塑料成型工艺与模具设计任务四

2024年9月19日项目三热流道注射成型模具设计任务一了解热流道技术任务二选择热流道系统任务三热流道模具结构设计任务四温度控制系统设计2024年9月19日掌握热流道系统加热器和加热器功率的计算方法，能依据模具结构正确选择加热器和所需加热功率。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日加热器是热流道系统处于热平衡状态的保证，理想状态的热流道系统保持着恒定的温度。因此，热流道系统加热器的选择和加热器功率设计是热流道注射注射模设计中关键步骤。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日一、流道板的加热器将流道板分成一个或多个加热区，实行独立的温度控制，每个加热区对应给单个或多个喷嘴，如图3-50所示。对于较大的流道板或注射点不对称的流道板应将流道板分区加热；不容易加工塑料(如PBT、PET和PA66等)也应该分区加热。热流道板加热区的多少，主要取决于喷嘴的数目与尺寸。各注射点的喷嘴自身就是个加热区，除少数较短的主流道不加热，独立加热的主流道喷嘴也是个加热区。在流道自然平衡的多型腔模具，若流道板的形状对称，则加热区的位置和分布也是对称的。多型腔模具的流道板上，加热区数目愈少，热流道装备的成本愈低，但影响温度的精确调节任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-50流道板上加热区的划分与加热器的布置每个加热区有一个热电偶和单独加热器，同时各个加热区有它自己的温度调节器以对该加热区进行温度控制。流道板通常采用外加热的方法，是指热源在流道熔体外壁的流道板中。目前流道板上大都使用可弯曲的管状加热器。流道板的内加热方式，因其较低的成本和简易的操作，正被使用者广为接受。2024年9月19日1.高功率密度电热棒在注塑模上加热模板的筒棒式加热器，使用最多的是高功率密度电热棒。图3-51所示是筒棒式加热器。高功率密度电热棒是由镍铬电阻丝绕在氧化镁芯棒上，压装入金属套管内，再充填高纯度的氧化镁粉组成。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-51高功率密度电热棒此种高功率密度电热棒的最高额定温度可达600℃，最大功率密度可达20W/cm2，一般在15W/cm2以内。功率密度是指单位热传递面积的加热功率，用电热棒的额定功率除以有效的传热表面积。2024年9月19日电热棒筒体常用不锈钢制造，它与模具上的孔为小间隙的间隙配合。一般要求孔精度为H9，即孔为，保证电热棒在热膨胀时与孔壁接触。棒的外径加工精度为d9，即为。较大的间隙和误差会使流道板的热传递变坏，造成热棒的工作温度升高而发生过热损坏。目前高精度的电热棒要求孔与棒的配合将精度达到H7/d7，相应地减小了间隙误差，保证了加热棒的功率密度不超载。多次拆卸加热棒后，由于孔的锈蚀和修磨，孔径会变大，间隙及其误差就会增大。为解决圆柱加热棒的更换问题，在流道板上设计有组合式的加热器孔，如图3-53所示。这种可拆的夹固条块会降低流道板的刚性。在流道板上设计和钻削加热棒的安装孔时，原则上要做到以下几点：①保证与流道相对称。②离流道板边壁的最小距离A至少为加热棒的直径D，即A>D。③加热棒的位置在流道板厚度的中央，以减小热应力和翘曲的危害。④热电偶位于两个加热器间的等同距离上。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-53组合式加热棒的安装孔1—加热棒2—流道2024年9月19日2.管状电热管如图3-54所示的管状加热器，在金属管内放入镍铬电阻丝线圈。空隙部分紧密地充填了导热绝缘的氧化镁。电阻丝在电热管的两端通过导线与电源相连。它被弯曲成各种形状，镶嵌在流道板上的沟槽中，平行并对称于流道的两侧。模板介质的最高加热温度为350℃。金属管状电热管的最高耐压可达600V，功率密度是13W/cm2。管径d=mm，公差±0.3mm；长度L=300~6000mm，公差±5mm。金属大都采用不锈钢，最高工作温度可达600℃；也可用碳钢制造，但最高工作温度仅400℃；或者用镍基合金钢，最高工作温度可达850℃。金属管状电热管一般安装在流道板的前后两个大平面上，并对称平行于流道的两侧，以保证在整个流道的长度和喷嘴的邻近区域获得均衡的温度分布。其中电热管两端各有长约50mm的冷段没有被加热，应该安装在流道板的外面。两根导线分别在电热管相对的两端，消除了管内电阻丝绝缘破坏的可能性。金属管状加热管的弯曲半径与它的管径有关，最小弯曲半径为5~16mm。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-54管状加热器2024年9月19日3.流道板的内加热流道板的内加热是将加热棒作为芯轴置于流道中央，如图3-55所示。热流道的内加热包括流道板的内加热和喷嘴的内加热。每次停止注射时，可卸下加热芯棒和两端的堵塞，去除冻结的塑料皮层。内加热流道板具有如下优点：①模具刚性好，流道板就是模板，消除了弯曲变形的可能。②比外加热流道板平均节约50％电能消耗。③熔体被直接加热，外层的绝热塑料皮层仅为40~60℃，与模具温度相若，故流道板不需要绝热，也不用冷却和无热膨胀。④流道里塑料皮层能起密封作用，无泄漏熔体的缺陷。⑤模具高度降低，启动迅速，维护容易。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-55热流道系统的内加热1—冷却管道2—鱼雷棒3—流道4—加热棒2024年9月19日下列因素限制了内加热流道板的应用：①固化的塑料皮层厚度很难确定，很难进行流变学的流动计算，无法进行计算机的流动模拟分析。②滞留在流道中的熔料随着时间推移而分解。内加热系统适用于热稳定的塑料，如PE、PP和PS及一些工程塑料。流道需清理。③流道板上流道的布排，由于内加热器而受到空间位置的限制，常需设计多层流道。熔体不能自然畅流。④内热式的流道板与内热式喷嘴相匹配，才有较多的技术优势，但系统必须用内热的顶针式喷嘴。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日4.流道板的新型电加热技术任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-56电加热盘条镶嵌在流道板的槽内流道板加热方式一直以打孔插入电加热棒，或在流道板的表面贴铸造电加热铝板的为主。前者的问题是沿流道的温度均匀性差，且有孔与加热棒之间的配合问题；后者传热效率非常低，且模具温度很高，上述两种方式可靠性均低。目前出现了在流道板上沿流道开槽，并在槽中嵌入电加热盘条，并且用高压手段在盘条周围填充高导热介质，如图3-56所示。电加热盘条的中央是旋绕的合金电热丝，包裹了导热但电绝缘的氧化镁的软套管，外层是导热的金属波纹管，盘条容易弯曲成型。采用该工艺其传热效率接近100％，可使加热盘条运行在良好的低温环境，达到十分高的可靠性、热均匀度和节能效果，同时减少了给模具带来的多余热量。2024年9月19日二、流道板的加热功率计算流道板加热器的功率，是在一定时间内流道板从室温加热升温至塑料熔体注射温度所需功率。当流道板达到给定温度时，温度调节器自动控制，并补偿热损失功率，以保持热流道温度的恒定。1.热损失的控制（1）热传导注射模热流道热传导损失，主要经流道板上的承压圈和支承垫，以及固定螺栓或不加热的主流道喷嘴，传热给注射模的定模固定板、垫块和定模板。减小热传导损失的途径有：减小承压圈和支承垫的接触面积，从而减小热流；采用热导率较低的材料制造承压圈和支承垫，如不锈钢、钛合金和烧结陶瓷；用不锈钢制造固定螺钉。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日2024年9月19日（2）热对流流道板的对流热损失，发生在流道板与注射模结构零件之间；流道板与注射模外的空气之间。减少对流热损失常用方法有：封闭流道板周边的空间，限制和阻隔空气的流通；在流道板的大面积表面上，或在模具结构件里侧安装绝热板。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日（3）热辐射是指高温的热流道表面向外界辐射能量，这种辐射传热是热流道系统热损失的组成部分。热辐射交换发生在流道板与定模模架结构件之间。降低热辐射损失方法有：流道板表面磨削后抛光；保持流道板周边间隙空间的清洁；流道板外表面上安装光亮的铝箔反射片；在流道板或在模框的里表面上安装绝热板。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计热流道的流道板壁面常用的辐射系数如下：经抛光的光亮壁面C。=0.40W/(m2．K)经发黑处理或已锈蚀的灰暗壁面C。=2.62W/(m2．K)光亮的铝箔覆盖C。=0.18W/(m2．K)灰暗的铝箔覆盖C。=0.22W/(m2．K)2024年9月19日2.流道板加热器效率的计算公式任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日国内的热流道模具，承压圈和支承垫都能绝热，但无防辐射的铝箔，取=0.44~0.50；当流道板系统的绝热条件很差，承压圈和支承垫用碳钢制造，又无防辐射的措施，则=0.33~0.38。效率系数，其中为加热器的电热效串；是流道板热损耗的补充功率系数。其中加热器的电热效率主要是考虑电网电压的影响。对于电网正常电压为220V，在有电压波动时，以=0.9配置加热器的总功率()。又考虑到电热元件的制造质量、安装质量及维护质量等都会影响电热效率，取电热效率=0.8~0.9。热流道对周边的低温模板的热传递，造成的热损失必须加热补充。如：承压圈和支承垫的热传导；存在间隙中空气的热对流损失；还有流道板外表面的热辐射损失。在有良好的绝热条件下，上述三种热损失总和是模板升温和加热功率的0.6~0.7倍，故流道板热损失系数=0.63~0.59。反之，绝热设计很差时，热损失是升温功率的1.5倍左右，则=0.42。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日三、喷嘴的加热器与流道板加热相似，对喷嘴的加热可分为外加热、内加热和混合加热等，主要采用电加热线圈，如图3-57所示。喷嘴加热时间较短，一般只需几分钟。并在接近浇口位置，安放测温热电偶。每个喷嘴成独立加热区。图3-57(a)所示的加热线圈截面为圆形,它与喷嘴表面接触是螺旋线，发生热传递主要形式是热辐射。加热表面的热流道密度仅为0.3W/cm2。圆截面电加热器较少用于模具加热。图3-59(b)所示的电加热线圈截面为矩形，它与喷嘴表面接触是螺旋形成的外圆柱面，接触面较大，有部分的热传导，热流道密度为5～6W/cm2，是目前采用较多的喷嘴加热器。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计图3-57喷嘴上的电加热器2024年9月19日图3-57(c)所示的套筒式电加热圈，加热器与喷嘴的热传递利用铜制的套筒内圈进行，套筒内圈与喷嘴是小间隙的精密配合。套筒中间是矩形截面的电加热线圈，并灌填导热性好的氧化镁，套筒外圈用不锈钢套，套筒的两端面用铜片封闭。达到对喷嘴的均匀热传递，也减少了电热线圈向外的热辐射。此种套筒式电加热线圈的加热密度达到15W/cm2，且喷嘴加热温度均匀。其适用于高温加热，并有良好的耐用性。图3-57(d)所示的铸造式电加热线圈，将圆截面的电加热线圈铸造在铜套筒里。它有好的加热性能和最大的耐用性。但整个加热线圈加工工艺复杂，较少采用。图3-57(e)所示带式电加热线圈，是以圆截面1.8mm或1.3mm2.3mm扁平的电阻丝以螺旋卷绕在夹套中。只用在喷嘴的径向尺寸较薄和一些空间紧凑的场合。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日依据餐具盒热流道注射模具结构，热流道板的加热功率计算如下：1．热流道板的加热功率计算热流道板的加热功率计算，包括开机时的热流道板升温最大加热功率计算和加热稳定后为补偿模具因热传导、对流和辐射的热量损失所需维持的加热功率计算。任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2024年9月19日在模具中与热流道板接触导热零件共有9件，其中：7个承压块24，，；1个浇口套22，；1个支撑钉25，。将以上数据代入（3-12）式，计算得初始升温时热流道板的最大加热功率是：P=10.8kW。工作正常后为弥补热流道板的传导、对流和辐射等热量损失所需的维持功率为：任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计2．热流道板实际加热功率的校核设计采用金属电热管加热，共2根，每根电热管的总长度为1335mm，有效加热长度为1230mm，管径为10mm，最高功率密度为18W/cm2加热管的总功率为：大于所需的最大功率10.8kW，故符合设计要求。2024年9月19日任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计3．流道板的热膨胀补偿热流道装置的热补偿可以改善参数，优化充模，避免力学负载和变形[5]。模具正常工作时，流道轴线应该与喷嘴轴线同轴，但是热流道板与型腔板之间存在较大温差，其热膨胀率不同。因此在室温下安装时，流道轴线至模具轴线的距离应小于喷嘴轴线至模具轴线的距离，如图3-58所示。以保证热流道板被加热后，热流道板和热喷嘴之间的平面相对滑移，完成横向热膨胀补偿。图3-58热膨胀补偿l一室温下流道的轴线2—室温下热喷嘴的轴线3—模具轴线2024年9月19日任务目标任务分析相关知识任务实施任务小结思考与练习任务四温度控制系统设计将室温下各热喷嘴轴线至模具轴线的距离及上述相应参数代入（3-13）式，可计算得到各热喷嘴在室温下流道轴线至模具轴线的距离。2024年9月19日任务目