塑胶模具知识.doc

塑料模具之设计制作与管理自学连载模具温度模具温度是指在塑料成型的过程中，由于模穴与温度约200的塑料接触而模温升高，若不加以控制，随着成型加工的时间，温度将过高而影响成型的周期（成品不容易冷却固化）；此时，若以冷却水将模具温度降下，使模温维持在一定的范围内（过低，将影响塑料的流动性），则在整个成型的周期，必能顺利动作，且成品可维持一定的品质。所以，模具温度是模塑成型过程中很重要的一个因素，必需加以注意。模具温度与成品的关系就成型效率而言模具温度保持于较低时，射入模穴的塑料冷却较快，可以提高射出次数，成形效率较好。但较高的模温却可提高模穴内熔融的塑料的流动性，增加充填的效果。就成品的品质而言在模具温度低的情况下，为求熔融塑料在模穴内有完全的充填，就必需提高成型压力，此一压力有部份将残留于成品的内部。残留应力，对硬塑料，如PC或PPO，会发生应力破坏现象，或使成品变形。所以低的模具温度虽有利于成型，却对成品的品质有不良的影响。由于模温的不均匀而造成成品各部份的冷却速度不同，会使成品产品收缩不均、反翘、扭曲的弊病，必须在模温的控制上一并考虑。温度控制的计算热的传递，有辐射、对流和传导三种方式，在固体或液体中主要是借着传导的方式来作热的传递。根据实验，塑料带入模具的热量约有5经辐射、对流逃到大气中，其余的95传导到模具，再由冷媒（通常用水）将热量带到模具外。设塑料传导到模具的热量为Q，则我们可根据以下的公式，来计算出欲达到某一定的模温，所需之冷却水量、冷却水管的管径、流速、热传导面积等资料。冷却所需的水量在模具中通常都设有适当的冷却水管，以便在成型作业中降低模温。但需考虑到入水温度与出水温度，若入水温度与出水温度之差太大时，则冷却水将带走模具中大量的热量，则模具温度分布将不均匀而影响成品品质。此时宜增加其它的冷却水管，减低原相信的流速，及入水温与出水温度间之温差。冷却模具所需之水量：W=mCP(T1-T2)+LK(T3-T4)（81）W：每小时流出的冷却水量（kghr）m：每小时射入于模具的塑料重量（kghr）CP：塑料的比热（kcalkg）L：熔解潜热（kcalkg）K：水的热传导率（kcalkg）T1：塑料的温度（）T2：模具温度（）T3：出水温度（）T4：入水温度（）（表一）各种树脂在成形温度条件下的全热量树脂名称a（kcalkg）树脂名称a（kcalkg）聚乙烯（PE）（低密度）13891667丙烯、丁二烯、苯乙烯778944聚乙烯（PE）（高密度）16671944丙烯、苯乙烯667833聚丙烯（PP）13891667聚缩醛100聚苯乙烯（PP）667833聚氯乙烯50耐隆16671944热传导面积、冷却水管的管径及流速Q=SgCP（T1-T2）+L95kcal（82）Q：塑料95的热量传导到模具热量（kcal）S：每小时的射出数g：每次射出塑料的重量（kg）CP：塑料的比热（kcalkg）T1：塑料的温度（）T2：取出时成品的温度（）L：熔解潜热（kcalkg）设a=CP（T1-T2）+L，m=Sg则Q=ma95（83）a：塑料1kg的全热量m：每小时射出于模具的塑料重量熔解潜热是塑料的相变化所产生的热量，亦即塑料从液体变成固体时所放出的热量。表1所示为各种塑料在成型温度时，1kg塑料的全热量。热量Q从模具传到冷媒，此时的冷却水管传热面积为A，则 A=QhWTA：传热面积（m2）hw：冷却管的界膜传热系数（kcalm2hr）T：模具与冷却水的平均温度差（）冷却管的界膜传热系数hw，在冷媒以水的情况下为，hw=d（dveu）08（CPu）03（kcalm2hr）（85）：冷却水的热传导率（kcalm2hr）d：管径（m）v：流速（mhr）e：密度（kgm2）u：黏度（kgmhr）CP：比热（kcalkg）界膜传热系数是指在不同物质的交界处，有不同的热传导率，我们称之为界膜热传系数。（图2）冷却管的口径、间隔、距离（图3）冷却管与壁厚的关系冷却管道设计要提高成型效率，使成品减少残存应力、变形或罅裂。模具中有关冷却水管的大小、数目、配置等设计有很大的影响。除了必需控制使其在一定的模具温度外，模具的冷却也要考虑到均一。如图1（a）所示，有五条大的冷却水管，图（b）祇有两条小的冷却水管。大冷却水管通5983的水，小冷却水管通45的水。连结其等温曲线，则发现在成型作业期间。图（a）中的模穴温度范围呈606005的分布，而图（b）中的模穴却呈556166较大温差的分布。同一个模具，因冷却水管的大小、配置、水温的不同设计，产生不同的温度范围。较差的设计，如（b）所示的667的较大温差，对尺寸精度高的成品，可能造成成型时的变形，也可能残存应力，导致以后的应变而不适用。从上列了解其重要性后，我们再来讨论冷却系统之设计原则。冷却管的口径，间隔以及至模穴的距离对模具温度有很大的影响，图2所示，为这些关系比的最大值，即假设口径为25公厘，间隔最大为125公厘，管至模穴的最大距离为3。图3是成品壁厚处比壁薄处，缩小间隔，较接近模穴的图标，作用在求模具冷却的均匀。（图4）（图5）1次2个的侧面浇口之循环冷却水路为保持模具温度的均匀，冷却水应从较高温度进入，然后引入至温度较低的外侧出口，如图4所示，由于竖浇道，及浇口处温度较高，应于此设冷却水的入口，再将吸收了热量的温水，引到温度较低的外侧出口。图5所示是使用侧面浇口的双模穴模具的冷却循环管道。图6为大的成品使用多点浇口的冷却管道图。（图6）多点浇口的循环冷却水路（图7）（图8）冷却管的位置应沿模穴的形状配置。对浅而壁薄的成品，只要在公模与母模钻两排与模穴等距离的孔当作冷却水管即可。如图7所示。对图8所示的中等深度的半圆形成品，在母模上可沿模穴的形状加工冷却水管，但在公模上却不容易加工，此时可用图所示钻交叉孔与塞子获得冷却水管的回路。对大深度的成品，如图9所示，加工最麻烦，冷却水从公模底部的中心处往浇口进入，环绕周围，然后由模具的外侧出口，公模在底部作成盲孔，其A-A断面如右图所示螺旋状沟，沟的中间介入隔板。（图9）深成型品的冷却水路（图10）细长、直径较小的公模，可在中心钻盲孔，再装入冷却管，如图10所示。冷却水从管进入，在浇口附近喷射冷却，通过管的外侧与孔壁之间，向出水孔流出。若公模细小得无法装冷却水管时，则如图11所不，以热传导率良好的铍铜合金作公模的材料，再以冷却水来冷却其尾端，采间接冷却的方法。冷却管应尽可能采贯穿孔方式，以便利日后清理。（图11）以铍铜合金作雄模的冷却（图12）（图13）各种冷却管道的实例“钻孔法最常用的钻孔法，如图12所示，钻贯穿孔，在模具外部用橡皮管连接孔与孔，冷却水由接近浇道的水口进入。（图13）所示，为沿成品的形状对接钻孔，不必要的通路用塞子塞住，冷却效果良好，适合类似四方形的成品。（图14）（图15）图14所示，为圆筒形成品，外周冷却管道的钻孔分布图。图15所示，是成品直径不太大时，使冷却孔前端交叉，形成公模的冷却管道。沟槽法有些成品有浅而宽的形状，此时用钻孔法不适宜，改采沟槽法。图16，在公模设涡旋式的冷却沟槽，适于底面积的成品。但冷却管道迂回太长时，由于冷却效果不好，冷却水的入口温度与出口温度温差大，温度不易控制，因此必需考虑增加入口与出口数，图17所示为冷却回路太长的例子。（图16）（图17）（图18）（图19）隔板法隔板法使用于冷却管用钻孔法或沟槽法均不易加工的情况时，尤其在模具公模部份直径细小使用。图18所示为使用分隔板装置在阶梯形的冷却孔内，分隔板分开入水管道与出水管道。图19是使用于有套筒顶出机构的模具，由于孔径细小，为防水垢集结，孔被堵塞，可改用压缩空气来冷却，效果较佳。图20所示，使用特殊的隔板，导引冷却水通过公模的四周。对较大的公模，也可使用隔板冷却，如图21所示，沿成品的轮廓设置多个冷却孔，加工容易，但由于冷却水流路太长，入口温度与出口温度差大，冷却不容易均匀，效果较佳。（图20）（图21）间接冷却法在无法直接使用冷却水的情况下，可使用热传导率较高的金属来作间接的冷却，如铍铜、铝等。如图22所示，在公模心型细小无法加工水路的情况下，使用铍铜作间接冷却，此时冷却水冲击到铍铜的末端，将经公模传导到铍铜的热量带走。图23为在铜管簸的簸四簸周，充簸填簸入簸热簸传（图22）导率较高的合金，而冷却水流经铜管的间接冷却法。温度控制设备用来作温度调节的媒体有水、油及二醇乙烯（ethylene-glycol），用来提供媒体的流量、流速、加温、减温的设备为调温机。表2为各种塑料温度与模温的对应关系，调温机可分为加热型、冷却型的调机两种。（表二）各种成形材料的模具温度材料名材料温度（）模具温度（）聚苯乙烯2003004060AS树脂2002604060ABS树脂2002604060丙烯1802505070聚乙烯1503004060聚丙烯1602605565聚醯胺20032080120聚缩碳酸酯28032090120醋酸纤维素1602504060聚氯乙烯1802104060（图23）调温机加热型调温机每次熔融塑料射入模具内时，都会将热量带入模具，为了维持表2所示的模具恒温。冷却水在成形周期内所带走的热量正是熔融塑料欲升高模的热量。因此调温机的容量大小，必须依照射出成形的最大成品体积来决定了。为了提高热交换的效率，最好使水流在水道内形成乱流，因为层流的热交换效果较乱流差。表3所示即为产生乱流所必要的最低流速、流量及限度流速关系表。表4即根据公式81所推算1kg之PP在60秒内成形的冷却水量计算的例子。加热型的调温机就是要保持模温于常温以上所希望的固定温度。因此升温为其主要的性能，通常是以装设于加热筒内的加热器来达到目的。大量生产时，由于塑料温度的上升，而间接地也使模温上升，此时的调温机即必须供应定量新的常温自来水，来达到降温的目的。为了防止生锈及水垢在水管内的发生而影响热交换的效率，可以使用一些防锈的添加剂，以尽可能防止水垢的累积。（表三）冷却水道直径与乱流最低速度以及经济的限度水量水道直径（mm）乱流Rd=4，000以上最低流速（msec）流量（lmin）计入摩擦阻力时限度流速（msec）流量（lmin）806619812637810052246155735120443001801220150353722002112200264922314352Rd：雷诺数。冷却型冷却型调温机其实就是冷冻机。当成形使用高速射出时，因充填速度甚快之故，充填时的温度下降较少，模具本身的温度，可以较普通成形时为低。在一般的射出成形，有时为了缩短成形的周期时间，在可能的范围，也有故意降低模具温度的情形。为了达到降温的目的，使用具冷却型调温机的机会就愈来愈多。利用冷冻机可以将冷却水温度降到520以下。但在10以下时，应混合加入乙二醇乙烯，可以降低冷却水的凝固温度。乙二醇乙烯与水的混合比可以在3：7到5：5之间。使用本机时，水量的保持十分重要。为了防止管路的阻力而影响水流的流量，必要时可以提高水泵的压力到810kgm2以上，甚至多段式泵，如此可以使模具内的冷却水管路的出入口的温差降到3以下，可以达到均匀的冷却效果。（表四）冷却水量计算例（1kg之PP在60秒内成形时之