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塑料模具的加熱、保溫與冷卻
l 、概述
模壓成型工藝是塑料模具塑性材料最常見(jiàn)、歷史最悠久的成型方法之一，并且是研究材料性能最常采用的一種工藝方法。它具有成型裝置簡(jiǎn)單、設(shè)備投資小、模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)高度發(fā)達(dá)的今天，仍是一種最為普及的生產(chǎn)手段之一。然而，進(jìn)行壓縮模塑成型的模具設(shè)計(jì)能參考的文獻(xiàn)除了教科書(shū)、幾位前輩所著的專(zhuān)著、模具設(shè)計(jì)圖例以外，少有人總結(jié)模具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技巧。
模具的加熱、保溫與冷卻及裝夾結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料模具設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到產(chǎn)品的外觀及內(nèi)在質(zhì)量均勻性，同時(shí)還影響產(chǎn)品的成型效率。
2 、加熱、保溫與冷卻設(shè)計(jì)
2．1 加熱管的設(shè)計(jì)要求
鋼制加熱是幾乎所有塑料成型模具設(shè)計(jì)必須采用的加熱手段，可設(shè)計(jì)為單向接線、雙向接線等多種形式，材質(zhì)上可采用有縫管、無(wú)縫管、不銹鋼管等，特點(diǎn)是熱損失小、熱效率高、排線簡(jiǎn)單，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為220V或380V，接線為式靈活多樣。但由于其材料和加工工藝的限制，模具設(shè)計(jì)中要注意它向身特點(diǎn)。
（l）加熱管在兩端通常有較長(zhǎng)的冷端，并不能起到加熱的作用。
（2）加熱段的功率設(shè)計(jì)盡量不超過(guò)10瓦特／厘米的限制。如30厘米長(zhǎng)的加熱管，功率盡可能不要超過(guò)300瓦。如果設(shè)計(jì)功率超過(guò)這個(gè)限制，加熱管表面負(fù)荷較高，鋼管易氧化腐蝕，造成短路。
（3）對(duì)于溫度高于250℃的模具設(shè)計(jì)，采用加熱管有一定難度。我曾經(jīng)利用加熱管升溫達(dá)到420℃，但是這種成型溫度對(duì)加熱管質(zhì)量要求較高，需要經(jīng)常檢查電路的通暢與短路與否。因?yàn)檫@種條件下加熱管、接線端子、連接用的銅線、鋼片等介質(zhì)非常易于氧化，從而導(dǎo)致斷路。因此對(duì)電傳輸介質(zhì)需要進(jìn)行特殊處理，盡量避免使傳導(dǎo)電線暴露在空氣中，延長(zhǎng)導(dǎo)線的使用壽命。
烙鐵芯通常也被作為模具加熱管的一種，特點(diǎn)是單位長(zhǎng)度功率高（通常直徑10mm，長(zhǎng)8cm規(guī)格的烙鐵芯可以達(dá)到150瓦的輸出功率），耐用，安全性好，不易形成擊穿短路，可以通過(guò)鉆盲孔來(lái)埋設(shè)，缺點(diǎn)是難以定制設(shè)計(jì)，拆換時(shí)易碎、斷。
電路設(shè)計(jì)中不可缺少保險(xiǎn)、空氣開(kāi)關(guān)等保險(xiǎn)措施，操作地由要保持干凈整潔，絕緣良好，操作中勤于檢查電氣故障，防止不必要的危險(xiǎn)。
2．2 加熱管的安裝鉆孔
從傳熱角度上理解，加熱管的安裝要與模具表面盡可能貼合，以利于加熱管的熱量盡快傳遞到模具上。而實(shí)際上加熱管與模具并沒(méi)有多大接觸面積，傳熱的本質(zhì)是輻射，傳導(dǎo)是次要的。因此大部分用于模具安裝的加熱管表面都涂有增強(qiáng)紅外輻射的涂層，同時(shí)也采用限制設(shè)計(jì)功率（10瓦特／厘米）的辦法以增長(zhǎng)加熱管的使用壽命。
因此在加工加熱管孔時(shí)，尤其是長(zhǎng)加熱管孔的加工沒(méi)必要設(shè)計(jì)太小的配合間隙，有效的設(shè)計(jì)方法是在孔的兩端盡可能能與加熱管?chē)?yán)密配合，可以采用填塞、封堵或設(shè)計(jì)擋片等辦法。這種做法可以有效減小加熱管的散熱面積以及輻射熱量的損失。
2．3 加熱管的埋放
埋放的加熱管，最好采用與管內(nèi)介質(zhì)相同的氧化鎂粉進(jìn)行充填，以降低加熱管表面的熱負(fù)荷，這種方法可以減少管的表面氧化，有效延長(zhǎng)管的使用壽命。有條件的話，加熱管的安裝孔也最好灌入的氧化鎂粉。
2．4 模具保溫方法
加強(qiáng)模具的保溫措施可以減少模具的熱損失，可使模具在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的生產(chǎn)溫度，減少能源浪費(fèi)。每個(gè)工程技術(shù)人員對(duì)這個(gè)問(wèn)題都有一套獨(dú)特的解決辦法，我只談?wù)勎业慕?jīng)驗(yàn)。
POM塑膠原料POM/511P/美國(guó)杜邦
2．4．l 加熱板的保溫措施
加熱板保溫通常采用石棉板或石棉布保溫，但石棉布不易擺放平整，對(duì)壓板的平行度保證也有定的影響。石棉板的種類(lèi)很多，最常見(jiàn)的是橡膠石棉板，但這種石棉板卻不對(duì)以用于密封隔熱用的材料，具有一定的可壓級(jí)勝，同時(shí)在高溫時(shí)會(huì)釋放出一種十分難聞的氣味，影響操作環(huán)境及操作人的身體健康。
加熱板的保溫宜采用石棉紙板，常見(jiàn)的規(guī)格是1000×1000，3－5mm厚，板體較為規(guī)整，平行度較好，可壓縮性比較平均，高溫下無(wú)異味產(chǎn)生。
2．4．2 模具的保溫措施
模具的保溫措施很多，可用石棉布或玻璃布包裹氫氧化鋁保溫棉進(jìn)行保溫?，F(xiàn)在市場(chǎng)上還有一種保溫涂料是目前用作模具保溫的理想材料，它由中長(zhǎng)纖維、漿料及一種保溫泡沫材料混合而成，粘性適中，易于涂抹。這種材料常用作化工、采暖管道的保溫層材料，略含堿性（易腐蝕模具）。經(jīng)在150℃條件下使用沒(méi)發(fā)現(xiàn)有燒焦、熔化、氣味等負(fù)面影響。同時(shí)材料很輕，可塑性較強(qiáng)，容易形成較為美觀的模具表面。
2.5 模具的冷卻方法
水冷卻是大多數(shù)模具采用的冷卻方式，但也有其缺點(diǎn)；要求管道密封性
要好，上下水管路必須通暢，對(duì)水資源的浪費(fèi)較大。當(dāng)冷卻溫度超過(guò)100℃時(shí)，易產(chǎn)生蒸汽爆炸。優(yōu)點(diǎn)是熱容較大，可實(shí)現(xiàn)快速降溫。
風(fēng)冷卻是一種比較理想的冷卻方法，和水冷正相反，它不需要嚴(yán)密的管道密封，不存在資源浪費(fèi)，可以冷卻溫度高于100℃的模具，可以通過(guò)氣體的流量來(lái)確定冷卻的速度，并且來(lái)源簡(jiǎn)潔方便，有一定規(guī)模的生產(chǎn)車(chē)間都能取得比較方便的氣源。
3 、模具的裝夾
模具的裝夾結(jié)構(gòu)與模具的加熱、保溫與冷卻系統(tǒng)密切相關(guān)，同時(shí)為模具的更換、裝卸提供一定的方便特性。多數(shù)設(shè)計(jì)者為圖方便，只簡(jiǎn)單地將模具上打幾個(gè)安裝孔用以固定。例是多數(shù)的壓模都不單獨(dú)設(shè)計(jì)加熱裝置，而是在壓機(jī)上下壓板上安裝加熱板以簡(jiǎn)化中小型模具的加工。模具結(jié)構(gòu)中就只剩下構(gòu)成型腔主體結(jié)構(gòu)的模塊。這時(shí)模具可以采用注塑模具的固定辦法——用壓板將模具固定在上下模板上。在加熱板模具上設(shè)計(jì)好固定壓板的空間即可。這種設(shè)計(jì)不僅可以用于移動(dòng)式壓模，也可用于帶有簡(jiǎn)單項(xiàng)出機(jī)構(gòu)的壓模。僅需要在加熱板的設(shè)計(jì)中才考慮到頂桿的位置與加熱管不相沖突即可。也可以利用一種模具的模架對(duì)多個(gè)模具進(jìn)行通用性改造，以簡(jiǎn)化模具制造成本。
如果模具較高，單純的加熱板加熱已經(jīng)不能滿(mǎn)足均勻加熱的需要，這時(shí)需要在模具上安裝輔助加熱系統(tǒng)，可以山加熱片、加熱管及烙鐵芯構(gòu)成。
對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小的模具，采用加熱板加熱會(huì)造成大過(guò)的熱量損失，在模具尸設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的加熱系統(tǒng)就能夠滿(mǎn)足要求。需要注意的是在模具和壓機(jī)固定板之間要添加隔熱物（通常來(lái)采用石棉紙板）來(lái)保溫，同時(shí)需要注意電源線的排布整齊和電偶孔的位置。這種設(shè)）；由于熱容較小，特別適用于需要反復(fù)加熱冷卻或快速加熱冷卻的小型模具。
4、 結(jié)語(yǔ)
本文是實(shí)際工程應(yīng)用中的總結(jié)，經(jīng)實(shí)踐文中涉及的多種技巧和辦法可行。
