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第十三章模具冷卻
13.1引言本章為模具設計者提供模具冷卻設計的一些准則.模具設計者在工作中將會遇到各種各樣的情況且沒有簡單的規則可循.許多生產同一制品的模具無論從哪點來看其生產出的制品都很理想看起來也都是良好的合理設計但令人吃惊的是各模具的產量卻大不相同.設計者必須從一開始就要了解影響模具冷卻設計未必便宜的各種參數.需要考慮的典型參數有未必就只有下列幾種或許還有其他參數尚未列舉在內:要模塑的材料;模具的材料;模具所用的注塑機;期望得到的生產率;模塑制品的預計成本;制品形狀;模具成本;維修費用;操作和維修模具的人員數.根據以上所述簡單的無所不包的規則是不存在的.對模具設計者來說掌握模具中發生的熱和熱交換及其對模具的影響這樣一些基本原理會更有幫助.這樣設計者就能__評判對特定模具所作的冷卻設計的價值.但這不能解釋為設計者就可以隨心所欲地得到他們想像的最終的冷卻設計結果.因為設計者無論怎麼做都不能超出生產車間實現經濟生產能得到冷卻系統的實際能力的限制它必須基於生產車間的現有水平並對最終使用者適用.例如在一個塑料展覽會上展出了一個6腔模具就有52條軟管與各個模腔和模板相連.當然看起來這是一個冷卻效果很好的模具但連接所有軟管所要做的工作和操作中模具無法接近的結果清楚地表明了設計者根本沒有考慮過他所設計的后果.所要考慮的重要一點就是模具的總生產量:這種制品是只持續生產很短時間或一個季節還是在以后多年內仍要一直生產呢;模具的總生產量僅限於幾種樣品或短期生產還是制品將照樣長期生產.可能已有成型同種或類似產品的其他模具或先例.但這並不意味著其冷卻設計都是合適的.可能是正確的但可能做過了頭浪費了錢或是模具可能並不能很好地冷卻從而造成了成型周期的不必要延長.例如一個模子成型周期一般要用6s如果冷卻再好些它可縮短到5s.盡管最初造價要高一些但它可使產量提高17%在長期的生產中能節約大量的資金.困此在重新設計前所有的因素都要考慮到.有許多純理論的方法可用來確定冷卻的最佳條件同時還用來確定往往會被忽視但又極其重要的材料強度.這些數學運用通常都是由在塑料工藝方面作特殊研究的一些大學完成的.盡管這些研究往往對模具設計者沒有多大的實際意義但它確實指出了設計者設計中應注意的區域.此外這些計算中所用的一些參數盡管理論上很重要但由於影響其數值的因素比如塑料的批次之間存在的差異很難確定因而還不能用於實際.甚至工廠大氣環境的差異比如不同地點甚至是在同一個房間濕度及環境溫度的差異都應予以考慮.設計者不要偏離設計的目的----設計一副模具是為了使模具能裝在指定的注塑機上或幾台注塑機上並能最經濟地生產出想要的制品.如果僅在幾個小時或幾天內就能事先了解到這樣設計的一副理想模具可以使制品獲得其在壽命周期內所需的全部性能那麼再花費大量時間和金錢去設計和生產最佳冷卻高質量能持續使用很多年的模具如能用於長期生產可以實現最__品成本是毫無意義的.
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1.1模具設計的目的模具設計的主要目的是:生產出形狀和精度滿足要求的制品;生產出成本最低的制品成本包括模具成本以及注塑機用於制品生產的機時成本;不出現次品;實現經濟地維修;實現最經濟地循環周期;實現經濟地制造.好的足夠的模具冷卻設計要滿足最后兩條.
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1.2可利用的幫助設計模具冷卻系統時設計者可以從個人經驗計算機程序參考書或課程學習中得到幫助.設計者都有自己的偏好有時可以依賴於過去的老經驗而不定非要與模具制造的最新方法的實踐相聯系.而對於在此領域毫無經驗的設計者他們應該怎麼辦呢他們應該到哪兒尋求幫助呢有一些計算機程序可供他們使用但這些程序僅能告訴所選擇的冷卻系統對某一實際情況是否適用如果以此作為所選設計方案的檢驗方法是不會有錯的.參考書比如課本僅籠統地講述這些問題.如果能講到進一眯的細節它們通常又太理論化了需要大量的數學計算並只能涵蓋冷卻設計中一些特定的小區域.只有在設計方案選定以后參考書才顯得有用.行業雜志上不時會登出一些關於某些特定情況下模具冷卻設計的好文章有經驗的設計者可以收集這些文章以備將來參考.然而這種資料也存在著一個大問題:其內容往往是文章發表前幾年的經驗新經驗和新工藝可能已使這些文章的內容過時了.一些大學或學院開設了有關這個領域的課程但從實用的觀點來說他們所講的很多東西都是令人失望的.其內容不是太復雜太數學化就是跟不上該領域的實際應用但他們確實能教會你理解冷卻設計的基礎.本章的意圖是為模具設計者提供一些基礎認識:模具冷卻設計過程中需要些什么並用最少的理論和數學知識綜合了設計模具冷卻系統前應考慮的所有要點.過去的老經驗表明根據這里所說的原理所設計的冷卻系統經計算機分析系統檢驗確認為是好的設計.
13.2注塑模為什么要冷卻模具使注射進入的熱塑料成型為所要的制品.為了能夠頂出制品必須能夠承受頂出力且不發生變形.正因如此頂出時塑料溫度必須比注射時的要低但不必完全冷下來.簡言之模具是一個熱交換體.設計者應知道成型周期相當大的部分有時可占到成型周期的80%要用於冷卻.因而對生產率要求較高的模具將這種損失時間控制到最小是絕對必要的.然而設計者在設計模具冷卻系統時還有很多其他因素必須考慮.表13-1列出了一些原材料所需的注塑溫度和模具溫度表中數據表明甚至在同一組材料中溫度的變動範圍仍會是很大的.可能需要有經驗的模塑工人或者原材料供應商的技術代表提出對特定原材料和特定成型制品最合適的溫度的建議.這里的例子表明成型材料不同其模具的冷卻設計也要不同.有經驗的模塑工人或模具設計者知道成型制品的實際質量和或外觀常依賴於模具的冷卻速率.舉人例子如果冷卻太快或溫度太低模塑制品會變脆或達不到所要求的粗糙度;如果冷卻太慢或冷卻不足將會出現不想要的結晶現象.還有其他一些要考慮的因素如空氣的濕度.水蒸氣會在模具上發生冷凝如果模具打開時間太長冷的冷會介質仍在模具中循環時模腔或模芯的表面上也會發生水汽的冷凝.在沒有空調或濕度控制的成型室內這一點應予特別關注.表13-1不同的模塑材料需要的注塑和模具溫度材料注塑溫度℃模具溫度℃聚㆚烯PE聚笨㆚烯PS尼龍Nylon聚碳酸酯PC聚㆙醛Delrin聚㆛烯PPABS170~320200~250240~320230~260280~310180~230180~280180~2400~700~6040~12050~8085~14070~1300~8050~
12013.3影響模具冷卻的因素影響模具冷卻的眾多因素:從入口到出口冷卻介質的溫升△T;從入口到出口冷卻介質的流量冷卻介質的化學成分;模具零件的導熱率;從注射到頂出塑料的溫差;流道系統尺寸布局;流道類型熱流道或冷流道;與成型制品直接接觸部件內的冷卻管道尺寸布局;模板中的冷卻管道的尺寸的布局;進出軟管的尺寸直徑和數量.在下述的解釋中有些觀點是基於一定理論基礎的物理的和數學的所述觀點應予接受.如果希望得到進一步的了解可參考教材.
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3.1冷卻介質的溫度冷卻介質通常是水最好經過預處理以便最大限度地減少碳酸鈣沉淀在冷卻系統中造成的污染以及減少水中的其他物質這些物質可能會腐蝕冷卻管道的存在.這些污染還會使冷卻管道壁上產生沉淀這將會降低熱傳導的能力並會阻塞管道.水溫太低或供水管道暴露在結冰溫度下冷卻水里要加入防凍劑.但在大多數情況下冷卻水溫度一般都控制在5℃或5℃以上因而不需加入防凍劑.防凍劑的加入對冷卻水帶走熱量的能力稍微有些影響但這一般來說是可以忽略不計的.在極少數情況下冷卻水直接從井中抽上來或使用城市供水其溫度即為這些水源的溫度.這樣往往費用很高.在大多數的成型設備中模具的冷卻水可由蓄水池冷卻塔或制冷系統來提供可以是一個__系統也可以是單獨的制冷系統僅為一台或一小組注塑機提供冷卻水.最理想的情況是整個工廠的冷卻水使用同一水源相同的水溫.但在很多情況下這是不可能的.因為工廠模塑制品所用的原材料需要不同的冷卻條件.因此設計者必須了解模具安裝處所用冷卻系統的情況.
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3.2塑料的溫度----熱平衡將塑料從冷的粒料加熱到可以注塑的粘性流體需要篩供一定的能量.這一過程發生在注塑機的擠出機中.能量主要由螺杆所做的功來提供它將機械能轉化為熱能.另外擠出機機筒上的加熱器也提供熱能.塑化過程中供給塑料的熱量必須在模具內將其散發掉在成型周期內冷卻系統將完成這一散熱任務.注意:在整個周期時間t之內都會有熱量從模具里被帶走並不是僅發生在冷卻時間C里圖13-
1.這可解釋如下:模具裝入注塑機並與輔助裝置相連后它處於室溫一旦冷卻供水開通在注塑開始之前模具溫度漸漸會與冷卻水溫度低於或高於室溫達到一致一直到熱塑料注射進模具之前都保持此溫度不變.在注射周期內雖有冷卻水不斷地將熱量帶走模具的溫度仍會升高.注射完成后不再有其他熱量輸入模具但冷卻水在下次注射開始之前仍繼續從模具上帶走熱量.有一點很重要就是一旦模具開始循環運作進入模具的熱量應等於從模具上帶走的熱量.值得注意的是熱量不僅由冷卻水帶走而且有一部分是由制品帶走的.因為制品離開模具時通常還是熱的因此它會帶走一定的熱量這些熱量會通過輻射或傳導進入工廠周圍的環境中去.同時一小部分熱量也會直接從模具表面輻射到工廠里.如果循環時間太短而不能帶走熱量的話模具的溫度將會逐漸升高最后變得過熱以致產生廢品.對這種情況應該增加冷卻時間圖13-
2.如果循環時間太長如在頂出開始前熱量被帶走的時間模具將浪費時間並無效操作.應該減少冷卻時間圖13-
3.為了縮短循環時間有許多方法可供選擇如圖13-4~13-7所示.下面將以圖示舉例法對這四種模塑循環情況加以描述.注意:四個例子中的冷卻水溫是一樣的.要用到的變量有:t----整個循環時間;A----模具閉合過程時間;B----注射時間熱量加入;C----冷卻時間;D----模具打開過程和制品頂出時間.A取決於注塑機即設定的合模速度.B則取決於塑料原料注塑機和模具.C取決於模具冷卻布置模具材料的選擇以及所成型的塑料.D取決於注塑機的設定速度以及從模具中頂出的方法.在下列各圖中假定在模具打開過程中頂出已經完成.圖13-4中A和D相當長低速註塑機B為任意選定的一段長度C也為選定的一段長度如圖示.圖13-5所示的是同一副模具但用的是較快的註塑機.A和D較短冷卻時間C必須加長到能提供足夠時間使其在循環時間t內將熱量帶走循環時間t將保持不變.所以__較快的註塑機並不能縮短循環時間.圖13-6所示的仍是同樣的模具但改進了冷卻系統的布置這里的C比圖13-5中的要短由于冷卻效率的提高t縮短了.圖13-7中還是同樣的模具但使用了更好的註射裝置這種裝置允許在較低溫度下註射因而輸入的熱量和所的冷卻都大大地減少了故C和t縮短了.關于上述各圖的總的說明必須考慮閉模和開模時間註塑時間和冷卻時間.閉模和開模時間應控制到最小然而開模時間受到制品和流道如果有的話的頂出和清理成型區域所需時間的限制.註射時間受註射量塑料粘度所用註射裝置和流道系統的影響註射量取決於要註射的塑料量.塑料量越大註射時間就越長.塑料的粘度及其他特性對於不同的塑料以及不同的批次來說都是不相同的.選用不同級別和或其他供應商提供的同種塑料可能會實現在較低的溫度下註射.每副模具都要選用最合適的註射裝置.較高的註射壓力和註射速度有助於縮短註射時間.同時設計良好的擠出機螺杆又可保證塑化得更迅速更充分.還應選用功效最高運行最經濟的流道系統.冷流道二板式或三板式設計需要的冷卻時間較長因為進入模具的材料較多制品加上流道因而要帶走的熱量就更多.此外冷流道中塑料流所受的阻力又降低了充模時推進料流通過澆口的壓力.所以只要制品結構和模塑材料允許經濟條件也允許應選取熱流道.由上述內容可明確地看出當模具閉合和打開時間以及註射時間縮短之后要想縮短整個循環時間提高冷卻系統的功效就變得相當重要了因為相對注射時間來說只有比較短的循環時間可用於冷卻冷卻與注射時間有關.當在高速注塑機上注射時間相當短成型薄壁制品時這一點是很關鍵的.盡管這些制品通常很輕但單位時間內的產量很高這樣的模具需要最大的冷卻.在有些實際應用中為了與下一個循環同步很長的冷卻循環時間可用轉移部分冷卻時間來進行補償.在有回轉模板或轉動架的注塑機上成型制品只需要冷卻到能從模腔中移出即可而不必冷到能從模芯上頂出的程度.模芯板帶著制品整體移到另一個位置另一塊裝著同樣模芯的模板將裝入模具於是下一個成型周期開始在模具外模芯上制品的冷卻在下一個成型周期內仍在繼續直到它能被頂出為止.最典型的例子是用Husky方法進行螺帽的成型.對於多工位注塑機來說數套合在一起的模芯和模腔從注塑位置挪開時又一套新的模腔和模芯會進入這一工位.在冷卻周期結束時模具打開並將制品頂出.這需要在一個圓周上安置多組模具有時多達30多組.這種延長冷卻時間的辦法經常在塑料制鞋工業中用來生產合成橡膠制品這些制品所需的冷卻時間往往是數分鍾而不是數秒種.但由於這種注塑機較復雜且主要用於這些特殊產品的生產所以這里就不再作過多闡述.還有其分一些后冷卻的方法這時制品仍很熱但已可以操作就要頂出.可以用引出裝置將成型好的制品移出並放到冷卻傳動裝置上;或者引出板本身就可以為熱制品提供額外的冷卻如PET預制品.其他方法則用於手工或引出裝置移出制品放在冷卻或收縮架上.還可以讓制品自由落入冷卻水容器中水槽這種方法雖然效率高但需要對濕制品進行干燥.這種方法有時用來處理厚壁尼龍制品這些制品除需要冷卻外還要吸水來增大強度.
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3.3熱量溫度和能量的基本原理
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3.1熱量熱量就是從一個熱物塊傳遞給一個冷物塊的能量.溫度是物塊的一個特性它決定著與其他物塊接觸時熱量是流出還是流進的熱流方向.溫差用△Τ表示單位為℃.上面的原則同樣可適用於冷卻.從塑料上移走一些熱量把熱量傳遞給模具和冷卻介質就可以降低塑料的溫度.從塑料上傳遞來的熱量可以使冷卻介質的溫度以及模具和注塑機周圍的空氣溫度升高.能量是做功的能力熱量是能量的一種.從一個位置流動到另一個位置熱量的大小q正比于:△Τ;熱導率;熱量流過的橫截面積A;而反比于流動距離L.這可用下面的公式來表述f意思是正比于:在模具中熱量由塑料流進模具然后由模具流進冷卻介質中只有很小一部分進入空氣和注塑機的壓板.
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3.2溫差模具設計者必須考慮三個△Τ:塑料由注射到頂出的△Τ冷卻介質進入模具和離開模具時的△Τ冷卻時塑料與冷卻介質間的△Τ.塑料由注射到頂出的△Τ取決于看
13.1節制品的形狀和成型條件.舉例來說截面或通道很小就需要塑料加熱到較高的溫度來降低粘度以使塑料更易流動.冷卻介質流過模具吸收熱量溫度升高這就產生冷卻介質從進到出的△Τ.對於許多通用模具來說這個△Τ要控制在不超過5~6℃.如果△Τ太大就會引起模具冷卻不均勻同時也延長了成型周期.高產量的模具如生產瓶丕的模具這個△Τ就要控制在3℃以下更好一些控制在1~2℃之間.這應嚴格考慮因為要獲得這樣小的△Τ要求有大量的冷卻介均勻地流過模具.維持這種流動的能量及所需的泵和管道的費用可能超出所能獲得的利潤.特定的應用情況特別是要求高生產量的情況如生產瓶丕就必須進生細致的分析並應借助計算機進行模擬.最后塑料和冷卻介質之間的△Τ越大在一定時間內流走的能量就越多.所以如果溫差大塑料就會比溫差小時冷卻得快.一旦塑料冷卻下來了這個△Τ將會越來越小實際應用時這點可不考慮.
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3.3熱導率熱導率是材料將熱量由熱的地方向冷的地方傳導的速率的度量.不同材料的熱導率是不同的它們的實際值可在參考書上查到.模具設計者要考慮塑料和模的熱導率.塑料一般是熱的不良導體不同塑料的導熱情況可能有很大差別.然而在大多數情況下我們可以忽略這種差別.重要的是模具設計者必須意識到接觸模腔的塑料層比模具材料的熱導率要低得多.這層塑料構成了塑料主體與冷卻速率的影響要大得多.對於厚壁制品或有孤立區的制品孤立區較厚且不能進行適當的冷卻的模具設計考慮這一點至關重要.模具材料的熱導率同樣很重要.由于實際的原因成本強度耐磨性易切削__性模具一般都用鋼材來制造.用于模具制造的不同合金鋼的熱導率是不同的.但除非在特殊的應用場合這種差別並不重要.作為一種典型薄壁制品是一個特殊扣應用情況.因為塑料太薄在冷卻時其隔熱效應上文所述就變得微不足道了.這樣有效地將熱量從模腔壁上帶走就變得很重要.這可能意味著要引進比鋼材的熱導率更高的模具材料如-銅合金.這樣冷卻管道的數量和尺寸比原先通常布置的情況更貼近成型表面.這些解決辦法都會增加模具的成本但是可以大大提高生產率.
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3.4熱焓任何材料溫度的升高都需要一定數量熱量能量的註入.升高相同的溫度所需註入的熱量對不同材料來說是不同的.要使塑料達到成型測試就要對它註入一定的熱量.熱伴隨著塑料進入模腔為使塑料回復堅硬狀態以便頂出這些熱量還需要從塑料上移走.熱量通過模腔壁向外散發主要進入冷卻介質----其他一部分輻射到空氣中去了一部分傳導到註塑機本身.出於實用后兩項可忽略不計我們僅考慮冷卻介質.設計者對上述情況必須有清楚地了解.舉例來說對于很少運轉運轉一次也僅生產幾件樣品的試缺點模具來說可能就不需要任何冷卻因為註射的實體及其熱焓與使模具實體熱起來所需的熱量相雙已顯得微不跳道.在這一點上我們應該明白熔化塑料所需的熱量與要熔化的塑料質量成正比.由于冷卻從已成型的塑料上帶走的熱量應等於註入到塑料中的熱量.這里假定了料的溫度和頂出的制品溫度是相同的.但大多數情況下制品在上當熱時就已被頂出因而化它還包含著塑化時所加入的一部分熱量這些熱量將輻射到工廠的周圍的空氣中去.設計者還要認識到非晶態塑料如PS乙烯基樹脂ABS等溫度的升高和開始熔化與所加熱量成正比;溫度的下降與冷卻介質帶走的熱量成正比圖13-
8.結晶型塑料如PE尼龍PET等在達到一定溫度時需要一定的熱理來熔化晶體而塑料的溫度不會升高.只有在晶體完全熔化成了非晶態塑料后溫度的增高才與所加熱量成正比圖13-
8.冷卻過程也類似.冷卻經過塑料的結晶區時熱量釋放但塑料溫度保持不變.只有過了結晶區塑料才能進一步地冷卻.對於實際情況來說這意味著熔化一定量的結晶材料比熔化同量非晶態材料所需加入的熱量能量多因此結晶材料冷卻進需移走的熱量能量也多.
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3.4冷卻水的流動影響冷卻水從模具中流過的因素很多.從模具上要帶走的熱量正比於塑料與冷卻水的溫差△Τ.只有被加熱的冷卻水流走並有新的冷卻水流入模具才會被冷卻.因此我們主要考慮冷卻水的流動及其影響因素.一般來說下列因素影響冷卻水的流動:進水管與出水管間的壓力差ΔP;水道橫截面積;水道長度及其設計布局;冷卻介質的粘度;冷卻管道狀況;雷諾數.1供水管與出水管壓力基本上兩者間存在著壓力差ΔP.出水管壓力一般稍微高於大氣壓強---只要足以保證冷卻水流回水源蓄水池.通常模具入口的供水壓力為
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0.58Mpa.壓力越高水的流動越好這是理想的但出於實際原因工廠采用這樣的壓力範圍.2水道橫截面積很容易理解大橫截面管道與小模截面管道相比可以使更多的液體通過.流動速率大致與水道直徑的平方成正比也就是說Φ10mm水道的流量大致是Φ5mm的4倍102=4×
52.3冷卻管路流動長度的作用是線性的就是說流動的阻力與水管長度成正比.然而除極少數情況外長度的影響可以忽略.因為除非是在特別大的模具中一般來說一個模具水管的總長度並不太大.在冷卻管路交匯處發生的流動方向的改變增加了流動阻力從而減緩了冷卻水的流動.當量長度是指例如90∘彎曲的流動最普通的相當於一定長度的直流路徑.當量長度取決於水管直徑和水的流量.切記流動方向變化很少有利于冷卻水的流動特別是對小橫截面的水管更應該注意這一點.4冷卻介質粘度盡管從理論上來說冷卻介質的粘度會影響其流動特別在含有高比例防凍劑或其他添加劑時但實用時其影響可以忽略.5冷卻管道的狀況冷卻管道上的污垢和污染會嚴重影響冷卻效率.很容易理解這些沉積物會對冷卻系統的作用構成雙重不利影響:首先沉積物減小了水道的橫截面積因而減緩了冷卻介質的流動;其次一般來說沉積物的熱導率比模具材料低得多從而減少了從塑料傳遞給冷卻介質的熱量.在使用小冷卻管道圓的或扁的時這一點尤為重要.這些小水道應設計成可以不時進行清理的結構.6雷諾數Re不涉及理論來說這個無量綱數是水道中流體速度水道直徑單位密度和單位粘度的冷卻介質對冷卻效果影響的度量.研究發現當雷諾數超過3200時由水道壁向冷卻介質的熱傳遞效果可得到很大改善.低于3200我們稱之為層流;高于4000稱之為紊流.很多計算機程序運算結果所推荐的理想的雷諾數是Re4000Re_____則更好.在示意圖中圖13-9可看出在層流中只有貼著水道壁的冷卻介質可將熱量帶走而其余的流體只是流過水道.在紊流中由於渦流作用使得冷卻介質都參與了冷卻.雷諾數間接受水道表面狀態的影響.表面越粗糙雷諾數就越高這是產生良好冷卻效果所希望的.然而這種粗糙表面也會助長腐蝕和利於沉積物的滯留.一般地冷卻水孔應采用鉆削__並且最好用一層鍍層來防腐如化學鍍Ni處理ENP或者選用不銹鋼模具零件以達到防腐的目的.模腔和模芯以及鑲件上的冷卻管道必須產生紊流狀態.在大直徑的水道內流動可能成為層流但這些大直徑水道主要是用來為實際的冷卻管道分配冷卻介質實際冷卻的水管小得多可以提供所需的紊流.
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3.4流道系統熱流道或冷流道系統對模具的冷卻產生不同的影響.在冷流道系統中從注塑機注嘴或從熱注道到模腔的塑料必須以類似於所成型制品的冷卻方式進行冷卻.這樣一來冷流道可以同所成型制品一起被頂出.因而冷流道所在的模板必須進行冷卻以免過度延長冷卻周期.然而這些模板也要避免過度冷卻以保証在冷流道凝固之前塑料能夠充滿模腔.必須在冷流道尺寸它影響流進模腔的塑料流量和冷流道周圍冷卻量它主要取決於冷流道的塑料量之間找到適當的平衡.一般來說冷流道在能滿足適當充模和保証流道能正常頂出的情況下應盡可能地小.這也降低了冷流道周圍模板冷卻地復雜性.在熱流道系統中從注塑機注嘴到模腔之間的塑料都保持熱態熔融態.包括塑料流道的歧管系統必須保持在一定溫度下使塑料在到達模腔的路徑中既不損失也不獲得任何熱量.因為歧管和相關的熱流道部件都是由周圍的模板夾持的只要有一些熱量跑到模板上都會使模板升溫.這樣一來就使這些模板必須進行冷卻.熱流道系統設計得越好散失的熱量就越少但散失的熱量怎么也不會小到可以忽略的程度.
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3.5模套的溫度設計者必須考慮對組成模具的所有模板進行恰當的冷卻這些模板的功用就是用來支撐和固定模腔和模芯容納流道系統冷和和熱的和頂出機構包括側型芯機構等並提供正確的定位.正如前面所講模具上的大部分熱量是通過對模腔和模芯的冷卻而移走的但一部分熱量卻傳遞到了支撐模腔和模芯的模板上特別是熱流道部件周圍的那些模板還有一部分傳遞到了注塑機的壓板上從那兒又輻射到工廠的空氣中.兩個半模必須保持基本相同的溫度它們之間如存在溫差將會嚴重影響導柱和導套或錐體鎖定裝置的定位從而造成這些部件或模具本身的快速磨損.欲知詳情請參見第
14.4節的舉例.在很多情況下模腔模芯冷卻水的供水管路往往鉆在模板上為這些模板提供了一定的自然冷卻.但如果冷卻水是直接供給模腔的通過軟管且導柱及導套安裝在未冷卻的模板上設計者必須保証這時兩個半模間沒有過大的溫差.有時模腔和模芯間不可避免地存在溫差.典型的例子就是設計和制造注吹模具時對模芯加熱來保証在吹塑前型丕處於熱態而對注塑模腔和吹塑模腔卻要進行冷卻.除了對各個模板出於定位的要求要進行良好的冷卻外加熱部件的支承和安裝必須進行很好地隔熱處理以減小其向冷模板的熱散失.
13.4冷卻通道的設計
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4.1鉆孔通道與其他通道以及模壁間的距離關于鉆孔通道間的距離沒有固定的規則可循只是利用一般常識.以下幾點實用的建議會有所幫助.
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1.1鉆孔長度鉆孔越長鉆孔偏斜就越大.這里我們建議在鉆長孔時所鉆的孔離其他的開口至少應有6mm的間距;對於短孔L≦6D來說這一間距有4~5mm就足夠了.使用槍鉆可以很大程度上減小鉆頭的偏斜.出於強度方面的考慮間距不宜太近特別在淬硬鋼中更是如此.如果截面上的X太小如圖13-10A~C成型過程中所產生的應力可能會相當高.孔內的腐蝕可能會造成應力集中點和鋼材裂紋可以參閱第十八章.而在模具鋼熱處理的淬火過程中在這些很薄的地方熱裂紋可能會發生擴展.
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1.2鉆頭尺寸使用標准的通用的鉆頭尺寸.
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1.3配合尺寸在孔端部用標准的配合尺寸:設計者可以考慮采用國家標准的管螺紋NPT與配件或O型圈螺紋與配件.1管螺紋及其配件對於直管件接頭其與障礙間的最小距離由緊固管接頭和軟管配件的扳手大小來定.這兩個扳手不一定是一樣大小.對于彎管接頭要考慮將其擰進模具零件時所需的轉動空間.對於插接形管接頭就沒有這種問題.我們必須注意管螺紋的外徑要比鉆孔孔徑大.在緊固時施加很大力的情況下由於__螺紋時所產生的缺口和插接接頭的插入動作的共同作用如果鉆孔周圍沒有足夠的基體材料該力將會將鋼材撕裂如圖13-11A.為了提高密封的質量在攻絲前孔的管螺紋部分應進行錐形鉸孔螺紋孔的尺寸大時更應如此.標准的錐度是每邊約為
3.5∘如圖13-11B.2O型圈配件有時用O型圈配件來代替錐管配件.這種配件比較昂貴鉆孔和槽形__成本因為更高的精度要求也偏高.但用這種配件至少有兩個優點.因為螺紋不帶錐度緊固時就很少有插入的動作所以孔的位置可以離模壁或其他孔更近.很少會漏水特別是在振動的情況下如將軟管接到運動的滑板上等.這種配件在液壓油壓歧管上很常見但在冷卻連接上很少用到一般來說這種方法不推荐.
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1.4冷卻通道間的距離冷卻通道離成型表面的距離和冷卻通道彼此間的距必須加以考慮圖13-
12.有關這一方面的建議是以理論為基礎以產生最佳的近乎均勻的表面溫度為目的.然而這里提供的距離公式在很多情況下不適用但應該明白冷卻通道的表面越近接近冷卻通道的表面的冷卻效果就更好而通道間的間距也要更小.如果冷卻通道之間靠得很近冷卻就會更加均勻但冷卻通道的增加會增加模具的成本並且對冷卻介質流量的需求可能不需要會更大.推荐的距離為B≒
2.5~
3.5D以及A≒
0.8~
1.5B.
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4.
1.5模具材料的強度模腔或模板必須承受注射時塑料產生的各種力.這些力非常大可達到
137.3Mpa在薄壁成型時可能會更高.此外這些力是周期性的即在每個成型周期內它們的變化是0→最大→
0.在循環力的作用下鋼中安全的許用應力必須控制在模具材料屈服應力的10%以下.如果遵循圖13-13給出的推荐數值對鋼就不再需要計算應力.而對於其他材料和其他比例必須計算應力以避免不希望出現的情況發生諸如產生塌陷或表面裂紋.在圖13-13A中推荐尺寸為S≧L且A≧
0.66L.注意這是適用於矩形通道的.如圖13-13B所示的圓形通道的結構相當堅固S可小到
0.6L.
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4.
1.6冷卻通道的效率圖13-14A和B中的冷卻通道的橫截面積以及離成型制品的距離相等然而圖13-14B中有效冷卻表面的3倍.原因在于:A中靠近成型面的冷卻通道表面約是B的3倍;B通道只有一邊直接與模腔鋼材相接觸並且熱量要穿過模腔鋼材與下面模板的接觸區.此接觸區域的熱導率即使在最理想情況下幹淨的金屬加載狀況下也只有整體模板的50%.一般來講這意味著冷卻通道應盡可能設在與塑料接觸的模具零件中而不設在與之相鄰的模板中.
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4.2模板中的冷卻設計及尺寸確定模板冷卻首先要考慮的實際問題就是模板是否真正需要單獨冷卻.熱量源在哪里由于對模腔和模芯的供水流經模板是不是已能產生充分冷卻如果模腔和模芯僅是通過相鄰的模板的接觸來冷卻的話這樣的模板通常是托模板必須得到良好地冷卻並與模腔或模芯保持良好.模芯或模腔在裝入模板時與模板的接觸必須由足夠數量的固定螺絲或緊配合來保証或兩種方法同時采用.模板冷卻應考慮的其他方面:布局簡單;對稱性;保證均勻冷卻所需的冷卻回路數.通常模板的冷卻體現了下列各方面的綜合考慮:模板尺寸和注塑機上可用空間;模板上所用螺絲的大小與數量;導柱和導套的位置和尺寸;最佳冷卻效果;成本.
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4.
2.1模板尺寸和注塑機上可用空間冷卻設計尺寸常因注塑機壓板的尺寸和拉杆的位置而受限制.這一點在決定冷卻管路的進出口位置時很重要.
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2.2螺絲的大小和數量將各模板連成一體以及固定模腔和模芯的螺絲的大小和數量取決於如下幾個力:開模力和熱膨脹造成的扭曲變形力.開模時將模腔和模芯的拉開特別是在充模過度時的拉力可能相當大這種情況最典型的是發生在成型深的制品時比如脫模角很小的容器.熱膨脹造成的扭曲往往發生在大模板以及大而平整的模腔和模芯上所以應采用數量足夠布局合理的螺絲來防止由於模板的扭曲變形而導致的模板或模腔的分開以及冷卻回路的滲漏.在這個區域無需作綜合考慮.模板不分開不出現滲漏模具就能正常運行可通過估算模板的分開力來確定螺栓的強度.
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2.3導柱和導套的位置和尺寸導柱和導套的選擇與模具冷卻無關但它們的位置會影響冷卻系統的設計布局.
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2.4最佳冷卻由於上述基本原則中所概括的可能的限制條件和其他可能的限制條件理想的冷卻是不可能實現的.但富有創意的設計者可以設計出提供最佳狀態的冷卻布局回路.
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2.5成本很明顯成本受冷卻回路復雜性的影響.正如引言所指出的所有的設計參數都必須考慮它所能提供的冷卻質量與其所耗成本.就上述各點而言如何進行綜合考慮這就是設計人員的責任.
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4.3串聯冷卻和並聯冷卻冷卻介質像任何液體一樣總是沿阻力最小的方向流動圖13-15所示是一個典型的串聯冷卻布局.這種流動僅取決於進出口之間的壓力差△P和通道的阻力.通道越長阻力越大;通道直徑越大阻力越小.冷卻介質流經通道時從周圍的金屬中吸取熱量溫度升高.因而入口附近熱塑料與冷金屬間存在較大的△T的冷卻效率比出口此處冷卻介持已較熱附近的高得多.這就是為什么要建議進出口間的最大溫差要保持在5~6℃以下的原因.對於冷卻通道的並聯布局來說如圖13-16有一點很重要就是要求進出通道橫截面D要比並聯支管橫截面d的總和還要大.如果d與D一樣大冷卻介質就會抄捷徑從第一個支管直接流向出口使模板的其余部分得不到冷卻.記住冷卻效率不僅取決于△T而且還取決於流過每個流道的冷卻介質的多少以及冷卻介質所能接觸的面積.冷卻介質的多少又取決于通道的橫截面積.如果是圓形通道則它與d2成正比.接觸面積與d成正比換句話說就是所冷卻的面積只隨直徑增大而增大而通道的截面積即流量是隨直徑平方的增大而增大的.例如通道直徑擴大一倍流量會增加到原來的4倍近似但接觸面積只會增加1倍.這就是為什么在流經系統的冷卻介質流量相同的情況下許多小通道的總冷卻效率要比少數幾個大通道的效率好的一個原因見雷諾數一節.通道鉆孔尺寸的選擇還要考慮盡可能采用標準鉆頭尺寸的要求.圖13-17所示是並聯-串聯混合型冷卻管路布局的示意圖並給出了一種計算各支管相對尺寸的相當簡單的方法.在此例中支管的數目N1N2N3分別是126其直徑分別是D1D2D
3.為了求得兩個較小通路的直徑D2D3的近似值可用下面的公式:式中D1=入水管直徑且12mmD150mm.為了便於__D2D3應最好大于6mm.並聯-串聯混合型冷卻在很多模具上都有應用.例如所有模板可能都用串聯冷卻但模腔和模芯可能采用串聯冷卻和或並聯冷卻.采取何種冷卻往往取決於以下幾方面:所要求的冷卻質量;可用的空間;模具材料的強度;注塑機上能提供的冷卻回路數量;簡化安裝對冷卻回路的數量要求.
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3.1模板中的導流塞冷卻通道通常采用鉆孔或鏜孔的方法__的因此其截面為圓形通道的入口處一般裝上管接頭或用塞子堵上.模板中為了形成冷卻劑的流動路徑鉆孔往往要相交這往往出現在同一鉆孔平面上.但在某些情況下常需將鉆孔中心線進行偏移.重要的是要保証從一個孔到另一個孔的通道不對流動產生限制並保証除去偏心交匯處的鉆孔毛刺.圖13-18所示的是典型的模板局部圖端部:孔端堵上塞子導流塞引導著流動方向.圖中所示的是導流塞安置方法是最常用的.導流塞通過銷子或螺絲緊固在一根杆上或直接焊到上面去.杆是用來保証導流塞處於正確位置的.這種方法費用低廉並且標准化的市售配件都可以買到.但這種方法的缺點在於它們往孔內安裝時必須很松才能安裝上.而模具用了一段時間后孔的表面會逐漸地被沉積物和鐵銹覆蓋導流塞又很難抽出進行清理.圖13-19所示的是導流塞的另一種安裝方法它不存在上述的抽出問題.導流塞所處的位置是其中心線與冷卻通道的中心線大致相交處只要導流的直徑和長度選得比通道的直徑略大就可以完全阻住流動.導流塞上的螺紋孔便於其取出.模板的側面裝一個塞子切斷了導流塞與外面的連通因而消除了潛在的滲漏.圖13-20所示的是圖13-19的一個變形在模板厚度不夠用來__管螺紋或擰塞子時就采用這種方法.導流寒直徑比要堵的孔的直徑略大且其端部至少要超過1mm的水孔插塞子的孔必須光滑入口的倒角是安裝時對O型圈起保護作用的.在圖13-19和圖13-20中導流塞與其所在的孔的配合必須是滑動配合h6H7以保証塞子容易取出.這兩種方法的費用要比杆和導塞方法稍微貴一些但在不想使用或不能使用杆和導流塞的情況下常用這兩種方法可參看第
22.13節關於模具的鉆孔.圖13-21所示是為了避免裝導流塞實際常采用的從模板兩側鉆孔的方法.然而只有在還要從模板兩側占其他一些孔時才用這種方法這樣省下來的額外的機器裝夾時間要比一個導流塞值錢得多.圖13-22所示是當冷卻管路穿過孔洞如安裝導柱或導套的孔時鉆孔的處理情況.冷卻水孔的中心線並不絕對要與孔洞的中心線圖示情況是尋套的孔相交.示意圖中已有了明確的解釋但必須記住設計中要應用有關冷卻介質流動和模具材料強度的所有規則.圖13-23所示是有時用來繞過障礙物導柱等所采用的方法.因為這種方法需要額外進行鉆孔.平底擴孔和斜角攻絲要比直角90∘鉆孔貴得多除非沒有其他解決辦法可用時才采用.
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4.4三板式模具中的流道與模腔板這種模板的冷卻屬于特殊情況因為這種模板里既含有流道到模腔去的下沉式流道又有模腔.流道和下沉流道的冷卻要和模塑制品的冷卻一樣快以免延誤頂出.這一點很重要因為在大多數情況下下沉流道比制品的壁要厚因而冷卻較慢.此外在吸料銷的頭部燕尾周圍有一大塊塑料吸料銷是用來吸住流道和下沉流道的如果這個區域不能很好冷卻成型周期將取決於流道的冷卻而不是取決於制品的冷卻.圖13-24表示三板式模具的部分截面有分開的流道和模腔固定板.如圖所示流道模板必須進行冷卻特別是在下沉流道周圍.圖13-25所示的情況與圖13-24的布置相似不同的是這里模腔與流道在一塊模板上.設計者應在實際允許的情況下盡可能使冷卻通道靠近下沉流道以保証該區域的良好冷卻這種設計用在相對便宜的模具上短期運行且不打算更換或維修.而在制品的形狀不允許使用鑲件時也可采用這種設計.圖13-26所示的是扁平制品的成型.保証制品兩側都同等良好冷卻是很重要的.如果采用模腔和模芯鑲件因為有不平衡或不均等的熱膨脹必須保証鑲件和模板都得到良好冷卻.所有模板的熱膨脹都要考慮到.導柱通常裝在未加冷卻的墊模板上.因而要對模腔和流道模板提供足夠的冷卻以保証模板不發生膨脹從而保証在開模合模時導柱不受制約.如果這些模板得不足夠冷卻就必須對墊模板進行冷卻如圖13-27所示.吸料銷固定板和流道脫模板應盡可能設計得薄些由於模具的閉合高度重量和成本的要求通常不進行冷卻.如果墊模板旁有一個熱流道歧管則墊模板應該冷卻.
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4.5與模塑制品直接接觸的模具部件內的冷卻通道尺寸布置可以采用的模具結構種類是無限的這要取決於制品的形狀尺寸塑料期望得到的生產率和自動化程度.這里考慮的是對所有模具都適用的冷卻特性.根據模塑制品的形狀.可將模具分成最基本的三組.扁平制品如圖13-28A.兩側模腔與模芯形狀近似這組模具的典型制品有唱片光碟托盤蓋子試片等.杯形制品如圖13-28B.這組代表了模具中的大多數.模腔凹入模芯伸進模腔.這組模腔的典型制品有杯子水桶瓶蓋瓶丕磁帶盒等許多.扁平-杯形復合制品如圖13-28C.這組模具的制品為了冷卻結合了上兩組的特性其典型制品往往是一些技術用品線圈軸及有凸殼的盤子等.前兩組將作詳細的介紹以突出表明適當冷卻的特性.在第八章收縮中對這兩個特性已作了詳細解釋這里就不再贅述.在熱塑料進入模腔時它是熱的膨脹的並承受著一定程度的高壓力被壓縮.當注射停止塑料冷卻下來它就收縮到原先的較小的冷態體積;但同時壓力也減小了塑料的體積又有所脹大.通常在這兩種影響因素中收縮的影響較大結果是在冷卻時塑料與模腔壁脫離接觸但仍緊貼著模芯好像在模芯上收縮一樣這種狀態對模塑制品的冷卻有很大影響.參照上面的圖13-28A可看出扁平形制品在各個方向均可自由收縮.如果制品厚度相當小收縮與壓縮對與模腔模芯相接觸的扁平表面的影響也會很小扁平形制品兩面的冷卻效率也就會趨于相同.但在收縮時制品的長度或直徑將會減小.設計扁平形制品的冷卻時制品兩面得到同等良好的冷卻是很重要的.這可從圖13-29中看出來它表示扁平形制品一面冷卻較差的情況.為獲得較短的循環周期通常在制品的一面達到可以頂出的硬度時就立即進行頂出.在這種情況下冷卻效果差的一面要比另外一面更熱一些當制品在模具外冷卻時溫度較高的一面繼續進行收縮使制品發生翹曲.請注意雖然圖13-29是過分夸大的情況但它清楚地表明了扁平形制品如不進行均勻冷卻將會產生的結果.這一情況對於第三種情況如圖13-28C扁平形-杯形結合的制品來說也產生同樣的結果.有些情況模具中要求設計局部收縮量不同如生產快門蓋子.它的表面必須是平的但其緣口較厚冷卻緩慢從而為制品形成需要的反錐.這樣的前束可用冷卻量和冷卻時間來進行控制冷卻時間越長前束越小.現在我們參照圖13-28B運用同樣的收縮原則可以看到冷卻時制品發生收縮並緊貼在模芯上同時脫離與模腔壁的接觸.在提高了模芯冷卻效率的同時也就降低了模腔的冷卻效率.結果模腔的冷卻不能像模芯的冷卻那樣有效.對於薄壁制品模腔與模芯冷卻效率的差異並不十分明顯因為冷卻時間很短.制品收縮貼到模芯上保証了在頂出時能停留在模芯上.模腔與模芯應進行同等良好的冷卻.對於厚壁制品情況就不同了.制品在冷卻時脫離與模腔壁的接觸因而模腔冷卻效率會有所下降.這樣成型周期將主要取決於模芯的冷卻質量.可惜這里情況很不理想因為比制品大的模腔可以很容易找到窨布置冷卻系統而模芯則困難得多模芯越小冷卻越困難.模芯的最小形式可能只是一個小銷子.設計者的任務是要找到一個途徑為這樣一個小模芯既能提供最大的冷卻效果又能使模芯有足夠的強度承受模塑中的周期性載荷.這種載荷可能會引起模芯斷裂彎曲和塌陷.正如所有的設計問題的解決一樣最后的答案都是冷卻效率與材料選擇以及模具零件形狀之間的綜合考慮.這些描述不但適用於模芯而且適用於模芯鑲件和側型芯可動的.成型的周期時間取決於整件制品冷卻因而制品上任何冷卻效果不良的部分都將是影響模具生產率的關鍵性因素.因為模腔和模芯的冷卻形式有無窮多種所以就不再講述具體的模具冷卻設計.有許多書專門講述了一些典型設計但設計者要謹慎參閱不要肓從.對於某一種制品和某一種材料適合的設計對類似制品和另一種材料來說就不一定適用.在模仿任何設計之前盡可能進行研究以確定所示的冷卻是否有潛在的問題.
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5.2模腔模芯鑲件澆口套和脫模板的冷卻這種冷卻適用於與成型制品相接觸的所有模具部件.下面描述的是適用於任意制品扁平形杯形或兩者的復合形的一些具體因素和安排並配以示意圖來突出顯示這些結構.1串聯串聯-並聯和並聯冷卻設計串聯冷卻圖13-30A所示的是串聯冷卻的布局.只要有足夠的流量來保持入口與出口的溫差△T約為5℃這種設計就沒有太大的爭議且這種設計制造起來簡單便宜.串聯-並聯冷卻圖13-30B所示的是類似模具進行串聯-並聯冷卻布局的情況.供水管和回流管必須比支管粗以保証每個支管中的流量相等.這種方法要鉆更多孔但其冷卻效果比串聯冷卻要好多用於多腔模具的冷卻.如果模腔太多供水管應盡可能進行分支以便更為均勻地供水如圖13-31A所示.如果供水管可做得足夠大也可采用圖13-31B所示的冷卻布置.應該明白模腔和模芯側的冷卻布置不一定要相同.往往模芯進行並聯冷卻很容易但對模腔來說就很困難.常用的方法是模腔采用串聯或串聯-並聯冷卻模芯采用並聯或串聯-並聯冷卻.因為在大多數模具中除了生產薄壁制品和平碟形制品的模具模芯的冷卻比模腔的冷卻更重要所以這種方法可被廣泛接受.模腔和模芯也可通過冷卻墊模板進行間接冷卻這種方法較便宜但這種模具的運行要比模腔模芯分別冷卻的模具運行慢.然而有許多情況通常是需要許多鑲件的工程制品在它的模腔或模芯體內提供冷卻不現實或不可能因為它的模腔或模芯往往不僅含有許多鑲件而且含有固定螺絲頂杆以及為澆口供料的下沉流道.這些組合體常用的冷卻布置是在每塊部件四周布置冷卻水管而中心部件和鑲件的冷卻卻主要是通過與冷卻的墊模板的接觸來實現.並聯冷卻圖13-30C所示的是一種典型的並聯冷卻布置.只要支管尺寸的設計可以保証對每個模腔或模芯的流量相等則所有的模腔就都能獲得同等程度的良好冷卻.這種布置最有效也是最昂貴的.在高生產率高速成型中如生產薄壁一次性使用的制品時並聯冷卻總是第一選擇.因為制品壁薄從模腔和模芯上帶走的熱量必須很快才能縮短成型周期.冷卻極差的模腔總是制約著成型周期的長短;在每一模腔和模芯的入口處提供溫度相同的冷卻水的並聯冷卻.是最有效的冷卻系統.水道中的節流器有時用節流器來保証通過各並聯支管的流量相等.一般來說如果水管的尺寸原先設計得好可以不用節流器.然而這種情況並不總是可能的節流器可能是更正不良流動狀況的唯一途徑.圖13-32所示的是一個簡單有效的固定節流器的設計.注意:優先采用固定節流器而不采用可調節流器不是因為它簡單而主要是因為其可避免非專業人士對其作調整.節流器的尺寸在試運行時慢慢放大實現最佳的模具冷卻后不再作改動.注意:節流器一般安插在水道支管的出口端以保証冷卻水流的背壓.這樣也能保証水管里的冷卻水可以與水管壁完全接觸.模板與模板間水管的密封一般在密封處插入O型圈進行密封這適用於模具中的所有位置.冷卻回路中所用的所有O型圈密封都認為是靜密封.O型圈槽的尺寸和粗糙度是采用O型圈制造商提供的標準.O型圈可進行平面密封和周向密封.平面密封O型圈置於平整的表面間在模板連接時會受到壓縮.圖13-33A表示常用的布置.在O型圈槽與冷卻水管之間要留有一定的材料至少1mm.圖13-33B所示的是在O型圈槽與冷卻水管間沒有足夠的空間來留出一定材料時采用的一種方法.O型圈槽底部要__出斜度止O型圈滑進冷卻水管.這種方法經常用在液壓回路中.__O型圈槽特定形狀的工具已有商品出售.圖13-33C所示的是一種不能采用的不良做法的例子.在這種情況下O型圈可能會吸進冷卻水管並被冷卻水帶走.圖13-34A所示的是用一個普通O型圈密封兩個或更多水管的布置.這種方法可以采用因為水管間的滲漏是可以不予考慮的.它的缺點是O型圈圍起的潮濕的區域會發生銹蝕.如果這成為影響使用壽命的因素.模板就應鍍鎳或選用防銹材料.潮濕區域內的螺絲必須用O型圈密封以防止螺紋銹蝕.如圖13-34B.在這種情況下可以采用類似於圖13-34A的布置方法.周向密封O型圈置于圓柱形的表面間在鑲件安裝時它將受到壓縮.主要問題是裝配時O型圈可能會受到損壞.例如必須對安裝模腔鑲件的鉆孔的尖銳邊緣進行倒圓或倒角以防O型圈裝配經過此處時受到損傷.圖13-35表示的是采用兩種直徑把鑲件裝入模板的正確方法.D2較大以保証槽1中的O型圈不受壓縮並在插入的過程中在快到裝配孔端頭時也碰不到孔壁或是進水管2的入口.倒角3使D2平滑過渡到D
1.在凸緣的__必須有一定的圓弧並且在孔邊的要有倒角
6.鑲件在孔內的精確定位區域----4和5要保持幹燥以免銹蝕可參見第
22.12節.2扁平制品的模腔和模芯一般認為扁平制品的模腔和模芯是完全相同的如唱片平板測試片等或其投影響面積的大部分區域是平整的表面並在冷卻后仍保持平整.任何冷卻布置必須保証從所成型的制品兩面帶走的熱量完全相同.在下列情況下做到這一點有些困難.在三板式模具或熱流道模具中澆口區是熱量額外輸入源.頂出機構不管是脫模板還是頂杆都會與冷卻水管爭奪空間.固定螺絲需要密封以防滲漏.鑲件和或成孔銷的存在造成很難實現對稱均等平衡的冷卻布置.模塑制品的厚截面處理要與制品設計人員討論讓他明白這些因素對模具的生產率會造成怎樣的影響.在制品中作一些簡單更改如去除芯部或改用加強筋就可以減小壁厚並提高所設計模具的生產率.扁平模腔或模芯可用下面三種基本方式來提供冷卻水圖13-
36.圖13-36A所示的是直接從外部通常從邊緣處供水的模腔體內的冷卻水通道.這僅適用于模腔少的情況.圖13-36B所示的是通過墊模板內的水管帶有密封供水對模腔體進行冷卻的情況這是常用的布置方法.圖13-36C所示的是鑲入的模腔體圓形.圖中所示的完全扁平的制品很少用這種結構但對於小型扁平制品或杯形制品卻是常用的.模腔體通過其周向開設的環形槽進行冷卻.冷卻水經過模腔固定板進出.用O型圈防漏.將冷卻水分成圍繞模腔體的兩個對稱水路其流動方式與圖13-30A~C所示的類似.重要的是分到每邊的流量要均勻.有時流動方式像一個希腊字母Ω也就是進出水管排列很近并且只有一支水流流過大約周向的80%.環形冷卻槽里設置導流塞來引導水流環繞鑲件流動.扁平模腔里冷卻回路的布置安裝扁平模腔體時必須用足量的固定螺絲將其牢固地固定在墊模板上.這些螺絲的布置不能嚴重影響冷卻水管的布置和對稱性.設計者必須對所用螺絲數量大小位置以及冷卻水管的位置進行綜合考慮.如果采用開式通道如見圖13-37A必須用O型圈或塞子來防止冷卻水通過螺孔發生滲漏如圖13-37BC所示.塞子所需空間較少但這樣螺絲會處于潮濕狀態時間長了會發生銹蝕使拆卸發生困難.下面列舉幾種常用的模具模腔或模芯的冷卻回路.選用何種冷卻回路通常由設計者決定並且還要取決於現有的模具__設備和所期望的模具生產率.通常要求冷卻效果越好制造模具就越復雜越昂貴甚至要使用十分復雜的設備.圖13-38所示的是經常使用的同心冷卻回路.圓形槽在車床或銑床上就可以很容易地__出來.跨接水道是采用銑床__的.如果環形槽是車削__的就必須插入導流塞如圖所示來引導水流.對于銑削__來說如果圓周上僅銑出約330~340℃的槽就可避免使用導流塞.但銑削要比車削慢.這種冷卻可以采用但沒有螺旋回路圖13-39效果好.圖13-39A所示的是典型的單螺旋回路.可用仿形銑機床或數控__中心__在數控__中心上可以確定螺旋槽數.圓形槽和單螺旋槽的缺點在於入口對澆口來說是不對稱的.圖13-39B所示的是典型的雙螺旋回路.在這種設計中冷卻水的入口對稱地布置在澆口兩側可以比單螺旋回路提供更好的冷卻.螺旋回路的數量和它們間的距離取決於模腔的尺寸材料的強度螺絲的數量尺寸和位置.采用銑削__的槽子可以讓設計者將冷卻通道繞過螺絲.但在苛刻的成型條件下這會影響所需的冷卻均勻性.圖13-40所示的是大型扁平制品簡單的冷卻布置這種設計很常用.它設計簡單費用低廉但它有缺點.在所有模具中冷卻水要從接近澆口處流入然后向制品的外側擴展.這很容易理解因為塑料在進入模具時最熱同時這個位置的冷卻水也是最冷的△T最大所以此處塑料將較快地釋放出更多的熱量.同時當料流被模具冷卻時其在模腔壁間向制品邊緣推進將變得很困難因而為了更易於充模在接近塑料流徑末端的地方應提供弱一點的冷卻.前面所述的內容適用於任何形狀的模具模腔不管扁平與否.圖13-41所示的是兩種常用的冷卻布置其冷卻水入口與澆口更近但其成本也較高鉆孔導流塞塞子在這兩個示意圖中都略去未畫.3杯形制品模腔的冷卻模腔通常采用下面兩種形式:模腔鑲入一塊模板中模腔固定板;裝在墊模板上的組合模腔.就冷卻而言這兩種方法的主要區別在於向模腔體或鑲件提供冷卻水的方法不同.對於較淺的制品磁帶盒等這兩種方法就沒有多大區別如圖13-36所示.下面的例子講的是深制品如瓶蓋杯子一般的容器管形瓶和瓶丕.模腔鑲件鑲件用於生產瓶蓋管形瓶瓶丕等制品的模具上制品常是圓形通常模腔數很多.圖13-42表示的是三種最常用的設計的剖面圖.模腔固定板為模腔提供冷卻.注意:三板式和熱流道模具的墊模板必須進行冷卻;冷流道----__式澆口----模腔的墊模板不需要冷卻.冷流道邊緣澆口也同樣不要冷卻這里沒畫示意圖.在固定板中設置冷卻水管雖說成本低廉但效果不太好這從圖13-43中可以看出所示為模板在水管處的剖面圖.這種設計可以為模板的自身提供相當好的冷卻但從模腔傳出的熱量必須通過模腔插入模板形成的接縫此處產生了一個熱屏障此外模塑制品的四周到冷卻水管的距離也不等.再者模板區域也沒能很好利用.模腔間距至少在一個方向上比其本來應有的間距要更大以便為冷卻水管提供位置.但這種系統簡單不存在滲漏問題.這種設計已成功地應用於低生產率模具在此通過犧牲部分冷卻效率而換取模具低廉的成本.另外對於厚壁制品模腔壁的冷卻通常沒有模芯冷卻那樣重要.圖13-44所示的是經常使用的更好的設計方案.模腔鑲件四周的環形槽將冷卻水流分成兩支所有支管的截面積總和等於或小於鉆孔四周可能不止一個冷卻槽進水管和回流管也可能不在同一層上如圖13-45所示.在環形槽和鉆孔管路上銑削連通槽並用導流塞來引導水流使其按要求的方向流動.生產管形瓶和瓶丕的模腔可以使用比圖13-45還要多的冷卻回路.有時用螺旋回路來代替環形回路這就免除了從一環到一環之間要銑削連通槽以及插入導流塞.通常用得較多的是冷卻水從模腔的閉端接近澆口處進入然后流向模腔的開口端.這通常可使用並聯冷卻進水管設在上層出水管設在下層如圖13-46A.對於串聯冷卻在一支管路上有兩個或兩個以上的模腔由於實際的原因各個模腔的入水口是交替式的就是說冷卻水從頂部進入一個模腔然后從底部進入下一個模腔如此等等如圖13-46B.如果溫差△T能控制在不超過5℃圖13-46所示的兩種布置都是很好的.並聯冷卻中的水槽的截面如圖13-46A必須比串聯冷卻的小如圖13-46B這樣在兩種布置中從進到出的總流量都是一樣的從而所有的模腔都可以獲得同樣多的冷卻劑.圖13-47表示的是雙螺旋冷卻.進出水管都在同一層高度上.圖13-47A是串聯冷卻圖13-47B是並聯冷卻.如前面所解釋的那樣並聯冷卻水槽的截面必須小一些.有時模腔鑲件采用鉆孔水道進行冷卻.如果模腔鑲件里的模腔產偏置的就可用這種方法冷卻這樣可以為薄壁制品提供所需的最佳冷卻.本例中所討論的制品是一次性使用的帶把杯子如圖13-48A圖13-48B是其冷卻水管布置的示意圖.還有其他一些可能的冷卻水管布置方法也常用.選擇最合適的布置是設計者的責任設計者要常常牢記在模具成本合理的前提下為每個模腔提供適當的足量的和均等的水流是最基本的要求.定位用定位銷或鍵來定位模腔鑲件以保証模板上的冷卻水管與鑲件的冷卻通道准確對接.配合與間隙圖13-49所示的是有兩種不同配合的剖面圖.A和C指的是模腔鑲件在模板上的定位部分這種配合必須是緊配合但不是壓入配合以保証其在模板中的准確定位.典型情況下孔徑為基准尺寸+
0.010~+
0.015mm模腔鑲件外徑為基准尺寸-
0.005~-
0.010mm.B采用松配合每邊可有
0.015~
0.045mm的間隙.這種間隙並不太大不會讓冷卻劑產生大量的流通但可以保証鑲件在模具長時間運行后仍能容易地取出.出於同樣的原因也不需采用O型圈來分開模腔和澆口套的冷卻回路.節流孔節流器圖13-49所示的節流器是用來保証通過所有並聯支管的流量均等的可能辦法對於分流問題這並不是一個好的解決辦法.主要的原因是環繞模腔的水道中的流動由於節流器的插入而減慢了這還導致雷諾數和冷卻劑效率的降低.因而最是計算好並準確確定為所有模腔模芯提供均等流量的水槽尺寸可參看
13.
4.
4.
2.1節.組合模腔組合模腔通常是指圓形方形或矩形模塊固定在墊模板上每個模塊包含一個模腔但有時也可能是包含兩個或更多的模腔的組件.組合模腔冷卻水的供應.用軟管供水這種方法一般用於模腔模塊數量不多時通常是1到4件更多的情況很少用.其可能的優點是可以避免在墊模板上鉆孔而節約成本還可以使墊模板做得更薄些----減輕重量以及降低閉模高度.此外它還可以實現對每一模腔分別進行流量控制但經驗表明這沒有必要.它的明顯缺點是大量的軟管使模具顯得很雜亂使模具難以接近並且安裝這些軟管也需要大量的時間.一個很顯著的例外就是每個模塊里都開設永久通道並連接到裝在模具邊緣的歧管上的情況.但這樣連接的模腔數受到模塊排數的限制超過兩排中間的各排將不易或者根本就不能與外側的管路相連.通過墊模板供水采用鉆孔連接用O型圈密封.在墊模板上交叉鉆孔將供水管及支管連接起來進入模腔的水流既可布置成串聯冷卻也可布置成並聯冷卻.對組合模塊進行冷卻有下面兩個常用方法.i模腔是鑲入的組合模塊與模腔鑲件的固定板類似這種布置用在需要有最大冷卻效率的情況如生產一些薄壁容器的情況.ii交叉鉆孔組合部件上模腔四周的鉆孔應盡量對稱.有兩種不同的基本方法a和b皆可使用.看下面的例子.a.冷卻水管與分型面平行圖13-
50.在方形模塊中只能采用方形鉆孔.在圓形模塊中鉆孔方式既可采用方形也可采用六邊形.就冷卻而言六邊形要比方形好一些如圖13-50B和A.采用幾層冷卻通道時層與層之間的連通豎管采用垂直的鉆孔並在需要的地方設置導流塞鉆孔的入口用塞子堵住.這些連接孔可能會產生額外的不均勻冷卻.而在多數情況下保持模塊的溫度平均均勻才是重要的.b.冷卻通道與分型面垂直或冷卻通道與分型面近似成直角.兩種方法中選用哪一種要取決于所要求的冷卻效率.第一種方法較便宜;而第二種方法冷卻效果較好特別是對容器制品較深的模腔很適用但實際上並不是總能達到實際效果或者可能也不必要.這種冷卻通道布置通常用於較大的深模腔並需要最好的冷卻如生產薄壁容器的情況這時兩種方法的區別才很重要.在圖13-51A冷卻通道與分型面成直角因而離制品封閉端塑料較遠離制品的口緣較近.這種冷卻效果沒有圖13-51B和圖13-51C中的好但通常來說已夠好了.這種方法是三者中最簡單的它沒有復雜的角度.在圖13-51B中冷卻通道與模腔壁錐形容器桶等平行與分型面成一定角度這種布置可在整個模腔長度上提供更好的更接近模腔的冷卻水這是一個常用的方法.在圖13-51C中冷卻通道從模腔壁中岔開這種專利的方法很少采用但在接近制品封閉端澆口處的冷卻要求較高而開口端冷卻要求較低以促使塑料流到開口邊緣的情況下可以考慮采用.注意:為了簡化上面的示意圖在每塊模塊中只表示出了6對曲曲折折的鉆孔.鉆孔的數量可以並且往往都很大這需取決於模塊的尺寸以及所需求的冷卻質量.4模芯冷卻扁平制品扁平制品的模芯冷卻基本上與模腔冷卻相同.然而如果頂杆要從冷卻通道間穿過時模芯冷卻難度將會增加.如果冷卻通道是銑削__的見圖13-37頂杆要像螺絲那樣用O型圈密封以防滲漏見圖13-34和圖13-37B.在正對澆口處設置額外的冷卻點往往是必須的且也是能做到的特別是在冷卻回路鉆孔或開水道不能設置得離澆口區太近的時候更需如此.這種冷卻點使用起泡器來實現.圖13-52顯示了扁平制品組合模芯帶有鉆孔通道和一個起泡器的典型的冷卻布置.並聯冷卻是較多采用的布置方法即每一個模芯由一個共用的供水管供水由一個共用的回流管將冷卻水排出.圖13-52A中的起泡器與下文圖13-53中描述的一樣采用一個管子噴頭引導冷卻水流向澆口區然后由管子的外側流回.如果設計者僅考慮對正對澆口的小區域進行冷卻可采用圖13-52B中所示的較便宜的布置.這種布置還允許在一個冷卻通道中以串聯方式安裝多個起泡器導流板或分流板一個扁平片與塞子固定在一起重要的是要保証導流板在起泡器中取向合適以提供所需的流動.在這種方法中導流板左側和右側的流道必須與模板中的鉆孔通道保持一致串聯冷卻.杯形制品杯形制品根據尺寸可劃分為三組:小制品管形瓶瓶蓋瓶丕等中制品杯子小型容器等和大制品桶盒子等.小制品的模芯.由於這些制品的尺寸通常是圓形但並非圓形不可太小冷卻的選擇受到限制.在多數應用中采用起泡器對其進行冷卻是可行的並使用常用的冷卻介質----水.然而有些情況由於尺寸的原因而不能使用水將采用后面介紹的其他的方法.圖13-53A和B所示的是細長的小模芯中的起泡器的典型布置.要遵循下面的要求.孔內管子的穩定性特別是對長模芯在管子外加上支腳或使管子的端部向外擴成喇叭形使管子處於鉆孔的中心位置是很重要的.圖13-53B中噴頭供水的內部面積A至少要等於管子外徑與模芯內徑間的環形面積F最好比F大.如果忽略了這一點管子周圍的冷卻水的流動將不是對稱的因而不能對制品進行均勻冷卻.如果冷卻水離模芯的外壁很近即離塑料也很近時這一點顯得尤其重要.圖13-53C所示的是一種固定管子的解決辦法使冷卻水沿著一個螺旋通道回流這里管子的面積A必須等于或大于螺旋水道的面積F.長模芯的不均勻冷卻對制品的影響在圖13-54中可示意性地看出不均勻冷卻的影響.制品在沒有完全冷下來之前就頂出.較熟的一邊在頂出后將繼續收縮而較冷的一邊則不收縮或很少收縮這樣就形成了一個彎曲的制品即成了”香蕉”狀.值得注意的是由於制造工藝較差或塑料充模不均勻使模芯移位造成制品成型時壁厚不均勻其影響結果與上面的情況類似如圖13-54B.由於厚截面t1的質量大其含有的熱量也比較薄截面t2的多在頂出后它將繼續收縮並使制品沿箭頭方向發生彎曲.起泡器中的分流板這種類型的起泡器如圖13-52B可以滿足正對著澆口的模芯頂部區域的冷卻如圖13-52A但通常它不能用於長模芯的冷卻因為模芯的周向存在著先天的冷卻差別如圖13-55所示.然而如果不能采用其他冷卻或經濟上行不通就必須使用這種起泡器.圖13-55所示的是模芯內裝有分流板的流動形式的剖面圖.主流橢圓形流速較快.可以對靠近它的那部分制品進行較好地冷卻.偏流在靠近分流板拐角處流動較慢對制品的冷卻作用較小.注意對很多使用場合來說這種不均勻冷卻可能根本沒有影響完全可以采用這種結構.圖13-56所示的是一個小而狹長的杯形制品.圖13-57表示冷卻這種制品所采用的典型方法.圖13-57A所示的是裝有兩個起泡器的布置.圖13-57B所示的是一種常用的方法----兩個鉆削的通道往澆口區交匯只要兩個鉆孔間的閉端角不太尖銳這種方法對澆口區的冷卻要比用兩個起泡器的方法好.如圖所示冷卻水的主流將尋找阻力最小的路徑繞著兩孔交匯處較低的部分流動使接近澆口地方的冷卻水產生滯留現象.此外冷卻介質所接觸的通道表面積也要比其他兩種方法小.圖15-57C表示在同樣的模芯中開設冷卻通道的另一種好方法.但它需要在成型表面上堵塞一個通道通常將塞子燒焊或錫焊在模芯上這會在表面留下痕跡.在有些制品中這樣的缺陷是不能接受的.O型圈的放置.在三種冷卻情況下各個水道中的O型圈都在圖中給出了示意.O型圈對減少該區域受到的腐蝕能起到很好的作用.然而在小模芯中沒有足夠的空間來安裝兩個O型圈必須用一個O型圈將兩個通道都圈在一起.極小制品的模芯“小”與”極小”制品的區別很難定義但根據所講述的冷卻我們認為如果用常規冷卻劑以及交叉鉆孔或起泡器都不能對制品進行冷卻時就是”極小”制品.模芯的強度和起泡器內冷卻管的現有尺寸常對冷卻設計產生限制.對模芯鉆孔將會:降低抗撓曲剛度但僅是相當少的變化記住:剛度與模芯外徑的四次方或模芯外徑下內徑四次方之差成正比;降低在注塑壓力下的破碎抗力.皮下注射用的不銹鋼針頭可以用作起泡器內的小供水管.然而在其他問題變得突出之前供水管的尺寸究竟能小到什么程度也有一個極限.如冷卻水中的污染它要求對供水管進行經常性的清洗.實用的替代方法可能要用到其他冷卻介質如壓縮空氯二氧化碳或氮氣.冷卻受這些氯流的影響不大因為帶走熱量的氯體質量單位時間很小但當壓縮氯體在這種情況下從噴嘴進入較低的大氣壓空間將會產生深度的冷卻效果.曾經有人建議模具的一部分或全部改造成類似於冰箱上使用的”蒸發器”.例如液態的致冷劑在壓力作用下可以輸送到模具中並通過噴嘴進入模芯在那里進行迅速膨脹因而可以對模具進行冷卻.已變成氣態的致冷劑通過通道回到壓縮機中在那里重新變成液態通過冷卻器后再冷被泵吸入模具.這是一個完全封閉的回路存在的主要問題是每次換模要進行連接密封及充氣工作這將引起嚴重的環境問題.另外專利冷卻系統LogivacTM主要適用于細長的模芯如生產筆筒用的模芯.模芯的端部與模腔接觸或進入模腔以形成管形制品.冷卻劑從模芯中流過然后進入模腔不再回到模芯中去.流動是在真空條件下進行的所以當模具打開時不會有冷卻劑滲漏.這種系統在很多應用中都發揮了它的優點.有時還有一種方法就是使用冷空氣射流從模具外面正對著模芯冷卻的方法.這在回轉式成型中更突出例如當一套或多套模芯在成型區外長時間處於等待狀態時采用.極小模芯冷卻的其他方法與鑲件冷卻相似將在后面進行討論.上述小模芯的冷卻方法給設計者提供了許多可以杈衡的選擇方法設計者要考慮該選何種方法.有時幾種方法結合使用才是解決某一問題的正確答案例如將交叉鉆孔水道與設置起泡器兩種方法結合使用.中等大小制品的模芯.中等大小制品是指那些模芯較大用生產小制品的一個簡單的起泡器無法進行冷卻的制品.這類的典型制品是杯子容器等.形狀可以是圓形橢圓形矩形或異形其成型深度一般在開口端直徑的一半到兩倍的範圍內.一般原則.澆口所對的區域必須進行恰當的冷卻.供給模芯的冷卻盡可能首先引入對著澆口的區域然后再去冷卻模芯的其他部分.如果由于某種原因這種方法實現不了應在澆口區設置一個__的起泡器.對模芯的其余部分也要提供足夠的冷卻.有很多為模芯提供冷卻的辦法選擇哪一種要取決於所要求的冷卻效率.一般來說薄壁制品高速成型時要求冷卻效率最高因為賦予模芯冷卻的時間極短並且單位時間的塑料總量又很大.在這種情況下超常的冷卻費用是合理的.厚壁制品和帶凸台的制品不能進行快速冷卻通常不需要精心設計冷卻布局.只要回路中有足夠的冷卻能力在設計的循環時間內將熱量帶走模具就能很好的運作不必把錢浪費在過於復雜的冷卻布置上.通過模芯進行排氣請參看第十一章.在繼續下文前必須講一個模具中非常重要的特性----在頂出過程中杯形制品內部的排氣.這在高速成型中是絕對必要的.在高速成型中成型制品只要硬到能夠承受頂出時所加的力就要立即進行頂出.排氣與模具冷卻有何關系在模芯內部布置通道時必須留出空間來開設排氣銷和或排氣縫以及在鉆孔通道或開式通道間開設連接氣路.還必須為密封用的O型圈留出空間以防冷卻水滲進排氣氣路中.下面幾個圖示意地表示了中等大小制品模芯冷卻的幾種例子.應該明白有很多方法可用來完成這些設計設計者應常回過頭參考文件中或一些參考書上好的設計例子.如果不允許模芯上有痕跡線一般就要采用單件模芯.內部的塞塊要用不銹鋼制造做成錐孔以便取出.圖13-58A是一種簡單設計類似於起泡器方法塞塊上的槽子可以是螺旋式的也可以由一些圓形槽構成其間用銑槽連接並用導流塞引導水流以形式所需的流動形式.這種方法便宜但冷卻效果不太理想可參見圖13-
14.槽C的截面要等于可小於B的截面.B與A之間的關系要取決於由A處供應水的並聯冷卻方式所冷卻的模芯數如果模芯采用串聯冷卻則A=B=C.模芯中塞塊的配合是一輕度滑動配合.間隙F每邊=
0.010~
0.015mm.圖13-58B是圖13-58A的一種變形其冷卻效率得到了改進但費用較高.通道的截面和模芯內塞塊的配合與圖13-58A中的相同.圖13-59所示的是這種設計的一種變形.在前兩例中冷卻通道離成型表面的距離在模芯開口端要比在模芯封閉端遠而在本例中距離保持不變.有關通[首截面和配合的使用仍與上圖相同.圖13-59B示意地表示了為獲得均勻流動環形槽的連接及導流的情況.圖13-60所示的是一種不同的設計----水槽與模芯壁平行這是效率比較高的方法但制造成本很高.水槽是采用EDM方法__在模芯內側在模芯強度允許的范圍內水槽應盡可能貼近模芯壁並彼此靠近.C的截面總和要等于或小于B的截面以保証冷卻水流過所有的槽子.這種設計在高速成型一次性使用制品的模具中已得到成功應用.用四到六個輻射槽將供水管與一個圓形分流槽G以及水槽C連通圖13-60AC.模芯的頂部由R區支承.槽C之間在頂部靠得很近在底部離得較遠因而冷卻效果的變化是理想的.然而由于R區較小所以只有極小的空間來布置排氣銷.在圖13-59和圖13-60的設計中錐形塞塊采用緊貼配合對支撐水槽之間和R區上的模芯有利兩件模芯設計在成型薄壁制品的高速模具設計中有特殊的意義.有許多不同的設計但所有的設計都為了達到同一目標:在成本合理的條件下實現澆口正對區域和沿模芯壁的良好冷卻.還要考慮模芯側面或底面的合縫情況.圖13-61A所示的是一個廉價的設計它曾經成功地應用過但不值得推存.用輕度的壓入配合來固定鈹銅頂部鑲件.冷卻水的壓力不會大到將其沖掉注射的壓力可以使其保持在原有位置.圖13-61B和C所示的是一種有效的冷卻設計這種方法很常用但有兩個缺點:用來提供冷卻水和將頂部固定在模芯上的螺紋管承受巨大的應力需要經常更換;分流槽D使鈹銅鑲件的中心強度降低.注意在上述兩例中經過中心B的流量至少要等于通過所有通道孔C流量總和.圖13-62表示了克服上述兩缺點的冷卻布置.在中心處用固定螺栓代替管子來固定頂部頂部通常用但不一定必須用鈹銅合金制造如圖13-61B和C.流過通道孔C的冷卻水被分成兩組如圖13-62B:第一組包含四對__回路C1和C2圖中僅表示出了一對第二組僅包含兩個回路C3和C4圖中僅表示出了一對.這樣一來頂部開有四個孔在與澆口正對的區域交匯同時側壁仍有12個水道冷卻.前面介紹的例子是為了向設計者表明在設計模芯冷卻時有很多方法可用因而可能總存在著更好的解決方法.在所有的情況下設計者必須考慮模具的排氣冷卻通道的數量及其離模芯壁的距離和它們彼此間的距離.必須為氣道排氣和必須安置的O型圈留有足夠的空間O型圈是用來防止冷卻水滲漏到氣路中以及模芯外側.兩件模芯的另一種布置是用來生產相對較平的制品如容器的蓋子它需要很有效地冷卻.這種制品往往是用PE或PP制成的這些結晶型材料具有較高的熱焓.這些制品一般都薄壁並希望高速成型因而每小時要__大量的塑料.材料收縮較大包緊模芯有利于熱傳導.圖13-63表示的是一個模芯端蓋的典型設計.這個零件通常用鈹銅合金B-25制造以求良好的導熱性.在大制品中端蓋有時用壓鑄制造但這倦會存在錛造孔隙的問題.如果可能最好用實心冷拉棒材或鍛制棒料機__制造.螺旋通道與前面所講的扁平制品相似.圖13-64所示的是模芯端蓋設計的一種變形.凸緣P很薄用鈹銅合金來制造要冒一定的風險.鑲件可以采用圖13-64B所示的形式進行交叉鉆孔.請注意幾條曲曲折折的水道匯聚在接近澆口區的布置方式.此外只要使用鈹銅端蓋脫模圈座就只能設在模芯的鋼基體上而不能設在鈹銅合金上.大型制品的模芯.中等大小制品與大型制品間並沒有明顯的界限.適用於中等大小制品的方法同樣適用於大型制品.如果存在明顯的差別那就是成型的速度不同.大型制品由於壁較厚成型速度往往較慢.盡管成型的制品較重但每小時注入的塑料量卻較少這並不是說冷卻就不重要了.盡管生產大型制品的模具要比生產小制品的慢但冷卻不好肯定會使情況更糟.圖13-65表示了用於大型制品的一種典型的端蓋.冷卻水在用銑槽連接並安有導流塞的同心水槽里從制品的中心螺旋式流向制品的邊緣排氣通過排氣銷來實現.許多大模芯特別是不圓的大模芯為了冷卻要進行交叉鉆孔並要在澆口對區域設置起泡器.如果鉆孔的入口能被恰當焊合或能用壓入式塞子堵好交叉鉆孔是非常滿意的.這里容許制品在焊合處出現跡線.5鑲件的冷卻從冷卻角度來說我們可以將鑲件定義成小模芯.鑲件可以位于模腔里也可以位於模芯里.不論在哪種情況下它既可以是固定的也可以是可動的.選用鑲件而不在實體中__出所需的形狀是因為在模具完工后可以方便地替換損壞的銷子和改變鑲件的形狀或大小.通常如果不帶走熱量鑲件由於塊小其溫度會升得很快.只要尺寸允許鑲件就可以采用交叉鉆孔或起泡器進行類似小模芯的冷卻可以使用常規的冷卻劑或是氣體前面已作過描述.在有些應用場合可以考慮使用”熱管”.然而通常如果有足夠空間安裝”熱管”的話也就能安裝起泡器起泡器的冷卻效果要好得多.有時用鈹銅合金制造鑲件這有助於將鑲件上的熱量帶走.但這種材料的低強度和高磨損卻是嚴重的問題.鈹銅合金的導熱率是鋼的4倍但它的彈性模量E只是鋼的1/2它的抗沖擊性能比工具鋼低得多.固定式鑲件圖13-66給出了鑲件冷卻的幾種典型例子.圖13-66A中鑲件通過向設置冷卻的模板進行熱傳尋來實現冷卻.圖13-66B中所用方法稍微好些它采用冷卻水從鑲件基座流過的方法對銷子進行直接冷卻.圖13-66C中在鑲件基座中設置一個起泡器並使其盡可能接近鑲件.而在圖13-66D中起泡器則完全設置在鑲件內這是最有效的冷卻方法但鑲件的尺寸和強度可能不允許這樣做.如果打算對鑲件進行內部冷卻如圖13-66C和D重要的是必須保証鑲件內部的小水道能獲得足夠的流量.如果需要必須篩供附加的冷卻回路.鑲件不良而導致冷卻的不利后果是要使鑲件在每次注射后完成冷卻必須延長成型周期.否則在制品其他部分已適用於頂出了鑲件周圍的塑料還沒有達到足夠的冷卻.過早地頂出會破壞鑲件所形成孔的形狀典型的情況是一些熔融的塑料會形成拉絲或/和堵塞這些成型很差的孔.可動鑲件包括側型模芯可動鑲件可以設置在模具軸線上像二組頂出那樣.這些鑲件在開模時必須從塑料中退出;鑲件也可以通常但並不一定與模具軸線成直角就象模腔和模芯中的側型芯那樣它們與固定式鑲件的冷卻原則是相同的.復合鑲件有些鑲件會安置在另一些鑲件內或是幾個鑲件並列地固定在一塊.關於它們的冷卻沒有一定的規則.其冷卻完全取決於制品的設計和鑲件特殊冷卻的可行性.如果模具由於非同尋常的冷卻布置而變得太復雜的話它可能太昂貴以致無法制造和維修.較好的解決辦法可能是犧牲一些冷卻效率接受一個較長的循環周期.圖13-67所示的例子是一些常見形狀鑲件的冷卻.設計者應該知道給出所有可能的鑲件或模具形狀的例子是不可能的.圖13-67A表示有柱狀冷卻通道的柱狀鑲件采用在兩處W焊接的方法在鑲件周圍形成了一個柱狀套.冷卻水從底部鉆孔通道供入必須注意使用槽或導流塞來防止冷卻水出現滯留穴以實現正確的流動.圖13-67B給出了類似的設計但它是為了避免焊接冷卻通道是從底部曲曲折折鉆上來的.圖13-67C所示的是用交叉鉆孔和焊接一個塞子來冷卻典型的扁平葉片的情況.如果不允許焊接就要從底部曲曲折折地鉆孔圖中未表示.6澆口套的冷卻澆口套是模腔中的一個鑲件包圍著澆口區.這個區域由於下面所列的原因將作特殊描述.在熱流道模具中一直到澆口處的塑料都是處於熱態的.對開式澆口非閥式澆口在制品冷卻時澆口必須要凝固.如果該區沒有正確冷卻澆口將不會凝固關閉.在開模時熱塑料就會從澆口中滴出.在薄壁制品中這樣的滴料已能導致不合格制品出現或使注塑機停止工作.在閥式澆口模具中閥杆的尖梢用它來關閉澆口必須進行冷卻以便正對澆口區的那部分制品能夠有時間進行固化.閥杆的冷卻是通過與冷卻的澆口套接觸來實現的.在三板式模具中較粗的下沉流道的熱焓必須很快帶走以便在制品滿足頂出要求時流道和下沉流道也會冷到能夠被頂出的程度.為什么要使用模腔澆口套鑲件對有些制品來說不允許使用澆口套在模腔鑲接處留下跡線.這樣一來模腔必須對澆口區提供足夠的冷卻通常是通過交叉鉆孔或用環形水槽來實現.然而需要用澆口套有如下幾點原因.澆口的磨損盡管有時可用焊接和重新__的方法來修理損壞的澆口但一般來說更換較小的澆口套要比更換整個模腔更為經濟.澆口套的材料可以與模腔材料不同例如為了改進冷卻效果澆口套鈹銅制造而模腔用的還是淬硬的模具鋼.在一些特殊情況下澆口套也可以用耐磨性較高的工具鋼而模腔卻使用另外的較軟的材料如鑄造鈹銅預硬化鋼.排氣高速模具的模腔排氯與模芯排氣同樣都很重要.澆口套鑲件四周的環形排氣狹縫很容易制造和維修.可實現差異冷卻不必采用__的澆口套冷卻回路通過對通道尺寸的設計或在模具最初調試時使用節流器作永久性的調整就可實現模腔和澆口套冷卻的合理分配.這消除了對澆口套和模腔冷卻回路進行__控制的要求.並可通過將所有的冷卻關閉一小段時間避免由於澆口過冷引起的啟動問題.圖13-68A表示的是含有冷卻槽的澆口套.圖13-68B和C表示的則是含有交叉鉆孔冷卻通道的澆口套.圖13-69所示的是另外一種鉆孔形式它使冷卻通道可以緊靠澆口.這種形式類似於模腔的冷卻如圖13-51B和C所示.這些設計還有許多變形選擇最合適的布置就是設計者的事了.
13.5供水管路軟管的尺寸和數量直到現在我們僅考慮了各種模具部件的冷卻.現在我們要縱覽一下整個模具.單層模具由裝有模腔的固定半模注射側和裝有模芯的活動半模頂出鍘組成.迭層模具有一個附加的浮動模具部件該部件含有兩層模腔並處於靜模和動模之間靜模和動模上各帶有一層模芯.特殊模具如用在有轉位式梭式或擺動式模板的注塑機上的模具要使用兩套或更多套注射或頂出的模具部件.在所有這些情況中冷卻的”進””出”管路都必須與每個模具部份進行連接.這些冷卻管路必須足夠大以便為每個模具部件提供所需的足量的冷卻劑.我們可以從經驗中得出或計算出每小時所需的冷卻水量見第
13.6節每小時冷卻水量與每小時模具中所__的塑料量成正比.沒有哪個地方曾建議或暗示我們必須對模具中的每一冷卻回路進行單獨控制.因為我們現用的方法已在實際上運用了多年.這里存在一個問題:我們需要重新考慮一下連接方法.不要在注塑機上或注塑機附近用歧管將大量的軟管連接到模具上否則軟管就像”灌木叢”一樣既難看又不實用.歧管可做成模具部件的一部分專門提供冷卻水重要的是與這些歧管相連接的軟管的尺寸必須足夠大以便為各分支回路提供所需的總流量.這些歧管可集中在模板中__為通向模腔或模芯的各個水道提供冷卻水;或者作為輔助歧管一般由鋁制成用螺栓固定在模板的側面並用O型圈密封或用固定的外部管子與模板中的鉆孔通道連接.這種方法的優點是如下幾個方面.將每次更換模具時必須連接的軟管數降到最低:每個模具部分僅有一個”進口”和一個”出口”.這樣可以降低軟管的總數.例如引言中所講的模具軟管數可由52個降到4個.很少有需要這麼多軟管連接的模具有12到16個軟管的模具很常見.關於使用大量軟管的爭議往往在于操__可以使用閥分別對通向各個模具部件的冷卻水的流量進行調節.運用模具中熱交換的知識通常可以計算出冷卻通道的尺寸和各種冷卻支管的冷卻分配率.在很少的情況下使用固定的節流器在最初試模時進行調整.之后則只對模具實施”進行冷卻”和”關斷冷卻”兩種操作.模具操__不能改變冷卻流動形式.一個模具要經過安裝連接啟動和運行四個階段.模具的冷卻十分重要不能留待那些不懂得冷卻要求的人去作調整.如果冷卻操作中出現問題如通道堵塞模具就要進行修理了.自動模具安裝.這是一個很重要的問題即使軟管數量很少但軟管連接到模具上仍會占去大部分安裝時間.當每個模具部件僅有兩個管路時連接還可以做得更快特別是使用”快換接頭”的時候連接就更為方便快捷.模具移動到位后安裝就相當容易了甚至可以實現自動化.可接近.制品自動裝卸需要在成型區下面放置傳送帶或引出裝置需要從模具上部或后部進入成型區這一點尤其重要.氯路或電線連接也需要空間這些限制了可接近性.大量小軟管和接頭的實際成本和維護費用要比二個或四個大軟管和接頭的費用大得多.當然歧管也要增加費用但從總體來看最好還是使軟管數量最少.
13.6一副模具冷卻介質的需求量經常有人提出這樣的問題:一副模具需要的冷卻介質量為多少L所需的冷卻介質溫度為多少需要制冷機嗎這種模具需要多大的制冷機這種模具的冷卻管路要多大
13.
6.1引言一副模具就是一個熱交換器.在注塑機料斗到注塑機注嘴的路途中加到塑料上的能量以熱能和電能的形式被用來將塑料從室溫Tr增加到注射所需的溫度Ti.這些能量以熱量形式在模具進行冷卻時必須從塑料上轉移走以便最終制品變得足夠硬能被頂出.如果我們假定沒有熱量因輻射和傳導從注塑機上散失那麼用於塑化的能量的實際量就可以測出和計算出.對於這些計算要考慮的幾個重要方面是:擠出機加上二組注射系統中的注料筒所用加熱器的實際功率kW.每一次循環中用於擠出機塑化樹脂和用於加熱器驅動馬達動作的實際能量用kW表示或更準確地說在一小時的操作中注塑機處于”循環狀態”時即不作進一步調整的運行和生產所用的實際能量用kW表示.這樣的計算通過讀取電動機的電流對電力驅動的擠出機是相當容易的.這對液壓馬達驅動的螺杆來說就困難了因為液壓泵與螺杆液壓驅動馬達間存在著能量損失.用加熱器加上電動機的全部連接負載而不考慮它們”關閉”的時間這樣的計算肯定是錯誤的.因為大多數能量可通過螺杆驅動馬達提供給塑料僅有一部分由包著擠出機機筒的加熱器來提供.它們之間的比率很大程度上依賴於擠出螺杆的設計螺槽的結構螺杆設計得越好需要機筒加熱提供的能量就越少.注意熱流道系統歧管和注嘴加熱器中的熱焓不可加到這些計算中去.在設計良好的熱流道系統中它的加熱器僅用來維持從注塑機注嘴到澆口間的熔體溫度使用大額定功率的歧管和注嘴加熱器的原因是為了使模具從冷狀態快速啟動.如果模具處於運行中則加熱器只需使用它們額定功率的10%在快速運行的模具中甚至要將其全部關閉.上面的測量和計算只能確定模具制成后的功率消耗和冷卻系統的熱負載.
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6.2輸入熱量的計算這里介紹的方法盡管非常精確但它取決於一些主要通過用相似的模具和塑料生產相似的制品的經驗來假定的因素.估算的循環時間取決于:制品的形狀壁厚頂出方法注塑機特征合模速度注射速度和壓力塑料類型熔融指數熱焓量熱導率估算的冷卻效率取決:設計冷卻布置模具材料的選擇估計的注射溫度Ti制品頂出時的估計溫度Te冷卻介質的溫度和壓力模塑工廠的估計環境溫度例:一定質量的塑料從Tr加熱到Ti△Th接著在模具中這些塑料要從Ti冷卻到Te△Tc每個循環的塑料質量Ms注射量等於制品的質量Mp乘以模腔數n:Ms=Mp*n每小時的塑料總量Mh等於注射量Ms乘以每小時的注射次數如果用秒來估算周期時間tc則:Mh=Ms3600s/h/tc
13.
6.
2.1比熱容比熱容可用兩種方式表達.它是使一定質量的材料溫度升高1℃所需熱量與等量的水溫度升高1℃所需量的比值水的比熱為
1.大多數常用塑料的比熱在
0.25~
0.55範圍內.它也可用確定的單位表示可用BTU/1b·℉也可用cal/g·℃.一些重要材料的比熱容值在
22.11節給出.因為各溫度的比熱容不是定值一般用將溫度從
14.5℃升到
15.5℃得到的此熱容值來確定.1卡cal就是將1克g水從
14.5℃升高到
15.5℃所需要的能量1cal等于
4.1868焦J.對於其他形式的能量換算可參見
22.13節.例:一PS制成的制品Cp=
0.34質量為35g它是在一個16個模腔的模具中在6s的周期中模塑成的.注射量:Ms=35g/腔*16腔=560g注射次數/h:3600s/h/6s/次=600次/h模塑量/h:560g*600次/h=336000g/h或336kg/h熱量/h:336000g/h*
0.34cal/g·℃=___240cal/h=
478.3kJ/h每升高1℃這就是將該質量的塑料溫度升高1℃所需的熱能.因為塑料必須熔化才能注射所以它的溫度必須從室溫Tr=22℃升高到注射溫度的估計值Ti=280℃.其溫差△T=Ti-Tr在本例中△T=280℃-22℃=258℃.用△T乘以每小時塑料總質量升高1℃所需的能量就得到1h內塑料需輸入的總能量:478300J/h·℃*258℃=123401400J/h=123MJ/h1MJ=1/
3.6kW·h;因而所需的總能量為123MJ/h/
3.6MJ/kW·h=
34.17Kw
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6.3冷卻需要量為了使模塑制品相對較硬能從模具中取出加到塑料中的熱量必須在成型過程中被移走.上面所給的等式同樣可用在這里進行計算.在大多數情況下並不是需要將塑料冷卻到Tr只需降到一個合適的Te估計值.Te可以比Tr高很多只要能保証塑料硬到能夠承受頂出力並且熱態頂出后不發生變形即可.因而並不是所有加到塑料上的熱量都要通過冷卻水從模具中移走大多數殘留的熱量將散發到周圍工廠或倉庫的空氣中去部分熱量還通過模具和注塑機輻射到工廠的空氣中.頂出的熱制品在其完全冷卻下來之前仍繼續進行收縮這將會影響制品的尺寸在制品尺寸要求精確如容器與其蓋子配合的情況Te的溫度將是關鍵的.對收縮率大的材料PEPP等頂出后的收縮影響要予以特別重視.例:繼續上面的例子336kg熱塑料現在已成型為制品需要從Ti=280℃冷卻到安全的頂出溫度Te=50℃:△T=Ti-Te=280℃-50℃=230℃像前面一樣計算要從模具中移走的熱量:478300J/h·℃*230℃=1_____kJ/h=110MJ/h從冷卻水中移走的熱量是:這些熱量都轉移到冷卻塔制冷機或兩者結合使用的設備.110MJ/h/
3.6MJ/kW·h=
30.55kW在模塑和冷凍技術中熱量往往用”冷吨”表示其定義為將1t0℃的冰融化為0℃的水所需的熱量換算因子為:1冷吨=
3.516kW1kW=
3.41__tu/h在本例中我們需要
30.55kW÷
3.516kW/冷吨=
8.7冷吨
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6.4冷卻水的溫度要從模具中的塑料上轉移走熱量通過冷卻水流經模具並流回冷卻系統如制冷機或冷卻塔帶走模具進出口處的冷卻水溫差△T是根據過去的經驗來設定的.在許多情況下△Tc=5℃就是很好的選擇但有時也需要△T=1~2℃.在有些模具中△T可達到10℃這也是可以接受的.可參見第
13.
6.7節冷卻效率.冷卻水是很冷還是中等程度的冷並不很重要.從熱塑料轉移到冷卻水的熱量在很大程度上取決於注射的塑料與冷卻水間的溫差還取決於冷卻通道的設計模具零件材料的選擇.假定如上例Ti=280℃:冷卻水溫度Tc=5℃則△Tc=280℃-5℃=275℃冷卻水溫度Tc=10℃則△Tc=280℃-10℃=270℃這表示在冷卻的上限僅有大約2%的差別當在冷卻的下限即這時的塑料幾乎已完全達到在模具中的最終溫度估計50℃時頂出這時的差別是:冷卻水溫度Tc=5℃則△Tc=50℃-5℃=45℃冷卻水溫度Tc=10℃則△Tc=50℃-10℃=40℃這表示在冷卻的下限會有大約10%的差別.事實上使用較高的Tc僅稍微增加塑料冷卻需的時間在很多情況中使用很冷的冷卻水所增加的設備和動力成本被証明是不經濟的.
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6.5露點露點是空氣中的水蒸氣用相對濕度表示發生冷凝的溫度.工廠空氣中的相對濕度%越高露點就越高.如果冷卻水的溫度低於露點水蒸氣將會在冷卻水通道和模具上發生冷凝引起滴水和腐蝕.冷卻水溫度低於露點也會給成型帶來麻煩:假定空氣濕度較大冷卻水溫度低於露點在制品頂出后模具再次閉合前模腔模芯在極短的暴露時間內就會有大量的水滴在冷的成型表面冷凝引起制品上出現嚴重的斑點造成廢品.這實際發生在退螺紋式模具上在螺帽松開后模芯板在轉位和到達正確模塑位置之前會在空氣中暴露3s.有些時候模具能正常工作;另一些時候制品就報廢了.調查結果表明這些質量變化與氣候有關在幹燥的日子里生產的制品是好的但在潮濕的日子里就會出現問題.不管空氣的濕度如何只要冷卻水溫度升高幾度超過露點后一切就工作正常了僅有的犧牲是循環可能被延長約1s.
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6.6所需冷卻水的量使用與前面相同的公式來繼續進行計算但要倒過來使用並使用上面開始的例子.已知每小時要有1_____000J/h或110MJ/h的熱量從模具中移走.如果假定冷卻水進入模具時為5℃然后在模具中升高到10℃△Tc=5℃.本例中每小時需要多少升水呢1_____000J/h·℃/5℃=22000000J/h=加熱X升水所用能量.將其換算為熱量:X=22000000J/h/
4.1868J/cal=5254609cal/h因為水的比熱容Cpw等于1所以:5254609cal/h/1cal/g=5254609g/h=5254L/h水因為冷卻水的流量往往用分鍾來度量:5254L/h/60min/h=88L/min=
23.3U·S·gal/min這僅是些理論數值還必須將其調整為實際用量第
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6.7節冷卻效率有些方面的解釋.然而在討論效率前我們必須考慮一些有關上述冷卻介質水的理論值的注釋.如果在模具進出口處的冷卻水溫差△Tc選用
1.5℃來代替5℃則每小時所需的冷卻水量將以5:
1.5的比例增大即:
23.3U·s·gal/min*5℃/
1.5℃=
77.6U·S·gal/min=
293.7dm3/min如果△Tc選用10℃所需的冷卻水量會以5:10的比例減小即:
23.3U·s·gal/min*5℃/10℃=
11.65U·S·gal/min=
44.1dm3/min類似的原理也適用於頂出溫度Te.如果Te較高比如說60℃來代替50℃的話所需的冷卻水量就較少.相反如果Tc較低比如說40℃所需冷卻水量就較多.比熱容因子較高的塑料如PP和PECp=
0.50~
0.55所需的冷卻水量是PVCCp=
0.25等塑料的2倍.不同的塑料和其他一些材料的Cp值可參見第
22.11節的表22-3也可向塑料供應商核查.如果循環周期不是估計的6s上面的例子而是9s那麼每小時的注射次數將由600變為400這樣需要從模具中移走的輸入熱量僅為原先的三分之二.相反如果模具運行較快比如說周期由6s變為4s則每小時的注射次數變為900所塑化的材料應達到504kg即超出估計值50%因此這就需要每小時提供更多的冷卻水.
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6.7冷卻效率如果這里不考慮流過模具冷卻系統的冷卻水量的話從模具上移走的熱量的理論值實際上就是必須從冷卻水移走的熱量的真實值.但只有在從塑料到冷卻水的熱量轉移發生在限定的周期時間內時這才能確定冷卻水的正確用量.在冷卻布置很差的模具中熱量從熱塑料向冷卻水轉移得很慢冷卻所需的時間要比預期的數值及上述熱交換計算中所用的值大得多.在冷卻布置良好的模具中熱交換所需的時間可以大大縮短它可以等於預期值或更短因而可以使周期更短些.然而即使在一個冷卻布置良好的模具中希望用理論算得的冷卻水量在它流經水道時能在預期的周期時間內吸收所產生的全部熱量也是不現實的.因而所需的冷卻水量很大程度上取決於模具轉移熱量的冷卻效率Ecm.Ecm取決於模具結構和各種特性所選冷卻介質的化學性質冷卻介質的熱導率和模具中冷卻介質的速度和流動行為紊流和層流.注意冷卻水的流動速度主要取決於流入的冷卻水壓力與返回冷卻水源的回流管壓力之間的壓力差.概括說來冷卻效率Ecm受下列因素影響:模具材料熱傳遞;冷卻通道與成型表面的接近程度;冷卻通道的大小和平衡要保証所有通道能有效地均勻地從所要冷卻的區域將熱量帶走;冷卻通道的表面狀況銹污點;冷卻通道的流動類型紊流或層流本身又取決於通道的尺寸和進出口處冷卻介質的壓力差;冷卻介質的化學性質比熱粘度等.我們不可能對一個模具的冷卻效率Ecm給出一個確定值.我們僅僅知道伴隨熱塑料進入模具的熱量的確定值可計算出以及必須被冷卻水帶走的熱量通常要小一些的確定值可計算出.在實際操作中流經模具的冷卻水要比計算的理論值大得多.實際的Ecm可以通過測度不同的已造好的模具來確定首先要計算出對某種材料和周期時間所需的冷卻水的理論值然后在模具以限定的周期時間進入循環狀態時測量其所需的冷卻水流量這樣就可求得:Ecm%=Qc/Qa*100式中Qc=冷卻水的計算量Qa=冷卻水和實際量或:Qa%=Qc/Ecm*100繼續使用前面的例子計算得出的冷卻水量Qc=88L/min.假定Ecm=50%:88L/min/
0.50=176L/min=
46.6gal/min注意:冷卻水量的增加將會降低進出冷卻水的溫度差但如前所述轉移到冷卻水上的熱量仍與計算值一樣.
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6.8冷卻水的供應冷卻水供應的問題通常是模具要不要設置製冷機要用多大的制冷機.這些問題在這里將作出回答以便在關於這個問題上給設計者一些基礎知識.但認真的學者應該參看有關冷卻的專門文獻.如果供給工廠的水量充足溫度較低成本也較低就不需要使用制冷機.可以設想模塑工廠建在緊靠一個水溫低且相當衡定的大湖邊工廠可以使用大的抽水機來提供所需的流量但這是不太可能實現的.另一種情況就是利用”城市”供水來滿足溫度和流量的需要但往往成本太高.偶爾小型注塑機或實驗裝置可以使用這種方法但對於工廠一般來說這樣做是不切實際的.
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6.
8.1冷卻塔當熱水以小股形式瀑布般流過冷卻塔時它就會暴露在外面較冷的空氣中產使空氣從水面上吹過.這使得部分熱水發生蒸發蒸發如果不是全部則絕大部分模塑工廠都會使用冷卻塔冷卻並將水循環用於冷卻注塑機中的液壓油.在許多工廠中模具冷卻的總負荷並不高或供給模具的水溫變化要求不嚴模具也可以直接用冷卻塔水冷卻.在冷卻塔里蒸發掉的水必須由工廠水源城市供水或井自動地補足.通常是用一個大的貯水罐使其水位保持不變;或者將水存貯在塔旁的水池里它也可以通過蒸發作用對水進行冷卻.很容易用泵抽進大量的水使其流經一個或一系列的冷卻塔但冷卻過程還很大程度上取決於外界的溫度和濕度所以從冷卻塔來的水不能為模具提供所需的恆定水溫這些溫差在用於機器冷卻時通常是可以接受的.若使用水冷制冷機可以自動補償這些溫差變化.冷卻塔相當便宜要用電力帶動吹氣機通常是
0.373~
1.49kW的電機每個水塔有一個或多個和循環泵使工廠供水管路保持所需的壓力通常在
275.8~
344.7kPa.所需的水量越多水泵就越大.在許多模塑工廠並聯布置了許多水泵通常留一個后備泵以備負荷高峰時或其他水泵有一個停轉時使用使工廠不會由於一個水泵的停機而受到影響.每一個水泵電機通常是
22.37~
74.57kW.
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6.
8.2制冷機所有的制冷機都有以下幾種單元.一個冷卻系統.它把來自模具的熱量交換到”冷卻塔”的水中或工廠周圍的空氣中;一個循環泵.它為進入模具的已冷卻的水提供必要的流動壓力;一個控制台.用必要的傳感器開關和閥門來調整流量和溫度.制冷機基本上有:空冷制冷機和水冷制冷機常使用水塔水兩類.此外制冷機可劃分為兩個等級:專用制冷機即一個制冷機只為一副模具服務位於機器旁邊;__制冷機即一個或多個制冷機集中布置在一起為一組機器或整個模塑工廠提供服務.兩種類型專用式或__式既可是空冷的也可是水冷的.__制冷機多用水冷.在夏天空冷制冷機將熱空氣通到外面去;在冬天通入工廠的加熱系統中去.專用制冷機既可用空冷又可用水冷但通常如果其容量超過10t為了不給工廠空氣增加過多熱量就采用水冷.下面有一些支持和反對使用專用或__制冷機的理由.專用制冷機有如下優點.每個模具可以擁有自己的冷卻水溫.這可能是也可能不是真正需要的這種需求要認真考慮.一些制冷機裝有加熱器可以提供升溫的冷卻劑有時這是需要的如對ABSPC等.不需要昂貴的輸送冷卻水和回流的保溫管.在制冷機停機時僅有一台注塑機受影響.專用制冷機有如下缺點.注塑機上需要更多的電力.它們在工廠中占用注塑機處的空間增加了工廠的擁擠降低了注塑機的可接近性.__制冷機有如下優點.只要安裝正確完全停機的危險幾乎是不存在的.至少要有一個制冷機處于”備用”狀態以備別的制冷機停機時啟用.大多數工廠加上備用制冷機一般以並聯方式裝備兩個或兩個以上的制冷機.制冷機水泵和空氣壓縮機在遠離注塑機的中心位置有利於車間內的可接近性.只要規劃正確在不擾亂車間正常布局的情況下可以輕松地加入一些輔助設備.對於每吨冷卻輸出來說固定式的__制冷機要比移動式的專用制冷機成本低廉.__制冷機有如下缺點.需要工廠為其單設房間.管子成本很高.除了需要兩條管路為注塑機提供水塔水外還需要兩條保溫良好的管路使冷卻水在通過工廠的熱環境時產生的熱損失最小.所有模具使用的冷卻水溫度都相同模具溫度的調整只能通過調整冷卻水的流量來實現.許多有__制冷機的工廠還使用輔助的專用制冷機為一些模具供水以保証所有的模具在運作過程中都處於最佳的冷卻水供應狀態.
13.
6.
8.3所需制冷機的大小在前面的例子中需要
30.55kW或
8.7冷吨的冷卻容量在不同的制造商處制冷機有這樣一些標冷額定值:
35101520......等吨容量.此外專用制冷機還配備具有額定功率的循環泵電功率在訂購時確定如在預定壓力下有
0.
73511.
47122.
20632.
94251.
73510......等W馬力或gal/min的流量.每一個制冷機都有自己的表示泵容量壓力和冷卻容量之間關系的數值曲線這一點超過了本書的范圍.在決定要訂購多大的制冷機和泵時建議向該領域的專家進地咨詢.注意:關於制冷機的大小最好留一些保守容量而不是讓制冷機在其額定的功率下工作.還有另外一些熱量必須從模具和冷卻水中轉移走有如下幾種熱量.由熱流道系統輸出的熱量.前面已經講過熱流道的加熱器只增加很少的冷卻需求量.模具仍是冷的時候加熱器全部”接通”將流道內的塑料熔化.在這段時間內注塑機還沒開始操作注射裝置還沒有給出需要轉移的塑料的熱量.然而即使在模具操作過程中例如如果前面的例子中16個模腔中每個加熱器是250W而歧管加熱器總共是6000W則總容量是250W/腔*16腔+6000W=_____W=10kW.合理的估計是在模具運作時僅有10%的容量是”接通”的即將有1kW來自這些加熱器但與塑料上的
30.55kW相比還是一個很小的值.循環泵在泵水通過模具時也會給水增加熱量但這些熱量仍是相對很小的.對先前的計算數值加上25%的安全系統結果就差不多正好了.在本例中
8.7冷吨*
1.25=
10.87冷吨.實際上10t的需求可能差不多正好;否則就要選用15吨的.對於__制冷機
10.87t將加到工廠已有的容量上.如果沒有足夠的保留量就必須增加一個冷卻裝置來滿足這個需要並為將來容量的增加提供保留量.所有模具同時運作時總冷卻容量應該進行計算看看冷卻水的總需求量是否在__系統的制冷機容量之內這是工廠管理的一個很重要的內容.
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6.9冷卻管路的大小這不但在將水分配給注塑機並從注塑機中引出冷卻水的管路中而且在連接主通道與模具進出水的軟管的管路中都要考慮.詳細的細節已超出了本書的範圍但設計者必須明白管路----管子軟管配件和開關閥門----在設計時所有部件應該足夠大允許所需的冷卻水能按規定的量到達不同的冷卻回路中.在許多模塑工廠中視注塑機的數量而定從冷卻塔到注塑機的供水管路尺寸為
12.7~
20.32cm或更大;通向每台注塑機的分支管路尺寸取決於注塑機的大小為
2.54~
5.08cm或更大.制冷機冷卻水的管路的尺寸與此類似.回流管路一般比供水管路大
2.54~
5.08CM以保証這些管路內幾乎沒有背壓.背壓會影響冷卻水流過模具或注塑機的冷卻回路.。