塑料成型工藝與模具設計任務四

2024年9月19日項目三熱流道注射成型模具設計任務一了解熱流道技術任務二選擇熱流道系統(tǒng)任務三熱流道模具結構設計任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日掌握熱流道系統(tǒng)加熱器和加熱器功率的計算方法，能依據(jù)模具結構正確選擇加熱器和所需加熱功率。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日加熱器是熱流道系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)的保證，理想狀態(tài)的熱流道系統(tǒng)保持著恒定的溫度。因此，熱流道系統(tǒng)加熱器的選擇和加熱器功率設計是熱流道注射注射模設計中關鍵步驟。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日一、流道板的加熱器將流道板分成一個或多個加熱區(qū)，實行獨立的溫度控制，每個加熱區(qū)對應給單個或多個噴嘴，如圖3-50所示。對于較大的流道板或注射點不對稱的流道板應將流道板分區(qū)加熱；不容易加工塑料(如PBT、PET和PA66等)也應該分區(qū)加熱。熱流道板加熱區(qū)的多少，主要取決于噴嘴的數(shù)目與尺寸。各注射點的噴嘴自身就是個加熱區(qū)，除少數(shù)較短的主流道不加熱，獨立加熱的主流道噴嘴也是個加熱區(qū)。在流道自然平衡的多型腔模具，若流道板的形狀對稱，則加熱區(qū)的位置和分布也是對稱的。多型腔模具的流道板上，加熱區(qū)數(shù)目愈少，熱流道裝備的成本愈低，但影響溫度的精確調節(jié)任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-50流道板上加熱區(qū)的劃分與加熱器的布置每個加熱區(qū)有一個熱電偶和單獨加熱器，同時各個加熱區(qū)有它自己的溫度調節(jié)器以對該加熱區(qū)進行溫度控制。流道板通常采用外加熱的方法，是指熱源在流道熔體外壁的流道板中。目前流道板上大都使用可彎曲的管狀加熱器。流道板的內加熱方式，因其較低的成本和簡易的操作，正被使用者廣為接受。2024年9月19日1.高功率密度電熱棒在注塑模上加熱模板的筒棒式加熱器，使用最多的是高功率密度電熱棒。圖3-51所示是筒棒式加熱器。高功率密度電熱棒是由鎳鉻電阻絲繞在氧化鎂芯棒上，壓裝入金屬套管內，再充填高純度的氧化鎂粉組成。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-51高功率密度電熱棒此種高功率密度電熱棒的最高額定溫度可達600℃，最大功率密度可達20W/cm2，一般在15W/cm2以內。功率密度是指單位熱傳遞面積的加熱功率，用電熱棒的額定功率除以有效的傳熱表面積。2024年9月19日電熱棒筒體常用不銹鋼制造，它與模具上的孔為小間隙的間隙配合。一般要求孔精度為H9，即孔為，保證電熱棒在熱膨脹時與孔壁接觸。棒的外徑加工精度為d9，即為。較大的間隙和誤差會使流道板的熱傳遞變壞，造成熱棒的工作溫度升高而發(fā)生過熱損壞。目前高精度的電熱棒要求孔與棒的配合將精度達到H7/d7，相應地減小了間隙誤差，保證了加熱棒的功率密度不超載。多次拆卸加熱棒后，由于孔的銹蝕和修磨，孔徑會變大，間隙及其誤差就會增大。為解決圓柱加熱棒的更換問題，在流道板上設計有組合式的加熱器孔，如圖3-53所示。這種可拆的夾固條塊會降低流道板的剛性。在流道板上設計和鉆削加熱棒的安裝孔時，原則上要做到以下幾點：①保證與流道相對稱。②離流道板邊壁的最小距離A至少為加熱棒的直徑D，即A>D。③加熱棒的位置在流道板厚度的中央，以減小熱應力和翹曲的危害。④熱電偶位于兩個加熱器間的等同距離上。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-53組合式加熱棒的安裝孔1—加熱棒2—流道2024年9月19日2.管狀電熱管如圖3-54所示的管狀加熱器，在金屬管內放入鎳鉻電阻絲線圈?？障恫糠志o密地充填了導熱絕緣的氧化鎂。電阻絲在電熱管的兩端通過導線與電源相連。它被彎曲成各種形狀，鑲嵌在流道板上的溝槽中，平行并對稱于流道的兩側。模板介質的最高加熱溫度為350℃。金屬管狀電熱管的最高耐壓可達600V，功率密度是13W/cm2。管徑d=mm，公差±0.3mm；長度L=300~6000mm，公差±5mm。金屬大都采用不銹鋼，最高工作溫度可達600℃；也可用碳鋼制造，但最高工作溫度僅400℃；或者用鎳基合金鋼，最高工作溫度可達850℃。金屬管狀電熱管一般安裝在流道板的前后兩個大平面上，并對稱平行于流道的兩側，以保證在整個流道的長度和噴嘴的鄰近區(qū)域獲得均衡的溫度分布。其中電熱管兩端各有長約50mm的冷段沒有被加熱，應該安裝在流道板的外面。兩根導線分別在電熱管相對的兩端，消除了管內電阻絲絕緣破壞的可能性。金屬管狀加熱管的彎曲半徑與它的管徑有關，最小彎曲半徑為5~16mm。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-54管狀加熱器2024年9月19日3.流道板的內加熱流道板的內加熱是將加熱棒作為芯軸置于流道中央，如圖3-55所示。熱流道的內加熱包括流道板的內加熱和噴嘴的內加熱。每次停止注射時，可卸下加熱芯棒和兩端的堵塞，去除凍結的塑料皮層。內加熱流道板具有如下優(yōu)點：①模具剛性好，流道板就是模板，消除了彎曲變形的可能。②比外加熱流道板平均節(jié)約50％電能消耗。③熔體被直接加熱，外層的絕熱塑料皮層僅為40~60℃，與模具溫度相若，故流道板不需要絕熱，也不用冷卻和無熱膨脹。④流道里塑料皮層能起密封作用，無泄漏熔體的缺陷。⑤模具高度降低，啟動迅速，維護容易。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-55熱流道系統(tǒng)的內加熱1—冷卻管道2—魚雷棒3—流道4—加熱棒2024年9月19日下列因素限制了內加熱流道板的應用：①固化的塑料皮層厚度很難確定，很難進行流變學的流動計算，無法進行計算機的流動模擬分析。②滯留在流道中的熔料隨著時間推移而分解。內加熱系統(tǒng)適用于熱穩(wěn)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，由于內加熱器而受到空間位置的限制，常需設計多層流道。熔體不能自然暢流。④內熱式的流道板與內熱式噴嘴相匹配，才有較多的技術優(yōu)勢，但系統(tǒng)必須用內熱的頂針式噴嘴。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日4.流道板的新型電加熱技術任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-56電加熱盤條鑲嵌在流道板的槽內流道板加熱方式一直以打孔插入電加熱棒，或在流道板的表面貼鑄造電加熱鋁板的為主。前者的問題是沿流道的溫度均勻性差，且有孔與加熱棒之間的配合問題；后者傳熱效率非常低，且模具溫度很高，上述兩種方式可靠性均低。目前出現(xiàn)了在流道板上沿流道開槽，并在槽中嵌入電加熱盤條，并且用高壓手段在盤條周圍填充高導熱介質，如圖3-56所示。電加熱盤條的中央是旋繞的合金電熱絲，包裹了導熱但電絕緣的氧化鎂的軟套管，外層是導熱的金屬波紋管，盤條容易彎曲成型。采用該工藝其傳熱效率接近100％，可使加熱盤條運行在良好的低溫環(huán)境，達到十分高的可靠性、熱均勻度和節(jié)能效果，同時減少了給模具帶來的多余熱量。2024年9月19日二、流道板的加熱功率計算流道板加熱器的功率，是在一定時間內流道板從室溫加熱升溫至塑料熔體注射溫度所需功率。當流道板達到給定溫度時，溫度調節(jié)器自動控制，并補償熱損失功率，以保持熱流道溫度的恒定。1.熱損失的控制（1）熱傳導注射模熱流道熱傳導損失，主要經(jīng)流道板上的承壓圈和支承墊，以及固定螺栓或不加熱的主流道噴嘴，傳熱給注射模的定模固定板、墊塊和定模板。減小熱傳導損失的途徑有：減小承壓圈和支承墊的接觸面積，從而減小熱流；采用熱導率較低的材料制造承壓圈和支承墊，如不銹鋼、鈦合金和燒結陶瓷；用不銹鋼制造固定螺釘。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日2024年9月19日（2）熱對流流道板的對流熱損失，發(fā)生在流道板與注射模結構零件之間；流道板與注射模外的空氣之間。減少對流熱損失常用方法有：封閉流道板周邊的空間，限制和阻隔空氣的流通；在流道板的大面積表面上，或在模具結構件里側安裝絕熱板。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日（3）熱輻射是指高溫的熱流道表面向外界輻射能量，這種輻射傳熱是熱流道系統(tǒng)熱損失的組成部分。熱輻射交換發(fā)生在流道板與定模模架結構件之間。降低熱輻射損失方法有：流道板表面磨削后拋光；保持流道板周邊間隙空間的清潔；流道板外表面上安裝光亮的鋁箔反射片；在流道板或在?？虻睦锉砻嫔习惭b絕熱板。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計熱流道的流道板壁面常用的輻射系數(shù)如下：經(jīng)拋光的光亮壁面C。=0.40W/(m2．K)經(jīng)發(fā)黑處理或已銹蝕的灰暗壁面C。=2.62W/(m2．K)光亮的鋁箔覆蓋C。=0.18W/(m2．K)灰暗的鋁箔覆蓋C。=0.22W/(m2．K)2024年9月19日2.流道板加熱器效率的計算公式任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日國內的熱流道模具，承壓圈和支承墊都能絕熱，但無防輻射的鋁箔，取=0.44~0.50；當流道板系統(tǒng)的絕熱條件很差，承壓圈和支承墊用碳鋼制造，又無防輻射的措施，則=0.33~0.38。效率系數(shù)，其中為加熱器的電熱效串；是流道板熱損耗的補充功率系數(shù)。其中加熱器的電熱效率主要是考慮電網(wǎng)電壓的影響。對于電網(wǎng)正常電壓為220V，在有電壓波動時，以=0.9配置加熱器的總功率()。又考慮到電熱元件的制造質量、安裝質量及維護質量等都會影響電熱效率，取電熱效率=0.8~0.9。熱流道對周邊的低溫模板的熱傳遞，造成的熱損失必須加熱補充。如：承壓圈和支承墊的熱傳導；存在間隙中空氣的熱對流損失；還有流道板外表面的熱輻射損失。在有良好的絕熱條件下，上述三種熱損失總和是模板升溫和加熱功率的0.6~0.7倍，故流道板熱損失系數(shù)=0.63~0.59。反之，絕熱設計很差時，熱損失是升溫功率的1.5倍左右，則=0.42。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日三、噴嘴的加熱器與流道板加熱相似，對噴嘴的加熱可分為外加熱、內加熱和混合加熱等，主要采用電加熱線圈，如圖3-57所示。噴嘴加熱時間較短，一般只需幾分鐘。并在接近澆口位置，安放測溫熱電偶。每個噴嘴成獨立加熱區(qū)。圖3-57(a)所示的加熱線圈截面為圓形,它與噴嘴表面接觸是螺旋線，發(fā)生熱傳遞主要形式是熱輻射。加熱表面的熱流道密度僅為0.3W/cm2。圓截面電加熱器較少用于模具加熱。圖3-59(b)所示的電加熱線圈截面為矩形，它與噴嘴表面接觸是螺旋形成的外圓柱面，接觸面較大，有部分的熱傳導，熱流道密度為5～6W/cm2，是目前采用較多的噴嘴加熱器。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計圖3-57噴嘴上的電加熱器2024年9月19日圖3-57(c)所示的套筒式電加熱圈，加熱器與噴嘴的熱傳遞利用銅制的套筒內圈進行，套筒內圈與噴嘴是小間隙的精密配合。套筒中間是矩形截面的電加熱線圈，并灌填導熱性好的氧化鎂，套筒外圈用不銹鋼套，套筒的兩端面用銅片封閉。達到對噴嘴的均勻熱傳遞，也減少了電熱線圈向外的熱輻射。此種套筒式電加熱線圈的加熱密度達到15W/cm2，且噴嘴加熱溫度均勻。其適用于高溫加熱，并有良好的耐用性。圖3-57(d)所示的鑄造式電加熱線圈，將圓截面的電加熱線圈鑄造在銅套筒里。它有好的加熱性能和最大的耐用性。但整個加熱線圈加工工藝復雜，較少采用。圖3-57(e)所示帶式電加熱線圈，是以圓截面1.8mm或1.3mm2.3mm扁平的電阻絲以螺旋卷繞在夾套中。只用在噴嘴的徑向尺寸較薄和一些空間緊湊的場合。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日依據(jù)餐具盒熱流道注射模具結構，熱流道板的加熱功率計算如下：1．熱流道板的加熱功率計算熱流道板的加熱功率計算，包括開機時的熱流道板升溫最大加熱功率計算和加熱穩(wěn)定后為補償模具因熱傳導、對流和輻射的熱量損失所需維持的加熱功率計算。任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2024年9月19日在模具中與熱流道板接觸導熱零件共有9件，其中：7個承壓塊24，，；1個澆口套22，；1個支撐釘25，。將以上數(shù)據(jù)代入（3-12）式，計算得初始升溫時熱流道板的最大加熱功率是：P=10.8kW。工作正常后為彌補熱流道板的傳導、對流和輻射等熱量損失所需的維持功率為：任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計2．熱流道板實際加熱功率的校核設計采用金屬電熱管加熱，共2根，每根電熱管的總長度為1335mm，有效加熱長度為1230mm，管徑為10mm，最高功率密度為18W/cm2加熱管的總功率為：大于所需的最大功率10.8kW，故符合設計要求。2024年9月19日任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計3．流道板的熱膨脹補償熱流道裝置的熱補償可以改善參數(shù)，優(yōu)化充模，避免力學負載和變形[5]。模具正常工作時，流道軸線應該與噴嘴軸線同軸，但是熱流道板與型腔板之間存在較大溫差，其熱膨脹率不同。因此在室溫下安裝時，流道軸線至模具軸線的距離應小于噴嘴軸線至模具軸線的距離，如圖3-58所示。以保證熱流道板被加熱后，熱流道板和熱噴嘴之間的平面相對滑移，完成橫向熱膨脹補償。圖3-58熱膨脹補償l一室溫下流道的軸線2—室溫下熱噴嘴的軸線3—模具軸線2024年9月19日任務目標任務分析相關知識任務實施任務小結思考與練習任務四溫度控制系統(tǒng)設計將室溫下各熱噴嘴軸線至模具軸線的距離及上述相應參數(shù)代入（3-13）式，可計算得到各熱噴嘴在室溫下流道軸線至模具軸線的距離。2024年9月19日任務目