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[原创] 模具溫度的重要

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发表于 2006-4-17 10:25:57 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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模具溫度  
模具溫度是指在塑料成型的過程中,由於模穴與溫度約200℃的塑料接觸而模溫升高,若不加以控制,隨著成型加工的時間,溫度將過高而影響成型的週期(成品不容易冷卻固化);此時,若以冷卻水將模具溫度降下,使模溫維持在一定的範圍內(過低,將影響塑料的流動性),則在整個成型的週期,必能順利動作,且成品可維持一定的品質。所以,模具溫度簸是簸模簸塑簸成簸型簸過簸程簸中很重要的一個因素,必需加以注意。模具溫度與成品的關係就成型效率而言  模具溫度保持於較低時,射入模穴的塑料冷卻較快,可以提高射出次數,成形效率較好。但較高的模溫卻可提高模穴內熔融的塑料的流動性,增加充填的效果。就成品的品質而言  在模具溫度低的情況下,為求熔融塑料在模穴內有完全的充填,就必需提高成型壓力,此一壓力有部份將殘留於成品的內部。殘留應力,對硬塑料,如PC或PPO,會發生應力破壞現象,或使成品變形。所以低的模具溫度雖有利於成型,卻對成品的品質有不良的影響。  由於模溫的不均勻而造成成品各部份的冷卻速度不同,會使成品產品收縮不均、反翹、扭曲的弊病,必須在模溫的控制上一併考慮。溫度控制的計算  熱的傳遞,有輻射、對流和傳導三種方式,在固體或液體中主要是藉著傳導的方式來作熱的傳遞。根據實驗,塑料帶入模具的熱量約有5%經輻射、對流逃到大氣中,其餘的95%傳導到模具,再由冷媒(通常用水)將熱量帶到模具外。設塑料傳導到模具的熱量為Q,則我們可根據以下的公式,來計算出欲達到某一定的模溫,所需之冷卻水量、冷卻水管的管徑、流速、熱傳導面積等資料。冷卻所需的水量  在模具中通常都設有適當的冷卻水管,以便在成型作業中降低模溫。但需考慮到入水溫度與出水溫度,若入水溫度與出水溫度之差太大時,則冷卻水將帶走模具中大量的熱量,則模具溫度分佈將不均勻而影響成品品質。此時宜增加其他的冷卻水管,減低原相信的流速,及入水溫與出水溫度間之溫差。冷卻模具所需之水量:   W=m〔CP(T1-T2)+L〕K(T3-T4)(8.1)   W:每小時流出的冷卻水量(kg∮hr)   m:每小時射入於模具的塑料重量(kg∮hr)   CP:塑料的比熱(kcal∮kg‧℃)   L:熔解潛熱(kcal∮kg)   K:水的熱傳導率(kcal∮kg‧℃)   T1:塑料的溫度(℃)   T2:模具溫度(℃)   T3:出水溫度(℃)   T4:入水溫度(℃)(表一)各種樹脂在成形溫度條件下的全熱量樹脂名稱a(kcal∮kg)樹脂名稱a(kcal∮kg)聚乙烯(PE)(低密度)138.9~166.7丙烯、丁二烯、苯乙烯77.8~94.4聚乙烯(PE)(高密度)166.7~194.4丙烯、苯乙烯66.7~83.3聚丙烯(PP)138.9~166.7聚縮醛100聚苯乙烯(PP)66.7~83.3聚氯乙烯50耐隆166.7~194.4熱傳導面積、冷卻水管的管徑及流速   Q=S×g×〔CP×(T1-T2)+L〕×95%kcal(8.2)   Q:塑料95%的熱量傳導到模具熱量(kcal)   S:每小時的射出數   g:每次射出塑料的重量(kg)   CP:塑料的比熱(kcal∮kg‧℃)   T1:塑料的溫度(℃)   T2:取出時成品的溫度(℃)   L:熔解潛熱(kcal∮kg)設  a=CP(T1-T2)+L,m=S×g則  Q=m×a×95%(8.3)   a:塑料1kg的全熱量   m:每小時射出於模具的塑料重量   熔解潛熱是塑料的相變化所產生的熱量,亦即塑料從液體變成固體時所放出的熱量。表1所示為各種塑料在成型溫度時,1kg塑料的全熱量。  熱量Q從模具傳到冷媒,此時的冷卻水管傳熱面積為A,則 A=QhW×ΔT   A:傳熱面積(m2)   hw:冷卻管的界膜傳熱係數(kcal∮m2×hr‧℃)   ΔT:模具與冷卻水的平均溫度差(℃)   冷卻管的界膜傳熱係數hw,在冷媒以水的情況下為,   hw=λd×(dveu)0.8×(CP×uλ)0.3(kcal∮m2‧hr‧℃)(8.5)   λ:冷卻水的熱傳導率(kcal∮m2‧hr‧℃)   d:管徑(m)   v:流速(m∮hr)   e:密度(kg∮m2)   u:黏度(kg∮m‧hr)   CP:比熱(kcal∮kg‧℃)   界膜傳熱係數是指在不同物質的交界處,有不同的熱傳導率,我們稱之為界膜熱傳係數。(圖2)冷卻管的口徑、間隔、距離(圖3)冷卻管與壁厚的關係冷卻管道設計  要提高成型效率,使成品減少殘存應力、變形或罅裂。模具中有關冷卻水管的大小、數目、配置等設計有很大的影響。除了必需控制使其在一定的模具溫度外,模具的冷卻也要考慮到均一。如圖1(a)所示,有五條大的冷卻水管,圖(b)祇有兩條小的冷卻水管。大冷卻水管通59.83℃的水,小冷卻水管通45℃的水。連結其等溫曲線,則發現在成型作業期間。圖(a)中的模穴溫度範圍呈60~60.05℃的分佈,而圖(b)中的模穴卻呈55~61.66℃較大溫差的分佈。同一個模具,因冷卻水管的大小、配置、水溫的不同設計,產生不同的溫度範圍。較差的設計,如(b)所示的6.67℃的較大溫差,對尺寸精度高的成品,可能造成成型時的變形,也可能殘存應力,導致以後的應變而不適用。從上列瞭解其重要性後,我們再來討論冷卻系統之設計原則。  冷卻管的口徑,間隔以及至模穴的距離對模具溫度有很大的影響,圖2所示,為這些關係比的最大值,即假設口徑為2.5公厘,間隔最大為12.5公厘,管至模穴的最大距離為3。圖3是成品壁厚處比壁薄處,縮小間隔,較接近模穴的圖示,作用在求模具冷卻的均勻。(圖4)(圖5)1次2個的側面澆口之循環冷卻水路  為保持模具溫度的均勻,冷卻水應從較高溫度進入,然後引入至溫度較低的外側出口,如圖4所示,由於豎澆道,及澆口處溫度較高,應於此設冷卻水的入口,再將吸收了熱量的溫水,引到溫度較低的外側出口。圖5所示是使用側面澆口的雙模穴模具的冷卻循環管道。圖6為大的成品使用多點澆口的冷卻管道圖。(圖6)多點澆口的循環冷卻水路(圖7)(圖8)  冷卻管的位置應沿模穴的形狀配置。對淺而壁薄的成品,只要在公模與母模鑽兩排與模穴等距離的孔當作冷卻水管即可。如圖7所示。對圖8所示的中等深度的半圓形成品,在母模上可沿模穴的形狀加工冷卻水管,但在公模上卻不容易加工,此時可用圖所示鑽交叉孔與塞子獲得冷卻水管的回路。對大深度的成品,如圖9所示,加工最麻煩,冷卻水從公模底部的中心處往澆口進入,環繞周圍,然後由模具的外側出口,公模在底部作成盲孔,其A-A斷面如右圖所示螺旋狀溝,溝的中間介入隔板。(圖9)深成型品的冷卻水路(圖10)  細長、直徑較小的公模,可在中心鑽盲孔,再裝入冷卻管,如圖10所示。冷卻水從管進入,在澆口附近噴射冷卻,通過管的外側與孔壁之間,向出水孔流出。若公模細小得無法裝冷卻水管時,則如圖11所不,以熱傳導率良好的鈹銅合金作公模的材料,再以冷卻水來冷卻其尾端,採間接冷卻的方法。冷卻管應儘可能採貫穿孔方式,以便利日後清理。(圖11)以鈹銅合金作雄模的冷卻(圖12)(圖13)各種冷卻管道的實例“鑽孔法  最常用的鑽孔法,如圖12所示,鑽貫穿孔,在模具外部用橡皮管連接孔與孔,冷卻水由接近澆道的水口進入。(圖13)所示,為沿成品的形狀對接鑽孔,不必要的通路用塞子塞住,冷卻效果良好,適合類似四方形的成品。(圖14)(圖15)圖14所示,為圓筒形成品,外周冷卻管道的鑽孔分佈圖。圖15所示,是成品直徑不太大時,使冷卻孔前端交叉,形成公模的冷卻管道。溝槽法  有些成品有淺而寬的形狀,此時用鑽孔法不適宜,改採溝槽法。圖16,在公模設渦旋式的冷卻溝槽,適於底面積的成品。但冷卻管道迂迴太長時,由於冷卻效果不好,冷卻水的入口溫度與出口溫度溫差大,溫度不易控制,因此必需考慮增加入口與出口數,圖17所示為冷卻回路太長的例子。(圖16)(圖17)(圖18)(圖19)隔板法  隔板法使用於冷卻管用鑽孔法或溝槽法均不易加工的情況時,尤其在模具公模部份直徑細小使用。圖18所示為使用分隔板裝置在階梯形的冷卻孔內,分隔板分開入水管道與出水管道。圖19是使用於有套筒頂出機構的模具,由於孔徑細小,為防水垢集結,孔被堵塞,可改用壓縮空氣來冷卻,效果較佳。圖20所示,使用特殊的隔板,導引冷卻水通過公模的四周。對較大的公模,也可使用隔板冷卻,如圖21所示,沿成品的輪廓設置多個冷卻孔,加工容易,但由於冷卻水流路太長,入口溫度與出口溫度差大,冷卻不容易均勻,效果較佳。(圖20)(圖21)間接冷卻法  在無法直接使用冷卻水的情況下,可使用熱傳導率較高的金屬來作間接的冷卻,如鈹銅、鋁等。如圖22所示,在公模心型細小無法加工水路的情況下,使用鈹銅作間接冷卻,此時冷卻水沖擊到鈹銅的末端,將經公模傳導到鈹銅的熱量帶走。圖23為在銅管簸的簸四簸周,充簸填簸入簸熱簸傳(圖22)導率較高的合金,而冷卻水流經銅管的間接冷卻法。溫度控制設備  用來作溫度調節的媒體有水、油及二醇乙烯(ethylene-glycol),用來提供媒體的流量、流速、加溫、減溫的設備為調溫機。表2為各種塑料溫度與模溫的對應關係,調溫機可分為加熱型、冷卻型的調機兩種。(表二)各種成形材料的模具溫度材料名材料溫度(℃)模具溫度(℃)聚苯乙烯200~30040~60AS樹脂200~26040~60ABS樹脂200~26040~60丙烯180~25050~70聚乙烯150~30040~60聚丙烯160~26055~65聚醯胺200~32080~120聚縮醛180~22080~110聚碳酸酯280~32090~120醋酸纖維素160~25040~60聚氯乙烯180~21040~60(圖23)調溫機加熱型調溫機  每次熔融塑料射入模具內時,都會將熱量帶入模具,為了維持表2所示的模具恆溫。冷卻水在成形週期內所帶走的熱量正是熔融塑料欲昇高模的熱量。因此調溫機的容量大小,必須依照射出成形的最大成品體積來決定了。  為了提高熱交換的效率,最好使水流在水道內形成亂流,因為層流的熱交換效果較亂流差。表3所示即為產生亂流所必要的最低流速、流量及限度流速關係表。表4即根據公式8.1所推算1kg之PP在60秒內成形的冷卻水量計算的例子。  加熱型的調溫機就是要保持模溫於常溫以上所希望的固定溫度。因此升溫為其主要的性能,通常是以裝設於加熱筒內的加熱器來達到目的。
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 楼主| 发表于 2006-4-24 15:48:02 | 只看该作者

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 楼主| 发表于 2006-4-24 15:48:57 | 只看该作者

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