模具设计第9章__温度调节与控制系统.ppt

第九章 温度调节与控制系统,内容简介： 本章讲述模具温度调节系统的功用；模具冷却系统参数的计算；冷却系统设计，包括设计冷却系统的原则、冷却水道在模具中的位置、各种类型冷却水道的设计； 加热系统设计（包括电加热、整齐或过热水加热、煤气及天然气加热等）； 模具温度控制器简介，包括模具温度控制器的作用和使用。,第九章 温度调节与控制系统,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。,重点： 冷却系统设计和加热系统设计。 难点： 冷却系统设计和加热系统设计。,9.1 概述,模具加热方法：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：常温水冷却、冷却水强力冷却或空气冷却等方法， 大部分采用常温水冷却法。,9.1.1 模具温度调节系统的功用,1 改善成型条件,2 稳定制品的形位尺寸精度,3 改善制品机械、物理性能 4 提高制品表面质量 表9-1,9.1.2 模具的冷却与加热,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。,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。,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。,9.2 模具冷却系统的计算,9.2.1 冷却时间的计算,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：,温差过大：冷却效果好，冷却不均匀,温差小：冷却效果不好，冷却均匀,9.3 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。,4 对于中、大型模具，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。,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1.13.3倍。,9.3.2 冷却水道在模具中的位置,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）,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)，,如果成型制品的镶件尺寸足够大,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),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的环形冷却水道。 图9-6所示 值得注意的是，这种冷却水道的结构要求在镶件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)。,型芯也必须设置必要的冷却水道。,如图9-8所示,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,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。 如图9-10所示,9.3.3 模板冷却水道的设置,型腔直接在模板上加工而成的，可以直接在模板上设置冷却水道。 如图9-11，图9-12，图9-13所示,冷却水道基本上围绕型腔， 其制品在成型过程中的散热效果比前两种排列要好得多。,冷却水道过长，入水口与出水口温度相差很大时，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。 如图9-15和图9-16所示。,成型零件是以镶件方式镶入模板，其冷却水道的分布,最好采用围绕镶件的方法。如图9-17所示,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。,图9-19所示，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。,9.3.4 型芯冷却水道的设置,图9-20所示，冷却效果均匀。 常用于尺寸较大的型芯。 注意：型芯侧面的水道封堵一定要平整,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。,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 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，但流动不够有力，其结果会导致对不同型芯冷却效果不均匀。,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。,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，可获得极佳的效果。,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，如图9-28所示。,细长圆型芯,通常直径小于6mm,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。,9.3.5 型腔冷却水道的设置,中、大型模具和尺寸较深的型腔，必须单独设置冷却水道。 如图9-31所示。,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。,9.4 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。,9.4.1 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，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。,1 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，电阻丝烧坏后也不便于维修。,返回,(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。,返回,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，使用寿命长，电热棒烧坏后也便于更换，同时使用中也比较安全。 电加热板中的插孔位置，应考虑塑件的顶出位置，同时要求尽量对称、等距、靠边，顶杆的布置也需照顾电热棒插孔而作适当的调整。,(3）电热套（圈）或电热片，即在模具型腔外围套上电热套（圈）或装上几块（24块）电热片，以补充模具上加热量的不足。在小型模具内部安装电热棒有困难时，也可采用此电加热形式。电热套应与模具外形相吻合，最常见的有矩形和圆形两种。矩形电热套由四块电热片构成，用导线和螺钉连成一体。圆形电热套也是通过螺钉夹紧在模具上，它可以制成整体式和两半式，前者加热效率好，后者制造及安装方便。如果模具外围有侧面型芯，不便于安装电热套时，可采用电热片，并用螺钉紧固在模具上。电热套和电热片都是用云母片绕上扁电阻丝，再装夹于特制的金属外壳里，并用云母片绝缘而制成。这种形式的电加热方法，由于电热套有一面与大气相接触，因而热量损失大，电功率耗费多。,2 电热装置的计算,模具电加热的基本要求是：合理分布电热元件，使模具型腔表面的温度均匀一致，且不随时间改变而发生明显的波动。因此，电热元件的计算功率必须符合加热所需的功率。要达到模具加热均匀，保证符合成型温度条件，在设计电热装置时，必须综合考虑以下各点：采取加热模具的保温措施，以减少热量损失；正确合理地布置电热元件；加热板的中央和边缘部位，分别采用不同功率的电热元件；大型模具的加热板，可考虑安装两个调温器，以调节加热板中央和边缘部位的温度。,要准确地计算所需要的电加热功率，必须作模具的热平衡计算。塑料成型所消耗的热量包括：塑料升温所需的热量、模具侧表面向周围空气散失的热量、模具模板与注塑机连接处所传走的热量、开模过程中分型面散失的热量以及模具在清理过程中用压缩空气吹模具所带走的热量等。分别算出以上各项热量，通过热平衡方程式即可计算出每小时所需的热量，进而算出所需的电加热功率。 上述各项计算是比较复杂的，实际上各项计算也是近似的。通常的办法是根据模具的体积或重量进行经验计算或查图表。,模具加热所需的电功率按如下经验公式计算： 式中：P 电功率（W）； G模具重量（kg）； 每千克模具加热到成型温度时所需的电功率（Wkg）。可查有关表格，或可按模具重量直接查图表（图9-35）。,返回,总功率算出后，即可选择电热棒的型号，确定电热棒的数量，或选择电阻丝直径，并计算其长度。 如用电热棒加热，可先根据加热板尺寸确定加热棒的数量，然后计算每根电热棒的电功率，设电热棒并联，则有： 根据P分查表9-4，选择适当尺寸的电热棒。也可先确定每根电热棒的电功率P分，再计算电热棒的根数。,在选择电热棒时应注意：电热棒的尺寸（直径和长度）应与加热板的尺寸或模具安装加热元件的空间相符合，有时需经过反复计算才能使加热元件功率、根数、尺寸都符合要求。 如表中或热电器厂产品规格中找不到适合模具安装的电热棒，则需自行设计制造电热棒，可按以下步骤确定电阻丝直径和长度。 通过每根电热棒或每根电阻丝的电流为:,每组电热丝（电热棒）的电阻为 根据电流可按表9-5查得电阻丝直径。按下列公式算出电阻丝的长度。,9.4.2 蒸汽或过热水加热,蒸汽水加热迅速，能使模具保持恒定的温度，而不致使模具过热。同时当需要冷却时只需关闭蒸汽，并在管中改通冷却水就能很快使模具冷却。蒸汽加热方式的缺点是：加热系统投资大，设备比较复杂。蒸汽加热板的蒸汽通道开设形式如图9-36所示。模具不需要冷却时可采用平行排列（图a），这样加热板制造比较简单；模具需要冷却的可采用混合排列（图b）或顺序排列（图c），这样可提高冷却水的速度，以改善冷却效率。,返回,为了提高模具加热效率，蒸汽加热通道可根据塑件形状开在型腔周围。但由于蒸汽压力较大，因此通道与接头必须可靠，以免泄漏。 国外常用加热水加热模具，因为蒸汽在模具内容易过早冷凝，而得不到及时排除，此时积聚冷凝水的地方温度偏低。但用过热水强制流经模具的所有加热通道就不会发生这种情况。用过热水加热还可以在不同机台上根据不同产品方便地调节温度，即在过热水中渗入温度较低的水或冷却水调温，这时模具与车间中央设备里的水温无关。用过热水加热模具也存在投资大，设备复杂等缺点。,9.4.3 煤气及天然气加热,利用煤气或天然气加热模具，可充分利用我国能源，大大降低加热成本，但温度不易控制准确，劳动条件较差，而且煤气或天然气的燃烧产物还会造成空气污染。 由于热油加热容易渗漏，在压力下渗出的细小油沫与空气形成有爆炸危险的混合物，渗漏的热油会喷射伤人，因而很少采用热油加热模具。 在上述的加热措施中，有些可能不一定适合于注塑模，但这里列出，以供参考。,9.5 模具温度控制器,9.5.1 模具温度控制器的作用 正如本章开头所述，模具冷却系统的目的，不仅仅是对模具进行冷却，而是使模具维持成型制品所需要的恒定温度。例如，在成型高光亮制品和薄壁且细长的制品时，为使制品表面光亮(对前者)和填充顺利(对后者)，往往需要较高的模具温度。,另外，在注塑生产的开机初始，模具处于常温状态,如果仅仅依靠注入塑料熔体来加热模具，势必会造成原材料的浪费，并且那些在模具温度未达到成型要求时所注塑成型的制品，其质量可能会出现问题，因此，为了使模具在短时间内达到所需要的温度并保持这一温度，使用模具温度控制器与模具冷却系统联接，向其输入成型制品所需温度的热水(或热油)是很有必要的。常见塑料的模具温度参见表9-6。在成型一模多腔的制品时，如果只向模具的冷却系统提供温度较低的冷却液，随着冷却液与模具发生热交换,其温度会发生很大的变化(即入水口的温度与出水口的温度相差很大)。这种变化，对被成型制品的实际收缩有直接的影响。如图9-37所示的冷却水道分布，被成型制品为精密计数器外套，材料：ABS。,返回,在其它成型条件相同的情况下，首先选用冷却液从第一型腔进入，第八型腔流出(冷却液温度20)的方式，然后将其所成型制品通过实际测量，发现第一腔所成型的制品收缩最小，第八腔所成型的制品收缩最大(图9-38)。,返回,反之，如果将冷却液流向改为由第八腔进入，第一腔流出，测得的制品实际收缩为第八腔最小，第一腔最大。(如图9-39所示) 上述试验表明，冷却液在模具进、出水口温度梯度的变化，对制品尺寸精度的影响是显而易见的。 针对上述例子所发生的情况，可以采取改变冷却水路分布的办法来减小出、入水口温度梯度的变化，比如像采用两组独立水路的办法。除此之外，还可以采取将冷却液温度提高到接近被成型制品所需要的温度的方法，比如将冷却液的温度由20提高到80时，也将会大大改善各型腔制品收缩不一致的现象(图9-40)。,返回,返回,9.5.2