模具的溫度控制

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1、模具的溫度控制 溫度控制的必要性 在射出成形中,射出於模具內(nèi)之熔融材料溫度，一般在150~350C之間，但由於模具之溫度 一般在40~120C之間，所以成形材料所帶來(lái)的熱量會(huì)逐漸使模具溫度升高。另一方面 ，由於 加熱缸之噴嘴與模具之注道襯套直接接觸 ,噴嘴處之溫度高於模具溫度 ,亦會(huì)使模具溫度上 升。假使不設(shè)法將多餘之熱量帶走 ,則模具溫度必然繼續(xù)上升 ,而影響成型品的冷卻固化 。相 反地,若從模具中帶走太多的熱量 ,使模具溫度下降 ,亦會(huì)影響成型品的品質(zhì)。故不管在生產(chǎn) 性或成型品的品質(zhì)上 ,模具的溫度控制是有其必要性的。茲分述如下： 1. 就成形性及成形效率而言 模具溫度高時(shí) ,成

2、形空間內(nèi)熔融材料的流動(dòng)性改善 ,可促進(jìn)充填。但就成形效率 (成形週期 )而 言,模具溫度宜適度減低 ,如此,可縮短材料冷卻固化的時(shí)間 ,提高成形效率。 2. 就成型品的物性而言 通常熔融材料充填成形空間時(shí) ,模具溫度低的話 ,材料會(huì)迅速固化 ,此時(shí)為了充填 ,需要很 大的成形壓力 ,因此,固化之際 ,施加於成型品的一部份壓力殘留於內(nèi)部 ,成為所謂的殘留應(yīng) 力。對(duì)於PC或變性PPO之類硬質(zhì)材料，此殘留應(yīng)力大到某種程度以上時(shí)，會(huì)發(fā)生應(yīng)力龜裂 現(xiàn)象或造成成型品變形。 PA或POM等結(jié)晶性塑膠之結(jié)晶化度及結(jié)晶化狀態(tài)顯著取決於其冷卻速度 ，冷卻速度愈 慢時(shí),所得結(jié)果愈好。 由上可知 ,模具溫度

3、高 ,雖不利於成形效率 ,但卻常有利於成型品的品質(zhì)。 3. 就防止成型品變形而言 成型品肉厚大時(shí) ,若冷卻不充分的話 ,則其表面發(fā)生收縮下陷 ,即使肉厚適當(dāng) ,若冷卻方法 不良,成型品各部分的冷卻速度不同的話 ,則會(huì)因熱收縮而引起翹曲、扭曲等變形 ,因而需使 模具各部分均勻冷卻。 溫度控制的理論要素 模具的溫度調(diào)整 ,對(duì)成型品的品質(zhì)、物性及成形效率大有影響 ,冷卻孔的大小與其分佈為 重要的設(shè)計(jì)事項(xiàng)。 熱在空氣中 ,主要藉輻射和對(duì)流來(lái)傳播 ,在固體或液體中主要藉傳導(dǎo)來(lái)傳播。固體的熱傳 導(dǎo)也因物質(zhì)的不同而有所差異 ,而且不同物質(zhì)的交界處也有界膜傳熱係數(shù) 。在液體中 ,熱的傳 導(dǎo)因傳熱管的

4、大小 、流速、密度、黏度等而異 ,熱計(jì)算公式很複雜 ,需要很多假定 ,不易求解。 但最近由於電腦的發(fā)展等已容易計(jì)算 ,可行理論解析。 1. 模具溫度控制所需的傳熱面積 熔融材料的熱量約 5%,因輻射或?qū)α鞫鴨适ъ犊諝庵?,95%傳導(dǎo)於模具。假定材料帶入的 熱量全部傳播到模具，其熱量為Q。則 Q = s 為 X Cp X Ti - T2 ) + L ] (kCal/hr) s :每小時(shí)的射出數(shù)(次/hr) g :每次射出材料的重量(kg/次) Cp :材料的比熱 (kCal/kg〃C ) Ti :材料的溫度 (C ) T2 :取出時(shí)的成型品溫度,及模具溫度「C) L :熔解潛

5、熱(kCal/kg) 現(xiàn)設(shè) Cp ( T1-T2 ) + L = a s xg = m 則 Q = m Xa (kCal/hr) m :每小時(shí)射出於模具的材料數(shù)量 a :材料1kg的全熱量 所謂熔解潛熱是材料的相變化產(chǎn)生的熱量，亦即材料從液體變成完全固體時(shí)，從材料放出 的熱量。以單位重量表示。表1所示為各種材料在成形條件下,1kg材料的全熱量。 熱量Q從模具傳道冷媒，此時(shí)冷卻管的傳熱面積為A,則 (m2) hw XAT 表1 各種材料在成形溫度條件下的全熱量 A :傳熱面積(m2) hw :卻管的界膜傳熱係數(shù)(kCal/ m2〃 hr〃C ) △ T :模具與冷媒的平均

6、溫度差(C) 冷卻管的界膜傳熱係數(shù)hw在冷卻水流的場(chǎng)合為 入 d v e —( ) d 卩 hw = Cp 0.3 ( (kCal/m2 〃 hr〃C) (單位：kcal/kg) 成形材料 a (kCal/kg) 成形材料 a (kCal/kg) PE低密度) 138.9~166.7 ABS 77.8~94.4 PE高密度) 166.7~194.4 AS 66.7~83.3 PP 138.9~166.7 聚縮醛 100 PS 66.7~83.3 PVC 50 耐 隆 166.7~194.4 CA 68.9 CAB

7、61.7 :冷媒的熱傳導(dǎo)率(kcal/m 〃 hr〃C ) :管徑(m) :流速(m/hr) :密度(kg/m3) :黏度(kg/m hr) : 比熱(kcal/kg 〃C ) 口 Cp 2. 冷卻用水量 在成形作業(yè)中為了控制模具溫度，經(jīng)常在模具內(nèi)設(shè)有冷卻水管，但其入水溫度與出水溫度 及冷卻水量等必須詳加考慮，為了再利用或循環(huán)模具送出的溫水，須選定冷卻水溫度調(diào)整機(jī) 或熱交換機(jī)降低入水溫度。若入水溫度與出水溫度之差太大時(shí)，亦即冷卻水奪走模具中的熱 量太多，則不利於模具的溫度分布，而影響成型品的品質(zhì)，此時(shí)，宜增快流速或增高注入壓力， 或增加流量。表2(後面字看不清) 表2

8、冷卻水的界限循環(huán)水 流路直徑 流 量 流 量 (mm) (m3/mi n) (l/mi n) 8 0.0038 3.8 11 0.0095 9.5 19 0.038 38 24 0.076 76 般帶入模具的熱量藉冷卻水帶出模具外的水量可計(jì)算如下: m a w = K ( T3 - T4 ) w :每小時(shí)流出的冷卻水量(kg/hr) m :每小時(shí)射入於模具的材料重量 (kg/hr) a :材料1kg的全熱量(表5. 5) K :水的熱傳導(dǎo)效率 T3 :出水溫度「C) T4 :入水溫度(C) K值之決定： 冷卻水管在型模板中或心型中

9、時(shí) K=0.64 冷卻水管在固定側(cè)固定板或承板中時(shí) K=0.50 使用銅管之冷卻水管時(shí) K=0.10 3. 模具加熱器能量 加熱流道模具之加熱流道件通常使用插入式加熱器來(lái)控制其溫度 0非加熱流道模具在成 形高融點(diǎn)材料或肉厚較厚、流動(dòng)距離長(zhǎng)、面積大之成型品時(shí)，經(jīng)常需將模具加熱，此時(shí)亦可使 用加熱器將模具加熱已利成形。加熱器之能量可計(jì)算如下，現(xiàn)設(shè)加熱的材質(zhì)為高碳剛，比熱 0.115kCal/kg。貝U TW P = 860 n P :每小時(shí)所需電力(KW/hr.) T :模具溫度或加熱流道件溫度(C) W :模具重量或加熱流道件重量(kg) n :效率(%) 此式所需溫度上

10、升起點(diǎn)以0C作基準(zhǔn)，而且加熱器之密接度，絕熱材之絕熱效果依情狀而 異,n值以50%計(jì)o 模具的冷卻和加熱 一般模具，通常以常溫的水來(lái)冷卻，其溫度控制藉水的流量調(diào)節(jié)，流動(dòng)性好的低融點(diǎn)材料 大都以此方法成形。但有時(shí)為了縮短成形週期，須將水再加以冷卻。小型成型品的射出時(shí)間 保壓時(shí)間都短,成形週期取決於冷卻時(shí)間，此種成行為了提高效率，經(jīng)常也以冷水冷卻，但用冷 水冷卻時(shí)，大氣中的水分會(huì)凝聚於成形空間表面，造成成型品缺陷，須加以注意。 成形高融點(diǎn)材料或肉厚較厚，流動(dòng)距離長(zhǎng)的成型品，為了防止充填不足或應(yīng)變的發(fā)生，有 時(shí)對(duì)水管通溫水。成形低融點(diǎn)成形材料時(shí)，成形面積大或大型成型品時(shí)，也會(huì)將模具加熱，此

11、時(shí)用熱水或熱油，或用加熱器來(lái)控制模具溫度0模具溫度較高時(shí),需考慮模具滑動(dòng)部位的間隙 避免模具因熱膨脹而作動(dòng)不良?！阒腥邳c(diǎn)成形材料，有時(shí)因成型品的品質(zhì)或流動(dòng)性而使用 加熱方式來(lái)控制模具溫度，為了使材料固化為最終溫度均勻化，使用部分加熱方式，防止殘留 應(yīng)變。 以上所述，模具的溫度控制是利用冷卻或加熱的方式來(lái)調(diào)整的。 冷卻管路的分佈 欲提高成形效率,獲得應(yīng)變少的成型品時(shí)，模具構(gòu)造須能對(duì)應(yīng)於成形空間的形狀或肉厚， 進(jìn)行均勻的高效率冷卻。在模具加工冷卻管路時(shí)，管路的數(shù)目、大小及配置極其重要。如圖 1(a)(b)所示，相同的成形空間，加工相近的大冷卻管路或加工遠(yuǎn)離的小冷卻管路，探討熱的傳 導(dǎo)路徑。

12、現(xiàn)在大管路通入59.83C的水，小管路通入45C的水，求溫度斜度，連結(jié)等溫曲線，即 得圖1(c)(d),可見模具成形空間表面的溫度分佈，大管路是每週期有60~60.05C的溫度變化, 而小管路，則有53.33~60C的溫度變化。 I O O O O I (b) (d) 圖1熱傳路徑與溫度變化曲線 模具成形空間表面的溫度分佈，因水管的大小、配置、水溫而異，上示圖(d)之6.67C (60~53.33)溫度差在某一成形條件上也許充分，但殘留之內(nèi)部應(yīng)力，對(duì)尺寸精度高的成型品， 可能造成成形應(yīng)變或經(jīng)時(shí)變化。熱傳導(dǎo)率愈高時(shí)，傳導(dǎo)效率愈好，容易控制及排除熱量。亦即 熱傳導(dǎo)率愈高時(shí)，模具成形空間

13、的表面溫度變動(dòng)少，傳導(dǎo)率低時(shí)，表面溫度變化大。 通常熔融材料充填成形空間時(shí)，澆口附近溫度高，離澆口愈遠(yuǎn)處的溫度愈低。若將成型品 分割成若干部份，則該部份的熱量正比於體積。 一般對(duì)冷卻系統(tǒng)的設(shè)置需考慮下列原則： (1) 冷卻管的口徑、間隔以及至成形空間表面的距離 ，對(duì)模具溫度的控制有重大影響，這些 關(guān)係比的最大值如下，如冷卻管口徑為1時(shí)，管與管的間隔最大值為5,管與成形空間表 面的最大距離為3再者，成型品肉厚較厚處比肉厚較薄處，冷卻管必須縮小間隔並且較 接近成形空間表面。 (2) 為保持模具溫度分佈均勻，冷卻水應(yīng)先從模具溫度較高處進(jìn)入，然後循環(huán)至溫度較低處 再出口。通常注道、澆口附近的

14、成形材料溫度高，所以通冷水，溫度低的外側(cè)部份，則循 環(huán)熱交換的溫水，此循環(huán)系統(tǒng)的管路連接，是在模具內(nèi)加工貫穿孔，在模具外連接孔與 孔。 (3) 成形PE等收縮大的材料時(shí)，因其成形收縮大，冷卻管路不宜沿收縮方向(看不清楚請(qǐng)改) (4) 冷卻管應(yīng)盡量沿成形空間的輪廓來(lái)設(shè)置，以保持模具溫度分佈均勻。 (5) 直徑細(xì)長(zhǎng)的心型或心型銷，可在其中心鑽盲孔，再裝入套筒或隔板進(jìn)行冷卻，若無(wú)法裝入 套筒及隔板時(shí)，以熱傳率良好的鈹銅合金作心型及心型銷材料，或以導(dǎo)熱管(hear pipe) 直接裝入盲孔中，再以冷卻水作間接之冷卻，效果尤佳。 (6) 冷卻水流動(dòng)過(guò)程中不得有短捷或停滯現(xiàn)象而影響冷卻效果，而且冷

15、卻管路盡可能使用 貫穿孔方式，以便日後方便清理。 冷卻回路實(shí)例 冷卻回路的配置,取決於成型品之形狀、成形空間內(nèi)的溫度分佈及澆口位置等。常用的 方法有鑽孔法、溝槽法、隔板法、套管法、間接法等。如圖 2所示 冷卻回路實(shí)例 (一)鑽孔法 請(qǐng)作圖 最一般性的鑽孔法，設(shè)貫穿孔，在模具外部用 橡皮管等連接孔與孔，盲孔用塞堵住。從注道 附近通冷水，適合四方形成型品。 沿成型品的形狀對(duì)接鑽孔，以塞堵住不要的部 份,冷卻效果良好，適合四方形成型品。 圓筒成型品外周冷卻方法，沿成型品的外周對(duì) 接鑽孔，以塞堵住不要的部份。 圖2  冷卻回路實(shí)例 （一）鑽孔法 成型品的直徑

16、不太大時(shí)，使冷卻孔前端交叉， 形成類似心型的冷卻回路。 冷卻回路實(shí)例 （二）溝槽法 成型品的形狀淺而寬時(shí)，在可動(dòng)側(cè)型模板設(shè)渦 旋式的冷卻溝槽。 成型品形狀淺而寬時(shí)，使用側(cè)狀澆口成形,設(shè) 置迂迴冷卻回路。若冷卻水在入口、出口的 溫度差大時(shí)，可增加出、入口數(shù)而調(diào)整溫度，但 加工費(fèi)事。 類似盒型、杯類成型品，廣泛使用之冷卻回路， 效率佳，但模具構(gòu)造變?yōu)檠}雜。冷卻水從底部 的中心往注道附近進(jìn)入,沿螺旋溝槽循環(huán)冷 卻。 圖2（續(xù)）  冷卻回路實(shí)例 （三）隔板法 細(xì)小的心型銷或使用套筒頂出之模具，其冷卻 管用鑽孔法或溝槽法均不易加工。可在心型 銷細(xì)端,作階段式的冷卻孔，內(nèi)裝隔板,使冷卻 水路分隔。 套筒頂出之場(chǎng)合，由隔板式的方式對(duì)心型銷作 冷卻。但孔徑太小時(shí)，水垢易集結(jié)，孔有堵塞之 虞，此種情況下，可改用壓縮空氣冷卻之，效果 頗佳。 較大心型之冷卻，亦可使用隔板法，加工簡(jiǎn)單, 但冷卻水的流路太長(zhǎng)，入口溫度與出口溫度差 大，影響成型品的均勻冷卻。 對(duì)成型品面作主要冷卻，使用周圍可供冷卻水 通過(guò)的特殊隔板對(duì)心型表面冷卻 冷卻回路實(shí)例 （四）套管法 成型品淺而寬，主要考慮在直接澆口附近的冷 卻，可使用套管作冷卻，冷卻水從入口處經(jīng)套 管噴出，由孔壁與套管間回流出口 ，可有效地 冷卻注道部份，而固定側(cè)則並用環(huán)狀管路作冷 卻。 圖2（續(xù)）