塑料成型工艺与模具设计第12章PPT课件.ppt

普通高等教育 十二五 规划教材 杨永顺主编 塑料成型工艺与模具设计 1 3 26 2020 本章主要阐述热塑性注射模温度调节系统的有关计算与设计原则及其注意事项 简介 2 第12章温度调节系统设计 12 1模具温度调节系统的作用 12 2冷却系统的计算 12 3冷却系统的设计原则和常见机构 12 4模具加热系统 3 4 1 塑件的质量要求塑件脱模后收缩和翘曲变形小 形状与尺寸稳定 力学性能以及表面质量比较高 2 模具温度对塑件质量的影响各种塑料进行注射成型时 均需有一个比较适宜的成型温度范围 在此温度范围内 塑料熔体的流动性和充型性好 质量可以得到保证 如果温度未能控制在合理的范围内 塑料熔体的充模流动和脱模后的制品质量就可能发生问题 12 1 1模具温度调节对塑件质量的影响 5 12 1 1模具温度调节对塑件质量的影响 3 模温均匀程度的影响 1 产生模温不均匀的原因 1 制品几何形状和壁厚不均匀 2 充模时模腔表面与熔体接触时间不一致3 模具各处散热条件不同 2 模温不均匀对塑件质量的影响模温不一致 导致各处的冷却速度有所差异 进而导致制品收缩不匀并产生一定应力 对制品成型质量产生不利影响 6 冷却时间与其传给模具的热量间的关系 Q 1A1 1t1 12 1 式中 Q为塑件传给模具的热量 J 1为塑料对模具材料的传热系数 w m2 A1为模腔的表面积 m2 1为模腔内塑料与模腔表壁的温度差 t1为塑件在模内停留冷却的时间 s 当塑料原料 模具材料及模具结构确定后 1 A1为定值 脱模温度确定后 塑件传给模具的热量Q也基本不变 此时t1与 1成反比 因此要缩短t1就必须在工艺条件允许的情况下尽量增大 1 即 为了提高生产率 就必须采用较低的模具温度 12 1 2模具温度调节对生产效率的影响 7 概念 对模具进行冷却或加热 必要时两者兼有 从而达到控制模温之目的 2 调节方法 1 对于粘度低 流动性好的塑料如聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚酰胺等 成型工艺要求模温不太高 而熔体的反复注入将使模温较高 此时应采用常温水对模具冷却 为进一步缩短冷却时间 亦可用冷水控制模温 对于粘流温度或熔点较低的塑料 模具冷却一般需用常温水或冷水 而对于高粘流温度或高熔点的塑料 可用温水控制模温 12 1 3模具温度调节方法 8 2 调节方法 1 对于粘度低 流动性好的塑料如聚乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚酰胺等 成型工艺要求模温不太高 而熔体的反复注入将使模温较高 此时应采用常温水对模具冷却 为进一步缩短冷却时间 亦可用冷水控制模温 对于粘流温度或熔点较低的塑料 模具冷却一般需用常温水或冷水 而对于高粘流温度或高熔点的塑料 可用温水控制模温 2 对于粘度高 流动性差的塑料如聚碳酸脂 聚砜 聚甲醛 聚苯醚和氟塑料等 为提高充型性能 成型工艺要求有较高的模温 因此经常需要对模具加热 3 对于热固性塑料 模温要求在150 200 必须对模具加热 12 1 3模具温度调节方法 9 2 调节方法 4 流程长 壁厚较大的塑件 或者粘流温度及熔点虽不高 但成型面积很大时 为了保证熔体在充模过程中不至温降太多而影响充型 也应对模具适当加热 5 对于大型模具 为保证生产之前用较短时间达到工艺所要求的模温 可设置加热装置对模具进行预热 12 1 3模具温度调节方法 10 11 内容 热传导面积的计算 温控介质通道的尺寸计算 介质用量的计算 通道回路的排布等 这里仅介绍注射模冷却系统设计的基本思路和设计原则 12 塑料传给模具的热量与模具表面自然对流 辐射散发到空气中的热量及模具传给注射机热量 需要用冷却水带走的模具热量 13 1 塑料传给模具的热量单位时间内塑料传给模具的热量 Q nmq 12 2 式中 Q为单位时间内塑料传给模具的热量 kJ h n为每小时注射次数 m为每次注射的塑料量 包括浇注系统 kg q为单位质量的塑料在模腔内释放的热量 kJ kg 14 q与充模 脱模温度差及塑料在模内的物理状态有关 q Cp 1 0 qm 12 3 式中 Cp为塑料的比热容 kJ kg 1为塑料熔体充模时的温度 0为塑件脱模时的温度 qm为塑料的结晶潜热 kJ kg 对无定形塑料qm 0常用塑料的比热容和结晶潜热如表12 1所示 15 表12 1常用塑料的热扩散系数 热导率 比热容和结晶潜热 16 2 模具散发出的热量模具散发出的热量Qou包括Qou Q1 Q2 Q3 Qw 12 4 Q1为模具表面的空气对流所散发出的热量 Q2为模具表面向空气中辐射所散发出的热量 Q3为模具传导给注射机的热量 Qw为冷却水传出的热量 17 1 模具表面自然对流散发到空气中的热量 12 5 式中 Q1为单位时间内通过模具表面自然对流散发到空气中的热量 kJ h a为自然对流时的传热系数 W m2 Aa为能发生自然对流的模具表面积 m2 为整体模具的平均温度 r为室温 2 模具散发出的热量 18 其中 a和Aa的计算式为 式中 k为计算系数 当0 300 时 可用下列经验公式计算 12 7 12 6 19 Aa A1 A2 A3 12 8 式中 A1为模腔的表面积 m2 A2为分型面的面积 m2 A3为模具四周与空气接触的表面积 m2 为开模率 按下式计算 式中 t为注射成型周期 s t1为注射时间 s t2为塑件在模内的冷却时间 s 12 9 20 2 模具表面辐射散发到空气中的热量 可按下列经验公式计算 12 10 式中 Q2为模具表面单位时间内通过辐射方式散发到空气中的热量 kJ h 为辐射率 对于模具四周的侧表面 若属于未加工的毛坯面 1 若为氧化的切削面 0 8 0 9 若经过磨削加工 0 04 0 05 21 3 模具传给注射机的热量 注射模的动模座板和定模座板分别安装在注射机的动 定固定板上 因此模具的热量必然会有一部分传给这两块固定板 此部分热量的计算式为 12 11 式中Q3为单位时间内模具传给注射机动 定模固定板的热量 kJ h b为模具与注射机动 定模固定板之间的传热系数 W m2 其值与动 定模底板的材料有关 采用碳素钢时可取140W m2 采用合金钢时可取105W m2 Ab为动 定模底板与注射机固定板之间的接触面积 m2 22 4 需要用冷却水带走的热量根据热平衡 Q Qou Q1 Q2 Q3 Qw需要用冷却水带走的热量为Qw Q Q1 Q2 Q3 12 12 式中 Qw为单位时间内需要用冷却水带走的模具热量 kJ h 23 一般来讲 以对流 辐射散发到空气中的模具热量及传给注射机的模具热量只占塑料传给模具热量的5 左右 其余95 的模具热量需由冷却水带走 因此 为简化计算 可以认为 Qw 0 95Q 12 13 24 冷却水流量可以通过下式计算 12 14 式中 qw为冷却水流量 m3 h w为冷却水在一定温度下的密度 kg m3 cpw为冷却水比热容 J kg 其值见表12 2 T为冷却水在进出口处温度差 25 表12 2冷却水比热容 26 冷却水在管道中的流动状态对冷却效果的影响 在湍流下的热传递效果比层流高10 20倍 湍流条件 而要使冷却水流完全处于湍流状态 应保证水的雷诺数Re满足下式 式中 v为流速 m s 为运动粘度 m2 s 10 时 1 3077m2 s d为管道内径 m 27 表12 3冷却水在完全湍流状态下的流速和体积流量 注 Re 104 温度为10 28 根据牛顿冷却定律 用水流冷却模具时需用的热传导面积 即冷却水道表壁面积 为 12 15 式中 Aw为热传导面积 m2 hw为冷却水对其通道表壁的传热系数 W m2 为热传导面的平均温度与冷却水平均温度的差值 其中冷却水的平均温度为冷却水在进口处和出口处温度的平均值 29 当冷却水在圆形截面直管中呈湍流时 模具材料与冷却水之间为稳定换热 则有 12 16 式中 f为与水温有关的物理系数 可由表12 4选取或按照式 12 16 计算 v为冷却水在圆管中的流速 m s d为冷却水道的直径 m 12 2 4热传导面积与冷却水道长度计算 30 表12 4不同水温下的f值 12 2 4热传导面积与冷却水道长度计算 31 12 17 式中 为冷却水的平均导热系数 W m 为冷却水的平均粘度 Pa s 由Aw则可确定冷却水道长度L 12 18 式中 L为冷却水道长度 m 12 2 4热传导面积与冷却水道长度计算 32 33 1 冷却水道应尽量多 截面尺寸应尽量大为了使型腔表面温度分布趋于均匀 防止塑件不均匀收缩和产生残余应力 在模具结构允许的情况下 应尽量多设冷却水道 并使用较大的截面尺寸 12 3 1冷却系统的设计原则 图12 1模具内的温度分布 34 2 合理设计冷却水道的直径 间距以及与型腔表面距离冷却水道的大小及布排将直接影响型腔表面温度分布 管道直径太小会使冷却效果下降 而管道间距太大及与模腔表面的距离太小 都会使型腔表面温差变大 1 水道的中心距可取孔径的3 5倍 2 水道中心线至型腔表面的距离可取孔径的1 2倍 但水孔壁厚一般应大于10mm 常用12 15mm 35 3 当塑件壁厚均匀时 冷却水道到型腔表面最好距离相等 如图12 2a所示 4 当壁厚不均匀时 厚的地方冷却水道应距型腔表面近一些 间距也可适当小一些 如图12 2b所示 图12 2水道的位置 2 合理设计冷却水道的直径 间距以及与型腔表面距离 36 图12 3冷却水道的出 入口布排a 侧浇口的冷却水道b 多点浇口的冷却水道c 直接浇口的冷却水道 3 浇口处加强冷却浇口附近温度最高 距浇口越远温度越低 因此通常是将冷却水道的入口处设置在浇口附近 使其在较低温度下冷却 而远离浇口部分的模具是在经过一定程度热交换后的温水作用下冷却 37 5 冷却水道应沿着塑料收缩的方向设置 对收缩率较大的塑料 例如聚乙烯 冷却水道应尽量沿着塑料收缩的方向设置 图12 5所示是方形塑件采用中心浇口 直接浇口 的冷却水道 冷却水道从浇口处开始 以方环状向外扩展 图12 5方形塑件采用中心浇口时的冷却水道 38 6 冷却水道尽量避免接近塑件的熔接部位目的 避免产生熔接痕 降低塑件强度 7 冷却水道要易于加工 清理 防漏水道孔径一般不小于8mm 多取10mm左右 要防止冷却水的泄漏 凡是易漏的部位要加密封圈等 39 对于不同形状不同尺寸的塑件 冷却水道的位置与形状也不一样 1 浅型腔扁平塑件在使用侧浇口的情况下 通常是采用在动 定模两侧与型腔表面等距离钻孔的形式设计水道 图12 6浅型腔塑件的冷却水道 40 2 侧浇口中等深度的塑件 型芯热量不易散发 可按塑件形状铣出矩形截面的冷却水槽 凹模冷却水道宜在型腔底部附近采用与型面等距离钻孔的形式 若凹模也需加强冷却 则可采用图12 7b所示的形式 图12 7中等深度塑件的冷却水道1 凹模2 型芯固定板3 塑件4 型芯5 水槽6 水孔7 密封环8 凹模垫板 41 图12 8大型深型腔塑件的冷却水道1 凹模2 水孔3 密封环4 水槽5 盲孔6 主流道衬套7 隔板8 塑件9 型芯10 密封环11 型芯固定板 3 深型腔塑件 42 4 特大型深型腔塑件 型芯及凹模均设置螺旋式冷却水道 进水口在浇口附近 水流分别流经型芯与凹模的螺旋槽后在分型面附近流出 1 5 13 纵向水道2 凹模3 塑件4 主流道衬套6 7 横向水道8 15 进水孔9 凹模固定板10 11 出水孔12 密封环14 型芯镶件16 型芯17 型芯固定板 图12 9特深型腔塑件的冷却水道 43 5 细长孔塑件在细长的型芯上开设冷却水道比较困难 因而常采用喷射式水道或间接冷却法 1 喷射式冷却水道在型芯中部开一个盲孔后插入一根管子 冷却水流经管子喷射到浇口附近的肓孔底部 然后经过管子与型芯的间隙从出口处流出 从而对型芯进行冷却 图12 10细长型芯的喷射式冷却1 垫板2 密封环3 型芯固定板4 顶板5 水管6 型芯7 塑件8 凹模 44 2 间接冷却法型芯用导热性良好的铍青铜制造 然后将水喷至型芯尾端进行冷却 图12 11细长型芯的间接冷却法1 垫板2 水管3 密封环4 型芯固定板5 铍青铜型芯6 塑件7 凹模8 密封垫板9 顶板10 铍青铜散热器11 型芯 45 图12 11细长型芯的间接冷却法1 垫板2 水管3 密封环4 型芯固定板5 铍青铜型芯6 塑件7 凹模8 密封垫板9 顶板10 铍青铜散热器11 型芯 将铍青铜的一端加工出翅片 把另一端插入型芯中 这样可加大散热面积 提高水流的冷却效果 46 3 热管技术热管的导热原理 利用蒸发制冷 使得热管两端温度差很大 使热量快速传导 结构 一般热管由管壳 吸液芯和端盖组成 热管内部是被抽成负压状态 充入适当的易挥发低沸点液体 管壁有吸液芯 由多孔毛细材料构成 热管一段为蒸发端 另外一段为冷凝端 当热管一段受热时 毛细管中的液体迅速蒸发 蒸气在微小的压力差下流向另外一端 并且释放出热量 重新凝结成液体 液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段 如此循环不止 热量由热管一端传至另外一端 47 特点 一种最新的间接冷却技术 热管的导热效率为同样尺寸铜棒的1000倍 热管内的压力低 流体在约摄氐30度时即可蒸发 导热管两端的平均温度差可缩小至8 将热管的蒸发端插入模具的不易散热部位 而在冷凝段进行强制冷却 可明显地提高模具的冷却效果 图12 12热管间接冷却法 12 3 2常见冷却系统的结构 48 49 当注射成型工艺要求模具温度在80 以上时 模具中必须设置加热装置 加热方法 电加热 应用较广 介质加热热水 热油 蒸汽等 设计方法类似于冷却水道 50 图12 13电热圈的形式 12 4 1电加热方式 2 电热圈加热将电阻丝绕制在云母片上 再装夹在特制的金属外壳中 电阻丝与金属外壳之间用云母片绝缘 图12 13为几种常见的电热圈形式 模具放在其中进行加热 特点 结构简单 更换方便 但是耗电量大用途 适于压缩模 压注模的加热 电加热通常采用电阻加热法 其加热方式有 1 电阻丝直接加热将选择好的电阻丝放入绝缘瓷管中装入模板内 通电后即可对模具加热 51 图12 14电热棒及其安装a 电热棒b 电热棒安装1 电阻丝2 耐热绝缘填料3 金属密封管4 耐热绝缘垫片5 加热板 12 4 1电加热方式 3 电热棒加热电热棒是一种标准的加热元件 它是由具有一定功率的电阻丝 耐热绝缘材料和金属密封管构成 使用时只要将其插入模板上的加热孔内通电即可 特点 使用和安装均很方便 52 1 计算法电加热装置加热模具的总功率可用下式计算 12 19 式中 P为加热模具所需的总功率 kW m为模具的质量 kg CP为模具材料的比热容 kJ kg 碳钢为0 46kJ kg 1为模具初始温度 2为模具要