模具的温度控制

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1、模具的溫度控制溫度控制的必要性在射出成形中,射出於模具內之熔融材料溫度,一般在 150350之間,但由於模具之溫度一般在 40120之間,所以成形材料所帶來的熱量會逐漸使模具溫度升高。另一方面,由於加熱缸之噴嘴與模具之注道襯套直接接觸,噴嘴處之溫度高於模具溫度,亦會使模具溫度上升。假使不設法將多餘之熱量帶走,則模具溫度必然繼續上升,而影響成型品的冷卻固化。相反地,若從模具中帶走太多的熱量,使模具溫度下降,亦會影響成型品的品質。故不管在生產性或成型品的品質上,模具的溫度控制是有其必要性的。茲分述如下：1. 就成形性及成形效率而言模具溫度高時,成形空間內熔融材料的流動性改善,可促進充填。但就成形效

2、率(成形週期)而言,模具溫度宜適度減低,如此,可縮短材料冷卻固化的時間,提高成形效率。2. 就成型品的物性而言通常熔融材料充填成形空間時,模具溫度低的話,材料會迅速固化,此時為了充填,需要很大的成形壓力,因此,固化之際,施加於成型品的一部份壓力殘留於內部,成為所謂的殘留應力。對於 PC 或變性 PPO 之類硬質材料,此殘留應力大到某種程度以上時 ,會發生應力龜裂現象或造成成型品變形。PA 或 POM 等結晶性塑膠之結晶化度及結晶化狀態顯著取決於其冷卻速度,冷卻速度愈慢時,所得結果愈好。由上可知,模具溫度高,雖不利於成形效率,但卻常有利於成型品的品質。3. 就防止成型品變形而言成型品肉厚大時,若

3、冷卻不充分的話,則其表面發生收縮下陷,即使肉厚適當,若冷卻方法不良,成型品各部分的冷卻速度不同的話,則會因熱收縮而引起翹曲、扭曲等變形,因而需使模具各部分均勻冷卻。溫度控制的理論要素模具的溫度調整,對成型品的品質、物性及成形效率大有影響,冷卻孔的大小與其分佈為重要的設計事項。熱在空氣中,主要藉輻射和對流來傳播,在固體或液體中主要藉傳導來傳播。固體的熱傳導也因物質的不同而有所差異,而且不同物質的交界處也有界膜傳熱係數。在液體中,熱的傳導因傳熱管的大小、流速、密度、黏度等而異,熱計算公式很複雜,需要很多假定,不易求解。但最近由於電腦的發展等已容易計算,可行理論解析。1. 模具溫度控制所需的傳熱面積

4、熔融材料的熱量約 5%,因輻射或對流而喪失於空氣中,95%傳導於模具。假定材料帶入的熱量全部傳播到模具,其熱量為 Q。則Q = s g Cp ( T1 - T2 ) + L (kCal/hr)s ：每小時的射出數(次/hr)g ：每次射出材料的重量(kg/次)Cp ：材料的比熱(kCal/kg)T1 ：材料的溫度 () T2 ：取出時的成型品溫度,及模具溫度()L ：熔解潛熱 (kCal/kg)現設 Cp ( T1-T2 ) + L = s g = m則 Q = m (kCal/hr)m ： 每小時射出於模具的材料數量 ： 材料 1kg 的全熱量所謂熔解潛熱是材料的相變化產生的熱量,亦即材料從

5、液體變成完全固體時,從材料放出的熱量。以單位重量表示。表 1 所示為各種材料在成形條件下,1kg 材料的全熱量。熱量 Q 從模具傳道冷媒,此時冷卻管的傳熱面積為 A,則 Q A = (m2)hw T表 1 各種材料在成形溫度條件下的全熱量(單位：kcal/kg)成形材料 (kCal/kg) 成形材料 (kCal/kg)PE (低密度 )PE (高密度 )PPPS耐 隆138.9166.7166.7194.4138.9166.766.783.3166.7194.4ABSAS聚縮醛PVCCACAB77.894.466.783.31005068.961.7A ：傳熱面積(m 2)hw ：卻管的界膜傳

6、熱係數(kCalm 2 hr) T ：模具與冷媒的平均溫度差 ()冷卻管的界膜傳熱係數 hw 在冷卻水流的場合為 d v e Cp 0.3hw = ( ) ( ) (kCal/m2hr)d ： 冷媒的熱傳導率(kcal/mhr)d ： 管徑(m)v ： 流速(m/hr)e ： 密度(kg/m 3) ： 黏度(kg/mhr)Cp ： 比熱(kcal/kg)2. 冷卻用水量在成形作業中為了控制模具溫度,經常在模具內設有冷卻水管,但其入水溫度與出水溫度及冷卻水量等必須詳加考慮,為了再利用或循環模具送出的溫水,須選定冷卻水溫度調整機或熱交換機降低入水溫度。若入水溫度與出水溫度之差太大時,亦即冷卻水奪走

7、模具中的熱量太多,則不利於模具的溫度分布,而影響成型品的品質,此時,宜增快流速或增高注入壓力,或增加流量。表 2(後面字看不清)表 2 冷卻水 的界限循環水流 路 直 徑(mm)流 量(m3/min)流 量(l/min)8 0.0038 3.811 0.0095 9.519 0.038 3824 0.076 76一般帶入模具的熱量藉冷卻水帶出模具外的水量可計算如下：m w = K ( T3 - T4 )w ：每小時流出的冷卻水量(kg/hr)m ：每小時射入於模具的材料重量 (kg/hr) ：材料 1kg 的全熱量(表 5. 5)K ：水的熱傳導效率T3 ：出水溫度( )T4 ：入水溫度( )

8、K 值之決定：冷卻水管在型模板中或心型中時 K=0.64冷卻水管在固定側固定板或承板中時 K=0.50使用銅管之冷卻水管時 K=0.103. 模具加熱器能量加熱流道模具之加熱流道件通常使用插入式加熱器來控制其溫度。非加熱流道模具在成形高融點材料或肉厚較厚、流動距離長、面積大之成型品時,經常需將模具加熱,此時亦可使用加熱器將模具加熱已利成形。加熱器之能量可計算如下,現設加熱的材質為高碳剛,比熱 0.115kCal/kg。則TWP = 860 nP ：每小時所需電力(KW/hr.)T ：模具溫度或加熱流道件溫度()W ：模具重量或加熱流道件重量(kg)n ：效率(%) 此式所需溫度上升起點以 0作

9、基準,而且加熱器之密接度,絕熱材之絕熱效果依情狀而異,n 值以 50%計。模具的冷卻和加熱一般模具,通常以常溫的水來冷卻,其溫度控制藉水的流量調節,流動性好的低融點材料大都以此方法成形。但有時為了縮短成形週期,須將水再加以冷卻。小型成型品的射出時間,保壓時間都短,成形週期取決於冷卻時間,此種成行為了提高效率,經常也以冷水冷卻,但用冷水冷卻時,大氣中的水分會凝聚於成形空間表面,造成成型品缺陷,須加以注意。成形高融點材料或肉厚較厚,流動距離長的成型品,為了防止充填不足或應變的發生,有時對水管通溫水。成形低融點成形材料時,成形面積大或大型成型品時,也會將模具加熱,此時用熱水或熱油,或用加熱器來控制模

10、具溫度。模具溫度較高時,需考慮模具滑動部位的間隙,避免模具因熱膨脹而作動不良。一般中融點成形材料,有時因成型品的品質或流動性而使用加熱方式來控制模具溫度,為了使材料固化為最終溫度均勻化,使用部分加熱方式,防止殘留應變。以上所述,模具的溫度控制是利用冷卻或加熱的方式來調整的。冷卻管路的分佈欲提高成形效率,獲得應變少的成型品時,模具構造須能對應於成形空間的形狀或肉厚,進行均勻的高效率冷卻。在模具加工冷卻管路時,管路的數目、大小及配置極其重要。如圖 1(a)(b)所示 ,相同的成形空間,加工相近的大冷卻管路或加工遠離的小冷卻管路,探討熱的傳導路徑。現在大管路通入 59.83的水,小管路通入 45的水

11、,求溫度斜度,連結等溫曲線,即得圖 1(c)(d),可見模具成形空間表面的溫度分佈,大管路是每週期有 6060.05的溫度變化,而小管路,則有 53.3360的溫度變化。(a) (c)(b) (d)圖 1 熱傳路徑與溫度變化曲線模具成形空間表面的溫度分佈,因水管的大小、配置、水溫而異,上示圖(d)之 6.67(6053.33)溫度差在某一成形條件上也許充分 ,但殘留之內部應力 ,對尺寸精度高的成型品,可能造成成形應變或經時變化。熱傳導率愈高時,傳導效率愈好,容易控制及排除熱量。亦即熱傳導率愈高時,模具成形空間的表面溫度變動少,傳導率低時,表面溫度變化大。通常熔融材料充填成形空間時,澆口附近溫度

12、高,離澆口愈遠處的溫度愈低。若將成型品分割成若干部份,則該部份的熱量正比於體積。一般對冷卻系統的設置需考慮下列原則：(1) 冷卻管的口徑、間隔以及至成形空間表面的距離,對模具溫度的控制有重大影響,這些關係比的最大值如下,如冷卻管口徑為 1 時,管與管的間隔最大值為 5,管與成形空間表面的最大距離為 3。再者,成型品肉厚較厚處比肉厚較薄處,冷卻管必須縮小間隔並且較接近成形空間表面。(2) 為保持模具溫度分佈均勻,冷卻水應先從模具溫度較高處進入,然後循環至溫度較低處再出口。通常注道、澆口附近的成形材料溫度高,所以通冷水,溫度低的外側部份,則循環熱交換的溫水,此循環系統的管路連接,是在模具內加工貫穿

13、孔,在模具外連接孔與孔。(3) 成形 PE 等收縮大的材料時,因其成形收縮大,冷卻管路不宜沿收縮方向(看不清楚請改)(4) 冷卻管應盡量沿成形空間的輪廓來設置,以保持模具溫度分佈均勻。(5) 直徑細長的心型或心型銷,可在其中心鑽盲孔,再裝入套筒或隔板進行冷卻,若無法裝入套筒及隔板時,以熱傳率良好的鈹銅合金作心型及心型銷材料,或以導熱管(hear pipe)直接裝入盲孔中,再以冷卻水作間接之冷卻,效果尤佳。(6) 冷卻水流動過程中不得有短捷或停滯現象而影響冷卻效果,而且冷卻管路盡可能使用貫穿孔方式,以便日後方便清理。冷卻回路實例冷卻回路的配置,取決於成型品之形狀、成形空間內的溫度分佈及澆口位置等

14、。常用的方法有鑽孔法、溝槽法、隔板法、套管法、間接法等。如圖 2 所示。冷卻回路實例 (一)鑽孔法請作圖 最一般性的鑽孔法,設貫穿孔,在模具外部用橡皮管等連接孔與孔,盲孔用塞堵住。從注道附近通冷水,適合四方形成型品。沿成型品的形狀對接鑽孔,以塞堵住不要的部份,冷卻效果良好,適合四方形成型品。圓筒成型品外周冷卻方法,沿成型品的外周對接鑽孔,以塞堵住不要的部份。圖 2冷卻回路實例 (一)鑽孔法成型品的直徑不太大時,使冷卻孔前端交叉,形成類似心型的冷卻回路。冷卻回路實例 (二)溝槽法成型品的形狀淺而寬時,在可動側型模板設渦旋式的冷卻溝槽。成型品形狀淺而寬時,使用側狀澆口成形,設置迂迴冷卻回路。若冷卻

15、水在入口、出口的溫度差大時,可增加出、入口數而調整溫度,但加工費事。類似盒型、杯類成型品,廣泛使用之冷卻回路,效率佳,但模具構造變為複雜。冷卻水從底部的中心往注道附近進入,沿螺旋溝槽循環冷卻。圖 2(續)冷卻回路實例 (三)隔板法細小的心型銷或使用套筒頂出之模具,其冷卻管用鑽孔法或溝槽法均不易加工。可在心型銷細端,作階段式的冷卻孔,內裝隔板,使冷卻水路分隔。套筒頂出之場合,由隔板式的方式對心型銷作冷卻。但孔徑太小時,水垢易集結,孔有堵塞之虞,此種情況下,可改用壓縮空氣冷卻之,效果頗佳。較大心型之冷卻,亦可使用隔板法,加工簡單,但冷卻水的流路太長,入口溫度與出口溫度差大,影響成型品的均勻冷卻。對成型品面作主要冷卻,使用周圍可供冷卻水通過的特殊隔板對心型表面冷卻冷卻回路實例 (四)套管法成型品淺而寬,主要考慮在直接澆口附近的冷卻,可使用套管作冷卻,冷卻水從入口處經套管噴出,由孔壁與套管間回流出口,可有效地冷卻注