塑料成型工艺及模具设计-模具温度控制系统设计-PPT课件

1 第六章 模具温度控制系统设计 塑料成型工艺及模具设计 2 本章基本内容 冷却系统的设计原则冷却系统的结构设计冷却水道的设计加热系统的设计 第 章模具温度控制系统 3 学习目的与要求1 掌握冷却系统的设计原则2 掌握冷却系统的结构设计方法及基本装置3 了解冷却水道的计算方法4 了解加热系统的加热方式及基本要求 第 章模具温度控制系统 4 冷却系统设计原则 冷却系统的结构设计 加热系统的设计 本章重点 第 章模具温度控制系统 5 本章难点 冷却系统设计原则 冷却系统的结构设计 第 章模具温度控制系统 6 6 1概述6 2冷却系统设计6 3加热系统设计6 4思考与练习 第 章模具温度控制系统 7 模具温度是否合理直接关系到成型塑件的尺寸精度 表观及内在质量 以及塑件的生产效率 因此是模具设计中的一项重要工作 塑料品种不同则对于模具的温度要求也不同 总要求是 使模具温度达到适宜制品成型的工艺条件要求 能通过控温系统的调节 使模腔各个部位上的温度基本相同 在较长时间内 即在生产过程中的每个成型周期中 模具温度应均衡一致 6 1概述 8 6 2 1模具温度分析6 2 2冷却系统设计原则6 2 3冷却系统的结构设计 一 凹模冷却系统 二 型芯冷却系统6 2 4 冷却水道的计算 一 模具带有冷却系统时的热传行为 二 冷却水回路数量的计算 三 冷却水在回路中的压力降计算 四 冷却回路计算示例 6 2冷却系统设计 9 对于模具要求在60 左右的中型模具 而对大中型模具 尤其是大型模具 必须设计冷冷却系统有效 控温合理的功能齐全的冷却系统 表6 1为常用塑料的料温及模具温度 正确地分析与判断模具温度状况 应注意下述各点 1 塑料的热量与塑料重量成正比 2 在注射完成时 模腔内的塑料受到高压作用 此时型腔的温度与型芯的温度相同 3 当塑件为平板状态时 每半模 动 定模 的温度值接近 4 当塑件壁厚布均匀时 在塑件壁厚较厚处模具温度较高 6 2 1模具温度分析 10 冷却却系统是指模具中开设的水道系统 它与外界水源连通 根据需要组成一个或者多个回路的水道 冷却系统的设计原则如下 1合理地进行冷却水道总体布局2合理确定冷却水道与型腔表壁的距离3考虑和利用模具材料的导热性 应加强浇口处的冷却 控制冷却水入口处的温度差尽量小 应使冷却水道中的水呈湍流状态流动 6 2 2冷却系统设计原则 11 当塑件厚度均匀时 各冷却水孔至型腔表壁的距离最好取作相同 以使塑件冷却均匀 如图6 1a所示 若塑件的壁厚不均 较厚处热量较多 则可采取冷却水道较为靠近厚壁型腔的办法 如图6 1b所示 1 合理地进行冷却水道总体布局 6 2 2冷却系统设计原则 12 图6 2a b的水孔到型腔的最短距离 垂直距离 相同 但水道数量却不一样 从而型腔热量向冷却源流动的路程彼此不同 图6 3型腔表面到冷却水孔的距离的尺寸关系 合理地距离它不仅关系到型腔是否冷却均匀 而且关系到模具的刚度 强度问题 合理确定冷却水道与型腔表壁的距离 6 2 2冷却系统设计原则 13 如图表6 2在100 下 各种材料的传热系数如图6 4所示 当镶拼成型零件较大或较高时 应该优先考虑将冷却水道直接开设在成型零件上 同时 固定板仍需开设一定数量的水道 以调节整个模具冷却均匀 3 考虑和利用模具材料的导热性 6 2 2冷却系统设计原则 14 见图6 5a b c示例 应加强浇口处的冷却 6 2 2冷却系统设计原则 15 精密塑件要求该温度差在2 以内 一般塑件在5 以内 对模具水道有串联式和并联式两种使用方式 例如图6 6所示 控制冷却水入口处的温度差尽量小 6 2 2冷却系统设计原则 16 雷诺数是用以判定水流状态的参数 对于塑料模 雷诺数Re取4000 10000 其校核公式为 应使冷却水道中的水呈湍流状态流动 6 2 2冷却系统设计原则 如图6 7雷诺准数对热传导的影响 17 除了上述几项基本原则应遵循外 还应注意以下事项 应避免在制品容易产生熔结痕的部位开设冷却水道 必须注意密封水 防止水流入型腔 当水道发生相贯时 应采取措施使水只可定方向连续流出 避免有水不能流动的死角 水道壁应加工光滑 以使清楚水道污垢方便 经较长使用时间后 冷却效果一致 由于凹模与型芯的冷却情况不同 需用两个调温器分别控制各自回路中冷却液的温度 压力 流量和速度 6 2 2冷却系统设计原则 18 常见结构如图6 8钻孔式水道系统 6 9所示沟槽式水道系统 6 2 3冷却系统结构设计 一 凹模冷却系统 二 型芯冷却系统设计 19 设计型芯冷却系统要比设计凹模时复杂得多 需视型芯的粗细高低 镶拼状况 推杆位置等情况灵活地采用不同形式的冷却装置 图6 10所示为大行型的冷却装置 图6 11所示为隔板式冷却装置 图6 12所示为水管喷流式冷却装置 图6 13a b c所示对细长型芯的冷却 图6 14所示冷却侧型芯 6 2 3冷却系统结构设计 二 型芯冷却系统设计 20 热传递的三种基本方式 热传导 热辐射和对流传热在设置有冷却系统的模具上均存在 并且是相互伴随 同时对冷却模具产生作用 传热行为体现在如下四方面 1 传导 2 对流 3 辐射 4 传导 6 2 4模具温度控制系统 一 模具带有冷却系统时的热传行为 21 模具向设备工作台面所传导的热量应为 由型腔向冷却水道传导热量的关系式如下 6 2 4模具温度控制系统 22 二 冷却水回路数量计算 设塑料传给模具的多余热量为Q 辐射散热量为Q 模具向安装设备传导的热量为Qs 冷却统带走的热量为Qf 则可建立下式 1 求塑料传给模具的多余热量 6 2 4模具温度控制系统 2 计算由冷却系统携带出模外的热量 23 式中G 每小时注射的塑料重量 进入模具时的塑料熔料温度与制品在脱模时的温度之差 塑料的比热 kJ 参见表6 3 塑料熔解潜热 kJ 参见表6 3 无定形塑料 1 求塑料传给模具的多余热量 6 2 4模具温度控制系统 24 式中 每小时流经模具的冷却液重量 冷却液比热 kJ 水的 4 186kJ 冷却液比热 kJ 水的 4 186kJ 2 计算由冷却系统携带出模外的热量 6 2 4模具温度控制系统 25 1 关于 每小时液体流量 液体比重 水道截面积 液体流速 水流时间 每小时 液体比重故 求得 的算术式为 将其代入式 6 5 中 便得到如下公式 式中d 水道孔径 m 水流速度 m s 每小时水流持续时间 s h 若水一直流动 则 3600s h 冷却液比重 m 6 2 4模具温度控制系统 26 表6 4所列为当水温为23 Re 4000时 产生稳定湍流状态的冷却水应达到的流量与流速 表6 5所列为不同温度下 水的运动粘度 值 在每一成型周期里 流经模具的冷却水总长度为l 用下式计算 m 式中V 水流速度 m s T 一个周期的时间 s 2 关于 t 6 2 4模具温度控制系统 27 在每一周期里 由冷却液带走的热量为 计算公式为 式中A 水道的截面积 每一周期里流经模具的冷却水重量 条 模具应设计冷却回路数目n 即 6 2 4模具温度控制系统 28 三 冷却水在回路中的压力降计算 在同样的控制条件下 如果模具各条冷却回路的长度和截面积相同 水在各条回路的压力降也就相等 那么个条回路水温基本均匀 冷却回路压力降 P可按下面经验公式计算 大气压 6 2 4模具温度控制系统 29 四 冷却回路计算示例 有一成型高密度聚乙烯食品盒模具 每一模一件 塑件壁厚为1 9mm 现确定对模具型腔和型芯均进行冷却 考虑到塑件壁厚值不大 但塑料流程较长 因而对塑料熔料温度取稍高值 为230 手册数据为150 260 模温取值偏低 为38 手册资料为35 70 取水温低于模温14 为24 根据塑件的质量要求 拟控制各条冷却回路的出入口温度为3 6 2 4模具温度控制系统 30 现拟出具体使用参数如下 熔料温度 230模温 38塑件脱模温度 94注射量 kg 次0 186每小时注射量 33 48比热 KJ kg 2 302潜热 KJ kg243成型时间 秒 模20每小时成型次数180水温 24平均水温 26 6 2 4模具温度控制系统 31 计算步骤如下 1 计算塑料传给型腔和型芯的多余热量和根据公式 6 4 便可求得塑料传给模具的总的多余热量 33 48 230 94 2 302 243 18617 29 KJ h 若按冷却系统完成排出总多余热量的90 的任务来计算 冷却系统应排除热量为 18617 29 0 9 16755 56 kJ h 6 2 4模具温度控制系统 32 因为型芯的高度和直径较大 故认为型芯和型腔各吸收热量的比例为60 和40 所以 它们分别排除热量 型芯应排除热量型腔 凹模 应排除热量2 确定冷却水道的孔径d本模具适用于在锁模力500吨的注射机上成型 查表6 5 确定水孔直径d取12mm 确定采用水为冷却液 由表6 5同时查知雷诺准数Re 4000时的水流速度 0 43m s 6 2 4模具温度控制系统 33 6 3 1加热对象6 3 2加热方式6 3 3电加热系统设计6 3 4防止热量散失的方法 6 3加热系统设计 34 6 3 1加热对象 1 热固性塑料模 2 热流道模的流道板 3 小型塑件的热塑性塑料注射模 4 某些高粘性或结晶性塑料注射模除了上述在整个生产过程中都需要加热模具的情况之外 有时要求对模具先进行短期加热 然后再冷却 大型热塑性塑料注射模就是如此 6 3加热系统设计 35 6 3 2加热方式 通常采用的加热方式有两种 1 电加热式2 在模具内部通入热介质对于需要提供足够热能 温度要求较高的模具采用电加热式 例如热固性塑料模 热塑性热流道模的流道板等 也采用热水 过热水或热油加热 蒸汽加热式 而煤气 天燃气燃烧加热的方法一般不太使用 6 3加热系统设计 36 6 3 3电加热系统设计 电加热式具有温度调节范围较大 装置结构简单 安装及维修方便 清洁 无污染等优点 缺点是升温较缓慢 改变温度时有时间滞后效应 1 电加热系统设计的基本要求 6 3加热系统设计 6 3加热系统设计 2 电加热装置的形式 37 1 电加热系统设计的基本要求 1 计算模具的加热功率 2 合理地分布电热组件 3 防止热量散失的工作 4 建立必要的控温系统 6 3 3电加热系统设计 6 3加热系统设计 38 2 电加热装置的形式电加热装置有两大类型 1 电阻加热 2 感应加热常用的电阻加热装置 1 电阻丝直接加热 2 电热套 电热片加热装置如图6 15 3 电热棒 如图6 16 6 3加热系统设计 6 3 3电加热系统设计 39 电热功率的计算 1 计算在要求时间内将模温升至工作温度所需的总功率 2 计算成型过程中要求模具对塑料加热到一定温度所需的热功率电热棒的根数n 6 3加热系统设计 40 6 3 4防止热量散失的方法 1 减小接触面积法2 空气层隔热法3 安装隔热板隔热法 6 3加热系统设计 41 思考与练习 1 对模具电加热基本要求有哪些 答案 塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关 答案 塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则 答案 冷却系统设计原则 答案 42 电阻加热的基本要求 采用电阻加热时要合理布设电热元件 保证电热元件的功率 如电热元件的功率不足 就不能达到模具的温度 如电热元件功率过大 会使模具加热过快 从而出现局部过热现象 就难于控制模温 要达到模具加热均匀保证符合塑件成型温度的条件 在设计模具电阻加热装置时 必须考虑以下基本要求 正确合理地布高电热元件 大型模具的电热板 应安装两套控制温度仪表 分别控制调节电热板中央和边缘部位的温度 电热板的中央和边缘部分分别采用不同功率的电热元件 一般模具中央部位电热元件功率稍小 边缘部位诉电热元件功率稍大 加强模具的保温措施 减少热量的传导和热辐射的损失 通常 在模具与压机的上 下压板之间以及模具四周设置石棉隔热板 厚度约为4 6mm 对模具电加热基本要求有哪些 43 塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关 与模具热量 传热面积 型腔和塑料的平均温差度 塑料对型腔的传热系数有关 44 设计原则如下 冷却通道离凹模壁不宜太远或太近 以免影响冷却效果和模具的强度 其距离一般为冷却通道直径的1 2倍 在模具结构允许的情况下 冷却通道的孔径尽量大 冷却回路的数量尽量多 这样冷却会愈均匀 应与塑件厚度相适应 塑件壁厚基本均匀时 冷却通道与型腔表面各处的距离最好相同 即冷却通道的排列与型腔的形状相吻合 塑件局部壁厚处应增加冷却通道 加强冷却 冷却通道不应通过镶块和镶块接缝处 以防止漏水 塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则 45 冷却通道内不应有存水和产生回流的部位 应畅通无阻 冷却通道直径一般为8 12mm 进水管直径的选择 应使进水处的流速不超过冷却通道中的水流速度 要避免过大的压力降 浇口附近温度最高 距浇口愈远温度愈低 因此 浇口附近应加强冷却 通常可使冷水先流经浇口附近 然后再流向浇口远端 冷却通道要避免近塑件的熔接部位 以免使塑件产生熔接痕 降低塑件强度 进