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【天富平台客户端】如何改善模具的冷却性能?这些技巧来帮你

热力学第一定律指出,能量不能产生或减少,只能从一个地方转移到另一个地方。如果您将注塑模具视为一个封闭的热力学系统,则可以考虑进入和离开系统的能量。能量的注入是注入到模具中的熔融塑料的注入,能量通过各种机制逸出。一些能量(热量)在弹出的部件中带走,而有些则由冷却系统清除。这种情况不太明显,但是当模具被加热到明显高于室温时,一些能量也会进入周围的环境。

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为简单起见,我们可以忽略由于模具温度升高而产生的任何热量损失。假设使用传统的水循环冷却系统,这给我们提供了三个相对简单的任务来量化能量流并估算冷却需求:

1.理解聚合物的热性能,并学习计算非晶态和半晶态材料的能量值和流动性的方法。

2.计算必须从成型零件中除去的(冷却)能量,才能将温度从加工(熔融)温度更改为安全的喷射温度。

3.以冷却能量需求为起点,确定冷却回路的直径和长度,冷却剂ΔT值以及需要湍流并去除所需热量(能量)的冷却剂流量。

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聚合物热性能

为了讨论聚合物和能量,我们必须采用单位制,以便我们可以量化能量。北美常用的能量单位是英国热量单位或BTU,它定义为将1磅蒸馏水加热1°F所需的能量。那么,我们可以说蒸馏水的热容量通常称为C P,为1 BTU / lb-°F。其他材料具有自己独特的热容量值,该值可量化BTU中必须添加多少热量(能量)才能将一磅物质的温度改变1°F。随附的方程式提供了以下常见材料的C P值:对我们感兴趣。选择字母E代表能量:

E = W x C P x ∆T(BTU),其中

W =物料重量(磅)

C P =热容量,单位BTU / lb-°F,和

∆T =温度变化,°F。

例如,假设我们正在使用非晶态材料ABS成型重0.45磅的零件。将熔融的ABS在464 F的加工温度下注入模具中,并将成型件在212 F(喷射温度)下喷射。我们想知道冷却该注射所需的能量,即将温度从464 F更改为212F。参考该表,我们注意到ABS的热容量为0.34 BTU / lb-°F,而因此:

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

我们已经展示了如何计算一次喷射的冷却能量。接下来,我们需要确定冷却速度或能量流速,用字母Q表示。为此,我们必须考虑材料流过模具的流速。只需通过计算每小时射击次数(SPH)并将其乘以每次射击的BTU即可完成。通过将一小时中的秒数(60 x 60)除以以秒为单位的循环时间来计算SPH。对于15秒的周期:SPH = 3600/15 = 240镜头/小时。因此,以上示例中冷却ABS部件所需的能量流为:

Q = SPH x BTU /小时= 240 x 38.56 = 9254.4 BTU /小时

对于半结晶树脂,还有一个因素会影响能量计算。与无定形聚合物(如ABS)不同,半结晶聚合物具有称为微晶的高度组织化的分子区域,需要额外的能量才能在熔融过程中从晶态转变为非晶态。晶体结构在冷却过程中重新建立,必须去除等量的额外能量以逆转状态变化。多余的(热)能量称为结晶潜热。非晶态聚合物不具有晶体结构,因此不具有潜热值。

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每磅半结晶聚合物的潜热具有唯一的值。因此,潜热可以定义为在熔化过程中分解晶体结构或在冷却过程中重新建立晶体结构所需的每磅材料的热量。潜热值以BTU / lb表示。表1列出了一些常见的半结晶材料的热容量和潜热值。

半结晶材料的能量计算与上面的ABS示例相似,不同之处在于我们还必须考虑潜热。我们将使用聚丙烯来演示该方法。

首先,假设注射重量为0.30磅,CP为0.61 BTU /磅-°F,∆T为(450-212),潜热值(H L)为89.1 BTU /磅,则计算每发能量。

E /发射= W x((C P x ∆T)+ H L)或:

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

假设循环时间为8秒,则SPH = 3600/8 =450。使用该值,我们可以计算出冷却该过程的能量流:

Q = 70.3 BTU /次x 450 SPH = 31,635 BTU /小时

请注意,尽管PP部件的重量较小,但由于潜热成分和更快的循环,本示例中的冷却能量要求相对于非晶ABS部件而言相当大。

水循环冷却

注射模具的一个主要功能是热交换器。输入的热量是定期注入的熔融聚合物。必须从模具中除去足够的热量,以便将零件冷却到安全的顶出温度。通常通过循环温度受控的液体冷却剂(通常是水)来实现,目的是保持稳定的模具温度以适合于冷却零件。当水流过冷却回路时,其温度会逐渐升高,从而将热量从成型部件带走。

知道水在模具中流动时的∆T和流速,我们可以确定特定冷却回路的能量流速Q W:

Q W = ∆T x GPM x 60分钟/小时x 8.34 lb / gal x 1 BTU / lb-°F。

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Q W   =ΔTx GPM x 500.4。

例如,假设∆T为2.8°F,流速为0.85 GPM:

Q W   = 2.8 x .85 x 500.4 = 1190.95 BTU /小时

假设我们已经知道需要去除多少热量并假定ΔT为一个值,我们还可以重新排列该表达式以计算GPM要求。该表达式为:

GPM = Q W   /(ΔTx 500.4)。

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

ΔT= 3.5°F。

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,并基于一定的ΔT值确定消除一定量的热量所需的流量。到目前为止,我们已展示的技术是评估现有冷却回路和设计新回路的基本工具。但是,一个重要的问题仍然没有答案:我们应该使用∆T的哪个值?

一些模塑商已经在实际生产条件下对冷却液ΔT进行了内部研究。使用这种方法,可以根据实际的成型参数(包括材料,过程温度,注射量,冷却剂流速和每小时注射量)建立一个实际零件的ΔT值数据库。这是提高冷却设计能力的好方法。

通过冷却回路测量ΔT需要非常精确的传感器,因为温度变化可以低至一度或两度。用一对超高精度浸入式RTD和一个手持式双通道读取器进行测量是一种好方法。传感器可以安装在三通上,并在其他端口上具有快速连接配件,从而可以方便地接入冷却回路中以测量ΔT。

另一种方法是使用实验室中开发的∆T值。Burger&Brown Engineering,Inc.使用其电加热模具模拟器对ΔT值与热量输入进行研究。该公司已经对圆形芯和扁平模板进行了试验。在这些试验中,我们使用恒定的冷却剂流速,该流速远高于湍流过渡。我们改变了输入模具的热量,并测量了冷却液温度响应。热输入与循环时间,材料类型和注射量有关。根据我们的数据,我们计算出每英寸冷却回路长度ΔT的值。结果图如图1所示。尽管范围有限,但这些数据为设计新的冷却回路时估算ΔT提供了合理而有用的基础。

以下示例将说明一种设计用于运行5英寸模芯的冷却回路的方法。直径,0.050英寸 厚的圆形PP盖。零件重量为0.043磅,循环时间为12秒。熔体温度为500 F,零件喷射温度为180 F,所需的冷却温度变化为320°F。利用这些值和表中的PP热性能,我们可以使用以下步骤来计算该零件所需的冷却能量:

1)SPH = 3600/12 = 300

2)W(已处理材料的磅/小时)= 0.043磅/散料x 300 SPH = 12.9磅/小时

3)每部件的冷却能量,Q冷却= W x((0.61 BTU / lb-°F

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

= 3667.5 BTU /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。除非我们可以从其他现有模具中获得数据,否则可以使用模具模拟软件或通过坐垫法估算此分配。对于我们的示例,让我们根据零件在B侧冷却更长一点的原理将55%分配给B侧。因此,核心冷却要求为:

Q核心= 0.55 x 3667.5 = 2017 BTU /小时。

现在,我们准备考虑芯冷却电路的可能几何形状。图2显示了与瓶盖模具一起使用的常见电路布局。对于此回路,有效冷却长度为23英寸,有效直径为0.335英寸。

参考图1,我们可以为∆T / in选择一个值。相当于我们大约2000 BTU / hr的热量输入。这种冷却设计更类似于平板,它使水非常接近成型表面,也许是0.63-0.75英寸。同心环提供了一个相当长的回路,这将把ΔT值推得更高。最后,能量密度很高-意味着成型零件的BTU /小时/英寸2。选择一个中等范围的ΔT/ in是合理的。值为0.20。然后,我们可以进行计算以查看其是否产生了合理的冷却液流量需求。QW是必须被水带走的能量:

GPM = Q W   /(ΔTx 500.4)。

ΔT= 0.20°F x电路长度或0.20 x 23英寸= 4.6°F。

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

参考表2并外推有效电路直径0.335英寸的值,即使在40 F的水温下,我们的0.87 GPM似乎也足以提供湍流。

设计冷却回路的基础是一个好的∆T估算值。许多因素都会影响该值。冷却剂的温度根据其从喷丸中输入的能量的比率,冷却剂的流速,回路的长度和直径,用于制造模具的材料以及回路与模具之间的接近程度而增加,它在回路中流动时会升高。成型表面。处理器可以对冷却回路ΔT进行内部研究,为将来的设计奠定良好的基础。

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