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机械模具外文翻译外文文献英文文献注射模具中热量控制评估

注射模具中热量控制评估

B.A.McCalla1,P.S.Allan*1andP.R.Hornsby2

摘要：

注射模具的热量控制和管理对于获得最佳的生产工艺来说是一个重要的条件。

本文介绍的是一个关于传统的模具冷却和一个称为“间歇冷却技术”的新技术的对比调查报告。

间歇冷却技术的原则是：

是在注射成型周期中利用冷却介质流量的间歇性来精确控制模具型腔表面的温度。

一个测量型腔压力，型腔表面温度和模具背面温度测量的仪表是用来对本课题进行研究的。

结果表明，传统的冷却方法和“间歇冷却技术”的对比中，聚丙烯（PP），聚碳酸酯以及填充的铝粉的滑石粉起着重要作用。

当使用“间歇冷却技术”而未填充聚丙烯（PP）时比传统的冷却技术多22%的时间。

关键词：

注塑、模具冷却、脉冲冷却、模具温度控制

引言：

注射模具温度控制系统的目的是使型腔表面温度循环保持一致，而这在注射模具中是必须的。

型腔表面温度的周期变化可以导致性能的变化，如：

收缩、内应力、变形和表面质量的保证。

冷却系统的效率是主要因素

将影响整个周期时间，因为模具从注射温度冷却的可以开模的温度是成型周期中时间最长的。

模具材料的热性能、冷却通道的设计,铸件壁厚,冷却介质的属性都将影响成型效率。

众多的产品设计采用热塑性材料来提高冷却效率。

比如：

（1）具有高导热系数的铍铜已用于制造模具镶件。

（2）正形的冷却通道已用来实现复杂模具零件的均匀散热。

（3）冷却探头以及一些特殊的设计用来在冷却介质中创造湍流。

所有的这些特点都对模具的冷却的重要的作用，但他们在模具中没有特定的热管理。

在工业行业中传统的冷却方法是在一副模具中利用冷却液来冷却。

用于控制温度的传感器可以设在模具中或控制单元中。

这种冷却方法的特点是冷却液不断流动，通常只有一个传感器用于模具。

在过去15年来，在模具传热中热管理已经得到发展。

“脉冲冷却技术”利用脉冲在模具中公开不同的冷却区域。

它还可以利用注射熔体的热量来控制模具的温度，因此只有从来源处的多余的热量被提取了。

“间歇冷却技术”的简单操作如下：

（1）模具最先得到的热量来源于设计过程中的聚合物。

此外该工具可以初步使用辅助加热系统。

（2）当模具到达设定温度将由脉冲冷却控温接管。

在模具各处的表面温度将决定冷却液的需求。

（3）只有当传感器发出需要冷却液的指令时“间歇冷却技术”控制系统才会提供冷却液。

（4）当模具表面温度在冷却循环中达到一致的步调时，这个过程将有率地运行。

“间歇冷却技术”的特点是型腔表面的温度来决定冷却液的供给。

“间歇冷却技术”要做是，去除由聚合物提供的多余的热量以及在整个周期中精密地控制模具表面的温度。

“间歇冷却技术”的一个显著的特点是利用受控的脉冲来控制冷却液以降温而传统的冷却方法是不能这样的。

正如前面所说“间歇冷却技术”已经存在于这个行业15年，但是在那个时候整个过程还没有制定一个详细的评估。

这个研究的目的是评估“间歇冷却技术”以及将它和传统的冷却技术对比。

为了实现这个目的，我们设计一副注射模具用来提供给传统的冷却技术和“间歇冷却技术”。

本文给出了两种冷却方法的评价和关于它们的周期，冷却的一致性和设置运行的简单化。

实验

模具工具

本副试验模具既有广泛应用于聚合物加工行业中的直接冷却方法，又有英国可再生能源推广有限公司的“间歇冷却技术”

图1模具原理图，图中央显示了模塑组件。

图中插入了一个聚丙烯（PP）的照片。

这个模塑组件包括三个部分：

一个2毫米厚的中空箱，一个两毫米厚的中空管，两个ISO力学测试机。

图2流道，浇口，四个型腔压力传感器的位置

如图2所示，该塑件从三个地方浇注，而且三个浇口设计成从任何一个浇口都可以浇注。

该型腔仪器包括四个6190A型压力温度传感器，6190A是由5049A型智能放大器控制。

该型压力是由相反的浇口处记录到的。

该模具需要三个独立温度控制区域：

固定板，推板，核心部分。

图3A和图3B三个热敏电阻是三个温度的区域的位置。

图3A是常规操作的冷却水道图。

为了直接比较“PCT”和传统冷却系统，传统的有三个加热\冷却系统，每一个都控制一个温度区间。

传统的冷却包括主要加强板中的水道。

每个区域温度的监测由三个探针传导。

图3B显示的是“PCT”的安排。

这表明：

标记为“未使用”的水道可以在成型前加快预热。

当开始成型和“PCT”的开关标记为开是这些水道是不工作的。

三个区域的温度是由冷却液脉冲的闭环控制利用三个传感器连接到“PCT”控制器中来控制。

该控制器只有在探头温度高于设定温度时才会供给冷却液。

图3A为传统冷却技术的管道B为脉冲冷却技术的管道：

在图3A中所有的通道采用典型的安装。

必须指出在冷却区1等3都是活跃的。

图3B中标有“不使用”的通道作为初始加热用，但他们在成型过程中并不使用。

所有的温度和压力传感器都连接到AdeptStrawberryTreeDataShuttleExpress和一个采集分析数据的电脑中。

注塑

该实验的评估来源于一个带有以下树脂化合物的注射模具（DEMAG150NCIII）

（1）聚碳酸酯，未填充（GEPlasticsLEXAN141R）

（2）聚丙烯,未填充（MoplenSM6100fromBasell）

（3）聚丙烯,添加了10%，20%，30%的滑石粉

（4）基于导电化合物的聚丙烯，添加44%的导电材料

填充的PP复合材料的滑石粉是由PP粉末制成的。

该模具为传统冷却技术及“脉冲冷却技术”而设计（图2）。

当一次成型中基本成型条件已经达到，由于压力传感器将开关置于保压而得到优化。

这套注射成型机被设置成全自动的，而且在读数从数据采集系统中记录之前可以强化。

当注射条件被设置成需要特定的树脂化合物，相同的条件也被用于传统冷却技术及“脉冲冷却技术”。

这意味着，这两套模具在成型周期中的任何差异都将影响到模具冷却方法的选用。

典型的模具型腔压力和温度如图4A所示。

模具的冷却时间从型腔充满开始，（即从注射压力到保压压力的变化）到型腔压力降低到大气压。

周期时间由温度传感器建立，如图B所示。

这套模具可以用于不同温度下直接冷却和脉冲冷却。

对于脉冲冷却技术，冷却液的温度设置在11度。

建立这套模具的原则是间歇冷却，如下程序：

（1）模具所需的温度是由间歇冷却技术控制的。

（2）当温度超过设定的温度时这个工具开始加热。

（3）继续成型，间歇冷却技术控制器可以使型腔表面温度从开始成型一直保持稳定。

在直接（传统）实验中有三个水加热器，设定的温度的达到方法是由水加热器单独控制直到达到三个传感器的温度。

但是应该指出，这些传感器用于正常的工业实践中。

收集了不同温度下的由数据采集系统收集到的温度的十套模具。

图4A为PP在模具温度为50度时采用直接冷却时型腔压力。

B为为PP在模具温度为50度时采用直接冷却时浇口1和3（图2中）附近的型腔表面温度

机械测试

ISO标准的拉伸样本建立在所有实验拉伸速度都为交差的速度。

图5显示的最大拉伸压力（A）和拉伸模量的结果。

从结果中可以看出，间歇冷却和传统冷却拉伸模量的性能的差异不大。

通常间歇冷却技术中拉伸模量和最大应力值比传统的要低。

间歇冷却和传统冷却的冷却时间保持一致。

图5温度从20度到50度的PP模具采用传统冷却和脉冲冷却时最大拉伸应力（a）和拉伸模量（b）

结果与讨论

聚丙烯树脂

PP模具温度与冷却时间变化的比较如表

（1），图形形式如（6）所示。

值得注意的是，为了达到这个值，直接冷却实验的冷却液温度比所需模具温度低。

在成型过程中冷却液温度根据反应区温度记录而设置的，这种做法在工厂是不正常的。

然而，在直接冷却和PCT技术这个过程设定模具温度是直接允许来做比较。

这些成型实验所记录的冷却时间明显证明脉冲冷却比直接冷却更有效率。

其主要原因是PCT技术的冷却液温度比直接冷却技术来的低。

因此，模腔冷却液和直接冷却最佳温度比较，证实PCT技术更有效率。

图6采用传统冷却和脉冲冷却时的冷却时间及模具温度

图7显示的是模具浇口对面温度传感器的接收的平面图。

这些曲线给出确切的成型测量周期，并显示型腔温度为50度的PP注射模中，PCT技术的成型周期比传统的成型周期缩短22%。

图6证明在温度变化范围，PCT技术的成型周期最佳效率在模具温度的最低处，而当模具温度超过55度是就没有什么意义了。

出现这一现象的原因是，当模具温度升高时，由于对流、辐射和传导，模具中热量损失比例可能会增高。

因此大量的热供到树脂成型模具传导给周围环境热量比低温模具来的多。

所以采用PCT技术要求减少模具温度的增加。

模具温度最终将不变当树脂成型模具热供给与成型过程环境热量损失相持平。

图6表示这个研究中在温度为60度时，PP混合物模具成型的情况。

它也预计PCT的效益将减少当PCT冷却液温度保持在11度但模具温度却降低。

其原因是直接冷却方法中冷却液的温度和PCT技术一样，从而导致在PCT中使用冷却剂比传统方法的优势就不存在。

我们应该可以恢复PCT技术在低模具温度成型过程的优势如果冷却液的温度进一步降低。

然而这个冷却设备可能伴随着凝结问题。

图7模具表面温度被设置成50度时传统冷却等脉冲冷却成型周期的比较

聚丙烯复合导热

聚丙烯导热的结果都显示的图8和图9.图8显示在50度时稀释的比纯的PP节省冷却时间60%。

图8在模具温度为50度时Konduit-PP采用直接冷却和脉冲冷却的冷却时间图9在模具温度为50度时填充有铝的PP的直接冷却等脉冲冷却的冷却时间的不同点

图9显示的是稀释的结果，其表明直接冷却和间歇冷却的差异随着热导率的增加而降低。

事实上在整个过程中传统冷却技术和间歇冷却技术在稀释过时的冷却时间变化很小。

这一结果意味着随着热导率的增加，冷却液在冷却系统中的冷却作用变成了一个不太重要的因素。

为了进一步解释PP和铝（最主要的添加剂）的导热能力。

从中表明，纯的聚丙烯的热量比稀释过的多8%。

现重要的是稀释过的导热系数约为纯聚丙烯的5.5倍。

所有的结果表明如预期，稀释过的散热速度会明显比纯的聚丙烯快（约5.5倍）。

从成型试验结果表明，稀释过的冷却时间比纯的聚丙烯约少4倍（图8所示）。

图9表明在50度时，PP中导电填料（铝）的体积分数对传统冷却技术和间歇冷却技术的影响。

因此人们相信，随着导电填料的增加热量的散发增加最终将变得太快而使得间歇冷却无法有效地做出反应。

这在图10中进一步表明从其他实验模具中得到结果。

事实上传统的冷却技术和间歇冷却技术在稀释过的冷却时间在整个成型温度范围变化很小

图10Konduit-PP复合材料的冷却时间及模具温度：

对纯净的Konduit可以看出采用直接冷却和脉冲冷却的冷却时间几乎没有变化

结论是：

PP成型中间歇冷却将有时间比传统的冷却技术更加有效地散热，但是稀释过的散热率太快以至这种优势不能成为优势。

必须指出，控制传感器的位置在模腔表面下21毫米。

如果这个距离可以减小使间歇冷却控制器的反应时间减小而且间歇冷却的反应也将变得比这个实验的记录更加明显。

填充滑石粉的聚丙烯

图11和图12表明了填充有滑石粉的聚丙烯的实验结果。

冷却时间的趋势和konduit化合物的趋势相似。

虽然上一节中所说的填充的导电化合物的金属的效果没有如预期那样，但是填充物的增加还是使得冷却时间减短。

填充了30%的质量的滑石粉的PP的冷却时间比纯PP的减少40%。

图11结果表明，填充了了10%的滑石粉的PP在用间歇冷却技术时不顺应这一趋势。

所有的实验的结果都是相同的。

对于这种情况在本项目中是无法给出解释的。

然而同时证明，关于导热系数滑石片具有较高的各向异性。

然而依然很难解释填充了滑石粉颗粒的各向异性的结果。

图11填充有滑石粉的PP的在模具温度为40度时直接冷却和脉冲冷却的冷却时间

图12填充有滑石粉的PP的冷却时间及模具温度

聚碳酸酯

图13显示了聚碳酸酯的结果。

它显示出随着模具温度的增加冷却时间也相应地变长。

对于PP的话，间歇冷却和传统冷却之间的比较差异比较小。

对于PP实验，有个事实可以证明熔体提供给模具的温度在高温时比在低温时散发到周围的热量比例更高。

跟传统冷却技术相比，在80度时对于树脂化合物间歇冷却技术在整个循环时间没有明显的优势。

但也有其他的好处，间歇冷却技术将提供给所有的冷却液更好的条件，这将在下一节中讨论。

图13在不同温度时聚碳酸酯采用直接冷却和脉冲冷却的比较

间歇冷却技术的其他好处

传统冷却中没有的间歇冷却技术提供的其他好处跟模具的生产和整个系统的效率有关。

据指出传统的方法在本文中不能作为一个系统但是在工业行业中却是十分正常的。

这个安排使用的是三个独立的温度控制单元。

为了有效地运行控制器控制的传感器必须在这个位置安装有间歇冷却的单元。

随着模具中温度区域的增加传统冷却的独立冷却单元将变得更加不切实际。

然而间歇冷却控制器对于大量的温度区域也可以变得很紧凑。

间歇冷却也被期待成比传统冷却更加有效率。

这个的基础是基于传统冷却一直不变的冷却液而间歇冷却仅仅工作于间歇性的冷却液的这个原则。

另外一个关于间歇冷却技术“增强聚合物加工程序”表明用间歇冷却技术将比传统冷却技术节省23%的能量。

结论

从上面的研究中可以得出以下结论。

1.间歇冷却技术可以比传统冷却技术减短成型周期。

在模具50时，PP材料用间歇冷却技术将减少22%的时间。

2.间歇冷却技术可以缩短时间的原因是间歇冷却技术的冷却液的温度可以明显地低于传统冷却技术。

3.间歇冷却技术可以提供比传统冷却技术更加紧凑的设备。

用间歇冷却控制器时，一个中央冷却单元可以让多个成型装置工作。

控制器提供同样的温度却可以控制设定成不同温度的模具。

4.作为一个单独的模具辅助工具间歇冷却已被证明比传统冷却更加有效率。

这个效率可以时一步地被利用因为一个单一的间歇冷却控制器对于相同的成型机器可以控制多个冷却工具而传统的冷却却需要一个复杂的控制器。

5.跟传统冷却相比间歇冷却的好处减少模具温度的升高和聚合物中添加的导电材料。

然而我们相信如果间歇冷却控制器的传感器的位置被制造成更加接近模具表面的话间歇冷却的效果将得到加强。

6.在本实验中用间歇冷却和传统冷却在机械性能方面没有明显的区别。

致谢

作者在此感谢EPSRC为建立在布鲁内的布拉德福德皇后大学的“增加聚合物程序”而提供的财政支持，笔者还要感谢JohnGuestLtd,UK设计和制造模具工具，RowlandEvansofR.E.PromotionServicesLtd,UKBradfordUniversity和QueensUniversityBelfast在在间歇冷却技术上的技术合作。

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