PQ2.docx

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PQ2

PQ2

印刷编号：

EC700

日期：

1998年7月

作者：

约翰罗那威克

迈克科克斯

雷克斯费希

版权1998北美

压模协会

（U.S.A.）美国伊利诺斯罗斯蒙特

美国印刷

版权所有。

未经发行人书面同意，不得以任何形式或使用任何方法，用电子、机械包括影印、录制、或用任何信息贮存或恢复系统对该书的任何部分进行复制或利用。

如有任何要求，请与位于美国伊利诺斯洲罗斯蒙特880街区海根路9701西的北美压铸协会联系。

邮编：

60018-4721

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简介

本刊论述了熔融金属液所受有效压力与型腔填充速度之间的关系，主要对（内）浇口面积、柱塞（改为“压射冲头”）大小、设备能力、液压压力、雾化流 （改为“喷涂”）和型腔填充速度之间的关系进行了说明。

本论述对如下项目进行了探讨：

●浇口喷嘴

●金属泵

●PQ2的基本公式

●设备生产线的图示介绍

●金属压力计算

⏹热室压铸机

⏹对压力轨道施加的金属压力

●设备最大能力

⏹空压射速度

⏹热室　

⏹冷室

●模具划痕的图示说明

⏹手动计算

⏹变换刻度　

●操作窗口确定

⏹浇口速度限制

⏹浇铸时间限制

⏹压力限制

⏹绘制窗口

●举例说明

⏹设计人员如何绘制PQ2图来开发原始工艺

⏹设定理论浇铸时间

⏹为现有工艺绘制PQ2图并做修改为了最大限度提高铸件质量，模具铸工必须了解并优化设备和模具的设定。

PQ2的目的是预测一个给定的模具安装在已知性能的设备上时如何操作。

分析可得出一个可供选择以满足浇铸质量要求需要的窗口。

理想的是模具和工艺设计应在所选操作窗口的中间进行操作。

不管是计划生产新部件还是最大程度提高现有部件，都应以对工艺进行评估的方式进行。

PQ2所要求的每一个部分都分别与以说明，然后循序渐进，使初始设计人员也能对模具浇铸工艺进行分析和优化。

PQ2图有助于作出有关浇口、浇铸速度和浇铸压力的确定。

设计人员能够确定设备是否能提供可生产高质量铸件的浇铸量。

作者在更新和重写本程序中采用了由　比尔沃克顿准备的材料和由E.A赫尔曼在浇口模具压铸法（改为“压铸模具浇口设计”）一文中所选的材料。

欢迎对进一步更新和改进本程序提出建议，并提交给NADCA教育和培训部。

下面是一份完整的PQ2图，注意该目的是预测给定的模具安装在已知性能的设备上时应如何操作。

同时还说明一个操作窗口，该窗口是为了满足浇铸质量要求的需要而开发的,目的是为了使模具和设备的操作在该开发的窗口范围内进行。

日期：

PQ图

设备液压气缸尺寸，干式浇铸速度

PLUNGERTIPSIZE活塞顶部尺寸

设备能力

理论浇铸比率　

工艺操作窗口

（）模具划痕（浇口面积）　

L浇口速度限制　

Q（in.Vsec）

第一章压射部位

本章节讨论模具浇铸机移动溶化金属的能力。

冷室机金属液喷注装置见图1－1所示。

许多其它类型的喷注装置也可能采用。

浇铸（）

浇口

图1－1　冷室基本液压喷注装置

热室机的金属流量装置见图1－2所示，冷室机见图1－3所示。

从流体流量的角度来看，两种装置是相同的。

该装置的液压使金属通过压室或鹅颈管流入浇道和浇口，最后进入浇铸型腔。

参阅图1－1，储压器为压射装置提供全部液压能力。

可以移动压射油缸时，必须使用储压器的压力，以提供流体流量在压射管线内所需的能量。

剩余压力提供有效压力，推动活塞，然后有效压力成为生成流量所需的的储压器负压力。

生成该流体流量所需的压力与压射速度的乘方成比例。

浇铸

浇口

Fig.1-2.热室金属流量装置

Fig.1-3.冷室流量装置

能力装置

如果压射管内没有溶化金属，除设备元件的阻力外，压射油缸活塞活动没有任何阻力。

在这种情况下，柱塞速度为最大，因为速度增大直到整个设备装置的压力损失与储压器的压力相等为止。

根据定义，当装置这样运行时，没有液压将金属液推入模具的浇口。

该速度称为干式压注速度（快速压注速度控制阀完全开启时），并用

符号表示。

此时干式压注速度可以测量。

干式压注速度和储压器压力（也可以进行测量）是确定设备能力性能的关键参数。

能力性能记录在PQ2　图上，并用来使模具浇口装置与设备能力进行匹配，如第五章所述。

有两种方法可以使柱塞运动的速度慢于最大速度vd。

　一种是部分关闭快速压注速度控制阀，　另一种方法是对柱塞的运动施加阻力。

柱塞的阻力与装置排放压力的增加相同。

被推入模具内的金属液正好可提供活塞运动阻力。

随着负荷增大，压注油缸内的压力也必须增大，对活塞施加与阻力负荷相同的力。

在vd（最大速度）情况下，压注油缸内的有效压力为零。

随着装置速度的下降，压注油缸内的压力增大直至在零速度时与储压器的压力相等。

该关系如下：

　pc=phs[1-（vp/vd）2]Eq.1-1

其中：

pc=压注油缸内的有效压力，psi（kg/cm2）

phs=液压系统压力psi（kg/cm2）

vp=柱塞（改为“压射冲头”）速度　英寸/秒（m/sec）

vd=干式喷注速度英寸/秒（m/sec）

喷注油缸中的有效压力pc和柱塞速度vp是限定设备喷注装置可提供的装置以外工作的能力。

该工作是将金属液推入模具的浇口系统。

PQ2图限定设备在金属液流量（排量）和压力方面的工作。

对于任何设备来说，排量比和金属压力的关系完全取决于柱塞（改为“压射冲头”）直径的选择。

选定金属柱塞（改为“压射冲头”）直径后，柱塞（改为“压射冲头”）速度与柱塞（改为“压射冲头”）的容积流量比之间有直接的关系。

其关系如Eq1－2和1－3所示：

Q=ApvpEq.1-2

Ap=πdp2/4

其中：

Q＝柱塞排量比in3/sec（cm3/sec）

Vp=柱塞（改为“压射冲头”）推动金属液的速度in/sec（cm/sec）

dp=金属柱塞（改为“压射冲头”）的直径in（cm）

Ap=金属柱塞（改为“压射冲头”）的面积in2（cm2）

例如：

找出排放量（Q）当柱塞直径＝4.0柱塞速度＝200in/sec

首先根据EQ1-3计算柱塞的面积。

然后根据EQ1－2计算排量比。

空气夹带（改为“卷入”）控制：

当金属液进入压室后，并不能完全填满压室。

通常压室不到一半满（改为“填充不到一半”）。

压室内的其它地方充满了空气，当进行压注（改为“射”）时空气被推入型腔。

如果柱塞（改为“压射冲头”）速度得到合适控制，空气可以在金属液之前进入型腔，并通过型腔进入溢流管（改为“槽”）排出。

然而，压室内的空气越少，负面影响就越小。

如果柱塞（改为“压射冲头”）较大，当金属液量保持不变时，压室内的空气量就会增加。

额外的空气量会增大其在铸件中形成气囊（改为“孔”）的可能性。

当空气量增大时，慢速压注（改为“射”）速度控制变得非常关键。

多余空气降低铸件质量的可能性能通常低于不正确浇注时间对质量造成影响的可能性。

（改为“多余空气降低铸件的质量通常比不正确的浇注时间对质量造成的影响要小得多”）

控制压室内夹带（改为“卷入”）空气量所需的理想柱塞（改为“压射冲头”）速度得到波动理论的确定并经试验验证。

临界慢速浇注速度可按Eq1-4计算出近似值。

其中：

:

进入压室金属液容量in3

其中：

首先根据Eq.1-3得出柱塞面积，根据上述例子进行计算：

慢速浇注速度in/sec（m/s）

初始浇注金属液的压室容量小数%

柱塞（改为“压射冲头”）直径in（mm/1000）

曲线常数22.8in5/sec（0.579m0.5/s）

必须计算初始压室灌充百分比（改为“压室初始填充度”）

，压室灌充百分比（改为“压室填充度”）fi根据EQ1－3和1－5进行计算。

代入Eq.1-5:

得出所需的临界慢速压射速度，代入Eq.1-4.（cm3）

柱塞表面和动型表面之间的压室长度（cm）

压射柱塞面积

例如：

根据下列参数计算出控制空气所需的初始浇注百分比和慢速压射临界速度：

柱塞直径-4

压室长度-40

浇铸完成后才可能得知“实际”压射容量。

在生产出样品铸件和测得压射容量之前，可使用估计压射容量。

压室长度－40　in

压射总容量-425in3

在过去几年中，主要大学做了进一步的研究，以改进临界慢速压射曲线。

并在初始试验中发现加速慢动压射分布图表明情况良好。

需要伺服控制压射系统来获得该加速慢动压注分布图。

第二章

浇铸

浇口

浇口

压铸模的浇口装置由一系列的通道组成，金属液通过这些通道流入模具内，然后通过模具的内部进入室腔内。

金属液由柱塞从硬　模的外部推入浇口装置。

“冷室”式模铸机的柱塞通常水平安装在被称为“压室”的厚管内，如图2－1所示。

浇铸

浇口

图2－1　冷室机有一柱塞，与模具开口方向并行，将金属液经套模推向分离表面，然后进入浇口装置。

柱塞插入模具内一半，将金属液向前推入

“热室”机有一的压力室内垂直运动的柱

紧靠模具，但并不直接与模具连接。

柱塞向下运动将金属液向上推入一延长的“S”型通道（由于该通道的形状，整个压力室被称做“鹅颈管”）。

该鹅颈管通过一根叫做“喷嘴”的厚管与模具连接。

这些“热室机”的元件见图2－2所示。

图2－2　热室机有一柱塞，在压力室内垂直运动，将金属液泵入模具内。

金属液从柱塞孔的底部向上流经曲线通道和一加长喷嘴，然后流经直浇口进入模具。

　　在柱塞的运动中，金属液流经被称做浇道的通道进入型腔。

该浇道通常在横截面上为梯形。

可能会有更多的浇道，从外壳铸型或浇口处向外展开。

任何一个浇道均可根据需要分成两个或更多部分，将金属液导入各个部位。

当浇道接近型腔时，其形状由梯形变成开口状进入型腔。

弯曲的部分叫做“浇道”，进入型腔的开口叫做“浇口”（有时叫做“内浇口”）。

　浇口系统的基本功能是为金属液提供一个通道，使其进入型腔。

进入型腔后，金属就会固化为所需要的铸件。

这个基本功能非常简单，容易理解。

如果模具浇口系统、设备设置和设备操作参数（如速度、压力、温度）不匹配，就很难（但并不总是完全不可能）制造出高质量的铸件。

浇口系统仅会在浇注过程中对金属和模具的变化产生影响。

浇口必须能够控制金属液的流量，必须能制造出良好的铸件，必须提供通畅的流量和正确的浇注形式。

为了获得正确的喷注形式，金属液必须高速通过浇口。

该高速可以使金属液在浇注过程中抵达型腔内的死角。

将此与花园的软管进行比较。

如果水流量小或喷嘴开启过大，水流就不会射得很远，水流量就会很松弛，而不是喷洒，却更像是一个固体流。

如果略微关闭喷嘴或者略微提高水压或流量，流量就会射得较远，并分成水滴，但水滴很大（很像喷溅），不会喷射很远。

这种流量不会制造出好的铸件。

喷溅会造成预固化而不能重新溶化的金属小滴，这样就会造成内部或表面缺陷。

如果设备的速度不够快，浇口过大或两种情况都有，就会产生这种流量。

这种流量看起来是这样的：

通常必须要求较快的流量速度以生产出好的铸件，虽然有时很慢的流量浇注（挤压浇注）可适用于厚壁铸件（＞6mm）。

如果增大压力或流量，或将喷嘴（浇口）做得小一点，流量就可以开始加速，液滴变小。

当流量到达一定的速度时，流量开始雾化，这样就可制造出最好质量的铸件。

（见第三章“雾化喷射流”）。

这种雾化流量就像油漆喷枪的流量。

它速度高，液滴小，使用大量的能量浇注铸件。

金属液流经压铸件浇口的速度叫做“浇口速度”。

附件1表2中列明浇口速度的标准数值。

该表中注明的数值在大多数情况下适用。

然而，每一压铸厂都有其成功的范围。

NADCA提出下列浇口速度范围：

铝–1000to1600in/sec

25-40m/sec

锌-1600to2160in/sec

锰-1575to3350in/sec40-85m/sec

这些数值的变量由铸造厂自己决定。

在低速浇口条件下，流量的雾化会恶化，造成浇注缺陷。

在较高的浇口速度条件下，浇口和型腔会出现腐蚀现象。

流量的雾化可以用数学来说明，并经过对许多压铸件进行研究证明的。

这些研究对生产高质量铸件时所使用的参数进行了鉴定，并将这些参数作了记录。

发现金属液流经浇口的速度和浇注所需的时间在生产良好部件时都很一致，总是保持在一定的范围内。

两种参数，即浇口速度和型腔浇注时间，可以就是否用所使用的设定值可以生产出良好铸件说明很多东西。

这些参数很重要，对表面缺陷具有很大的影响，这对于锌压铸件是一种最重要的因素。

对于其它质量原因也很重要。

　　使用PQ2计算方法可能确定起始浇口尺寸和预测浇注的时间。

另一种确实浇口尺寸和浇注时间的方法是根据估计确定浇口面积。

试试看，果不行，改变一下，再试试。

或许这种试验和错误的方法最终会得到良好的浇口。

这种方法也很经济，很容易进行尝试，只是错在纸上，而不是错在模具上。

　生产好的铸件还有满足许多其它要求：

－正确浇注方式和浇口位置

－浇道中流量通畅

－良好的柱塞控制和柱塞速度的一致性

－适当的排气和/或抽真空

－适当的热平衡

－模具喷射条件

在这里我们不对这些内容作详细的说明，但都需要，必须与以考虑。

这些因素都可以得以纠正，但如果PQ计算不正确，仍然不能生产出良好的铸件。

实际情况是，许多设备不能提供可满足正确流量条件（浇注时间和浇口速度）所需的压力，这些都是生产良好铸件所需的。

设法得到最佳流量条件需要正确的浇口尺寸，并应与设备可提供的压力相匹配。

有关详细资料，请参阅北美铸造协会出版的由E.A.赫尔曼所著的“浇口压铸模”

第三章雾化喷射量

在第二章中对流体速度和喷管出口截面之间的关系要求进行了说明，以保证雾化喷射量。

本章节对金属和确定雾化的理论与背景与以说明。

当流体从喷嘴流入到自由空间时，流量为连续喷射粗颗粒金属

或细雾化状。

花园软管的可调式喷头可以提供所有这些选择。

如同花园软管一样，出自于压铸模浇口的金属液的流量可以

设定为所有这些形式。

出自浇口的喷射形式可影响到模具浇铸

的质量。

理论与背景

华莱士对压铸模的喷射现象进行了研究，他的著作由

国际铜研究协会在铜金属压模铸造一书中进行了出版。

华莱士说明了喷射流量的类型｛如连续、粗颗粒或雾化｝

可以Eq.3-1来确定

=常数Eq.3-1

其中：

D＝浇口参数＝浇口面积除以浇口的长度和

（cm/sec）深度的和（对于大于深度十倍以上的浇口，浇口参数D＝几乎等于浇口的深度）；

=金属液的比重lbs/in3（kg/cm3）

=金属液的流速,in/sec（cm/sec）

µ=金属液的粘度lb/in-sec（kg/cm-sec）

=金属液的表面张l力/sec2（kg/sec）

该公式表明了流量内部能量和流体表面张力的关系,在比值（即“常数”）条件下，喷嘴排放改变本质（从粗颗粒到雾化），通过使用该常数和替代比合金的物理性能将Eq.3-1减小至Eq.3-2。

其中：

=雾化值

D=浇口参数,in.（cm）

=等于金属液的比重lbs/in3.（kg/cm3）

Vg=浇口流速　in/sec

附件1中的表二列明了其它金属的“J”值

将粘度和比合金的表面张力代入而得。

当模具条件可满足Eq3-2时，浇口可产生良好的雾化流。

Wallace所做的实际试验表明，流量雾化可以生产出最佳铸件。

当条件导致Eq3-2小于“J”值时，粗颗粒流量就会产生。

粗颗粒流量通常不会导致浇铸质量问题。

还有一个常数是J'，它比界定粗颗粒和连续喷注流量的“J”要小得多。

J'实际数值还未确定，因为通常不认为连续喷注流量是属于压铸的范围。

连续喷注流量比粗颗粒压铸可生产出更好的铸件，但属于流量速度范畴，在此范畴内压铸和重力浇注没有明显的区别。

重力浇注也可能采用浇口连续流量喷注，然而，这两种工艺有许多其它的区别。

第四章计算公式

本章节讨论压铸工艺开发中使用的科学等式。

这些等式用来确定生产高质量铸件的型腔浇注时间，并计算在要求的浇注时间条件下操作设备所需的设备能力。

确定型腔浇注方式后，必须确定理想的浇注时间。

浇注时间为金属液到达内浇口直至型腔和溢流口充满的时间。

　压铸模具型腔通常的金属液浇注时间为0.010－0.150秒。

其后的填充或补液以补偿固化收缩量不属于填充时间。

通过浇口的金属液流量和产生所需流量的关系是根据Bernoulli`等式的导数来确定的。

本章节首先就浇注时间方程式的使用进行说明，然后对衍生的Bernoulli方程式和其与压铸机的关系进行说明。

计算浇注时间，浇口方程式

根据下列浇口方程式计算浇注时间：

其中：

t=理论浇注时间（秒）

k=经验衍生的常数sec/in（sec/cm）

Ti=金属液进入模具时的温度°F（°C）

Tf=最小金属流量温度°F（°C）

Td=金属液进入前模具型腔表面温度°F（°C）

S=浇注结束时金属液可允许的固体百分数%

Z=°F/%（°C/%）

T=铸件壁厚（mm）

K,Tj,和Td的标准值见附件1。

还有用于任何比合金的Z和Tf的标准值。

浇口方程式说明了所有主要工艺变量的关系。

允许设计人员选择所有变量的数值，并为预计的浇铸质量确定一%固体数值，并根据变量以此来确定理论浇注时间。

如果采用不同的工艺条件，方程式可给出不同的浇注时间。

Eq.4-1中所列的各种变量的数值见附件1表1。

附件中所列的数值为标准数值。

如果设计人有理由需要在其它条件下操作模具，应将数值代入代表这些条件的浇口方程式中。

在章节的下几个部分中对浇口方程式中的变量进行说明。

这些说明旨在给读者提供每个变量的含意，并了解如何使用。

浇口方程式，Eq4-1不大重视厚壁或长距离流量铸件的理论型腔浇注时间。

金属液喷注温度

浇口方程式中的金属喷注温度Ti　为金属液到达浇口时的温度。

实践中，这是一个不可直接测量或控制的温度。

因此，设计人员必须确定熔炉保持温度以补偿热损失和工艺变量，从而在喷注前保持合适的金属液温度。

通过测量压室的温度可得到一个合理的估计数值。

当金属液从保温炉去往压室时，冷室机会有温度损失。

标准温度损失为50°F（28°Cdeg.）.所以，规定的保持温度应该大约为50°F，高于浇口方程式中所使用的金属液喷注温度。

在热室机中，保温炉温度与金属液喷注温度通常相同。

但有一例外，当金属液排放到鹅颈管前面并流经喷嘴时柱塞设定为慢速动作，而该喷嘴保持的温度大大高于保温炉温度。

这种作法使得热喷嘴对慢速流过的金属液进行加温。

合理的估计是该做法做使金属液的温度上升20to40°F（11to22°C）。

实际温升取决于喷嘴的内外直径，喷嘴的温度和长度，和金属液流过的速度。

由于很难控制变量，不建议采用该做法（虽然有效），所以保温炉温度通常设定为与浇口方程式中所列的金属液喷注温度Ti,相同。

然而，如果慢动柱塞前动采用“热”喷嘴，规定的保持温度应比浇口方程式中使用的金属液喷注温度低20-40°F（11-22°C）。

必须准确控制喷嘴温度和慢动喷注速度。

浇注时间对于金属液温度非常敏感，举例假设按下列条件生产一小型380合金铝铸件：

Ti=1200deg.F（649deg.C）

Td-600deg.F（316deg.C）T=0.100in.（0.254cm.）

然而，如果金属液喷注温度由1200deg.F（649degC）变为1250deg.F（677deg.C）,理想的浇注时间增加到0.061秒。

金属温度提高The50Fdeg.（28Cdeg.），理想的浇注时间就延长了20%。

如果采用了同样的浇口速度（降低再次溶化），或使用低功率设备，浇注时间的延长可以减小浇道尺寸20%。

通常，高金属液喷注温度有助于使铸件看起来更漂亮，有助于浇注深处的肋条和其它容易成为“死角”的地方。

但高金属液温度有可能增大收缩松度，并会加快模具热裂和腐蚀。

较高的喷注温度并不会对合金的总热量有明显的作用，但热裂对于温度的变化很敏感，并不完全是一个热现象。

最小流量温度

浇口方程式Eq.4-1,计算一理论浇注时间：

浇口方程式中的最小流量温度是一个介于合金液相线和固相线温度之间的温度。

通常，最小流量温度更接近固相线温度。

它说明低于该温度时金属液就不能流动，而且相反，就像固体一样。

附件中关于Tf的数值为估计数值。

然而，由于必须接近固相线，所以每个误差都是小误差。

浇注时间对于这样的最小流量温度小误差不敏感。

设计人员不应改变最小流量温度数值。

容许固体百分数

容许固体百分系数S确定铸件在型腔浇注时可容许的合金固化量。

当金属液流经相对冷　模时，它会损失对模具的热量。

首先快速损失金属液的过热（即保持温度高于液相线的热量）然后潜热（即保持金属为液体状的热量）开始流入模具当潜热从金属液中流出时，一些金属液固化。

固化的部分是浮在液体上的小颗粒。

系数“S”为型腔浇注时固化金属液量的百分比数。

一般来说，固化百分比（10－15）越小，表面光洁度和表面重现精度就越好。

较大固化百分比（至50）会导致较小的内空隙度。

固体百分比系数主要适用于首先进入型腔的金属液，这是因为首先进入型腔的金属液接触的是冷模，结果是模具的表面温度上升。

随后流经模具的表面的金属液接触的是较热的模具，　因此失去的热量就较少。

所以，不同的固体百分比对距浇口最远的铸件部分产生的影响要严格控制。

固体百分比系数也会影响为补偿收缩量柱塞压力加强的能力。

较大数值“S”（即25－50%）会减小该能力加强的有效性，而小数值（即小于10%）则会增大其有效性。

然而，选择大数值“S”会减小对加强有效性的需求。

厚铸件非常适合使用大百分比系数，但薄铸件通常采用“S”较小数值的效果较好。

（铸件越薄，其加强的作用就越小，而铸件的收缩量就越均匀）。

单位转换

单位转换系数Z是根据合金的热性能得出的，不是工艺变量，不应修改。

模具温度

如金属液温度一样，浇口方程式中的模具温度Td,与在实际模具上测得温度可能不一样。

当模具转动时，型腔的表面经历剧烈的温度波动。

金属液流过时，型腔温度从基本温度跃升到峰值温度。

基本温度为金属液喷注前的模具温度。

浇口方程式中的模具温度Td,为基本温度。

型腔表面温度随着时间在不断的变化。

实际中很难进行准确的测量。

作为一般准则，浇口方程式中采用的模具温度应比预计的表面温度高50F（28Cdeg）。

如果进行模具的热分析，以便正确安置冷却槽，基本温度与任何内部温度的关系就可以容易理解，正确安装一热电偶。

附件1表1中所列的数值比大多数压铸厂认为的数值要高得多，但是经常有一种使用温度过低冷模的趋势。

在合理的范围内应使用热模。

较高的模具温度可使用较长的浇注时间，这样可以减小柱塞的速度。

较高的模具温度还可以延长模具的使用寿命。

事实上，模具温度是模具寿命的最主要系数。

可以使用浇口方程式Eq.4-1,对模具温度对浇注时间的影响进行说明。

本章节开始处所举的例子说明，特别的情况可以导致浇注时间为0.052秒。

该例子中采用的模具温度为600F（316C）。

如果模具的温度要降低50F（28C），方程式可以表明浇注时间必须为0.047秒，几乎减小了10%。

一般认为高模具温度的缺陷是循环时间长，生产率低理论上讲是这样的。

但实际上，循环时间是由最慢固化元素来控制的，通常是外壳铸型或一些局部加热点。

局部加热点可