模具溫度的重要

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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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