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1、注塑成型过程中气体辅助模具表面温度控制加热的可行性评估陈夏宗，林素霞，林铭崇论文摘要2009年7月1号在网上可查阅关键词：动态模温，气体辅助加热，注塑成型，加热效率摘要：动态模具表面温度控制的优点是在不显著增加循环时间的前提下能提高成型零件的质量。在这项研究中，建立了有冷却水的气体辅助加热系统和以实现动态模表面温度控制的不同模具设计。在注塑成型过程中用气体辅助加热来实现模具表面的温度控制的可行性可以从实验结果中得到验证。本文除了研究模具设计的影响外，还研究了加热条件的影响包括热气体温度，气体流量和关系模具表面温度的加热效率和分布均匀的加热时间。结果显示，热气温度和气体流量增加，加热时间从2S增
2、加到4S，模具表面温度也显著增加。范型气道设计相比管型气道设计表现出更好的模具表面温度分布均匀性。在气体辅助加热/冷却过程中，它需要2s把模具表面温度从60提高到120，并在34S内将模具表面温度回到60。此外，在特定的加热条件下，升温速率可达30/S，这个速度非常适合于工业应用。1.概述 注塑成型是塑料制品加工中最重要的加工技术之一。在一个注塑周期中，冷却步骤占据了大约三分之二的时间。因此，有效率的冷却能够显著的减少周期时间和操作的消耗。但是，在注塑过程中模具的低温把聚合物融化的热量转移到冷的模具上，导致了冷温层由部件的外表面向其核心传播发展。这些冷冻层增加了流动的阻力，使模具的空腔很难被填
3、充。期间，很多模具问题包括焊缝，工件表面光泽，残余应力和翘曲度在模具温度低和加热分布不均匀的情况下会变的很严重。高的模具温度可能因此而减少或排除很多模具问题。计算机，通讯和消费类电子产品的不断发展要求他们向更轻便，更薄，更小尺寸的方向发展。因此，注塑薄壁零件面临一些新的挑战，包括满足高速注塑成型机器的条件，材料的选择，零件的设计，模具设计和成型控制。在这些问题中，由于薄壁快速融化冷却对于冲击模具有显著意义。如果在充填过程中，模具的温度能维持在比玻璃化温度更高的相对温度上，然后模具压力会大幅度减少。此外，高速的融化注塑是不需要的。因此，相关的残余应力和零件翘曲度能够最小化。焊缝和其他的表面原因也
4、同样能简单的排除。微型模具是用来制造各种具有微型特征的聚合物零件，像光栅，光学开关，波导管以及微型射流装置。为了适应微型注射模具能够有一个较高的几率使融化的聚合物完全填充进微型的几何装置中，需要在一个接近于融化温度下进行操作，以便完全填充模具。使用温度达到90或100的冷却水是使模具达到高温的最便宜的方法。当模具要求温度超过100时，高压水供给系统（为了防止水汽化）或加热油可能会派上用场。前者可能在长期使用后导致有害和安全等论点的联系，而后者则可能由于油的低的热转换系数而成为节约能源的方法。有时，局部模具加热用电加热的基本原则被用来帮助模具高温控制，特别是在薄壁空腔区域。但是，这要求额外的设计
5、和工具花销。进一步来说，电加热通常用作辅助的加热手段，仅限于粗略的增加几十摄氏度模具温度。实际上，在经济学上决定了在注塑阶段模具温度很高（为了使零件壁厚和注塑压力最小）而在冷却阶段模具温度很低（为了使其快速固化）。但是，在快速填充过程中，模具温度下滑到挠曲温度以下，而循环时间和能源消耗没有明显增加的情况下，维持填充过程中模具高温状态时不容易的。为了应对这个问题，最近3到13年一直在研究各种动态模温控制。他们的目的是消除冻结层完美的生产在填充阶段是热模具热在冷却阶段是冷模具的模具。最常用的达到动态模温控制的手段是用热液体或冷却剂，或者在同一个冷却电路中用脉动开关或在单独的冷却通道的电路。不管怎么
6、样，大量的模具在同一时间不是加热就是冷却，导致能源消耗加巨和操作时间加长。或者，尽管模具外表面加热，例如感应加热，能够提供充足的加热效率而不明显增加循环时间，线圈设计和随之而来的操作，要求额外的努力和消耗。研究人员已经用薄得绝缘漆来延缓冰冻层的延伸直到聚合物注射完成。这项技术已经成功的用于光学媒体的生产。最近的资料显示，卡兹默及其同事已经计划一个关于创新的模具设计的观念（由一个高密度和特殊的加热的薄层组成，就如一个在传统模具底部具有低导热性的薄层）和预热程序（用压缩的热空气）来达到在模具循环时间内动态的控制在聚合物和模具接口的温度。他们的模拟实验结果表明预热系统在相同的循环时间里相比于传统的模
7、具制造能够明显减少剩余应力。尽管模拟实验表明用气体辅助加热系统来达到快速控制模具表明温度，能够提高注塑零件的质量，加热条件的影响，气流通道的形状，模具在加热效率和温度分布均匀上的设计还有待系统的进行调查研究。同事们的研究论文普遍的证实了模拟的结果。这儿也缺乏对加工特性和运用气体辅助加热系统生产的零件的表面质量的系统的以实验为基础的研究。在这项研究中建立了有冷却水的气体辅助加热系统和以实现快速模表面温度控制的不同模具设计。利用气体辅助加热系统在注塑过程中对模具表面温度控制来提高模具表面加热效率的可行性随后被评定。一系列的有系统的实验用来指导加热条件的影响包括热气体温度，加热时间，气体流量和关系加
8、热效率的温度均匀分布与有没有一个高传导性的电镀镍层之间的关联。此外，模具设计（包括由氧化锆形成的绝热层）和各种气道形状设计（包括范型和管型气道）对加热效率和温度均匀分布的影响也进行了研究。测量的气体辅助加热温度变化与水加热的进行比较。但愿结论能够提供一个详述的在注塑阶段用气体辅助加热来控制模具表面温度的可行性的解释，就像为了达到模具表面最好的加热效率而在模具设计的选择中提供指导。2.建立气体辅助模温控制系统气体辅助模温控制是能在注塑成型阶段快速加热和冷却模具表面的先进的模温控制系统。这个系统通常用于在融化聚合物填满空腔之前使模具表面温度达到更高。这个系统由一个水温控制系统和气体辅助模温控制系统
9、。水加热/冷却控制系统通过冷热水的开关来预热或冷却模具。这个气体辅助模温控制系统由一个高能量的热风扇，模板和模型骨架组成。大功率的风扇的作用是提供流动的热空气的热源。这个复合模具有三个组合部分：（1）一个骨架模型，具有良好导热性的镍板；对于这个复合模具，由0.5厚的度镍层而做的镶件安装在模具基体的表面。由于模具基体和镶件的之间的裂口使其有了需要更少的热量的优点。结果，模具表面温度能在填充阶段快速上升到能维持融化状态的高温，然后能在冷却阶段快速下降。与此同时，为了减少镶件和基体间的热量转移，一层由0.5厚的热绝缘层（氧化锆）被覆盖到镶件上来进一步保持表面的高温和其余的低温模具。在这个操作中，外层
10、用压缩的热空气进行了预热。注射入型腔的气体的温度和持续时间将形成一个预设的最佳的模具壁温度。此外，使热气进入型腔的气道能用不同的形状组成来增加实用性和加热效率。这个系统用的是通过一个大功率的电阻加热器加热的压缩空气。空气通过一个往复运动的空气压缩机压缩和其内联的加热器加热。空气按要求进行压缩和内联加热。它按程序要求即时产生，取代了储存在周期间。3.实验工作 一个大小为长100，宽20，高10的矩形模具型腔为实验设计就像图2中描述的一样。在加热阶段，模块用热水预热到60，然后用外部的热空气加热到预订的目标温度。在冷却阶段，为了快速冷却将水切换到14。为了研究加热效率和温度分布均匀，加热时间设为4
11、S(2,6和8S)，热气体温度为500（300和400），热气流量为400l/min(100,200,和300l/min),就如表格1所示。上文所描述的参数作为标准加热条件，然后在一时间内改变一个参数来研究这些参数对加热效率和模具温度均匀分布的影响。 在初步研究中，一个模板有没有镶件和有一个管型气道都被研究来评价加热效率和温度分布的均匀性。在进一步的研究中，一层薄的绝缘层被覆盖在镶件上，不管是管型还是范型气道，如图3所示，以此来研究加热效率和温度分布的均匀性。为了研究这些参数对加热效率和温度分布的均匀性的影响，三个热电偶放在三个不同位置（包括气体进口处，中心位置，远离气体进口处）来检测模具型腔
12、表面，如图2所示。模具表面温度随着时间在特殊位置变化的情况显示在图4中。红光线热影像系统用来观测分析特殊位置的温度的属性在加热后模块表面温度分布。4.结果和讨论4.1有无镍镀层的加热条件对加热效率和模具温度的影响模具表面温度（中心地区）在没有镶块（镍板）得情况下，在4S的加热时间里，不同的气体流量（100,200，300和400l/min）和热气温度（300,400和500）情况下的温度变化分别如图4和图5所示。这图中可看出随着气体流量和热气温度的增加，模具表面温度显著增加。在更高的气体流量和（400l/min）和更高热气温度（500）条件下加热速度可达到20/S。但是由于模具材料的高导热系数
13、，模具表面中心温度只有145。在2S后模具表面温度会降到大约118。在没有镍板得情况下，在同一气体流量400l/min和热气温度500的条件下，在不同的加热时间下（2,4,6,8S），模具表面温度变化如图6所示。从图中可以看出，加热时间从2S增加到4S时，模具表面温度明显增加。但是，当加热时间超过4S时，模具表面温度也达到了饱和温度（146-149）。这也要归结于模具材料的高导热性。模具表面的中心温度在不同的加热参数，包括气体流量，热气温度，加热时间及有没有镶件的比较已分别列举在图7-9中。在检测模具表面温度在中心位置的数据时，发现由于模具基体和镶件之间的间隙使其所需的热量更少的缘故，有镶件的
14、模具表面温度壁没有镶件的高出50-110。再看图6中所示，在有镶件且加热时间为4S的条件下，模具表面温度在进入加热尾部即2S后还保持着190的高温。4.2气道形状对模具表面温度分布的影响为了提高加热温度的均匀性，范型气道被拿来考虑过。早靠近进气口，中心位置，远离进气口三个不同位置在管型气道和范型气道在相同加热参数的情况下的2S进入加热尾部的模具表面温度分布的比较分别如图10-12所示。图13显示了管型气道和范型气道在有镍镶件和绝热层的温度分布的性能比较。对于管型气道，由于温度的差异导致的次质量，温度差异可达到20-100。范型气道的模具表面温度在三个不同测量位置的差异保持在15以下，显示出了更
15、好的均匀分布性能。图14显示了运用红外线热影像系统捕捉的在加热时间是4S时模板表面温度分布状况。毫无疑问，气体辅助加热系统用范型气道能为模具型腔提供更好的均匀的温度。4.3不同的复合热模具墙结构的加热效率的比较在图15中可看出在2S加热结束后在一个特定的加热条件下（气流量为400l/min，热气温度为500，加热时间为4S，范型气道），对于不同的复合热模具结构设计（没有镶件，有镶件，有镶件和绝热层），模具表面温度随着加热时间而变化。模具表面温度数据表明模具有镍板和绝热层能提供最好的加热效率。一般而言，这三种复合热模具结构的加热温度的增值（即T）比率大约是1:2:3。最后，对气体辅助加热系统和传
16、统加热方法的加热效率做个对比来评估气体辅助加热控制模具表面温度的可行性和效率是值得的。在加热/冷却循环中，模具表面温度在中心位置的变化情况描述在图16中。气体辅助加热大约需要2S把模具温度从60升到120。水热需要192S来达到同样的温度上升。此外，气体辅助加热系统把模具温度从120冷却到60只需要34S。这快速加热和冷却比率是由于在加热过程中实际上只有模具表面很薄得一层被加热。如果采用水热，需要75S才能把温度从120冷却到60。对于气体辅助加热，模具表面温度在上述范围内能以30/S的速度上升，以2/S的速度冷却。相比较于传统加热，与冷却剂冷却结合的气体辅助加热使模具温度变化更有效率，提高了模具表面的加热效率，因此而展示出其在工业生产中应用的潜力。高传导性外层和绝缘层得组合允许
