第六章模具温度控制系统设计

第六章模具温度控制系统设计塑料成型工艺及模具设计本章基本内容冷却系统的设计原则冷却系统的结构设计冷却水道的设计加热系统的设计第６章模具温度控制系统第６章模具温度控制系统学习要求1、掌握学习目的与冷却系统的设计原则2、掌握冷却系统的结构设计方法及基本装置3、了解冷却水道的计算方法4、了解加热系统的加热方式及基本要求第６章模具温度控制系统第６章模具温度控制系统★冷却系统设计原则★冷却系统的结构设计★加热系统的设计本章重点第６章模具温度控制系统第６章模具温度控制系统本章难点★冷却系统设计原则★冷却系统的结构设计第６章模具温度控制系统6.1概述6.2冷却系统设计6.3加热系统设计6.4思考与练习第６章模具温度控制系统模具温度是否合理直接关系到成型塑件的尺寸精度、表观及内在质量，以及塑件的生产效率，因此是模具设计中的一项重要工作。塑料品种不同则对于模具的温度要求也不同。总要求是，使模具温度达到适宜制品成型的工艺条件要求，能通过控温系统的调节，使模腔各个部位上的温度基本相同；在较长时间内，即在生产过程中的每个成型周期中，模具温度应均衡一致。6.1概述6.2.1模具温度分析6.2.2冷却系统设计原则6.2.3冷却系统的结构设计（一）凹模冷却系统（二）型芯冷却系统6.2.4、冷却水道的计算（一）模具带有冷却系统时的热传行为（二）冷却水回路数量的计算（三）冷却水在回路中的压力降计算（四）冷却回路计算示例6.2冷却系统设计对于模具要求在60℃左右的中型模具，而对大中型模具，尤其是大型模具，必须设计冷冷却系统有效、控温合理的功能齐全的冷却系统。表6—1为常用塑料的料温及模具温度。正确地分析与判断模具温度状况，应注意下述各点：（1）塑料的热量与塑料重量成正比。（2）在注射完成时，模腔内的塑料受到高压作用，此时型腔的温度与型芯的温度相同。（3）当塑件为平板状态时，每半模（动、定模）的温度值接近。（4）当塑件壁厚布均匀时，在塑件壁厚较厚处模具温度较高。6.2.1模具温度分析冷却却系统:是指模具中开设的水道系统，它与外界水源连通，根据需要组成一个或者多个回路的水道。冷却系统的设计原则：1合理地进行冷却水道总体布局2合理确定冷却水道与型腔表壁的距离3考虑和利用模具材料的导热性４应加强浇口处的冷却５控制冷却水入口处的温度差尽量小６应使冷却水道中的水呈湍流状态流动6.2.2冷却系统设计原则当塑件厚度均匀时，各冷却水孔至型腔表壁的距离最好取作相同，以使塑件冷却均匀，如图6—1a所示。若塑件的壁厚不均，较厚处热量较多，则可采取冷却水道较为靠近厚壁型腔的办法，如图6—1b所示。1、合理地进行冷却水道总体布局6.2.2冷却系统设计原则图6—2a,b的水孔到型腔的最短距离（垂直距离）相同,但水道数量却不一样,从而型腔热量向冷却源流动的路程彼此不同。图6—3型腔表面到冷却水孔的距离的尺寸关系。合理地距离它不仅关系到型腔是否冷却均匀，而且关系到模具的刚度、强度问题。２、合理确定冷却水道与型腔表壁的距离6.2.2冷却系统设计原则如图表6—2在100℃下，各种材料的传热系数如图6—4所示，当镶拼成型零件较大或较高时，应该优先考虑将冷却水道直接开设在成型零件上，同时，固定板仍需开设一定数量的水道，以调节整个模具冷却均匀。3、考虑和利用模具材料的导热性6.2.2冷却系统设计原则见图6—5a、b、c示例４、应加强浇口处的冷却6.2.2冷却系统设计原则精密塑件要求该温度差在2℃以内，一般塑件在5℃以内。对模具水道有串联式和并联式两种使用方式，例如图6—6所示。５、控制冷却水入口处的温度差尽量小6.2.2冷却系统设计原则雷诺数是用以判定水流状态的参数，对于塑料模，雷诺数Re取4000～10000。其校核公式为：10000~4000dVRe６、应使冷却水道中的水呈湍流状态流动6.2.2冷却系统设计原则如图6—7雷诺准数对热传导的影响．除了上述几项基本原则应遵循外，还应注意以下事项：（１）应避免在制品容易产生熔结痕的部位开设冷却水道；（２）必须注意密封水，防止水流入型腔；（３）当水道发生相贯时，应采取措施使水只可定方向连续流出，避免有水不能流动的死角。水道壁应加工光滑，以使清楚水道污垢方便，经较长使用时间后，冷却效果一致。（４）由于凹模与型芯的冷却情况不同，需用两个调温器分别控制各自回路中冷却液的温度、压力、流量和速度。6.2.2冷却系统设计原则常见结构如图6—8钻孔式水道系统、6—9所示沟槽式水道系统6.2.3冷却系统结构设计(一)、凹模冷却系统(二)、型芯冷却系统设计设计型芯冷却系统要比设计凹模时复杂得多，需视型芯的粗细高低，镶拼状况，推杆位置等情况灵活地采用不同形式的冷却装置。图6—10所示为大行型的冷却装置。图6—11所示为隔板式冷却装置。图6—12所示为水管喷流式冷却装置。图6—13a,b,c所示对细长型芯的冷却。图6—14所示冷却侧型芯。6.2.3冷却系统结构设计(二)、型芯冷却系统设计热传递的三种基本方式：热传导、热辐射和对流传热在设置有冷却系统的模具上均存在，并且是相互伴随，同时对冷却模具产生作用。传热行为体现在如下四方面：(1)传导(2)对流(3)辐射(4)传导6.2.4模具温度控制系统（一）模具带有冷却系统时的热传行为模具向设备工作台面所传导的热量应为：)(smsttFQ）（hKJ由型腔向冷却水道传导热量的关系式如下：LttFTQ216.2.4模具温度控制系统])[(1ePLCttGQ)hKJ(（二）冷却水回路数量计算设塑料传给模具的多余热量为Q，辐射散热量为Q’，模具向安装设备传导的热量为Qs，冷却统带走的热量为Qf，则可建立下式)sfQQQQ（1.求塑料传给模具的多余热量Q6.2.4模具温度控制系统2.计算由冷却系统携带出模外的热量Ｑ′式中G—每小时注射的塑料重量，㎏；—进入模具时的塑料熔料温度与制品在脱模时的温度之差；—塑料的比热，kJ/（㎏·℃）,参见表6—3。—塑料熔解潜热，kJ/㎏，参见表6—3。无定形塑料21ttpCeL0eL1.求塑料传给模具的多余热量])[(1ePLCttGQ)hKJ(6.2.4模具温度控制系统tWQ）（hKJ式中Ｗ—每小时流经模具的冷却液重量，㎏；λ—冷却液比热，kJ/（㎏·℃），水的λ=4.186kJ/（㎏.℃）λ—冷却液比热，kJ/（㎏·℃），水的λ=4.186kJ/（㎏.℃）2.计算由冷却系统携带出模外的热量Ｑ′6.2.4模具温度控制系统（1）关于ＷＷ=每小时液体流量×液体比重=水道截面积×液体流速×水流时间（每小时）×液体比重故，求得Ｗ的算术式为TVdW24将其代入式（6—5）中，便得到如下公式tTVdQ24式中d—水道孔径，m；Ｖ—水流速度，m/s；Ｔ—每小时水流持续时间，s/h，若水一直流动，则Ｔ=3600s/h。ρ—冷却液比重，㎏/m³676.2.4模具温度控制系统表6—4所列为当水温为23℃，Re=4000时，产生稳定湍流状态的冷却水应达到的流量与流速。表6—5所列为不同温度下，水的运动粘度η值。在每一成型周期里，流经模具的冷却水总长度为l，用下式计算：TVl（m）式中V—水流速度，m/s；T—一个周期的时间，s（2）关于Δt6.2.4模具温度控制系统在每一周期里，由冷却液带走的热量为，计算公式为：式中A—水道的截面积；—每一周期里流经模具的冷却水重量iQtpAltWQiiiWittn（条）模具应设计冷却回路数目n，即：6.2.4模具温度控制系统（三）冷却水在回路中的压力降计算在同样的控制条件下，如果模具各条冷却回路的长度和截面积相同，水在各条回路的压力降也就相等，那么个条回路水温基本均匀。冷却回路压力降ΔP可按下面经验公式计算：gVdlFp228.3(大气压)6.2.4模具温度控制系统（四）冷却回路计算示例有一成型高密度聚乙烯食品盒模具，每一模一件，塑件壁厚为1.9mm。现确定对模具型腔和型芯均进行冷却。考虑到塑件壁厚值不大，但塑料流程较长，因而对塑料熔料温度取稍高值，为230℃（手册数据为150℃～260℃），模温取值偏低，为38℃（手册资料为35℃～70℃），取水温低于模温14℃，为24℃。根据塑件的质量要求，拟控制各条冷却回路的出入口温度为3℃。6.2.4模具温度控制系统现拟出具体使用参数如下：熔料温度，℃230模温，℃38塑件脱模温度，℃94注射量，kg/次0.186每小时注射量，,33.48比热，KJ/kg·℃2.302潜热，KJ/kg243成型时间，秒/模20每小时成型次数180水温℃24平均水温℃266.2.4模具温度控制系统计算步骤如下：1.计算塑料传给型腔和型芯的多余热量和根据公式（6—4）便可求得塑料传给模具的总的多余热量：=33.48[(230-94)×2.302+243]=18617.29（KJ/h）若按冷却系统完成排出总多余热量的90﹪的任务来计算，冷却系统应排除热量为：=18617.29×0.9=16755.56（kJ/h）][ePLCttGQ）（6.2.4模具温度控制系统因为型芯的高度和直径较大，故认为型芯和型腔各吸收热量的比例为60﹪和40﹪。所以，它们分别排除热量：型芯应排除热量型腔(凹模)应排除热量2.确定冷却水道的孔径d本模具适用于在锁模力500吨的注射机上成型，查表6—5，确定水孔直径d取12mm。确定采用水为冷却液。由表6—5同时查知雷诺准数Re=4000时的水流速度Ｖ=0.43m/s.34.100536.0QQ芯21.67024.0QQ腔6.2.4模具温度控制系统6.3.1加热对象6.3.2加热方式6.3.3电加热系统设计6.3.4防止热量散失的方法6.3加热系统设计6.3.1加热对象（1）热固性塑料模（2）热流道模的流道板（3）小型塑件的热塑性塑料注射模（4）某些高粘性或结晶性塑料注射模除了上述在整个生产过程中都需要加热模具的情况之外，有时要求对模具先进行短期加热，然后再冷却，大型热塑性塑料注射模就是如此。6.3加热系统设计6.3.2加热方式通常采用的加热方式有两种：1.电加热式2.在模具内部通入热介质对于需要提供足够热能，温度要求较高的模具采用电加热式，例如热固性塑料模、热塑性热流道模的流道板等。也采用热水、过热水或热油加热、蒸汽加热式、而煤气、天燃气燃烧加热的方法一般不太使用。6.3加热系统设计6.3.3电加热系统设计电加热式具有温度调节范围较大!装置结构简单，安装及维修方便，清洁、无污染等优点。缺点是升温较缓慢，改变温度时有时间滞后效应。1.电加热系统设计的基本要求6.3加热系统设计6.3加热系统设计2.电加热装置的形式1.电加热系统设计的基本要求（1）计算模具的加热功率（2）合理地分布电热组件（3）防止热量散失的工作（4）建立必要的控温系统6.3.3电加热系统设计6.3加热系统设计2.电加热装置的形式电加热装置有两大类型：(1)电阻加热(2)感应加热常用的电阻加热装置：(1)电阻丝直接加热(2)电热套、电热片加热装置如图6—15(3)电热棒（如图6—16）6.3加热系统设计6.3.3电加热系统设计⒊电热功率的计算（1）计算在要求时间内将模温升至工作温度所需的总功率（2）计算成型过程中要求模具对塑料加热到一定温度所需的热功率电热棒的根数nTktGCppktCGpsSePPn6.3加热系统设计6.3.4防止热量散失的方法1.减小接触面积法2.空气层隔热法3.安装隔热板隔热法6.3加热系统设计思考与练习1、对模具电加热基本要求有哪些？（答案）２、塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关？（答案）３、塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则？（答案）４、冷却系统设计原则？（答案）电阻加热的基本要求：采用电阻加热时要合理布设电热元件，保证电热元件的功率。如电热元件的功率不足，就不能达到模具的温度：如电热元件功率过大，会使