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机械专业中文翻译注塑模中用蒸汽加热快速实现温度控制

正文：

外文资料译文

国际传热与传质通讯37（2010）1295-1304

注塑模中用蒸汽加热快速实现温度控制

郑铭章陈家声PhamSonMinh张仁安张嘉升

摘要

在注塑成型中，快速加热有提高产品质量的优势。

在这项研究中,在相同的模具下，蒸汽加热在模具表面结合冷却水可以实现动态模具表面温度控制。

在电视机外壳模具中，利用这一优势,采用蒸汽加热,通过实验和模拟，与水加热相比评估注塑。

蒸汽对零件质量的影响也进行了研究。

结果表明,当使用蒸汽加热简单的模板时，加热时间从18秒减少到8秒，升温速率可达到9°C/s,并且冷却时间比用水冷却更省时。

当目标温度从70°C变化到110°C时,电视机外壳模板的加热时间在7秒和19秒之间变化。

对产品质量来说,在电视机外壳中，使用蒸汽加热在光泽度及硬度方面有很大的发展空间。

关键词:

动态模具温度控制、蒸汽辅助加热、热传导系数

1简介

在塑胶行业，注射成型是一种应用最广泛的加工技术。

模具表面温度在注塑成型过程中起着关键性的作用。

在一个高的模具表面温度下，产品的表面质量会更好,虽然冷却时间将增加,从而使周期上升。

减少模具表面的温度会减少冷却时间,但对零件表面质量来说并不好。

为了提高模具表面温度并且仍然能保持一个不太长的加工周期是目前迫切需要解决的问题。

近年来,公司对更薄、更轻、更好的适用性的产品的需求越来越明显。

但在生产这种类型的产品时，要面临许多挑战和困难。

例如产生翘曲变形，流痕和焊缝等问题。

因此,一种新的注射成型技术应运而生。

与传统注射成型相比,模具迅速增加到规定的温度,注塑完成后,然后模具开始冷却。

在加热过程中,熔体可以很容易地注进压力低的腔体。

除此之外,像焊缝、流痕、和漂浮的纤维这些问题都是可以及时解决的。

在蒸汽无痕加热过程中,主要有两种类型的加热系统在使用,表面加热和体积加热。

在先前的公司,对数种技术进行了研究，例如在模具加热层上涂一层绝缘涂料，以此作为型腔表面，用一对电极很快地加热，隔热层可用来提高加热效率,降低损耗[1,2]。

另一方面,在注射过程中，为了提高模具表面温度,型腔表面的含锡、铁氟龙涂料将从熔体传热给模具材料,这更增加了型腔表面的温度到25°C[3,4]。

在另一个研究项目中,在加热表面,用含有不同的配置文件的电磁感应线圈加热腔表面以减少焊缝、缩孔和其他缺陷[5,6]。

此外,红外线加热系统同样适用于加热模具表面。

该系统能适当的[7,8]加热一个或两个模具一半的表面。

由于最新的表面加热技术的应用，热空气流入型腔,形成的对流可以直接加热型腔表面[9]。

表面加热的速度高,所以,就能缩短周期时间。

然而,当模具复杂时，用户必须设计一套特殊的模具,并且需要更多的设备计算参数以保证产品的质量。

就体积加热来说，为了加热和冷却，最经济的方式是用温度高达90°C或100°C的水实现较高的模具温度。

如果模具温度必须高于100°C,可以用高压水或热油供应系统[10]。

前者可能会损害流道连接，经过长时间的使用，安全会成为一个问题。

同样,由于油的低热传导系数，后者可能不会节能。

局部模具加热有时用电热元件来协助高温模具控制,特别是对于一个薄壁产品。

然而,这仍然需要额外的设计和工具的使用费用[11]。

进一步说,加热器通常用于辅助加热并且增加模具温度的能力有限。

另一项研究，使用特殊的模具设计用水蒸气加热，此次试验使模具温度从30°C增加到110°C,帮助熔体很容易填充满腔体以减少表面缺陷[12,13]。

然而,在液晶电视机外壳（液晶显示器）的实际成型中,加热和冷却流道是不同的。

因此,加热和冷却效率都受到影响。

此外,该设计塑造更复杂和成本的工具将会增加。

在这项研究中,蒸汽辅助加热系统与冷却系统相结合并应用于一个简单的模型,建立了蒸汽加热型腔注塑模。

此外,在实际应用中,为了保证模具的加热过程和产品质量，电视机外壳模需在该系统的协助下操作。

在这两种设计中,加热和冷却过程用同一同道系统。

在加热、冷却后期,为了增加效率，一股气流将所有流道的冷却水物质都吹到流道去。

这个阶段的蒸汽、空气和水都将被考虑。

除了实验,并且在不同的条件下，创建了两种三维仿真模式并对实验结果进行了比较。

2蒸汽加热注塑模的一般过程

在这项研究中,水蒸气（蒸气）将被用作加热源来增加型腔温度。

然后,用冷却水将高温熔体冷却。

由于加热和冷却两个不同的流体相结合，在清洗水流入流道之前，有效使用蒸汽加热将提高生产效率。

总的来说,蒸汽在注塑模中有五个使用步骤，如图1。

首先,打开阀门,高温水蒸汽将流入流道。

流道中还留有空气,蒸汽和空气混杂在一起。

此阶段的熔体流动还不稳定，在水流和流道壁之间，热传导系数较低。

此时,在注塑主要零部件之后，模具还开着,等待下一次操作。

第二,当蒸汽流动稳定时,所有空气被排出,只有蒸汽在流道里。

因此,热传导系数将会增加很快。

由蒸汽流过的地方将会使模具型腔表面温度升高。

在蒸汽加热中，这是最主要的过程。

当型腔达到一定的温度，模具将停止注射。

第三,当加热过程完成后,型腔表面温度将达到调节阀的极限温度，阀门开启，水流入流道,冷却过程开始。

在此次操作之前,水将与蒸汽混合，创造一个不稳定的环境,所以,热传导系数在流道和水之间仍然很低。

第四,一段时间后,由于水冷却,流体冷却到注射温度。

只有水依然保留在流道里,所以,热传导系数将会增加,冷却效率会更高。

第五,当所有熔体达到喷射温度，模具开始注射，并准备下一个周期。

此时,阀门开启，空气流入流道，当所有的水被清除干净该步骤就结束。

在传统注射成型中,型腔表面不需要加热。

因此,当熔体充满了模具型腔,型腔表面被加热。

在该过程中,随着熔体的冷却，生产的产品质量不高,表面质量通常有许多待解决的问题。

随着水蒸气在注塑模中的应用，型腔温度可达到到一个很高的温度,从而有助于注射完全。

另一方面,由于使用一个低温冷却水冷却,总周期时间与传统的几乎都是相同的，同时。

熔体的流动性增加，熔体的黏性较低。

另外，产品的光洁度和硬度都会有所改善。

图1蒸汽加热的一般过程。

3理论模型

国际常用q=hΔt来表达流体与模具之间的热传导关系[15]

定义:

q表示流入流道的流量、Δt表示流道壁与流体之间的温差、h表示流体和模具之间的热传导系数。

当流体是水时,热传导系数的计算用以下公式计算[14]:

λ是水的导热系数,D是流道的直径、雷诺数和Prandl号码被定义为:

Re=

Pr=

其中,ρ,V,μ和Cp分别代表密度、流速、粘度及冷却水的比热容

当流体是蒸汽或空气、传热系数计算h可以根据以下表达:

注射成型可以增加熔体流动能力，熔融粘度可以维持在一个较低的价值。

此外,表面亮度和利用也降低了。

表1

液体

温度（°C）

密度（kg/m3）

热传导系数（W/m.K）

流动黏性（kg/m.s）

水

20

998.1

0.5984

1.00E-03

蒸气

150

0.516

0.028

1.40E-05

k是热传导系数,g是重力加速度，r潜热的液化、ρw是水的密度，ρs是蒸汽的密度，Δt是蒸汽和流道壁之间的温差。

蒸汽的热学性能如表1所示。

4仿真和实验工作

模具温度控制过程由蒸汽系统、冷却系统,阀门交换单元、控制和监控单元、注射成型机组成。

所有的系统结构如图2所示,这些系统供管道中蒸汽、空气、冷却水的流动。

蒸汽源是由锅炉提供足够的高温蒸汽。

蒸汽可以达到每立方厘米10公斤，制冷设备的蒸汽压力可实现最大功率是20kW。

因为较低的水温度，冷却系统的冷却速度比较快。

20°C的水用于所有冷却过程中的研究。

此外,冷却水的速度必须满足一定的条件以实现模具的充分冷却。

为了提高加热效率,空气进入流道去清洗所有的水,为蒸气的进入做好准备。

另一方面,由于水能被重复利用，所以比较节约资源。

阀门可以改变蒸汽、空气和冷却水在单位时间的流量，控制和监控系统被用来控制所有单元。

采用ANSYS对模板进行热分析，是最能验证蒸汽加热的实用性。

图3显示尺寸和模子的配合。

模板的材料密度，比热容和热导率分别为7800公斤/立方米,460J/公斤°C和54W/m°C。

在模拟实验中，在模板外面形成自由对流的热传导模式，空气温度为25°C，热传导系数K是10W/m2[15]。

在此模具上形成多周期的加热模式。

起初,所有的模板温度都为50°C,然后在每一个周期（见图1）,建立热流道壁。

该方式的热传导系数以及流道内流体温度显示在表2。

一般来说，在仿真中，在150°C的蒸汽会使模板的表面温度达到140°C,然后,用水（20°C）模板冷却。

简单地说,在使用相同的流道，用150°C蒸汽将模板表面加热到140°C,然后,用20°C的下水冷却。

记录C点和D点的温度，将实验结果用于验证仿真预测C点和D点温度。

用相同的方法,一块100×100×42.5mm3的钢板有4个冷却流道。

如图3所示蒸汽系统,对板块进行加热和冷却，然后,对模板和阀的温度分布进行了红外测量。

这个结果将被用来验证模拟C点的结果。

实际应用外壳模具设计案例，电视机外壳的尺寸是400毫米×339.5毫米如图4所示。

一个600×500×140mm3的钢板被设计成8个流道（10毫米直径和15毫米型腔表面下面）用于加热和冷却。

如图5所示，显示了模具的尺寸、流道布局和电视机外壳网格模型。

在实际操作中,将模具预热到50°C,然后;与蒸汽循环加热,如图1所示。

当在P点型腔表面（图4）达到目标温度，模板将合闭，熔体开始向型腔注射。

改变了该方式的热传导系数以及温度的流体在循环的蒸汽辅助1注塑。

为观察蒸汽加热对模板的效果，蒸汽将模板加热150°C,然后水冷之120°C,接下来,冷却过程将一直保持在20°C。

在整个周期中,对P点的温度进行测量，然后,利用ANSYS以此进行仿真和分析,并与实验结果相对比。

最后,在上面所用模板中,在20°C冷却,150°C加热。

利用70到110°C的温度变化，统计在P点加热和冷却时的温度值，将这些结果与仿真结果进行对比分析。

除此之外,我们可以清楚的了解蒸汽加热和水加热对产品的质量，光泽度和硬度的影响。

图2模具温度控制单元与蒸汽加热

图3模板尺寸和网格模型

5结果和讨论

5.1蒸汽加热在简单模中的效果

随着时间的变化，模具温度在不同的步骤不断变化（在该中心的表面）如图2。

在相同的参数下，通过模拟,如表1，仿真和实验结果能准确可靠。

在此基础上的结果,中心点的温度改变显示蒸汽、空气、冷却水2次连续循环（从加热阶段直到最后冷却步骤）。

可以看出,与第一步,当热蒸汽150°C时,准备开始加热模具,它将仍在流道的空气混合,这样,热传导系数将会增加。

此时,模具温度的变化还不清楚。

通过仿真,在这个时期的热传导系数检测是在大约3000W/m2K。

然而,当所有的空气被排出去时（步骤二在图1）,热传导系数达到最大值,模具的温度会很快增加。

当热传导系数设置在15000W/平方米K,结果和下一步的实验是一样的。

当模具表面的温度达到预定值时,阀门开启，20°C的水流入流道。

由于蒸气仍在流道,短时间内与水混在一起，这就是为什么能节约能源的原因。

在冷却过程中冷却速度较低，（第三步,如图1）。

当所有的蒸汽排出去之后,冷却速度迅速提高。

此时,水和流道之间的热传导系数设置在流道5000W/平方米K用于模拟。

图4外壳模型和测量点

当模具温度下降到40°时，冷却水自动终止，阀门开启，空气流入流道，清除里面的水，准备下一个周期。

图6b表示表面与流道壁（D点）之间的历史温度。

通过3D仿真，体积加热的主要性能就能看出来了。

在这种情况下,C和D点之间大约相差5°C。

在加热及冷却前，D点温度高于C点,然而,在冷却后期，C点温度高于D点。

当温度达到100°C和140°C，图7也能说明这些差别。

图5电视机外壳的模板

图6C点和D点的温度

一般来说,当在一个周期中，结合蒸汽、空气、冷却水，热传导系数会发生变化。

在实验中,用红外测量系统对模具表面的温度分布进行观察。

然后,对实验结果进行比较分析如图六和图七所示。

该结果表明,当中心温度达到140°C时，进、出口附近的连接部温度较高。

该模具表面温度在在9秒之内可以从50°C增加到135°C（9°C/s）,并在44秒钟冷却至50°C（2°C/s）。

5.2蒸汽加热结束时，电视机外壳模具温度分布

通过模拟,观察电视机外壳模板的温度分布（图8）。

从三维模拟和图片看出，模板的高温部位都集中在型腔表面。

在这个设计中,流道邻近型腔表面,由于型腔面积有限，加热和冷却过程可以很迅速（见F-F）。

图7蒸汽加热和水冷却的温度分布。

在最后的加热过程中,内腔面温度范围从100°C变化到112°C（见E-E）。

然而,同样的模板,在电视机外壳模具模板仿真中，结果表明,该中心的流道体系温度高于内腔表面（见D-D）。

5.3水加热和蒸汽加热对比

从图1中可以看出,蒸汽加热系统首先用于模板，在加热过程中,水加热到120°C变成蒸汽。

当温度达到80°C时,在一个周期内测量P点的温度（图4）并与蒸汽加热相对比。

在这种情况下,在20°C下用水冷却模具，如图9所示。

通过蒸汽加热，P点温度可以在8秒内从50°升高到80°C,在12秒内冷却到50°C。

然而,当用水加热时,它需要18秒,才能使模具温度从50°C升高到80°C,16秒冷却到50°C。

因此,当蒸汽用于电视机外壳模具中时,加热时间可以从18秒减少到8秒。

可能是由于蒸汽和流道壁与水和流道壁之间的热传导系数不同才造成这一结果。

蒸汽可以很容易地达到高温、高压。

蒸汽温度往往也高于水的温度，这从另一个方面来说明蒸汽加热的效率更高。

在相同的条件下，蒸汽加热的冷却时间比水加热的冷却时间短。

这是由于蒸汽加热速度比较快,加热过程中影响小于水加热。

因此,在冷却时,第一步比第二步先冷却下来。

在相同的参数下模拟并对比实验结果如表1所示。

一般来说,仿真结果与实验有同样的效果。

5.4蒸汽加热温度与不同的目标

在电视机外壳模板的一个周期内，可以看出每一个步骤的目标温度随着加热时间的变化而变化。

结果表明,模具表面温度能够在7、9、13,17和19秒内从50°C提高到70°C、80°C、90°C、100°C和110°C。

可以看出,当加热时间从7秒到19秒时,模具表面温度大幅提高。

试验结果表明提出的方案是可行的。

一般来说,蒸汽加热的速度大约为3°C/s。

然而,模具表面温度达到极限值时加热时间较长。

图8温度为110°C时，蒸汽加热过程模具表面温度分布

图9蒸汽加热/冷却和水加热/冷温度对比

图10在不同的的温度下，蒸汽加热与冷却的温度

5.5蒸汽加热在产品质量方面的影响

最后,PMMA+ABS在245°注入C腔，最终温度达到80°C,而最初的模具温度是50°C。

之后,利用多光泽268米和基于ISO2813国际质量体系认证,在P位置处测得产品光泽度（图4）范围为85—160GU和分辨率为0.1GU。

图11说明当采用蒸汽加热从70°C到100°C和熔体温度为245°C时，产品的光泽度分析。

从图中可以看出温度越高，光泽度显然越好，充分证明蒸汽加热在产品质量方面的影响。

模具温度比水加热更能在高温下保持更长时间。

如果注射可以改进,则模具表面的质量也可以得到改善。

硬度是材料中一个最重要的性质。

它是用来衡量一个聚合物产品的指标。

当其他的参数是一定的,基于国际标准ISO868，D型号，1%的分辨率,图12说明电视机外壳在不同温度加热时的HD（在P点测量,图4）。

可以看出,温度越高，电视机外壳的硬度也越高。

这可以用结晶度来说明产生这种效果的原因。

如上所述,采用蒸汽加热,模具型腔表面温度会上升到一个更高的价值,因此,注射时间后,融化在高温下能保持更长时间。

在此期间,直到水晶将不断提高熔体温度低于tg。

这个过程显示,硬度是加热时间和目标温度重要的影响因素。

图11不同温度的光泽度

图12不同目标温度的电视机外壳硬度

6结论

在这项研究中,蒸汽加热系统结合冷却系统,达到快速模具冷却温度控制。

蒸汽加热的效果和模具温度的均匀性首先是在简单的模具中第一次被评估，就蒸汽加热的效果，然后把它应用到电视机外壳模具设计中，并与传统的水加热相比。

通过实验、观察比较和仿真温度、表面形貌。

对产品质量的质量也做了分析。

根据实验结果,可得出以下结论。

就一个模板来说,在9s内（9°C/s），蒸汽可以使模板表面温度从50°C增加到135°C,并在44s（2°C/s）内冷却至50°C。

在这种情况下,通过实验和仿真，能清晰观察每一周期的温度。

实际的电视机外壳模具、蒸汽系统已经显示了一个更高的效率在两个加热和冷却过程中。

比起水加热、蒸汽加热可以从18秒减少到8秒加热一步,16秒到12秒冷却的步骤。

通过改变目标温度70°C到110°C,加热时间不等,7秒19秒,最大的升温速率在大约3°C/s。

由于在注射过程中保持较高的温度，用蒸汽加热时，产品的质量能很好的改善，硬度和槽将有所增加。