《解析塑胶射出成型模具冷却不良导致的问题》.doc

1、解析塑胶射出成型模具冷却不良导致的问题The Analysis ohe ProblemReultd frmPor ooling Plaic Ijetion old摘要:塑胶射出成型模的冷却设计不佳产生的问题,不像浇注系统那样一目了然,可以检视成型品外观或者观查顺序短射(sot ht equenc)，以找出可能的症结。 业者因不明究理的模具冷却不良而导致的浪费和损失非常可观,然而,亟思脱困而不可得。 本文以案例解析冷却不良带来的几项代表性问题。关键字(eyrs) :冷却系统(colin ysem) 、一连串短射(shrt shtsuene) 、热传(heat trnsfer） 、冷却孔道(coo

2、ln channels） 、障板管(bafs) 、喷泉管(bubbler）、热管(thrmal pns ） 、冷却液（coolan）、模温机(old temperatre ontl u）、配管（iping） 、歧管（milds ） 、软管(holses) 、镶块(nsrt） 、超临界流体微发泡射出成型(supr ciical fluid mioceularnctin odin） 、光弹图(photoeasic grah) 、翘曲变形(shrinkge and wapag)、公和母模侧（core and cavity sids）、成型周期（molding ccl) 、热传导率(rte ofhet

3、 cdtin) 、对流的热传率(rteof heat transfrby convecton） 、努塞尔特数(Nelt umber） 、雷诺数(Rnolds uber、层流(aminar fw) 、普郎特数(randtl nmber） 、紊流(trbulent ow)、热传导系数(therm conductivity) 、密度(desiy) 、比热(pecic het） 、残余应力(reidual strs） 、一、前言塑胶射出成型模具的冷却系统往往被忽视,这是因为冷却系统和浇注系统之间的热传(eat transfer） 关系不被理解,不晓得不时冒出的问题当中，到底和冷却不佳有何关联。 本文解

4、析冷却不良产生的典型缺陷，并且阐述问题产生的来龙去脉。 了因果、知生死，才能药到病除、起死回生。 二冷却系统塑胶射出成型的冷却系统包括模板和模仁(mol inet) 内的冷却孔道（coolngcan) 及装置（dvices) 如障板管(ales ,见图) 、喷泉管(bubblers ，见图2)、热管(hral pins ，见图）等。图 障板管图2喷泉管图3热管冷却系统也包括供给和回收冷却液(ooant) 的装置和配管(pipng) ，如模温机(ol teperture otroluni） 、管线（ppe lies) 、歧管(anifds ,见图4) 、软管(hlses) 等,模温机调整冷却液温

5、度到一设定温度范围,配管衔接模温机和挂在射出成型机上的模具,歧管将冷却液分流或汇集,软管则衔接歧管和模具( 见图4) 或模具中不同的水路。图4 歧管和软管(以曲线代表) 和模具三、因冷却不佳而导致的外观问题冷却不均使得塑件各区域的固化有其先后，后固化的塑胶拉伸应力大,其表面光泽明亮，反之则较晦暗-导致阴阳面的生成,伤及外观品质。 图5是一汽车内饰件,材料是添加三元乙丙橡胶的聚丙烯 (P+EDM），表面光泽差异大使得塑件不被接受。其二处光泽有异的区域背后，各有一镶块（insert) ,其内并无冷却孔道及装置,然而包围镶块的模仁内则有冷却孔道及装置。 塑胶因冷却不均而收缩不均，造成表面光泽的差异。

6、图5 一汽车内饰件的表面光泽差异大模温高且均匀，残余应力小，对不透明件而言，其表面光泽度高。 图6 是二超临界流体微发泡射出成型(super citical flid micoclularinjctn molding) 的B 塑件。 下面的塑件是以蒸汽均匀加热的高模温模成型的，与模腔的抛光面对应的塑件表面光可鉴人,与模腔的咬花面对应的塑件表面匀称柔和。 上面塑件是以传统较低且不均匀的模温成型,不但黯然失色,而且光泽不均。图6 是二超临界流体微发泡射出成型的A 塑件,下件是以均匀的高模温成型的，上件是以传统模温成型。 模温高且均匀,对透明件而言,其透明度好。图 是对应于100 C 、120 C

7、和140 模温成型的透明件的光弹图(hotoelastic diaram） 。 可以看出模温愈高,其色彩变化愈缓且匀,说明其残余应力低、透明度好。图7对应于100 、120 C 和140 C 模温成型的透明件的光弹图四、 因冷却不均而导致的变形问题 塑胶射出成型的充填阶段采用高模温,可以确保产品的品质（ 如高光无痕) ,后充填阶段采用低模温,可以缩短周期时间，这样高低模温交替以兼顾产品品质与生产效率的技术就叫作高低模温变换技术。采用此一方式生产高光免喷涂的产品,往往因为变形的问题而困扰不已。 原因常常是母和公模在充填阶段分别采用高和低的模温,母和公模侧的散热与型腔的中心面不对称，增加对此一中心

8、面不对称的残余应力，使得扳转产品变形的弯曲力矩增加,产品变形就比较大。图 是一采用高低模温变换技术射出成型的PC/B 的46 吋电视机前框。 原来母和公模模温在充填阶段分别为120C 和5C ,在后充填阶段则都是C ，结果该电视机前框向母模凹(coave towad ait side) 。图8 是一采用高低模温变换技术射出成型的PC/S 电视机前框。经CAE 模拟，将母和公模模温在充填阶段都改成145C,而在后充填阶段都改成10C，变形减少8 ，冷却时间基本不变，而因充填阶段采用的模温是C 的玻璃转移温度(gls trnition tmpeaue) ，产品表面的高光效果较前为佳。图9是一添加0

9、% 玻璃纤维的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT-GF0)的继电器(lay) 部品，其长方型盒状产品的侧壁,有向内凸(conve inard） 的情形,这往往是四个内角隅的冷却不足，造成盒内外冷却不均与收缩不均的结果。图 一继电器部品侧壁向内凸冷却均衡要考虑塑件在公和母模侧(re d caityide) 的冷却要对塑件的中心面对称,也要考虑塑件在单侧 公或母模侧- 的冷却匀称，否则都会导致塑胶的收缩不均、较高的残余应力和较大的变形。五、 因冷却不佳而导致长的成型周期冷却时间约占成型周期(olig cycle) 时间的8%，如果冷却时间长，成型周期时间就难以缩短。要缩短冷却时间就要从热传的基本公式着手

10、。 图10 和图1分别是热传导率(rae o hea conduction) 和对流的热传率(rte of heat raeb cvectin) 的计算公式。图1 热传导率的计算公式图11 对流的热传率的计算公式图1中的对流的热传系数(h 或convcieheat-transfer offcen) 可从图12 或图3 的努塞尔特数(Nusel number) 计算公式求解。图12的公式适用于雷诺数（Rynosnumb) 小于2100 的层流(linar lo) 、普郎特数（Prandtl nbe) 大于0.和长径比大于0 的长管;图13 的公式则适用于雷诺数大于000的紊流(turblent

11、flo) 、普郎特数大于0.7 和长径比大于0的长管。图2 努塞尔特数计算公式( 适用于雷诺数小于2100 、普郎特数大于07 和长径比大于60 的长管）图13 努塞尔特数计算公式( 适用于雷诺数大于00 、普郎特数大于0.和长径比大于60的长管)从前述热传的公式可知:任何可以减少从高温塑胶到低温冷却液的热传通路- 或为固态、液态或气态-上的热阻的方法都可以一试，以提高热传效率。 当热传通路是静态时,塑胶与冷却液的温差愈大、静态介质的热传导系数(herm conductiity） 愈大、热传通路的断面积(heat trnsfe area)愈大或/和长度愈短,热通量(he fux)愈大、冷却时间

12、愈短;而当热传通路是流体时，壁面与冷却液的温差愈大、流体的流速愈快、流体的黏度愈小、流体介质的密度（dnsit ) 、热传导系数或/ 和比热(specfic hat) 愈大、热传通路的断面积愈大，热通量愈大、冷却时间愈短。一般担负主要冷却任务的冷却孔道中的冷却液要保持紊流的状态，才能充分利用热传方向冷却液的对流以有效的移除模具内的热量。 从图13 中适用于紊流的努塞尔特数计算公式,可以导出图14 的对流的热传率计算公式。图4 适用于紊流的对流的热传率计算公式从图14中可以看出对流的热传率与冷却液的流速的.次方成正比，流速对热传率的影响几乎与温差T 是等量齐观的。 黏度的影响也不可小看,除了公式

13、说明热传率与黏度的0.47 次方成反比外，实际上黏度提高时，热传率会降得更多,这是因为一般模温机回收和供给冷却液的进出口之间的压力降有其上限，当冷却液黏度增加时，流量和流速就会降低，在黏度增加和流速减少的双重影响下热传率会更低。这就是为什么能用水取代油作为冷却液，就不再用油的缘故。至于热性质(hermal prories) 的影响:热传率分别与密度、热传导系数和比热的08 、.67和0.3次方成正比，前者的影响大于后者。冷却不均也会延长成型周期。 这是因为冷却不均使得塑胶收缩不均,而在塑件固化后留下较高的残余应力(resdual sess) ，如果太早开模和顶出塑件,塑件太软，在高残余应力下，

14、塑件变形较大。业者对策往往是延长冷却时间,使得强迫在模腔内定型的塑件降温到其强度足以克制其内的残余应力为止,这样成型周期就会因为冷却时间的延长而变长。图15 是二热嘴四型腔汽车座椅聚甲酫(PM)母螺杆模中出自其中一热嘴的二产品及其流道。 原始设计的产品残余应力大,须延长成型时间到112 秒才能开模顶出。 改善设计降低了残余应力，成型时间缩短到68 秒。图5 二热嘴四型腔汽车座椅母螺杆模中出自其中一热嘴的二产品及其流道六、 结论塑胶射出成形模的冷却和常见的问题如光泽差异、色泽差异、透明度、翘曲变形、长的成型周期等息息相关,冷却设计必须着重均衡和效率,才能够大幅提高良率和生产力。 参考文献： 1 徐昌煜,” 几种高低模温变换的评比” ,2010 第七届先进成型技术与材料加工国际研讨会”2 ichael Bernhard dChaleHs ，”Hwto Use te Mold FilignMl Coolng ProgramtoSolve MoDesgn olding robes” NTEC Pps, , ay 47,187，pp.262-633 harles Hsu,” Hoto hive BalanedCoingth Interna aniodng ” ANEC Papers,4, pril 29- y , 85 ,p. 75-760