壓縮包內(nèi)含有CAD圖紙和說明書,均可直接下載獲得文件，所見所得，電腦查看更方便。Q 197216396 或 11970985
注射模具中熱量控制評估
B. A. McCalla1, P. S. Allan*1 and P. R. Hornsby2
摘要：
注射模具的熱量控制和管理對于獲得最佳的生產(chǎn)工藝來說是一個重要的條件。本文介紹的是一個關(guān)于傳統(tǒng)的模具冷卻和一個稱為“間歇冷卻技術(shù)”的新技術(shù)的對比調(diào)查報告。間歇冷卻技術(shù)的原則是：是在注射成型周期中利用冷卻介質(zhì)流量的間歇性來精確控制模具型腔表面的溫度。
一個測量型腔壓力，型腔表面溫度和模具背面溫度測量的儀表是用來對本課題進行研究的。結(jié)果表明，傳統(tǒng)的冷卻方法和“間歇冷卻技術(shù)”的對比中，聚丙烯（PP），聚碳酸酯以及填充的鋁粉的滑石粉起著重要作用。當使用“間歇冷卻技術(shù)”而未填充聚丙烯（PP）時比傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)多22%的時間。
關(guān)鍵詞：注塑、模具冷卻、脈沖冷卻、模具溫度控制
引言：
注射模具溫度控制系統(tǒng)的目的是使型腔表面溫度循環(huán)保持一致，而這在注射模具中是必須的。型腔表面溫度的周期變化可以導致性能的變化，如：收縮、內(nèi)應(yīng)力、變形和表面質(zhì)量的保證。冷卻系統(tǒng)的效率是主要因素
將影響整個周期時間，因為模具從注射溫度冷卻的可以開模的溫度是成型周期中時間最長的。模具材料的熱性能、冷卻通道的設(shè)計,鑄件壁厚,冷卻介質(zhì)的屬性都將影響成型效率。眾多的產(chǎn)品設(shè)計采用熱塑性材料來提高冷卻效率。比如：（1）具有高導熱系數(shù)的鈹銅已用于制造模具鑲件。（2）正形的冷卻通道已用來實現(xiàn)復雜模具零件的均勻散熱。（3）冷卻探頭以及一些特殊的設(shè)計用來在冷卻介質(zhì)中創(chuàng)造湍流。
所有的這些特點都對模具的冷卻的重要的作用，但他們在模具中沒有特定的熱管理。
在工業(yè)行業(yè)中傳統(tǒng)的冷卻方法是在一副模具中利用冷卻液來冷卻。用于控制溫度的傳感器可以設(shè)在模具中或控制單元中。這種冷卻方法的特點是冷卻液不斷流動，通常只有一個傳感器用于模具。
在過去15年來，在模具傳熱中熱管理已經(jīng)得到發(fā)展。“脈沖冷卻技術(shù)”利用脈沖在模具中公開不同的冷卻區(qū)域。它還可以利用注射熔體的熱量來控制模具的溫度，因此只有從來源處的多余的熱量被提取了?！伴g歇冷卻技術(shù)”的簡單操作如下：（1）模具最先得到的熱量來源于設(shè)計過程中的聚合物。此外該工具可以初步使用輔助加熱系統(tǒng)。（2）當模具到達設(shè)定溫度將由脈沖冷卻控溫接管。在模具各處的表面溫度將決定冷卻液的需求。（3）只有當傳感器發(fā)出需要冷卻液的指令時“間歇冷卻技術(shù)”控制系統(tǒng)才會提供冷卻液。（4）當模具表面溫度在冷卻循環(huán)中達到一致的步調(diào)時，這個過程將有率地運行。
“間歇冷卻技術(shù)”的特點是型腔表面的溫度來決定冷卻液的供給?！伴g歇冷卻技術(shù)”要做是，去除由聚合物提供的多余的熱量以及在整個周期中精密地控制模具表面的溫度。“間歇冷卻技術(shù)”的一個顯著的特點 是利用受控的脈沖來控制冷卻液以降溫而傳統(tǒng)的冷卻方法是不能這樣的。
正如前面所說“間歇冷卻技術(shù)”已經(jīng)存在于這個行業(yè)15年，但是在那個時候整個過程還沒有制定一個詳細的評估。這個研究的目的是評估“間歇冷卻技術(shù)”以及將它和傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)對比。為了實現(xiàn)這個目的，我們設(shè)計一副注射模具用來提供給傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和“間歇冷卻技術(shù)”。本文給出了兩種冷卻方法的評價和關(guān)于它們的周期，冷卻的一致性和設(shè)置運行的簡單化。
實驗
模具工具
本副試驗?zāi)＞呒扔袕V泛應(yīng)用于聚合物加工行業(yè)中的直接冷卻方法，又有英國可再生能源推廣有限公司的“間歇冷卻技術(shù)”
圖1模具原理圖，圖中央顯示了模塑組件。圖中插入了一個聚丙烯（PP）的照片。
這個模塑組件包括三個部分：一個2毫米厚的中空箱，一個兩毫米厚的中空管，兩個ISO力學測試機。
圖2 流道，澆口，四個型腔壓力傳感器的位置
如圖2所示，該塑件從三個地方澆注，而且三個澆口設(shè)計成從任何一個澆口都可以澆注。該型腔儀器包括四個6190A型壓力溫度傳感器，6190A是由5049A型智能放大器控制。該型壓力是由相反的澆口處記錄到的。該模具需要三個獨立溫度控制區(qū)域：固定板，推板，核心部分。圖3A和圖3B三個熱敏電阻是三個溫度的區(qū)域的位置。
圖3A是常規(guī)操作的冷卻水道圖。為了直接比較“PCT”和傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，傳統(tǒng)的有三個加熱\冷卻系統(tǒng)，每一個都控制一個溫度區(qū)間。傳統(tǒng)的冷卻包括主要加強板中的水道。每個區(qū)域溫度的監(jiān)測由三個探針傳導。
圖3B顯示的是“PCT”的安排。這表明：標記為“未使用”的水道可以在成型前加快預(yù)熱。當開始成型和“PCT”的開關(guān)標記為開是這些水道是不工作的。三個區(qū)域的溫度是由冷卻液脈沖的閉環(huán)控制利用三個傳感器連接到“PCT”控制器中來控制。該控制器只有在探頭溫度高于設(shè)定溫度時才會供給冷卻液。
圖3 A為傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的管道B為脈沖冷卻技術(shù)的管道：在圖3A中所有的通道采用典型的安裝。必須指出在冷卻區(qū)1等3都是活躍的。圖3B中標有“不使用”的通道作為初始加熱用，但他們在成型過程中并不使用。
所有的溫度和壓力傳感器都連接到Adept Strawberry Tree Data Shuttle Express和一個采集分析數(shù)據(jù)的電腦中。
注塑
該實驗的評估來源于一個帶有以下樹脂化合物的注射模具（DEMAG 150 NCIII）
（1）聚碳酸酯，未填充(GE Plastics LEXAN141R)
(2) 聚丙烯,未填充(Moplen SM 6100 from Basell)
(3) 聚丙烯,添加了10%，20%，30%的滑石粉
（4）基于導電化合物的聚丙烯，添加44%的導電材料
填充的PP復合材料的滑石粉是由PP粉末制成的。該模具為傳統(tǒng)冷卻技術(shù)及“脈沖冷卻技術(shù)”而設(shè)計（圖2）。當一次成型中基本成型條件已經(jīng)達到，由于壓力傳感器將開關(guān)置于保壓而得到優(yōu)化。這套注射成型機被設(shè)置成全自動的，而且在讀數(shù)從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中記錄之前可以強化。當注射條件被設(shè)置成需要特定的樹脂化合物，相同的條件也被用于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)及“脈沖冷卻技術(shù)”。這意味著，這兩套模具在成型周期中的任何差異都將影響到模具冷卻方法的選用。典型的模具型腔壓力和溫度如圖4A所示。模具的冷卻時間從型腔充滿開始，（即從注射壓力到保壓壓力的變化）到型腔壓力降低到大氣壓。周期時間由溫度傳感器建立，如圖B所示。這套模具可以用于不同溫度下直接冷卻和脈沖冷卻。對于脈沖冷卻技術(shù)，冷卻液的溫度設(shè)置在11度。建立這套模具的原則是間歇冷卻，如下程序：
（1） 模具所需的溫度是由間歇冷卻技術(shù)控制的。
（2） 當溫度超過設(shè)定的溫度時這個工具開始加熱。
（3） 繼續(xù)成型，間歇冷卻技術(shù)控制器可以使型腔表面溫度從開始成型一直保持穩(wěn)定。
在直接（傳統(tǒng)）實驗中有三個水加熱器，設(shè)定的溫度的達到方法是由水加熱器單獨控制直到達到三個傳感器的溫度。但是應(yīng)該指出，這些傳感器用于正常的工業(yè)實踐中。收集了不同溫度下的由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的溫度的十套模具。
圖4 A為PP在模具溫度為50度時采用直接冷卻時型腔壓力。B為為PP在模具溫度為50度時采用直接冷卻時澆口1和3（圖2中）附近的型腔表面溫度
機械測試
ISO標準的拉伸樣本建立在所有實驗拉伸速度都為交差的速度。圖5顯示的最大拉伸壓力（A）和拉伸模量的結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻拉伸模量的性能的差異不大。通常間歇冷卻技術(shù)中拉伸模量和最大應(yīng)力值比傳統(tǒng)的要低。間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻的冷卻時間保持一致。
圖5 溫度從20度到50度的PP模具采用傳統(tǒng)冷卻和脈沖冷卻時最大拉伸應(yīng)力（a）和拉伸模量（b）
結(jié)果與討論
聚丙烯樹脂：
PP模具溫度與冷卻時間變化的比較 如表（1），圖形形式如（6）所示。
值得注意的是，為了達到這個值，直接冷卻實驗的冷卻液溫度比所需模具溫度低。在成型過程中冷卻液溫度根據(jù)反應(yīng)區(qū)溫度記錄而設(shè)置的，這種做法在工廠是不正常的。然而，在直接冷卻和PCT技術(shù)這個過程設(shè)定模具溫度是直接允許來做比較。
這些成型實驗所記錄的冷卻時間明顯證明脈沖冷卻比直接冷卻更有效率。其主要原因是 PCT技術(shù)的冷卻液溫度比直接冷卻技術(shù)來的低。因此，模腔冷卻液和直接冷卻最佳溫度比較，證實PCT技術(shù)更有效率。
圖6 采用傳統(tǒng)冷卻和脈沖冷卻時的冷卻時間及模具溫度
圖7顯示的是模具澆口對面溫度傳感器的接收的平面圖。這些曲線給出確切的成型測量周期，并顯示型腔溫度為50度的PP注射模中，PCT技術(shù)的成型周期比傳統(tǒng)的成型周期縮短22%。
圖6證明在溫度變化范圍，PCT技術(shù)的成型周期最佳效率在模具溫度的最低處，而當模具溫度超過55度是就沒有什么意義了。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，當模具溫度升高時，由于對流、輻射和傳導，模具中熱量損失比例可能會增高。因此大量的熱供到樹脂成型模具傳導給周圍環(huán)境熱量比低溫模具來的多。所以采用PCT技術(shù)要求減少模具溫度的增加。模具溫度最終將不變當樹脂成型模具熱供給與成型過程環(huán)境熱量損失相持平。圖6表示這個研究中在溫度為60度時，PP混合物模具成型的情況。
它也預(yù)計PCT的效益將減少當PCT冷卻液溫度保持在11度但模具溫度卻降低。其原因是直接冷卻方法中冷卻液的溫度和PCT技術(shù)一樣，從而導致在PCT中使用冷卻劑比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢就不存在。我們應(yīng)該可以恢復PCT技術(shù)在低模具溫度成型過程的優(yōu)勢如果冷卻液的溫度進一步降低。然而這個冷卻設(shè)備可能伴隨著凝結(jié)問題。
圖7模具表面溫度被設(shè)置成50度時傳統(tǒng)冷卻等脈沖冷卻成型周期的比較
聚丙烯復合導熱：
聚丙烯導熱的結(jié)果都顯示的圖8和圖9.圖8顯示在50度時稀釋的比純的PP節(jié)省冷卻時間60%。
圖8 在模具溫度為50度時Konduit-PP采用直接冷卻和脈沖冷卻的冷卻時間圖9在模具溫度為50度時填充有鋁的PP的直接冷卻等脈沖冷卻的冷卻時間的不同點
圖9顯示的是稀釋的結(jié)果，其表明直接冷卻和間歇冷卻的差異隨著熱導率的增加而降低。
事實上在整個過程中傳統(tǒng)冷卻技術(shù)和間歇冷卻技術(shù)在稀釋過時的冷卻時間變化很小。這一結(jié)果意味著隨著熱導率的增加，冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的冷卻作用變成了一個不太重要的因素。為了進一步解釋PP和鋁（最主要的添加劑）的導熱能力。從中表明，純的聚丙烯的熱量比稀釋過的多8%?，F(xiàn)重要的是稀釋過的導熱系數(shù)約為純聚丙烯的5.5倍。所有的結(jié)果表明如預(yù)期，稀釋過的散熱速度會明顯比純的聚丙烯快（約5.5倍）。從成型試驗結(jié)果表明，稀釋過的冷卻時間比純的聚丙烯約少4倍（圖8所示）。圖9表明在50度時，PP中導電填料（鋁）的體積分數(shù)對傳統(tǒng)冷卻技術(shù)和間歇冷卻技術(shù)的影響。因此人們相信，隨著導電填料的增加熱量的散發(fā)增加最終將變得太快而使得間歇冷卻無法有效地做出反應(yīng)。這在圖10中進一步表明從其他實驗?zāi)＞咧械玫浇Y(jié)果。事實上傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和間歇冷卻技術(shù)在稀釋過的冷卻時間在整個成型溫度范圍變化很小
圖10 Konduit-PP復合材料的冷卻時間及模具溫度：對純凈的Konduit可以看出采用直接冷卻和脈沖冷卻的冷卻時間幾乎沒有變化
結(jié)論是：PP成型中間歇冷卻將有時間比傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)更加有效地散熱，但是稀釋過的散熱率太快以至這種優(yōu)勢不能成為優(yōu)勢。
必須指出，控制傳感器的位置在模腔表面下21毫米。如果這個距離可以減小使間歇冷卻控制器的反應(yīng)時間減小而且間歇冷卻的反應(yīng)也將變得比這個實驗的記錄更加明顯。
填充滑石粉的聚丙烯：
圖11和圖12表明了填充有滑石粉的聚丙烯的實驗結(jié)果。冷卻時間的趨勢和konduit化合物的趨勢相似。雖然上一節(jié)中所說的填充的導電化合物的金屬的效果沒有如預(yù)期那樣，但是填充物的增加還是使得冷卻時間減短。填充了30%的質(zhì)量的滑石粉的PP的冷卻時間比純PP的減少40%。圖11結(jié)果表明，填充了了10%的滑石粉的PP在用間歇冷卻技術(shù)時不順應(yīng)這一趨勢。所有的實驗的結(jié)果都是相同的。對于這種情況在本項目中是無法給出解釋的。然而同時證明，關(guān)于導熱系數(shù)滑石片具有較高的各向異性。然而依然很難解釋填充了滑石粉顆粒的各向異性的結(jié)果。
圖11填充有滑石粉的PP的在模具溫度為40度時直接冷卻和脈沖冷卻的冷卻時間
圖12填充有滑石粉的PP的冷卻時間及模具溫度
聚碳酸酯：
圖13顯示了聚碳酸酯的結(jié)果。它顯示出隨著模具溫度的增加冷卻時間也相應(yīng)地變長。對于PP的話，間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻之間的比較差異比較小。對于PP實驗，有個事實可以證明熔體提供給模具的溫度在高溫時比在低溫時散發(fā)到周圍的熱量比例更高。跟傳統(tǒng)冷卻技術(shù)相比，在80度時對于樹脂化合物間歇冷卻技術(shù)在整個循環(huán)時間沒有明顯的優(yōu)勢。但也有其他的好處，間歇冷卻技術(shù)將提供給所有的冷卻液更好的條件，這將在下一節(jié)中討論。
圖13在不同溫度時聚碳酸酯采用直接冷卻和脈沖冷卻的比較
間歇冷卻技術(shù)的其他好處
傳統(tǒng)冷卻中沒有的間歇冷卻技術(shù)提供的其他好處跟模具的生產(chǎn)和整個系統(tǒng)的效率有關(guān)。據(jù)指出傳統(tǒng)的方法在本文中不能作為一個系統(tǒng)但是在工業(yè)行業(yè)中卻是十分正常的。這個安排使用的是三個獨立的溫度控制單元。為了有效地運行控制器控制的傳感器必須在這個位置安裝有間歇冷卻的單元。隨著模具中溫度區(qū)域的增加傳統(tǒng)冷卻的獨立冷卻單元將變得更加不切實際。然而間歇冷卻控制器對于大量的溫度區(qū)域也可以變得很緊湊。
間歇冷卻也被期待成比傳統(tǒng)冷卻更加有效率。這個的基礎(chǔ)是基于傳統(tǒng)冷卻一直不變的冷卻液而間歇冷卻僅僅工作于間歇性的冷卻液的這個原則。另外一個關(guān)于間歇冷卻技術(shù)“增強聚合物加工程序”表明用間歇冷卻技術(shù)將比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)節(jié)省23%的能量。
結(jié)論
從上面的研究中可以得出以下結(jié)論。
1.間歇冷卻技術(shù)可以比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)減短成型周期。在模具50時，PP材料用間歇冷卻技術(shù)將減少22%的時間。
2.間歇冷卻技術(shù)可以縮短時間的原因是間歇冷卻技術(shù)的冷卻液的溫度可以明顯地低于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)。
3.間歇冷卻技術(shù)可以提供比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)更加緊湊的設(shè)備。用間歇冷卻控制器時，一個中央冷卻單元可以讓多個成型裝置工作?？刂破魈峁┩瑯拥臏囟葏s可以控制設(shè)定成不同溫度的模具。
4.作為一個單獨的模具輔助工具間歇冷卻已被證明比傳統(tǒng)冷卻更加有效率。這個效率可以時一步地被利用因為一個單一的間歇冷卻控制器對于相同的成型機器可以控制多個冷卻工具而傳統(tǒng)的冷卻卻需要一個復雜的控制器。
5.跟傳統(tǒng)冷卻相比間歇冷卻的好處減少模具溫度的升高和聚合物中添加的導電材料。然而我們相信如果間歇冷卻控制器的傳感器的位置被制造成更加接近模具表面的話間歇冷卻的效果將得到加強。
6.在本實驗中用間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻在機械性能方面沒有明顯的區(qū)別。
致謝
作者在此感謝EPSRC為建立在布魯內(nèi)的布拉德福德皇后大學的“增加聚合物程序”而提供的財政支持，筆者還要感謝John Guest Ltd, UK設(shè)計和制造模具工具，Rowland Evans of R. E. Promotion Services Ltd, UKBradford University 和 Queens University Belfast在在間歇冷卻技術(shù)上的技術(shù)合作。
參考文獻
1. ‘Injection moulding pocketbook’, 1st edn, Mannesmann Demag
Kunststofftechnic 10/97.
2. R. Evans: PET Plane Insider, 2000, 1, 14 –17.
3. J. Sloan: Inject. Mould., 1998, 130–136.
4. B. A. McCalla, P. S. Allan, Y. Mubarak and D. Mulligan: Proc.
Ann. Tech. Conf., San Francisco, CA, USA, May 2002, SPE.
5. B. A. McCalla, P. S. Allan, P. R. Hornsby, A. G. Smith and
L. Wrobel: Proc. Ann. Tech. Conf., Nashville, NT, USA, May
2003, SPE.
6. B. A. McCalla, P. S. Allan, P. R. Hornsby, A. G. Smith and
L. Wrobel: Proc. Ann. Tech. Conf., Chicago, IL, USA, May 2004,
SPE.
7. B. Weidenfeller, M. Hofer and F. Schilling: Composites A, 2004,
35A, 423–429.
8. B. Weidenfeller, M. Hofer and F. Schilling: Composites A, 2005,
36A, 345–351.
9. A. L. Kelly, P. D. Coates and R. Evans: Proc. Ann. Tech. Conf.,
Chicago, IL, USA, May 2004, SPE.