(材料课件)模块九-温度调节与控制系统.ppt
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1、【材料课件】模块九-温度调节与控制系统 模块九模块九 温度调节与控制系统温度调节与控制系统 学习目的和要求:学习目的和要求:使学生掌握加热与冷却装置设计计算,并能理论联系实际,正确设计出注塑模具的加热与冷却系统。河南机电高等专科学校:杨占尧 模块九模块九 温度调节与控制系统温度调节与控制系统 重点:重点:冷却系统设计和加热系统设计。难点:难点:冷却系统设计和加热系统设计。河南机电高等专科学校:杨占尧 模块九模块九 温度调节与控制系统温度调节与控制系统 9.1 概述 9.2 模具冷却系统的计算 9.3 冷却系统设计 9.4 加热系统 9.5 模具温度控制器河南机电高等专科学校:杨占尧9.1 概述
2、概述 注塑模温度调节是采用加热或冷却方式来实现的,确保模具温度在成型要求的范围之内。模具加热方法有蒸汽加热、热油、热水加热及电加热等方法,最常用的是电阻加热法;冷却方法则采用常温水冷却、冷却水强力冷却或空气冷却等方法,而大部分采用常温水冷却法。河南机电高等专科学校:杨占尧 9.1.1 9.1.1 模具温度调节系统的功用模具温度调节系统的功用 1 改善成型条件 注塑成型时,模具应保持合适的温度,方能使成型正常进行。如热流道模具,模温应保持流道内熔料温度在成型范围内,模温过高或过低则不能满足成型要求,对普通热塑性塑料模具,模具常需要冷却,因此,模温在保证成型的情况下,要尽量使模温保持在允许低温的状
3、态,以缩短成型周期。河南机电高等专科学校:杨占尧 2 稳定制品的形位尺寸精度 控制模温是稳定制品形位尺寸精度的主要方法之一。因为模温变化会使塑料收缩率有大的波动,模腔(型芯)形状尺寸所控制品的尺才就得不到保证。特别对结晶性塑料,因温度对塑料的结晶速率和结晶度的影响大,所以收缩率的波动就很大。如果模温不能使制品均匀冷却,则制品在各个方向上的收缩程度就不同,不但影响制品尺寸精度,而且会引起制品的变形。因此,合理控制模温,可以使影响塑料收缩率的因素得到稳定,使制品的形位尺寸变化在允许的范围内。河南机电高等专科学校:杨占尧 3 3 改善制品机械、物理性能改善制品机械、物理性能 如果模温控制不适当,会造
4、成制品内应力增加和集中,从而影响制品的使用性能。4 4 提高制品表面质量提高制品表面质量 塑件上常出现冷料斑、光泽不良、熔料流痕等缺陷,如对模温进行合理调节,可以防止此类弊病。表9-1列出了不正常模温对塑件质量的影响。河南机电高等专科学校:杨占尧9.1.2 9.1.2 模具的冷却与加热模具的冷却与加热 注塑模的温度调节系统必需有冷却和加热功能,必要时还要二者兼有。通常所用的冷却或加热介质有水、热油和蒸汽,当然也可采用电加热方式。水介质分为常温水、温水和冷水三种。对于热塑性塑料来讲,无论是采用冷水和常温水对模具进行冷却,或者是采用温水、蒸汽、热油和电能对模具进行加热,其作用结果都是为了对模腔内的
5、塑料制品进行合理的冷却。下面介绍一些确定冷却或加热措施的原则。对于粘度低、流动性好的塑料,可采用常温水对模具进行冷却,并通过调节水的流量大小控制模具温度。如果对这类塑料制品的生产率要求很高,亦可采用冷水控制模温。河南机电高等专科学校:杨占尧 对于粘度高、流动性差的塑料,经常需要对模具采用加热措施。对于粘流温度或熔点不太高的塑料,一般采用常温水或冷水对模具进行冷却。有时也可采用加热措施对模温进行控制。对于高粘流温度或高熔点塑料,可采用温水控制模温。对于热固性塑料,必须对模具采取加热措施。由于制品几何形状影响,制品在模具内各处的温度不一定相等,可对模具采用局部加热或局部冷却方法,以改善制品分布情况
6、。河南机电高等专科学校:杨占尧 对于流程很长、壁厚又比较大的制品,或者是粘流温度或熔点虽然不高、但成型面积很大的制品,可对模具采取适当的加热措施。对于工作温度要求高于室温的大型模具,可在模内设置加热装置。为了实时准确地调节和控制模温,必要时可在模具中同时设置加热和冷却装置。对于小型薄壁制品,且成型工艺要求的模温也不太高时,可直接依靠自然冷却。需要指出,模具中设置温度调节系统后,会给注塑成型生产带来一些问题。因此,在设计模具和温度调节系统时,均要想办法加以预防。河南机电高等专科学校:杨占尧 9.2 9.2 模具冷却系统的计算模具冷却系统的计算 塑料注塑模具冷却系统的设计计算,不仅影响成型塑件的质
7、量,还直接影响生产效率。9.2.1 9.2.1 冷却时间的计算冷却时间的计算河南机电高等专科学校:杨占尧河南机电高等专科学校:杨占尧河南机电高等专科学校:杨占尧河南机电高等专科学校:杨占尧河南机电高等专科学校:杨占尧河南机电高等专科学校:杨占尧 5 冷却水入口与出口处温差校核 冷却水的进出口温差由下式进行校验:CdGtti221900)(河南机电高等专科学校:杨占尧 9.3 9.3 冷却系统设计冷却系统设计 1.在保证模具材料有足够的机械强度的前提下,冷却水道尽可能设置在靠近型腔(型芯)表面,如图9-2所示。2.在保证模具材料有足够的机械强度的前提下,冷却水道应安排得尽量紧密。3.冷却水道的直
8、径应优先采用大于8mm,并且各个水道的直径应尽量相同,避免由于因水道直径不同而造成的冷却液流速不均。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 4 对于中、大型模具,由于冷却水道很长,会造成较大的温度梯度变化,导致在冷却水道末端(出口处)温度上升很高,从而影响冷却效果。从均匀冷却的方案考虑,对冷却液在出、入口处的温差,一般希望控制在5以下,而精密成型模具、多型腔模具的出、入口温差则要控制在23以下,冷却水道长度在1.21.5m以下。因此,对于中、大型模具,可将冷却水道分成几个独立的回路来增大冷却液的流量,减少压力损失,提高传热效率。5 冷却液在模具中的流速,以尽可能高一些为
9、好,但就其流动状态来说以湍流为佳。在湍流下的热传递比层流高1020倍,因为在层流中冷却液作平行于冷却水道壁诸同心层的运动,每个同心层都好比一个绝热体,从而妨碍了模具向冷却液散发热过程的进行。河南机电高等专科学校:杨占尧 6 制品较厚的部位应特别加强冷却。7.充分考虑所用的模具材料的热传导率。通常,从力学强度出发,选择钢材为模具材料如果只考虑材料的冷却效果时,则导热系数愈高,从熔融塑料上吸收热量愈迅速,冷却得愈快(各种材料的 值见表9-3)。因此,在模具中对于那些冷却液无法通到而又必须对其加强冷却的地方,可采用铍青铜(BeCu)材料进行拼镶。由表9-3可知:铍青铜BeCu材料的导热系数为铜材的1
10、.13.3倍。河南机电高等专科学校:杨占尧9.3.2 9.3.2 冷却水道在模具中的位置冷却水道在模具中的位置 冷却水道的位置取决于制件的形状和不同的壁厚。原则上:冷却水道应设置在塑料向模具热传导困难的地方,根据冷却系统的设计原则,冷却水道应围绕模具所成型的制品,且尽量排列均匀一致(如图9-3所示,由于顶出装置的影响,动模的冷却水道排列不能与定模的冷却水道排列完全一致)。如果模具采用拼镶结构,且制品成型在所镶入的镶件上(如图9-4所示),在大多数小型模具中,因镶件尺寸太小不易加工冷却水道,可以采用冷却水道包围镶件的方法。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机
11、电高等专科学校:杨占尧 如果成型制品的镶件尺小足够大,能够采用加长水嘴使冷却水道直接通入镶件的方法(如图9-5所示),则是最为简单有效的,其冷却效果比围绕镶件设置冷却水道的方法要好得多。对于图9-5这种横穿镶件的冷却水道,采用加长水嘴联接最为简便,此结构不宜采用型圈密封的办法,因为在这种结构中,型圈所受到的正压力较小,很难达到密封的效果。并且在组装时,如果型圈的厚度高出镶件表面过多,容易被切断。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 如果模具采用拼镶结构,用于成型制品的镶件为圆柱形,其冷却方式可以采用图9-6所示的环形冷却水道。值得注意的是,这种冷却水道的结构要求在镶件
12、上装有两个型密封圈,因此,镶件与模板的配合精度要求是非常高的。如果间隙过大、密封圈由于没有足够的正压力会发生密封不严,而间隙过小,则在组装时会切断密封圈(因为密封圈的厚度必须高出镶件表面)。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 众所周知,由于制品的壁厚不均,在成型时会产生缩坑。为克服这一缺陷,除改进制品结构和调整成型工艺之外,在模具中设置足够的冷却水道,对制品的这种缺陷也会有所改善。如图9-7所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 许多模具结构在成型过程中,熔融塑料除填满型腔之外,同时也包围着型芯,通过热交换使型腔和型芯的温度上升得很高,对成型周期有很大的影响,因此,除型
13、腔周围需要设置冷却水道之外,型芯也必须设置必要的冷却水道,如图9-8所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 在模具中,除型腔四周需要设置冷却水道之外,型腔中凸起的部分(只要凸起的部分足够大)也需要设置冷却水道,如图9-9所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 侧抽芯模具中的侧滑块,只要尺寸足够大,也必须设置冷却水道,因为较大的侧滑块,如果缺少冷却装置,除影响所成型的制品质量之外,在运动时因受热膨胀容易发生咬蚀,如图9-10所示。河南机电高等专科学校:杨占尧9.3.3 9.3.3 模板冷却水道的设置模板冷却水道的设置 不少小型模具的型腔是直接在模板上加工而成的(也可采用
14、拼镶结构,但由于模具尺寸较小,所用于型腔与型芯的镶件尺寸更小),对于这类模具,可以直接在模板上设置冷却水道。在模板上设置冷却水道同样应遵循冷却系统的设计原则,使冷却水道尽量靠近型腔表面和尽量围绕型腔,使制品在成型过程中冷却均匀,如图9-11所示。该形式由于冷却水道不是围绕型腔而设置的,在成型过程中,制品的散热是不均匀的。图9-12所示的冷却水道排列对于制品的散热略好于图9-11所示的排列。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 从图9-13所示的冷却水道排列中,可以看出,由于冷却水道基本上围绕型腔,因此,其制品在成型过程中的散热效果比前
15、两种排列要好得多。河南机电高等专科学校:杨占尧 如果模具中的冷却水道太长,在成型过程中,会使得水温变化增大(入水口与出水口温度相差很大)。针对这个问题,为保证其冷却效果,可采用两个(或两个以上)独立回路。如图9-14所示,模具边缘处,冷却水道的封密,一般采用紫铜或铅制作的圆柱堵,以过盈配合的方法将其封住。相交水道通常采用过盈配合方式插入镶件,使冷却液改变流向如图9-15和图9-16所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 如果模具中成型制品的部分(型腔),是以镶件方式镶入模板,其冷却水道的分布,最好
16、采用围绕镶件的方法,如图9-17所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 一般情况下,模板中的冷却水道常采用钻床加工。有些水道较长且横竖交错,在加工时,为了减小难度和使钻孔所要求的精度相对降低,一般规定两条相交错的水道在长度小于150mm时,最小间距为3mm,在长度大于150mm时,最小间距为5mm,如图9-18所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧9.3.4 9.3.4 型芯冷却水道的设置型芯冷却水道的设置 由于在成型过程中,型芯总是被温度很高的熔融塑料包围着,因此,型芯材料的热传导非常关键。为了解决型芯的散热问题,虽然可以便用热传导率较高的材料制造型芯(如铍青铜材料
17、)。如前所述,铍青铜的导热系数是钢的1.83.3倍,但因铍青铜的力学强度比钢差,并且大量使用铍青铜材料会使模具成本大幅度提高,所以在绝大多数情况下,解决这一问题最好的办法是在型芯中设置冷却水道,利用冷却水道中冷却液的温度和流速来控制型芯的温度,达到制品散热的目的。通常,型芯中冷却水道的设置有下列几种方式。河南机电高等专科学校:杨占尧 从图9-19所示的结构可以看出,由于冷却水道距型芯表面的距离不等,所以冷却效果不均匀。一般仅用于成型制品壁较薄,尺寸较小的型芯。图9-20所示是一种冷却效果均匀、制品散热很好的冷却水道排列方法。常用于尺寸较大的型芯。值得注意的是,在制作这种冷却水道时,型芯侧面的水
18、道封堵一定要平整,避免因出现侧面凸凹而影响制品脱模。如果这部位受压较大时,可以采用镶入经过淬火处理的钢垫的方式来解决。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 冷却尺寸较细长的型芯时,可采用铜管插入型芯,如图9-21所示的方式。在制作时,首先要保证型芯有足够的力学强度,其次,铜管与型芯内孔的配合要适当。河南机电高等专科学校:杨占尧 对于一模多腔的模具,其型芯的冷却方式可分为串联冷却和并联冷却两种,如图9-22、图9-23所示。串联冷却水道具有流动有力的优点,但存在随着型芯数目增加,温度梯度变化大的缺陷。并联冷却水道随温度梯度变化不大,但流
19、动不够有力,其结果会导致对不同型芯冷却效果不均匀。因此,以上所述两种冷却水道的排列方式仅适用型芯数目不多的模具。对于一模多腔模具,上述两种冷却方式最好能和“建立两个以上独立回路”的方法一起使用。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 许多模具中,一些形状特殊,尺寸较薄且偏长的型芯,在成型过程,需要对其进行温度控制时,可以采用具有较好热传导率的材料(如铍青铜)与冷却水道相结合使用的方法,如图9-24所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 在型芯尺寸、力学强度允许的前提下,在型芯中加入带有螺旋的水槽镶件,如图9-25所示的方式对其温度进行控制,
20、可获得极佳的效果。但是这种镶件形状复杂,会因加工难度大而提高模具的制造费用。在型芯冷却水道设置中,最为困难的问题,是对细长圆型芯的温度控制,如图9-26所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 众所周知,直径较小(通常小于6mm)且尺寸较长的型芯,由于表面积小,使得热传导非常困难。在成型过程中,因细长型芯散热不良,会引起制品在这一部位出现变形、缩孔等缺陷。因此,必须采取特殊的冷却方式对细长型芯的温度加以控制。对于这类型芯结构,通常在设计时采用下列几种冷却方式:(1)冷却水围绕型芯,如图9-27所示。(2)采用热传导率较高的材料(如铍
21、青铜)制造细长型芯。(3)在型芯内部较粗的部分(通常宜径大于8mm)加入细铜棒,细铜棒的一端联接模板中的冷却水道,如图9-28所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 如果细长型芯的尺寸稍大(一般直径超过8mm),可采用在型芯内部安装细铜管的方式,如图9-29所示。值得注意的是,在采用这种冷却结构时,应对型芯的力学强度进行校核,以免在成型时发生弯曲、甚至折断等问题。河南机电高等专科学校:杨占尧 9.3.5 9.3.5 型腔冷却水道的设置型腔冷却水道的设置 在小型或整体式型腔结构的模具中,型腔冷却水道的设置参考本模块第三节“模板冷却水
22、道的设置”的内容。本节所讨论的型腔,是指中、大型模具和尺寸较深的型腔。众所周知,在成型过程中,型腔被温度较高的熔融塑料填满,随着塑料冷却固化,型腔的温度将上升很高,如图9-30所示,因此对于尺寸较大的型腔必须单独设置冷却水道。如图9-31所示。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 对于那些尺寸较大、并且采用镶件形式的型腔,通常可采用下列方法设量冷却水道。如图9-32所示。河南机电高等专科学校:杨占尧9.4 9.4 加热系统加热系统 对于熔融粘度高,流动性差的塑料,如聚碳酸酯、聚甲醛、氯化聚醚、聚砜、聚苯醚等,则要求较高的模温,此时需要
23、对模具进行加热。若模温过低,则会影响塑料的流动性,产生较大的流动剪切力,使塑件的内应力较大,甚至还会出现冷流痕、银丝、注不满等缺陷。尤其是当冷模刚刚开始注塑时,这种情况更为明显。但是,模温也不能过高,否则要延长冷却时间,且塑件脱模后易发生变形。当模温要求在80以下时,模具上无需设置加热装置,可利用熔融塑料的余热使模具升温,达到要求的工艺温度。若模温要求在80以上时,模具就要有加热装置。河南机电高等专科学校:杨占尧 9.4.1 9.4.1 电加热电加热 电加热为最常采用的加热方式,其优点是设备简单、紧凑、投资小,便于安装、维修、使用,温度容易调节,易于自动控制。其缺点是升温缓慢,并有加热后效现象
24、,不能在模具中交替地加热和冷却。模具电加热有电阻丝加热和工频加热两类,后者因加热装置构造比较复杂,体积大,所以很少采用。河南机电高等专科学校:杨占尧 1 模具电阻丝加热的形式:模具电阻丝加热的形式:(1)直接用电阻丝作为加热元件。将电阻丝绕制成螺旋弹簧状,再将它套上瓷管或带孔的陶瓷元件,安放在加热板或模具的加热孔中,如图9-33所示。为安全起见,最好用云母及石棉垫片与加热板外壳绝缘。这种电加热板俗称电炉板。直接用电阻丝作加热元件的方法虽然简单,成本低廉,但由于电阻丝直接与空气接触,容易氧化损耗,因而使用寿命短,而且热量损耗较大,不利于节能。此外,赤热的电阻丝暴露在模外也不安全,电阻丝烧坏后也不
25、便于维修。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 (2)加热板中插入电热元件。一般是将一定功率的电阻丝密封在金属管内,作成标准的加热元件。在电阻丝与金属管内填充以石英砂或氧化镁等耐热材料,在管内的两端垫有云母片或石棉垫片,在电阻丝出口处用瓷塞塞住,电阻丝两端头通过瓷塞上的两个小孔引出(如图9-34所示)这样组成的电加热元件俗称电热棒,根据模具所需加热功率来选用电热棒的型号和数量,确定连接方式(并联或串联),并以此确定加热板上的孔径及数量。河南机电高等专科学校:杨占尧 返回河南机电高等专科学校:杨占尧 电加热棒插入加热板中的加热方法,由于电阻丝与外界空气隔绝,因此不易氧化
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