注塑成型工艺第十章注射模温度调节系统

一、温度调节的必要性二、冷却管道的工艺计算三、冷却系统的设计原则第十章注射模温度调节系统重点掌握第一节温度调节的必要性一、温度调节对塑件质量的影响1．变形模具温度稳定，冷却速度均衡，可减小塑件的变形。对壁厚不一致和形状复杂的塑件，经常会出现因收缩不均匀而产生翘曲变形的情况。故须采用合适的冷却系统，使模具凹模与型芯的各个部位的温度基本保持一致，以便型腔内的塑料熔体能同时凝固。2．尺寸精度保持模温恒定，能减少制件成型收缩率的波动，提高塑件尺寸精度的稳定性。在可能的情况下采用较低的模温有助于减小塑件的成型收缩率。例如，对于结晶形塑料，因为模温较低，制件的结晶度低，可以降低收缩率。但结晶度低不利于制件尺寸的稳定性，从尺寸的稳定性出发，又需要适当提高模具温度，使塑件结晶均匀。3．力学性能结晶形塑料，结晶度越高，塑件的应力开裂倾向越大，故从减小应力开裂的角度出发，降低模温是有利的。但对于聚碳酸酯一类高黏度无定形塑料，其应力开裂倾向与塑件中的内应力的大小有关，提高模温有利于减小制件中的内应力，也就减小了其应力开裂倾向。为什么说缩短注射循环周期的冷却时间是提高生产效率的关键？因注射模中熔体从200℃左右降低到60℃左右，所释放的热量中约有5％以辐射、对流的方式散发到大气中，其余95％由冷却介质(一般是水)带走。模具的冷却时间约占整个注射循环周期的2／3。4．表面质量提高模温能改善制件表面质量，过低的模温会使制件轮廓不清晰并产生明显的熔接痕，导致制件表面粗糙度提高。二、温度调节对生产效率的影响注射成型中，模具的冷却时间取决于冷却效果，即冷却水的流动状态。据资料表明，在湍流下的热传递比层流下的高10～20倍。冷却水处于湍流状态，水的雷诺数Re(动量与黏度的比值)达到6000以上。根据牛顿冷却定律，冷却系统从模具中带走的热量(kJ)为3600/thAQ式中Q——模具与冷却系统之间所传递的热量，KJ；h——冷却通道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数，kJ／(m2·h．℃)；A——冷却介质的传热面积，m2；Δθ——模具温度与冷却介质温度之间的差值，℃；t——冷却时间，s。式(10—1)知，当所需传递的热量Q不变时，可通过如下三条途径来缩短冷却时间。（10-1）1．提高传热膜系数冷却介质在圆管内呈湍流流动状态时，冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数h[kJ／(m2·h．℃)]为2.08.0187.4dvfh式中f——与冷却介质温度有关的物理系数(具体计算方法见下节)；ρ——冷却介质在一定温度下的密度，kg／m3；υ——冷却介质在圆管中的流速，m／s；d——冷却管道的直径，m。即当冷却介质温度和冷却管道直径不变时，增加冷却介质的流速v，可提高传热膜系数。(10-2)模温一定，适当降低冷却介质的温度，利于缩短模具的冷却时间t。一般注射模具所用的冷却介质是常温水，若改用低温水，便可提高模具与冷却介质之间的温度差Δθ，提高注射成型的生产率。但采用低温水冷却模具时，大气中的水分有可能在型腔表面凝聚而导致制件的质量下降。增大冷却介质的传热面积A，需在模具上开设尺寸尽可能大和数量尽可能多的冷管道，但由于模具上有各种孔(如推杆孔、型芯孔)和缝隙(如镶块接缝)的限制，只能在满足模具结构设计的情况下尽量多开设冷却水管通道。3．增大冷却介质的传热面积2．提高模具与冷却介质之间的温度差衡量塑件已充分固化的准则：①塑件最大壁厚中心部分的温度已冷却到该种塑料的热变形温度以下。②塑件截面内的平均温度已达到所规定的塑件的出模温度。③对于结晶形塑料，最大壁厚的中心层温度达到固熔点，或结晶度达到某一百分比。第二节冷却管道的工艺计算一、冷却时间的计算什么是塑件在模具内的冷却时间？通常指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出制件的这一段时间。可开模的标准：塑件已充分固化，具有一定的强度和刚度，开模推出时不致变形开裂。b、塑料的注射温度不变，且塑件内、外表面的温度在充模时降低到模具的温度并维持恒定。由此建立一维导热微分方程为221xt求解上式，并简化，得到冷却时间t1的解析表达式。同理可得第二条准则的冷却时间t2的简化公式。第三条准则中的冷却时间t3依靠经验获得。（10-3）上述的第一条准则，假定：a、塑件的温度只沿垂直于模壁的方向传递，即简化成一维导热问题，图10—l。(1)塑件最大壁厚中心部分温度达到热变形温度时所需的冷却时间t1(s)为MMcSt112214ln(10-4)式中S——塑件的壁厚，mm；α1——塑料热扩散率，mm2／s；某些常用塑料的α1值见表10-2；θc——塑料注射温度，℃；θM——模具温度，℃；θ1——塑料的热变形温度，℃；附录3给出了在一定温度下塑料试样的热变形温度，但不是生产应用时的热变形温度，确定θ1时还应根据经验。(2)塑件截面内平均温度达到规定的塑件出模温度时所需要的冷却时间t2(s)为MMcSt2212228ln(10-5)式中θ2——截面内平均温度，℃。(3)结晶形塑料制件的最大壁厚中心温度达到固熔点时所需的冷却时间t3(s)①聚乙烯McRt6.1859.2896.12323(棒类)（10-6）McSt6.1859.2898.7923（板类）（10-7）以上两式的适用范围是θc=193．3～248．9℃，θM=4．4～79．4℃。②聚丙烯McRt9.22349066.6523(棒类)（10-8）McSt9.22349085.3723（板类）（10-9）以上两式的适用范围是θc=232．2～282．2℃，θM=4．4～79．4℃。③聚甲醛McRt8.1578.15761.7123(棒类)（10-10）McSt8.1578.15727.3623（板类）（10-11）以上两式的适用范围是θc190℃，θM125℃。式(10-6~11)中，θc为棒类或板类塑件的初始成型温度(℃)；θM为模具温度(℃)；R为棒类塑件的半径(cm)；S为板类塑件的厚度(cm)。二、冷却管道传热面积及管道数目的简易计算忽略模具因空气对流、热辐射以及与注射机接触所散发的热量，则模具冷却时所需冷却介质的体积流量可按下式计算2111cWQqv（10-12）式中qv——冷却介质的体积流量，m3／min；W——单位时间(每分钟)内注入模具中的塑料质量，kg／min；Q1——单位重量的塑件在凝固时所放出的热量，kJ／kg；ρ——冷却介质的密度，kg／m3；c1——冷却介质的比热容，kJ／(kg·℃)；θ1——冷却介质出口温度，℃；θ2——冷却介质进口温度，℃。Q1可表示为ucQ4321（10-13）式中c2——塑料的比热容，kJ／(kg·℃)；θ3、θ4——分别为塑料熔体的温度和推出前塑件的温度，℃；u——结晶形塑料的熔化潜热，kJ／kg。冷却管道总传热面积A(m2)可用如下公式计算hWQA160（10-14）式中h——冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数，kJ／(m2·h．℃)；Δθ——模温与冷却介质温度之间的平均温差，℃。h可由式(10-2)求得，其中4.016.0187.4187.4244.0cf(10-15)式中λ——冷却介质的热导率，kJ／(m2·h．℃)；c1——冷却介质的比热容，kJ／(kg·℃)；μ——冷却介质的黏度，Pa·s；24dqvv(10-16)v——冷却介质的流速，m／s；qv——冷却介质的体积流量，m3／s；d——冷却管道的直径，m。f既可由式（10-15）计算得到，也可由表10-5选取。模具应开设的冷却管道的孔数为dLAn(10-17)式中L——冷却管道开设方向上模具长度或宽度，m。例某注射模成型聚丙烯塑件，产量为50kg／h，用20℃的水作为冷却介质，其出口温度为27℃，水呈湍流状态，若模具平均温度为40℃，模具宽度为300mm，求冷却管道直径及所需冷却管道孔数。解：(1)求塑料制件在固化时每小时释放的热量Q查表10-4得聚丙烯的单位热流量kgKJQ/109.521故hKJWQQ/1095.2109.550421(2)求冷却水的体积流量由式(10—12)得min/1067.12027187.41060/1095.232342111mcWQqv（3）求冷却管道直径d，查表10-1，为使冷却水处于湍流状态，取d=25mmsmdqvv/57.0601000/2514.31067.144222(4)求冷却水在管道内的流速v由式(10—16)得(5)求冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数h查表10—5，取f=7.22(水温为30℃时)，再由式(10-2)得ChmKJdvfh242.08.032.08.0/10001.1)1000/25(57.010996.022.7187.4187.4(6)求冷却管道总传热面积A由式(10—14)得2441178.02/20274010001.160/1095.26060mhWQA(7)求模具上应开设的冷却管道的孔数n由式(10—17)得81000/3001000/2514.3178.0dLAn三、冷却管道的详细计算一般的注射模冷却管道设计中，采用上节所介绍的简易计算已足够。但对于精密和复杂的大型注射模，有必要较全面地考察冷却过程的冷却影响因素，进行较为深入的设计计算。1．单位时间里型腔内的总热量Q总热量Q(kJ/h)为11NGQWQQ(10-18)式中W——单位时间内注入型腔中的塑料质量，kg／h；N——每小时注射次数；G——每次塑料的注射量，kg；Q1——单位质量的塑料制件从熔体进入型腔开始到冷却结束时所放出的热量，kJ／kg；又称为单位热流量之差或热焓之差。总热量Q(kJ/h)为11NGQWQQ(10-18)式中W——单位时间内注入型腔中的塑料质量，kg／h；N——每小时注射次数；G——每次塑料的注射量，kg；Q1——单位质量的塑料制件从熔体进入型腔开始到冷却结束时所放出的热量，kJ／kg；又称为单位热流量之差或热焓之差。对于某些塑料，可从图10-2中得到不同温度下的热焓量，也可以由下式近似求得ucQmin1max121(10-19)式中c2——塑料的比热容，kJ／(kg·℃)；u——结晶形塑料的熔化潜热，KJ／kg；c2和u可查阅表10-3；θ1max、θ1min——分别为进入型腔的熔体温度和冷却结束时塑件的温度，℃。表10—4中也给出了常用塑料Ql的近似值。2．通过自然冷却所散发的热量Qc、QR、QL（1）由对流所散发的热量Qc(kJ／h)021MMcAhQ（10-20）式中AM——模具表面积，m2；θ2M——模具平均温度，℃；θ0——室温，℃；h1——传热系数，kJ／(m2·h．℃)。当0℃θ2M300℃时，由实验得31022130036025.0187.4MMh(10-21)将式(10—21)代人式(10—20)中得到3402230036025.0187.4MMMcAQ(10-22)注意：上式中AM除了模具暴露在空气中的四个侧表面积外，还包括动模和定模两个分型面的表面积，由于只有开模状态下，动、定模两个分型面才会散发热量，故有)(21MhMMAAA（10-23）式中AMl——模具的四个侧表面积，m2；AM2——模具两个分型面表面积，m2；h1——开模率，定义为tttth21式中t——注射成型周期，s；t1——注射时间，s；可参见表6—2；t2——制品冷却时间，s；可参见表10-6。（2）由辐射所散发的热量QR(kJ/h)(10-24)