工艺技术_模温机在压铸工艺上的应用

模温机在压铸工艺上的应用 合金熔液被压入模腔后，由于热量的散失而凝固成形。假如热量的传递率过快，铸件中可能产生冷纹的缺点。相反地，热传率过慢，则会增加铸件之成形周期，减低了生产率。模具表面温度的控制对生产高质量的压铸件来说，是非常重要的。模具的温度会影响金属熔液在模腔表面上的流动，尤其是流动路线较长的薄壁件。 要令金属熔液在凝固前填满模腔，除了选用缩短填充时间的设计外，还可以增加浇口速度 (但很容易产生紊流)，用作提高模具温度。此外，面积较大及表面要求极高的铸件，亦需要较高及稳定的模具表面温度，才可以减少冷纹及表面缺陷。 不平均或不适当的模具温度亦会导致铸件尺寸不稳定，在生产过程中顶出铸件变形，产生热压力、黏模、表面凹陷、内缩孔及热泡等缺陷。模温差异较大时，对生产周期中的变数，如填充时间、冷却时间及喷涂时间等产生不同程度的影响。另外，模具的寿命亦会因受到过冷过热的冲击而导至昂贵钢材产生热裂等问题。适当的表面温度适当的模具表面温度分布必需因应产品的形状，如厚度、横切面厚薄变化等表面要求，及生产周期而决定。一般的适当温度为： Robamat模温机合金模具表面温度铝合金180-300oC镁合金180-280oC锌合金100-200oC 要达至所要求的模具温度，压铸厂技师经常使用石油气枪，其次为辐射加热器，或插入式电热管，但效果并不理想，模温未能达到均匀。然而辐射加热器的使用较为灵活，对模具的伤害较少，但效率较低；插入式电热管只适用于长期加热的位置，应用范围较为局限。 另外，利用低速压射法 - 即降低初级压射速度，直接以金属熔液加热模具亦是极为常见的方法，不过此方法对模具的寿命有不良影响，不适用于昂贵的精密模具。由于射出时处于瞬间阶段，熔液之温度将侵入模腔表面，其侵入之深度约为铸件厚度之二倍。在高热剧烈侵入的期间，模腔表面的高温状态，将使模腔表面发生高应力，相对微裂现象产生的机会会倍增。 最理想的加热方法应为热油加热。热油不间断地通过模具内管道，从内部进行模具加热，使模具达到适合生产的状态。由于导热油不但能加热，亦可像水般进行冷却，功能像热交换器般，可保持模具温度在一定范围内，即使生产中断时亦可适当地保持模具温度。 模温机介绍模温机利用高热传性的导热媒体，以便在很短的时间内将模具内多余的热送走。模温机在设定好热平衡温度后，能自动控制其温度在极小误差之内，且能维持定值。现以奥地利生产之 Robamat 模温机为基础，作详细介绍，图 1 为其工作原理。以流体种类区别Robamat 有多种类型，其中一类为热水模温机，最高使用温度分别为 140。 和 160。由于水在大气压力下，沸点为 100。，当使用温度接近或高于 100。 时，便需密封加压，令压力为 3.6 bar 及 6.2 bar。客户选用时，要注意使用软水较为恰当，以免水管内部受水垢长期积聚而影响其流畅性。 由于导热油的沸点较高，因此使用温度远高于水，在正常大气压力下，可达到 350。Robamat 生产之热油模温机有 250。、320。 及 350。 可供选择，以配合不同的应用。由于导热油的沸点限制，以及流体泵轴承的寿命，在某些特 殊产品要求高于 350。 使用温度时，必需使用特殊制造之模温机。Robamat 的热交换设计独特，(见图 2 ) 加热及冷却单元是以组件管筒形式换入，并以特别之陶瓷纤维作革热保护，优点是安装灵活。导热油在管筒缧纹上以每秒 3 米的速度流动，加热器在管筒中心，因此加热效果均匀，不会像其他热浸式或侧热式的设计造成温度局部位置过热。由于中心加热的导热效果比侧热式设计较好，失热较少，因而升温速度较快。 冷却设计方面，采用大口径通过冷却水，达到更均匀的效果。客户阅读冷却功率数据时，要特别留意温差条件。Robamat 所注明的冷却功率是在温差 (热油和冷却水) 150K 情况下。如温差越大，相等之冷却功率越大：举例，60kW/150K85kW/190K。 图2 Robamat的加热及冷却单元是以组 件管筒形式换入，安装灵便图4 Robamat热油机所选用的侧通道 转轮泵图1：ROBABAT模温机的工作原理1 加压对流加热器(Pressurized convection heater)2 加压对流冷却器(Pressurized convection cooler)3 具备储存器的输送泵(Feed pump with reservoir)4 扩展容缸和液体储存器(Expansion tank and fluid reservoir)5 热传导液的水位控制装置(Supervision of heat transfer fluid level)6 控制冷却水的电磁阀(Solenoid valve for cooling water)7 旁路(Bypass)8 温度传感器-热传导液(Temperature sensor-heat transfer fluid)9 温度传感器-加热器(Temperature sensor-heater) Robamat 热油机选用侧通道转轮泵。(见图 3 ) 其内为陶瓷轴连 SiC 滑动式轴承，工作寿命特长。马达与泵以磁性连接，无漏油情况。其他类型的泵由于滑动环密封圈受力导致磨损，需要经常更换。而磁性连接只有静态密封圈，无经常更换的弊病，泵的有效使用率因而较高。磁性连接的密封性会较好，不会渗漏导热油，工作时较清洁及安全。磁性连接部件的工作温度达 300。，最高油温设置超过 350。，对高温热油尤为适合。目前镁合金压铸为热门投资，高温热油对镁合金压铸至为重要，在选购时，更须小心选择。 在控制层面上，Robamat 使用最新微电脑控制板，油温控制于 5oC内。 另外，亦设有工作时间显示；时间制自动控制开关；热油自动升温及冷却程序有双重过热保护；油量过高或过低显示；机器使用状态显示功能等。 机器的结构坚固、通风，并易于维修，严格按照欧洲安全标准设计。可供选择的附件包括自动吸出回油、冷却水吹出装置、RS485 连接压铸机介面、外置感温线、流量计、马达过滤保护、PID 式精确控制、DN13 快速接头 (最高温度 250oC) 等。简单直接选购法（表一）机器锁模力T 压铸合金Zn kg/h Al kg/h加热功率KW冷却功率KWRobamat型号选择60-100390 1602 x 5或102 x 203201.10.40100-300720 280Min 2 x 102 x 403212.10.40300-750- 6502-3 x 102 x 404212.20.40750-1000- 10002-4 x 202 x 604214.20.60表一为简单的选购办法，只作为指引，以下详细介绍实际计算方法。1. 按下式计算压铸模具加热需要的功率：L1 = (Q1*X1) / (t*3600) watt = (M*c*DnV1*X1) / (t*3600) wattL1 = 压铸模半边必须的加热功率，包括镶块或模具的其他零件 w (watt)Q1 = 升高待加热材料的温度所必需的热量 J (Joule)M = 待加热部份重量 = 待加热体质量 (kg)c = 比热 模具钢，约 500J / kgK (kg)DnV1 = 开始加热和终止加热 (工作温度) 间的温差 。t = 加热时间 (hr)X1 = 安全系数，热幅射，热传递到模框、压铸机上的热损耗(随着模具尺寸增大而升高) 1.2-2 例如：模具 重量 600Kg加热时间表 2小时 加热到220oC(VF)（室内温度VA为20oC） DnV1=VF-VA=220-20=200oC L1=(600 X 500 X 200 X 1.5)/2 X 3600=12.5KW2.在生产中，温度控制器冷却的功率可按下式计算：A2 = (M*fq*X2)/3600 kW (1kW = 860kcal)A2 = 由金属熔液带来的热，即必须通过冷却导出的热 kWM = G*S = 重量 (1 小时的重量) kg/hG = 铸件重量 (超过 1.5kg 的铸件，不包括浅道一般用水冷却) kgS = 每小时铸件数 nfq = 热系数 (见表 2)X2 = 修正系数，模具大时为 1；模具小时为 1.5例如：铸件重量 2.5Kg 铸件数 60/h 材料 铝(fq=798) X2 1.1 A2=(2.5x60x798x1.1)/3600=36.6KW 假定模具的两边面积相等，则两个装置的功率为36.6/2=18.3KW 3. 泵所需流量取决于通道的横截面积 (尽量使选定的通道 ?适合于所有模具) 这里使用经实际验证的热载体流速 2 3 m/s 为基础，以下数据可为标准值：通道直径mm 泵 V L/ mm80 - 11 10 - 14 以齿轮泵为主12 - 14 - 19 以齿轮泵为主14 - 16 - 25 侧通道特制离心泵16 - 18 - 32 侧通道特制离心泵除流速外，还必须检验选定的泵输送量是否能运送所需的能量。这可按下式进行：V = 60 *(L/c*DnV*p）V = 输送量 L/minL = 工作过程的规定功率 (L1 或者 L2 中取较大值)W (Watt)DnV3 = 模具工作温度和载热体原始温度间的最大允许温差 (约 40-100)oC(k)p = 载热体的密度 (见表 2) kg/dm3c = 比热 (见表 2) J/kgK 例如：根据例3，18.3KW 即 18300W 若DnV3取40oC（例如：模具表面温度为240oC，油温为200oC，则 V=60*（18300/（2500*40*0.75）= 14.4L/min4. 必须进一步验算通道表面积 确定模具内部必需的加热通道的结构和尺寸是模具设计师的任务。通常载热体把热能传给模具或者将热量从模具带走，两者情况都一样，都决定于热传导系数 a，以 W/cm2 K 表示。热传导系数 a 主要受下列因素影响： 载热体的流速 模具与载热体间的温差 系统均匀工作温度 (初始温度)最重要的是把接触面 (通道表面) 设计成能有效传递所需的能量。如通道直径太细或长度不足，会出现无法升温的情况，由于水冷通道一般较热油通道直径小，如不改设计，很多时导致接触面不足。必需的通道表面积计算公式如下：A = L/(a*DnV3)cm2A = 必要的热交换表面积 cm2L = L1 或者 L2 工作必需的加热或冷却功率 (取最大值) Watta = 热传导系数 W/cm2 K (a = 0.222 / DnV3 = 40,a = 0.21 / DnV3 = 60)DnV3 = 载热体的初始温度和模具工作温度的温差oC(k) 为避免温度波动，温差应尽可能小，力求达到40oC。如果用铝，即使 100oC 也能取得良好效果 (例如模具工作温度 250oC，初始温度 150oC)，要避免 DnV3 超过 100oC，初始温度低于 150oC，否则，载热油的效率将变得极不理想。例如：按照 3，假定DnV3=40oC w=3m/s A1=18300/0.222*40=2061cm2 或：DnV3=60oC，w=3m/s A2=18300/0.21*60=1452cm2 w=3m/s=cm/min V=14.4L/min=14400cm3/min Aq 横切面积=V/w=0.8cm2(3.1416*r2) -d=10mm 通道直径最小 10mm 通道长度：A1/3.1416*d=2061cm2/3.14cm=656cm 材料和系数表（表二） 材料 CH比热CJ/KgK熔点oC熔化热Hq(J/Kg)*103比重pKg/cm3冷却系数*1fq(J/Kg)*103铝Al9206593562.70798铅Pb1303272411.3446铜Cu39010832108.90515黄铜MS72-390920968.56440镁Mg10106502081.74664锡Sn2302321127.28172锌Zn3764191917.14289钢0.6C-460-7.84-钢8Cr19Ni-500-7.8-钢18Cr9Ni-500-7.8-载热油200oC-2540*2-0.75-水4182-334881- 实际运用 所有举例的数值都经实践和试验的验证，它们可能受各种因素的影响，这些计算只能提供一些参考，并不担保适用于所有条件。有关具体型号设备的进一步说明，富来备有充足资料提供，可致电：(852) 2721 0690 查询。结论 在现代化的压铸工厂中，因应市场的竞争，节省人力、提升品质、降低成本的经营策略是刻不容缓的，模温机的使用，可使模具预热时间减少，成品表面质量提升及可完全自动化生产。事实上，提高模具寿命是提高生产力的必要手段。导热油之选择和使用须知 市面上有颇多可供选择的导热油，于选购时必需参考模温机的最高温度限制及使用温度，沸点要高于最高温度限制，并留意供应商建议的热油寿命数据。老化的油会造成沉淀