模溫機(jī)在壓鑄工藝上的應(yīng)用 ——南京奧德機(jī)械
合金熔液被壓入模腔后，由于熱量的散失而凝固成形。假如熱量的傳遞率過快，鑄件中可能產(chǎn)生冷紋的缺點(diǎn)。相反地，熱傳率過慢，則會(huì)增加鑄件之成形周期，減低了生產(chǎn)率。模具表面溫度的控制對(duì)生產(chǎn)高質(zhì)量的壓鑄件來說，是非常重要的。模具的溫度會(huì)影響金屬熔液在模腔表面上的流動(dòng)，尤其是流動(dòng)路線較長(zhǎng)的薄壁件。
要令金屬熔液在凝固前填滿模腔，除了選用縮短填充時(shí)間的設(shè)計(jì)外，還可以增加澆口速度 （但很容易產(chǎn)生紊流），用作提高模具溫度。此外，面積較大及表面要求*的鑄件，亦需要較高及穩(wěn)定的模具表面溫度，才可以減少冷紋及表面缺陷。
不平均或不適當(dāng)?shù)哪＞邷囟纫鄷?huì)導(dǎo)致鑄件尺寸不穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中頂出鑄件變形，產(chǎn)生熱壓力、粘模、表面凹陷、內(nèi)縮孔及熱泡等缺陷。模溫差異較大時(shí)，對(duì)生產(chǎn)周期中的變量，如填充時(shí)間、冷卻時(shí)間及噴涂時(shí)間等產(chǎn)生不同程度的影響。另外，模具的壽命亦會(huì)因受到過冷過熱的沖擊而導(dǎo)至昂貴鋼材產(chǎn)生熱裂等問題。
適當(dāng)?shù)谋砻鏈囟?
適當(dāng)?shù)哪＞弑砻鏈囟确植急匦枰驊?yīng)產(chǎn)品的形狀，如厚度、橫切面厚薄變化等表面要求，及生產(chǎn)周期而決定。一般的適當(dāng)溫度為：
合金模具表面溫度
鋁合金180-280oC
鎂合金180-300oC
鋅合金100-200oC
要達(dá)至所要求的模具溫度，壓鑄廠技師經(jīng)常使用石油氣槍，其次為輻射加熱器，或插入式電熱管，但效果并不理想，模溫未能達(dá)到均勻。然而輻射加熱器的使用較為靈活，對(duì)模具的傷害較少，但效率較低；插入式電熱管只適用于長(zhǎng)期加熱的位置，應(yīng)用范圍較為局限。
另外，利用低速壓射法 - 即降低初級(jí)壓射速度，直接以金屬熔液加熱模具亦是極為常見的方法，不過此方法對(duì)模具的壽命有不良影響，不適用于昂貴的精密模具。由于射出時(shí)處于瞬間階段，熔液之溫度將侵入模腔表面，其侵入之深度約為鑄件厚度之二倍。在高熱劇烈侵入的期間，模腔表面的高溫狀態(tài)，將使模腔表面發(fā)生高應(yīng)力，相對(duì)微裂現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)會(huì)會(huì)倍增。
的加熱方法應(yīng)為熱油加熱。熱油不間斷地通過模具內(nèi)管道，從內(nèi)部進(jìn)行模具加熱，使模具達(dá)到適合生產(chǎn)的狀態(tài)。由于導(dǎo)熱油不但能加熱，亦可像水般進(jìn)行冷卻，功能像熱交換器般，可保持模具溫度在一定范圍內(nèi)，即使生產(chǎn)中斷時(shí)亦可適當(dāng)?shù)乇３帜＞邷囟取?
模溫機(jī)介紹
模溫機(jī)利用高熱傳性的導(dǎo)熱媒體，以便在很短的時(shí)間內(nèi)將模具內(nèi)多余的熱送走。模溫機(jī)在設(shè)定好熱平衡溫度后，能自動(dòng)控制其溫度在極小誤差之內(nèi)，且能維持定值?，F(xiàn)以奧地利生產(chǎn)之 Robamat 模溫機(jī)為基礎(chǔ)，作詳細(xì)介紹，圖 1 為其工作原理。
以流體種類區(qū)別
Robamat 有多種類型，其中一類為熱水模溫機(jī)，zui高使用溫度分別為 140。 和 160。。由于水在大氣壓力下，沸點(diǎn)為 100。，當(dāng)使用溫度接近或高于 100。 時(shí)，便需密封加壓，令壓力為 3.6 bar 及 6.2 bar。客戶選用時(shí)，要注意使用軟水較為恰當(dāng)，以免水管內(nèi)部受水垢長(zhǎng)期積聚而影響其流暢性。
由于導(dǎo)熱油的沸點(diǎn)較高，因此使用溫度遠(yuǎn)高于水，在正常大氣壓力下，可達(dá)到 350。。Robamat 生產(chǎn)之熱油模溫機(jī)有 250。、320。 及 350。 可供選擇，以配合不同的應(yīng)用。由于導(dǎo)熱油的沸點(diǎn)限制，以及流體泵軸承的壽命，在某些特殊產(chǎn)品要求高于
350。 使用溫度時(shí)，必需使用特殊制造之模溫機(jī)。
Robamat 的熱交換設(shè)計(jì)*，（見圖 2 ） 加熱及冷卻單元是以組件管筒形式換入，并以特別之陶瓷纖維作革熱保護(hù)，優(yōu)點(diǎn)是安裝靈活。導(dǎo)熱油在管筒縲紋上以每秒 3 米的速度流動(dòng)，加熱器在管筒中心，因此加熱效果均勻，不會(huì)像其它熱浸式或側(cè)熱式的設(shè)計(jì)造成溫度局部位置過熱。由于中心加熱的導(dǎo)熱效果比側(cè)熱式設(shè)計(jì)較好，失熱較少，因而升溫速度較快。
冷卻設(shè)計(jì)方面，采用大口徑通過冷卻水，達(dá)到更均勻的效果?？蛻糸喿x冷卻功率數(shù)據(jù)時(shí)，要特別留意溫差條件。Robamat 所注明的冷卻功率是在溫差 （熱油和冷卻水） 150K 情況下。如溫差越大，相等之冷卻功率越大：舉例，60kW/150K≒85kW/190K。
圖1：ROBABAT模溫機(jī)的工作原理
1 加壓對(duì)流加熱器（Pressurized convection heater）
2 加壓對(duì)流冷卻器（Pressurized convection cooler）
3 具備儲(chǔ)存器的輸送泵（Feed pump with reservoir）
4 擴(kuò)展容缸和液體儲(chǔ)存器（Expansion tankfluid
reservoir）
5 熱傳導(dǎo)液的水位控制裝置（Supervision of heat
transfer fluid level）
6 控制冷卻水的電磁閥（Solenoid valve for cooling
water）
7 旁路（Bypass）
8 溫度傳感器-熱傳導(dǎo)液（Temperature sensor-heat
transfer fluid）
9 溫度傳感器-加熱器（Temperature sensor-heater）
Robamat 熱油機(jī)選用側(cè)信道轉(zhuǎn)輪泵。（見圖 3 ） 其內(nèi)為陶瓷軸連 SiC 滑動(dòng)式軸承，工作壽命特長(zhǎng)。馬達(dá)與泵以磁性連接，無漏油情況。其它類型的泵由于滑動(dòng)環(huán)密封圈受力導(dǎo)致磨損，需要經(jīng)常更換。而磁性連接只有靜態(tài)密封圈，無經(jīng)常更換的弊病，泵的有效使用率因而較高。磁性連接的密封性會(huì)較好，不會(huì)滲漏導(dǎo)熱油，工作時(shí)較清潔及安全。磁性連接部件的工作溫度達(dá) 300。，zui高油溫設(shè)置超過 350。，對(duì)高溫?zé)嵊陀葹檫m合。目前鎂合金壓鑄為熱門投資，高溫?zé)嵊蛯?duì)鎂合金壓鑄至為重要，在選購時(shí)，更須小心選擇。
在控制層面上，Robamat 使用微電腦控制板，油溫控制于 ±5oC內(nèi)。圖2 Robamat的加熱及冷卻單元是以組
件管筒形式換入，安裝靈便
另外，亦設(shè)有工作時(shí)間顯示；時(shí)間制自動(dòng)控制開關(guān)；熱油自動(dòng)升溫及冷卻程序有雙重過熱保護(hù)；油量過高或過低顯示；機(jī)器使用狀態(tài)顯示功能等。
機(jī)器的結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、通風(fēng)，并易于維修，嚴(yán)格按照歐洲安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)?？晒┻x擇的附件包括自動(dòng)吸出回油、冷卻水吹出裝置、RS485 連接壓鑄機(jī)接口、外置感溫線、流量計(jì)、馬達(dá)過濾保護(hù)、PID 式控制、DN13 快速接頭 （zui高溫度 250oC） 等。
簡(jiǎn)單直接選購法（表一）圖4 Robamat熱油機(jī)所選用的側(cè)信道
轉(zhuǎn)輪泵
機(jī)器鎖模力
T 壓鑄合金
Zn kg/h Al kg/h加熱功率
KW冷卻功率
KWRobamat
型號(hào)選擇
60-100390 1602 x 5或102 x 203201.10.40
100-300720 280Min 2 x 102 x 403212.10.40
300-750-- 6502-3 x 102 x 404212.20.40
750-1000-- 10002-4 x 202 x 604214.20.60
表一為簡(jiǎn)單的選購辦法，只作為指引，以下詳細(xì)介紹實(shí)際計(jì)算方法。
1. 按下式計(jì)算壓鑄模具加熱需要的功率：
L1 = （Q1＊X1） / （t＊3600） watt
= （M＊c＊DnV1＊X1） / （t＊3600） watt
L1 = 壓鑄模半邊必須的加熱功率，包括鑲塊或模具的其它零件 w （watt）
Q1 = 升高待加熱材料的溫度所必需的熱量 J （Joule）
M = 待加熱部份重量 = 待加熱體質(zhì)量 （kg） 例如：模具 重量 600Kg
加熱時(shí)間表 2小時(shí)
加熱到220oC（VF）（室內(nèi)溫度VA為20oC）
DnV1=VF-VA=220-20=200oC
L1=（600 X 500 X 200 X 1.5）/2 X 3600=12.5KW
c = 比熱 模具鋼，約 500J / kgK （kg）
DnV1 = 開始加熱和終止加熱 （工作溫度） 間的溫差。
t = 加熱時(shí)間 （hr）
X1 = 安全系數(shù)，熱幅射，熱傳遞到模框、壓鑄機(jī)上的熱損耗
（隨著模具尺寸增大而升高） 1.2-2
2. 在生產(chǎn)中，溫度控制器冷卻的功率可按下式計(jì)算：
A2 = （M＊fq＊X2）/3600 kW （1kW = 860kcal）
A2 = 由金屬熔液帶來的熱，即必須通過冷卻導(dǎo)出的熱 kW
M = G＊S = 重量 （1 小時(shí)的重量） kg/h
G = 鑄件重量 （超過 1.5kg 的鑄件，不包括淺道一般用水冷卻） kg
S = 每小時(shí)鑄件數(shù) n
fq = 熱系數(shù) （見表 2）
X2 = 修正系數(shù)，模具大時(shí)為 1；模具小時(shí)為 1.5 例如：鑄件重量 2.5Kg
鑄件數(shù) 60/h
材料 鋁（fq=798）
X2 1.1
A2=（2.5x60x798x1.1）/3600=36.6KW
假定模具的兩邊面積相等，則兩個(gè)裝置的功率為36.6/2=18.3KW
3. 泵所需流量取決于信道的橫截面積 （盡量使選定的信道 ?適合于所有模具） 這里使用經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證的熱載體流速 2~ 3 m/s 為基礎(chǔ)，以下數(shù)據(jù)可為標(biāo)準(zhǔn)值：
信道直徑mm 泵 V L/ mm
80 - 11 10 - 14 以齒輪泵為主
12 - 14 - 19 以齒輪泵為主
14 - 16 - 25 側(cè)信道特制離心泵
16 - 18 - 32 側(cè)信道特制離心泵
除「流速」外，還必須檢驗(yàn)選定的泵輸送量是否能運(yùn)送所需的能量。這可按下式進(jìn)行：
V = 60 ＊（L/c＊DnV＊p）
V = 輸送量 L/min
L = 工作過程的規(guī)定功率 （L1 或者 L2 中取較大值）
W （Watt）
DnV3 = 模具工作溫度和載熱體原始溫度間的zui大允許溫差 （約 40-100）oC（k）
p = 載熱體的密度 （見表 2） kg/dm3
c = 比熱 （見表 2） J/kgK 例如：根據(jù)例3，18.3KW 即 18300W
若DnV3取40oC（例如：模具表面溫度為240oC，油溫為200oC，則
V=60＊（18300/（2500＊40＊0.75））= 14.4L/min
4. 必須進(jìn)一步驗(yàn)算信道表面積
確定模具內(nèi)部必需的加熱信道的結(jié)構(gòu)和尺寸是模具設(shè)計(jì)師的任務(wù)。通常載熱體把熱能傳給模具或者將熱量從模具帶走，兩者情況都一樣，都決定于熱傳導(dǎo)系數(shù) a，以 W/cm2 K 表示。
熱傳導(dǎo)系數(shù) a 主要受下列因素影響：
載熱體的流速
模具與載熱體間的溫差
系統(tǒng)均勻工作溫度 （初始溫度）
zui重要的是把接觸面 （信道表面） 設(shè)計(jì)成能有效傳遞所需的能量。如信道直徑太細(xì)或長(zhǎng)度不足，會(huì)
出現(xiàn)無法升溫的情況，由于水冷信道一般較熱油信道直徑小，如不改設(shè)計(jì)，很多時(shí)導(dǎo)致接觸面不足。
必需的信道表面積計(jì)算公式如下：
A = L/（a＊DnV3）cm2
A = 必要的熱交換表面積 cm2
L = L1 或者 L2 工作必需的加熱或冷卻功率 （取zui大值） Watt
a = 熱傳導(dǎo)系數(shù) W/cm2 K （a = 0.222 / DnV3 = 40,
a = 0.21 / DnV3 = 60）
DnV3 = 載熱體的初始溫度和模具工作溫度的溫差oC（k）
為避免溫度波動(dòng)，溫差應(yīng)盡可能小，力求達(dá)到40oC。如果用鋁，即使 100oC 也能取得良好效果 （例如模具工作溫度 250oC，初始溫度 150oC），要避免 DnV3 超過 100oC，初始溫度低于 150oC，否則，載熱油的效率將變得極不理想。
例如：按照 3，假定DnV3=40oC w=3m/s
A1=18300/0.222＊40=2061cm2
或：DnV3=60oC，w=3m/s
A2=18300/0.21＊60=1452cm2
w=3m/s=183000cm/min
V=14.4L/min=14400cm3/min
Aq 橫切面積=V/w=0.8cm2（3.1416＊r2）
->d=10mm
信道直徑zui小 10mm
信道長(zhǎng)度：A1/3.1416＊d=2061cm2/3.14cm=656cm
材料和系數(shù)表（表二） 材料 CH比熱
CJ/KgK熔點(diǎn)
oC熔化熱
Hq（J/Kg）＊103比重
pKg/cm3冷卻系數(shù)＊1
fq（J/Kg）＊103
鋁Al9206593562.70798
鉛Pb1303272411.3446
銅Cu39010832108.90515
黃銅MS72-390920968.56440
鎂Mg10106502081.74664
錫Sn2302321127.28172
鋅Zn3764191917.14289
鋼0.6C-460--7.84-
鋼8Cr19Ni-500--7.8-
鋼18Cr9Ni-500--7.8-
載熱油200oC-2540＊2--0.75-
水 4182-334881-
實(shí)際運(yùn)用
所有舉例的數(shù)值都經(jīng)實(shí)踐和試驗(yàn)的驗(yàn)證，它們可能受各種因素的影響，這些計(jì)算只能提供一些參考，并不擔(dān)保適用于所有條件。有關(guān)具體型號(hào)設(shè)備的進(jìn)一步說明，富來備有充足資料提供，可致電：（852） 2721 0690 查詢。
結(jié)論
在現(xiàn)代化的壓鑄工廠中，因應(yīng)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)，節(jié)省人力、提升品質(zhì)、降低成本的經(jīng)營(yíng)策略是刻不容緩的，模溫機(jī)的使用，可使模具預(yù)熱時(shí)間減少，成品表面質(zhì)量提升及可*自動(dòng)化生產(chǎn)。事實(shí)上，提高模具壽命是提高生產(chǎn)力的必要手段。
導(dǎo)熱油之選擇和使用須知
市面上有頗多可供選擇的導(dǎo)熱油，于選購時(shí)必需參考模溫機(jī)的zui高溫度限制及使用溫度，沸點(diǎn)要高于zui高溫度限制，并留意供貨商建議的熱油壽命數(shù)據(jù)。老化的油會(huì)造成沉淀，性能降低，其表現(xiàn)于沸點(diǎn)降低及較易燃燒。一般來說 350。 模溫機(jī)運(yùn)用 370。 至 380。 沸點(diǎn)，350。 至 360。 zui高的操作溫度之導(dǎo)熱油；320。 模溫機(jī)選用 350。 沸點(diǎn)，320。zui高操作溫度的導(dǎo)熱油。另外，要留意zui低激活油溫及zui低運(yùn)行油溫的數(shù)據(jù)，以配合當(dāng)?shù)靥鞖猸h(huán)境。導(dǎo)熱油的質(zhì)量的特征應(yīng)包括氧化穩(wěn)定性、防沉、防泡沬等使用壽命數(shù)據(jù)。
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