缓冷却阶段热量由模具型腔向冷却管道的传递，从而在一定程度上降低模具的冷却效率。一方面，从冷却介质入手，主要手段包括降低冷却介质的温度、增加冷却介质的流量等。

热疲劳分析表明，加热过程中蒸汽加热快速热循环注塑模具承受的较大热应力是模具内部热疲劳裂纹产生的主要原因。蒸汽加热快速热循环注塑模具加热冷却管道优化的总体目标就是尽量减小trh、Tmax和σmax，以提高模具加热冷却效率、加热冷却均匀性和热疲劳寿命。图7-3b所示为蒸汽加热快速热循环注塑模具加热冷却单元的热应力分析有限元网格模型。施加在热应力分析模型上的温度载荷为通过热响应分析获得的加热刚结束时的温度场。

trh=1.16091+1.80194A+2.10901B-0.96346D+0.23353AB-0.25153AD-0.29334BD+0.055448A2+0.053893B2+0.023078D2Tmax=121.58468+1.21851A-3.28989B+2.68598D-0.38778AB+0.21491AD-0.24134BD+0.11976A2+0.43076B2-0.15524D2σmax=674.27607+40.85607A-35.89526B+9.65857D-2.70687AB+2.73619AD-1.22387BD-0.96933A2+4.21861B2-2.41861D2图7-17所示为三个响应曲面模型对应的残差正态概率分布。从图中可以看出，每一个响应变量对应的残差均近似沿一直线分布，这表明响应曲面模型的预测误差呈正态分布，验证了最小二乘法的拟合精度是足够的。图7-18所示为利用响应曲面模型预测的响应变量值与模拟试验获得的响应变量值的对比。图7-17 三个响应曲面模型对应的残差正态概率分布a）trh b）Tmax c）σmax