注射模具中熱量控制評(píng)估外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯

注射模具中熱量控制評(píng)估外文文獻(xiàn)翻譯、中英文翻譯,注射,模具,熱量,控制,節(jié)制,評(píng)估,外文,文獻(xiàn),翻譯,中英文 注射模具中熱量控制評(píng)估 B. A. McCalla1, P. S. Allan*1 and P. R. Hornsby2 摘要： 注射模具的熱量控制和管理對(duì)于獲得最佳的生產(chǎn)工藝來說是一個(gè)重要的條件。本文介紹的是一個(gè)關(guān)于傳統(tǒng)的模具冷卻和一個(gè)稱為“間歇冷卻技術(shù)”的新技術(shù)的對(duì)比調(diào)查報(bào)告。間歇冷卻技術(shù)的原則是：是在注射成型周期中利用冷卻介質(zhì)流量的間歇性來精確控制模具型腔表面的溫度。 一個(gè)測(cè)量型腔壓力，型腔表面溫度和模具背面溫度測(cè)量的儀表是用來對(duì)本課題進(jìn)行研究的。結(jié)果表明，傳統(tǒng)的冷卻方法和“間歇冷卻技術(shù)”的對(duì)比中，聚丙烯（PP），聚碳酸酯以及填充的鋁粉的滑石粉起著重要作用。當(dāng)使用“間歇冷卻技術(shù)”而未填充聚丙烯（PP）時(shí)比傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)多22%的時(shí)間。 關(guān)鍵詞：注塑、模具冷卻、脈沖冷卻、模具溫度控制 引言： 注射模具溫度控制系統(tǒng)的目的是使型腔表面溫度循環(huán)保持一致，而這在注射模具中是必須的。型腔表面溫度的周期變化可以導(dǎo)致性能的變化，如：收縮、內(nèi)應(yīng)力、變形和表面質(zhì)量的保證。冷卻系統(tǒng)的效率是主要因素 將影響整個(gè)周期時(shí)間，因?yàn)槟＞邚淖⑸錅囟壤鋮s的可以開模的溫度是成型周期中時(shí)間最長的。模具材料的熱性能、冷卻通道的設(shè)計(jì),鑄件壁厚,冷卻介質(zhì)的屬性都將影響成型效率。眾多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用熱塑性材料來提高冷卻效率。比如：（1）具有高導(dǎo)熱系數(shù)的鈹銅已用于制造模具鑲件。（2）正形的冷卻通道已用來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模具零件的均勻散熱。（3）冷卻探頭以及一些特殊的設(shè)計(jì)用來在冷卻介質(zhì)中創(chuàng)造湍流。 所有的這些特點(diǎn)都對(duì)模具的冷卻的重要的作用，但他們?cè)谀＞咧袥]有特定的熱管理。 在工業(yè)行業(yè)中傳統(tǒng)的冷卻方法是在一副模具中利用冷卻液來冷卻。用于控制溫度的傳感器可以設(shè)在模具中或控制單元中。這種冷卻方法的特點(diǎn)是冷卻液不斷流動(dòng)，通常只有一個(gè)傳感器用于模具。 在過去15年來，在模具傳熱中熱管理已經(jīng)得到發(fā)展?！懊}沖冷卻技術(shù)”利用脈沖在模具中公開不同的冷卻區(qū)域。它還可以利用注射熔體的熱量來控制模具的溫度，因此只有從來源處的多余的熱量被提取了?！伴g歇冷卻技術(shù)”的簡(jiǎn)單操作如下：（1）模具最先得到的熱量來源于設(shè)計(jì)過程中的聚合物。此外該工具可以初步使用輔助加熱系統(tǒng)。（2）當(dāng)模具到達(dá)設(shè)定溫度將由脈沖冷卻控溫接管。在模具各處的表面溫度將決定冷卻液的需求。（3）只有當(dāng)傳感器發(fā)出需要冷卻液的指令時(shí)“間歇冷卻技術(shù)”控制系統(tǒng)才會(huì)提供冷卻液。（4）當(dāng)模具表面溫度在冷卻循環(huán)中達(dá)到一致的步調(diào)時(shí)，這個(gè)過程將有率地運(yùn)行。 “間歇冷卻技術(shù)”的特點(diǎn)是型腔表面的溫度來決定冷卻液的供給。“間歇冷卻技術(shù)”要做是，去除由聚合物提供的多余的熱量以及在整個(gè)周期中精密地控制模具表面的溫度?！伴g歇冷卻技術(shù)”的一個(gè)顯著的特點(diǎn) 是利用受控的脈沖來控制冷卻液以降溫而傳統(tǒng)的冷卻方法是不能這樣的。 正如前面所說“間歇冷卻技術(shù)”已經(jīng)存在于這個(gè)行業(yè)15年，但是在那個(gè)時(shí)候整個(gè)過程還沒有制定一個(gè)詳細(xì)的評(píng)估。這個(gè)研究的目的是評(píng)估“間歇冷卻技術(shù)”以及將它和傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)對(duì)比。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，我們?cè)O(shè)計(jì)一副注射模具用來提供給傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和“間歇冷卻技術(shù)”。本文給出了兩種冷卻方法的評(píng)價(jià)和關(guān)于它們的周期，冷卻的一致性和設(shè)置運(yùn)行的簡(jiǎn)單化。 實(shí)驗(yàn) 模具工具 本副試驗(yàn)?zāi)＞呒扔袕V泛應(yīng)用于聚合物加工行業(yè)中的直接冷卻方法，又有英國可再生能源推廣有限公司的“間歇冷卻技術(shù)” 圖1模具原理圖，圖中央顯示了模塑組件。圖中插入了一個(gè)聚丙烯（PP）的照片。 這個(gè)模塑組件包括三個(gè)部分：一個(gè)2毫米厚的中空箱，一個(gè)兩毫米厚的中空管，兩個(gè)ISO力學(xué)測(cè)試機(jī)。 圖2 流道，澆口，四個(gè)型腔壓力傳感器的位置 如圖2所示，該塑件從三個(gè)地方澆注，而且三個(gè)澆口設(shè)計(jì)成從任何一個(gè)澆口都可以澆注。該型腔儀器包括四個(gè)6190A型壓力溫度傳感器，6190A是由5049A型智能放大器控制。該型壓力是由相反的澆口處記錄到的。該模具需要三個(gè)獨(dú)立溫度控制區(qū)域：固定板，推板，核心部分。圖3A和圖3B三個(gè)熱敏電阻是三個(gè)溫度的區(qū)域的位置。 圖3A是常規(guī)操作的冷卻水道圖。為了直接比較“PCT”和傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，傳統(tǒng)的有三個(gè)加熱\冷卻系統(tǒng)，每一個(gè)都控制一個(gè)溫度區(qū)間。傳統(tǒng)的冷卻包括主要加強(qiáng)板中的水道。每個(gè)區(qū)域溫度的監(jiān)測(cè)由三個(gè)探針傳導(dǎo)。 圖3B顯示的是“PCT”的安排。這表明：標(biāo)記為“未使用”的水道可以在成型前加快預(yù)熱。當(dāng)開始成型和“PCT”的開關(guān)標(biāo)記為開是這些水道是不工作的。三個(gè)區(qū)域的溫度是由冷卻液脈沖的閉環(huán)控制利用三個(gè)傳感器連接到“PCT”控制器中來控制。該控制器只有在探頭溫度高于設(shè)定溫度時(shí)才會(huì)供給冷卻液。 圖3 A為傳統(tǒng)冷卻技術(shù)的管道B為脈沖冷卻技術(shù)的管道：在圖3A中所有的通道采用典型的安裝。必須指出在冷卻區(qū)1等3都是活躍的。圖3B中標(biāo)有“不使用”的通道作為初始加熱用，但他們?cè)诔尚瓦^程中并不使用。 所有的溫度和壓力傳感器都連接到Adept Strawberry Tree Data Shuttle Express和一個(gè)采集分析數(shù)據(jù)的電腦中。 注塑 該實(shí)驗(yàn)的評(píng)估來源于一個(gè)帶有以下樹脂化合物的注射模具（DEMAG 150 NCIII） （1）聚碳酸酯，未填充(GE Plastics LEXAN141R) (2) 聚丙烯,未填充(Moplen SM 6100 from Basell) (3) 聚丙烯,添加了10%，20%，30%的滑石粉 （4）基于導(dǎo)電化合物的聚丙烯，添加44%的導(dǎo)電材料 填充的PP復(fù)合材料的滑石粉是由PP粉末制成的。該模具為傳統(tǒng)冷卻技術(shù)及“脈沖冷卻技術(shù)”而設(shè)計(jì)（圖2）。當(dāng)一次成型中基本成型條件已經(jīng)達(dá)到，由于壓力傳感器將開關(guān)置于保壓而得到優(yōu)化。這套注射成型機(jī)被設(shè)置成全自動(dòng)的，而且在讀數(shù)從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中記錄之前可以強(qiáng)化。當(dāng)注射條件被設(shè)置成需要特定的樹脂化合物，相同的條件也被用于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)及“脈沖冷卻技術(shù)”。這意味著，這兩套模具在成型周期中的任何差異都將影響到模具冷卻方法的選用。典型的模具型腔壓力和溫度如圖4A所示。模具的冷卻時(shí)間從型腔充滿開始，（即從注射壓力到保壓壓力的變化）到型腔壓力降低到大氣壓。周期時(shí)間由溫度傳感器建立，如圖B所示。這套模具可以用于不同溫度下直接冷卻和脈沖冷卻。對(duì)于脈沖冷卻技術(shù)，冷卻液的溫度設(shè)置在11度。建立這套模具的原則是間歇冷卻，如下程序： （1） 模具所需的溫度是由間歇冷卻技術(shù)控制的。 （2） 當(dāng)溫度超過設(shè)定的溫度時(shí)這個(gè)工具開始加熱。 （3） 繼續(xù)成型，間歇冷卻技術(shù)控制器可以使型腔表面溫度從開始成型一直保持穩(wěn)定。 在直接（傳統(tǒng)）實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)水加熱器，設(shè)定的溫度的達(dá)到方法是由水加熱器單獨(dú)控制直到達(dá)到三個(gè)傳感器的溫度。但是應(yīng)該指出，這些傳感器用于正常的工業(yè)實(shí)踐中。收集了不同溫度下的由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集到的溫度的十套模具。 圖4 A為PP在模具溫度為50度時(shí)采用直接冷卻時(shí)型腔壓力。B為為PP在模具溫度為50度時(shí)采用直接冷卻時(shí)澆口1和3（圖2中）附近的型腔表面溫度 機(jī)械測(cè)試 ISO標(biāo)準(zhǔn)的拉伸樣本建立在所有實(shí)驗(yàn)拉伸速度都為交差的速度。圖5顯示的最大拉伸壓力（A）和拉伸模量的結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻拉伸模量的性能的差異不大。通常間歇冷卻技術(shù)中拉伸模量和最大應(yīng)力值比傳統(tǒng)的要低。間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻的冷卻時(shí)間保持一致。 圖5 溫度從20度到50度的PP模具采用傳統(tǒng)冷卻和脈沖冷卻時(shí)最大拉伸應(yīng)力（a）和拉伸模量（b） 結(jié)果與討論 聚丙烯樹脂： PP模具溫度與冷卻時(shí)間變化的比較 如表（1），圖形形式如（6）所示。 值得注意的是，為了達(dá)到這個(gè)值，直接冷卻實(shí)驗(yàn)的冷卻液溫度比所需模具溫度低。在成型過程中冷卻液溫度根據(jù)反應(yīng)區(qū)溫度記錄而設(shè)置的，這種做法在工廠是不正常的。然而，在直接冷卻和PCT技術(shù)這個(gè)過程設(shè)定模具溫度是直接允許來做比較。 這些成型實(shí)驗(yàn)所記錄的冷卻時(shí)間明顯證明脈沖冷卻比直接冷卻更有效率。其主要原因是 PCT技術(shù)的冷卻液溫度比直接冷卻技術(shù)來的低。因此，模腔冷卻液和直接冷卻最佳溫度比較，證實(shí)PCT技術(shù)更有效率。 圖6 采用傳統(tǒng)冷卻和脈沖冷卻時(shí)的冷卻時(shí)間及模具溫度 圖7顯示的是模具澆口對(duì)面溫度傳感器的接收的平面圖。這些曲線給出確切的成型測(cè)量周期，并顯示型腔溫度為50度的PP注射模中，PCT技術(shù)的成型周期比傳統(tǒng)的成型周期縮短22%。 圖6證明在溫度變化范圍，PCT技術(shù)的成型周期最佳效率在模具溫度的最低處，而當(dāng)模具溫度超過55度是就沒有什么意義了。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，當(dāng)模具溫度升高時(shí)，由于對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)，模具中熱量損失比例可能會(huì)增高。因此大量的熱供到樹脂成型模具傳導(dǎo)給周圍環(huán)境熱量比低溫模具來的多。所以采用PCT技術(shù)要求減少模具溫度的增加。模具溫度最終將不變當(dāng)樹脂成型模具熱供給與成型過程環(huán)境熱量損失相持平。圖6表示這個(gè)研究中在溫度為60度時(shí)，PP混合物模具成型的情況。 它也預(yù)計(jì)PCT的效益將減少當(dāng)PCT冷卻液溫度保持在11度但模具溫度卻降低。其原因是直接冷卻方法中冷卻液的溫度和PCT技術(shù)一樣，從而導(dǎo)致在PCT中使用冷卻劑比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)就不存在。我們應(yīng)該可以恢復(fù)PCT技術(shù)在低模具溫度成型過程的優(yōu)勢(shì)如果冷卻液的溫度進(jìn)一步降低。然而這個(gè)冷卻設(shè)備可能伴隨著凝結(jié)問題。 圖7模具表面溫度被設(shè)置成50度時(shí)傳統(tǒng)冷卻等脈沖冷卻成型周期的比較 聚丙烯復(fù)合導(dǎo)熱： 聚丙烯導(dǎo)熱的結(jié)果都顯示的圖8和圖9.圖8顯示在50度時(shí)稀釋的比純的PP節(jié)省冷卻時(shí)間60%。 圖8 在模具溫度為50度時(shí)Konduit-PP采用直接冷卻和脈沖冷卻的冷卻時(shí)間圖9在模具溫度為50度時(shí)填充有鋁的PP的直接冷卻等脈沖冷卻的冷卻時(shí)間的不同點(diǎn) 圖9顯示的是稀釋的結(jié)果，其表明直接冷卻和間歇冷卻的差異隨著熱導(dǎo)率的增加而降低。 事實(shí)上在整個(gè)過程中傳統(tǒng)冷卻技術(shù)和間歇冷卻技術(shù)在稀釋過時(shí)的冷卻時(shí)間變化很小。這一結(jié)果意味著隨著熱導(dǎo)率的增加，冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的冷卻作用變成了一個(gè)不太重要的因素。為了進(jìn)一步解釋PP和鋁（最主要的添加劑）的導(dǎo)熱能力。從中表明，純的聚丙烯的熱量比稀釋過的多8%?，F(xiàn)重要的是稀釋過的導(dǎo)熱系數(shù)約為純聚丙烯的5.5倍。所有的結(jié)果表明如預(yù)期，稀釋過的散熱速度會(huì)明顯比純的聚丙烯快（約5.5倍）。從成型試驗(yàn)結(jié)果表明，稀釋過的冷卻時(shí)間比純的聚丙烯約少4倍（圖8所示）。圖9表明在50度時(shí)，PP中導(dǎo)電填料（鋁）的體積分?jǐn)?shù)對(duì)傳統(tǒng)冷卻技術(shù)和間歇冷卻技術(shù)的影響。因此人們相信，隨著導(dǎo)電填料的增加熱量的散發(fā)增加最終將變得太快而使得間歇冷卻無法有效地做出反應(yīng)。這在圖10中進(jìn)一步表明從其他實(shí)驗(yàn)?zāi)＞咧械玫浇Y(jié)果。事實(shí)上傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)和間歇冷卻技術(shù)在稀釋過的冷卻時(shí)間在整個(gè)成型溫度范圍變化很小 圖10 Konduit-PP復(fù)合材料的冷卻時(shí)間及模具溫度：對(duì)純凈的Konduit可以看出采用直接冷卻和脈沖冷卻的冷卻時(shí)間幾乎沒有變化 結(jié)論是：PP成型中間歇冷卻將有時(shí)間比傳統(tǒng)的冷卻技術(shù)更加有效地散熱，但是稀釋過的散熱率太快以至這種優(yōu)勢(shì)不能成為優(yōu)勢(shì)。 必須指出，控制傳感器的位置在模腔表面下21毫米。如果這個(gè)距離可以減小使間歇冷卻控制器的反應(yīng)時(shí)間減小而且間歇冷卻的反應(yīng)也將變得比這個(gè)實(shí)驗(yàn)的記錄更加明顯。 填充滑石粉的聚丙烯： 圖11和圖12表明了填充有滑石粉的聚丙烯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。冷卻時(shí)間的趨勢(shì)和konduit化合物的趨勢(shì)相似。雖然上一節(jié)中所說的填充的導(dǎo)電化合物的金屬的效果沒有如預(yù)期那樣，但是填充物的增加還是使得冷卻時(shí)間減短。填充了30%的質(zhì)量的滑石粉的PP的冷卻時(shí)間比純PP的減少40%。圖11結(jié)果表明，填充了了10%的滑石粉的PP在用間歇冷卻技術(shù)時(shí)不順應(yīng)這一趨勢(shì)。所有的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都是相同的。對(duì)于這種情況在本項(xiàng)目中是無法給出解釋的。然而同時(shí)證明，關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)滑石片具有較高的各向異性。然而依然很難解釋填充了滑石粉顆粒的各向異性的結(jié)果。 圖11填充有滑石粉的PP的在模具溫度為40度時(shí)直接冷卻和脈沖冷卻的冷卻時(shí)間 圖12填充有滑石粉的PP的冷卻時(shí)間及模具溫度 聚碳酸酯： 圖13顯示了聚碳酸酯的結(jié)果。它顯示出隨著模具溫度的增加冷卻時(shí)間也相應(yīng)地變長。對(duì)于PP的話，間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻之間的比較差異比較小。對(duì)于PP實(shí)驗(yàn)，有個(gè)事實(shí)可以證明熔體提供給模具的溫度在高溫時(shí)比在低溫時(shí)散發(fā)到周圍的熱量比例更高。跟傳統(tǒng)冷卻技術(shù)相比，在80度時(shí)對(duì)于樹脂化合物間歇冷卻技術(shù)在整個(gè)循環(huán)時(shí)間沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。但也有其他的好處，間歇冷卻技術(shù)將提供給所有的冷卻液更好的條件，這將在下一節(jié)中討論。 圖13在不同溫度時(shí)聚碳酸酯采用直接冷卻和脈沖冷卻的比較 間歇冷卻技術(shù)的其他好處 傳統(tǒng)冷卻中沒有的間歇冷卻技術(shù)提供的其他好處跟模具的生產(chǎn)和整個(gè)系統(tǒng)的效率有關(guān)。據(jù)指出傳統(tǒng)的方法在本文中不能作為一個(gè)系統(tǒng)但是在工業(yè)行業(yè)中卻是十分正常的。這個(gè)安排使用的是三個(gè)獨(dú)立的溫度控制單元。為了有效地運(yùn)行控制器控制的傳感器必須在這個(gè)位置安裝有間歇冷卻的單元。隨著模具中溫度區(qū)域的增加傳統(tǒng)冷卻的獨(dú)立冷卻單元將變得更加不切實(shí)際。然而間歇冷卻控制器對(duì)于大量的溫度區(qū)域也可以變得很緊湊。 間歇冷卻也被期待成比傳統(tǒng)冷卻更加有效率。這個(gè)的基礎(chǔ)是基于傳統(tǒng)冷卻一直不變的冷卻液而間歇冷卻僅僅工作于間歇性的冷卻液的這個(gè)原則。另外一個(gè)關(guān)于間歇冷卻技術(shù)“增強(qiáng)聚合物加工程序”表明用間歇冷卻技術(shù)將比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)節(jié)省23%的能量。 結(jié)論 從上面的研究中可以得出以下結(jié)論。 1.間歇冷卻技術(shù)可以比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)減短成型周期。在模具50時(shí)，PP材料用間歇冷卻技術(shù)將減少22%的時(shí)間。 2.間歇冷卻技術(shù)可以縮短時(shí)間的原因是間歇冷卻技術(shù)的冷卻液的溫度可以明顯地低于傳統(tǒng)冷卻技術(shù)。 3.間歇冷卻技術(shù)可以提供比傳統(tǒng)冷卻技術(shù)更加緊湊的設(shè)備。用間歇冷卻控制器時(shí)，一個(gè)中央冷卻單元可以讓多個(gè)成型裝置工作?？刂破魈峁┩瑯拥臏囟葏s可以控制設(shè)定成不同溫度的模具。 4.作為一個(gè)單獨(dú)的模具輔助工具間歇冷卻已被證明比傳統(tǒng)冷卻更加有效率。這個(gè)效率可以時(shí)一步地被利用因?yàn)橐粋€(gè)單一的間歇冷卻控制器對(duì)于相同的成型機(jī)器可以控制多個(gè)冷卻工具而傳統(tǒng)的冷卻卻需要一個(gè)復(fù)雜的控制器。 5.跟傳統(tǒng)冷卻相比間歇冷卻的好處減少模具溫度的升高和聚合物中添加的導(dǎo)電材料。然而我們相信如果間歇冷卻控制器的傳感器的位置被制造成更加接近模具表面的話間歇冷卻的效果將得到加強(qiáng)。 6.在本實(shí)驗(yàn)中用間歇冷卻和傳統(tǒng)冷卻在機(jī)械性能方面沒有明顯的區(qū)別。 致謝 作者在此感謝EPSRC為建立在布魯內(nèi)的布拉德福德皇后大學(xué)的“增加聚合物程序”而提供的財(cái)政支持，筆者還要感謝John Guest Ltd, UK設(shè)計(jì)和制造模具工具，Rowland Evans of R. E. Promotion Services Ltd, UKBradford University 和 Queens University Belfast在在間歇冷卻技術(shù)上的技術(shù)合作。 參考文獻(xiàn) 1. ‘Injection moulding pocketbook’, 1st edn, Mannesmann Demag Kunststofftechnic 10/97. 2. R. Evans: PET Plane Insider, 2000, 1, 14 –17. 3. J. Sloan: Inject. Mould., 1998, 130–136. 4. B. A. McCalla, P. S. Allan, Y. Mubarak and D. Mulligan: Proc. Ann. Tech. Conf., San Francisco, CA, USA, May 2002, SPE. 5. B. A. McCalla, P. S. Allan, P. R. Hornsby, A. G. Smith and L. Wrobel: Proc. Ann. Tech. Conf., Nashville, NT, USA, May 2003, SPE. 6. B. A. McCalla, P. S. Allan, P. R. Hornsby, A. G. Smith and L. Wrobel: Proc. Ann. Tech. Conf., Chicago, IL, USA, May 2004, SPE. 7. B. Weidenfeller, M. Hofer and F. Schilling: Composites A, 2004, 35A, 423–429. 8. B. Weidenfeller, M. Hofer and F. Schilling: Composites A, 2005, 36A, 345–351. 9. A. L. Kelly, P. D. Coates and R. Evans: Proc. Ann. Tech. Conf., Chicago, IL, USA, May 2004, SPE.