注射成型 | 10分钟阅读

提高模具的冷却性能

需要计算出你运行的各种聚合物的模具冷却能量需求吗?如何确定冷却回路的尺寸以提供足够的冷却能力?在这里学习这一行的诀窍。
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热力学第一定律指出,能量不能被创造或破坏,只能从一个地方转移到另一个地方。如果你认为一个注射模是一个封闭的热力学系统,你可以考虑进入和离开系统的能量。将熔融塑料注射到模具中是能量输入,能量通过各种机制排出。一部分能量(热量)被排出零件带走,另一部分被冷却系统排出。这不太明显,但当模具加热到室温以上时,一些能量也会进入周围环境。

为了简单起见,我们可以忽略由于模具温度升高而造成的热损失。这给我们留下了三个相对简单的任务来量化能量流和估计冷却需求,假设是一个传统的水循环冷却系统:

1.了解聚合物的热性能,并学习计算非晶和半晶材料的能量值和流量的方法。

2.计算必须从模制零件中移除的(冷却)能量,以将温度从加工(熔体)温度更改为安全喷射温度。

3.以冷却能量要求为起点,确定冷却回路的直径和长度,冷却液∆T值,以及需要湍流和去除所需热量(能量)的冷却液流速。

聚合物热性能

对于聚合物和能量的讨论,我们必须使用一个单位系统,这样我们才能量化能量的数量。北美常用的能量单位是英国热量单位或BTU,定义为将1磅蒸馏水加热1°F所需的能量。因此,我们可以说,蒸馏水的热容通常指定为CP,为1 BTU/lb-°F。其他材料有它们自己独特的热容量值,它量化了需要添加多少热量(能量)才能将一磅这种物质的温度改变1°fP我们共同感兴趣的资料。选择字母E来代表能量:

E = W x CPx∆T表示BTU,其中

W =材料的重量,单位为磅

CP=热容量(BTU/lb-°F)

∆T=温度变化,华氏度。

例如,假设我们正在使用ABS(一种非晶材料)成型一个重量为0.45 lb的零件。熔融ABS在464 F的加工温度下注入模具,模制零件在212 F的喷射温度下喷射。我们想知道冷却此喷丸需要多少能量,即将温度从464 F更改为212 F。参考表,我们注意到ABS的热容为0.34 BTU/lb-°F,因此:

°F x(464-212)°F = 0.45 x 0.34 x 252 = 38.56 BTU

我们已经演示了如何计算一次射击的冷却能量。接下来,我们需要确定一个冷却或能量流速率,用字母q表示。为此,我们必须考虑材料流过模具的速率。这可以简单地通过计算每小时射击次数(SPH)并将其乘以每次射击的BTUs来实现。SPH的计算方法是将每小时的秒数(60 × 60)除以以秒为单位的周期时间。15秒循环:SPH = 3600/15 = 240次/小时。因此,从我们上面的例子中,冷却ABS部件所需的能量流是:

Q = SPH x BTU/shot = 240 x 38.56 = 9254.4 BTU/hr

对于半结晶树脂,在能量计算中还有一个额外的因素。与ABS等非晶聚合物不同的是,半晶聚合物具有被称为结晶的高度组织化的分子区域,在熔化过程中,需要额外的能量将结晶状态转变为非晶状态。晶体结构在冷却过程中重新建立,必须移除等量的额外能量来逆转状态的变化。额外的(热量)能量称为结晶潜热。无定形聚合物没有晶体结构,因此没有潜热值。

每种半结晶聚合物每磅材料的潜热都有一个唯一的值。因此,潜热可定义为每磅材料在熔化过程中分解结晶结构或在冷却过程中重新建立结晶结构所需的热量。潜热值以BTU/lb表示。选项卡le 1显示了一些常见半结晶材料的热容和潜热值。

半晶体材料的能量计算类似于上面的ABS例子,除了我们还必须考虑潜热。我们将用聚丙烯来演示这种方法。

首先,假设弹丸重量为0.30磅,CP为0.61 BTU/lb-°F,∆T为(450-212),潜热值为H,计算每弹丸的能量l)89.1英热单位/磅。

E/shot = W x ((CPx∆T) + Hl)或:

E/shot=0.30 x((0.61 x 238)+89.1)=0.30 x(145.2+89.1)=0.30 x 234.3=70.3 BTU/次。

假设循环时间为8秒,SPH=3600/8 = 450。用这个值我们可以计算出冷却这个过程的能量流:

Q=70.3 BTU/shot x 450 SPH = 31,635 BTU/hr。

请注意,本例中的冷却能量需求相对于非晶态ABS部件是相当大的,尽管PP部件的重量更小,由于潜热部件和更快的循环。

水循环冷却

注塑模具的一个主要功能是作为热交换器。热输入是定期注入熔融聚合物。必须从模具中移出足够的热量,使零件冷却到安全的顶出温度。这通常是通过温度控制的液体冷却剂(通常是水)的循环来实现的,目的是保持一个稳定的适合冷却零件的模具温度。当水流经冷却回路时,其温度逐渐升高,从而带走模塑部件的热量。

了解∆当水流过模具时的T和流速,我们可以确定能量流速,QW,对于特定的冷却回路:

W= ∆温度x加仑分x 60分钟/小时x 8.34磅/加仑x 1英热单位/磅-华氏度。

W=∆T x GPM x 500.4。

例如,假设a∆T为2.8°F,流速为0.85 GPM:

W=2.8 x.85 x 500.4=1190.95英热单位/小时

我们也可以重新排列这个表达式来计算GPM需求,假设我们已经知道需要去除多少热量,并假设∆T.该表达式为:

流量=问W/(∆T x 500.4)。

例如,假设我们已经确定,对于B侧具有单个冷却回路的单腔模具,我们需要移除1800 BTU/hr。接下来,假设该冷却回路:

∆T=3.5华氏度。

GPM=1800/(3.5 x 500.4)=1.03 GPM

这些示例说明了相对简单的计算方法,用于确定现有回路的冷却能力,以及基于某个流量值确定排出一定热量所需的流量∆到目前为止,我们演示的技术是评估现有冷却回路和设计新回路的基本工具。但有一个重要的问题仍然没有得到回答:价值何在∆我们应该用什么?

一些制模厂对实际生产条件下的冷却剂∆T进行了内部研究。使用该方法可以根据实际的成型参数,包括材料、工艺温度、喷丸重量、冷却剂流量和每小时喷丸量,建立真实零件的∆T值数据库。这是一个很好的方法来提高您的冷却设计能力。

通过冷却回路测量∆T需要非常精确的传感器,因为温度变化可能低至1度或2度。用一对超精密浸入式实时测量仪和一个手持式双通道读取器测量是一个很好的方法。传感器可以安装在一对三通管上,其他端口上有快速连接接头,方便地接入冷却电路来测量∆T(见图)。

另一种方法是使用在实验室中开发的∆T值。Burger & Brown Engineering, Inc.利用其电加热模具模拟器对∆T值与热输入进行研究。该公司已经做了圆芯和平板模板的试验。在这些试验中,我们使用恒定的冷却剂流动速率远高于湍流流动过渡。我们改变了模具的热输入,测量了冷却剂的温度响应。热输入与循环时间、物料类型和喷丸尺寸有关。从我们的数据中,我们计算出每英寸冷却回路长度的∆T值。结果如图1所示。虽然范围有限,但该数据为设计新的冷却回路时估计∆T提供了合理和有用的基础。

下面的例子将说明一种方法,为运行一个5英寸的模芯设计冷却电路。直径0.050 -。厚圆形PP帽。部件重量为0.043磅,循环时间为12秒。熔体温度为500℉,部件喷射温度为180℉,产生所需的冷却温度变化为320℉。根据表中的数值和PP热性能,我们可以计算出这部分所需的冷却能量,步骤如下:

1) SPH=3600/12=300

2) W(加工材料磅/小时)=0.043磅/次x 300磅/小时=12.9磅/小时

3) 每件冷却能量,Q冷却=宽x((0.61 BTU/lb-°F

x 320°F) + 89.1 BTU/lb) = 12.9 x (195.2 + 89.1) = 12.9 x 284.3

= 3667.5英热单位/小时。

4)接下来,我们必须决定将多少冷却能量分配给模具的B半部分。除非我们有来自其他现有模具的可用数据,否则可以使用模具模拟软件或通过裤子座位法来估计此分配。在我们的示例中,让我们使用零件在B侧冷却时间稍长的原理,将55%分配给B侧。因此,堆芯冷却要求为:

核心=0.55 x 3667.5 = 2017 BTU/hr。

现在,我们准备考虑核心冷却回路的可能几何结构。图2显示了盖模具使用的常见回路布局。对于该回路,有效冷却长度为23英寸,有效直径为0.335英寸。

参照图1,我们可以为∆T/in选择一个值。相当于我们的热量输入约为2000 BTU/hr。这种冷却设计更像一个平板,它使水相当接近成型表面,可能是0.63-0.75英寸。同心环提供了一个相当长的电路,这将推高ΔT值。最后,能量密度相当高,即BTU/hr/in。²模制件面积。选择一个中档的ΔT/in是合理的。值为0.20。然后我们可以做计算,看看它是否产生一个合理的冷却剂流量要求。QW是水必须带走的能量:

流量=问W/ (∆T x 500.4)。

ΔT = 0.20°F x电路长度或0.20 x 23英寸。= 4.6°F。

所需的GPM = 2000/(4.6 x 500.4) = 2000/2302 = 0.87 GPM。

参照表2,外推有效电路直径的值为0.335英寸。在美国,即使水温是华氏40度,0.87加仑/分钟也足以造成乱流。

设计冷却回路的基础是好的。∆T估计。许多因素会影响该值。冷却液流经回路时温度会升高,这取决于喷丸的能量输入速率、冷却液的流速、回路的长度和直径、用于制造模具的材料以及回路与成型表面的距离。处理器可以进行内部螺柱冷却回路设计∆T为将来的设计打下坚实的基础。

关于作者:菲利普·伯格

Phil Burger, p.e.于1978年创立Burger & Brown Engineering, Inc.,并担任总裁直至2005年。位于密苏里州Grandview的Burger & Brown公司生产与模具冷却和模内传感相关的工程产品,并拥有10项产品专利。伯格目前在这家公司做兼职工作,他最近开发了一个名为“科学冷却”的教育项目,该项目于2013年10月启动。联系人:(816)878 - 6675;trumpetman44@hotmail.com;smartflow-usa.com

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