模具冷卻優(yōu)化

1、模具冷卻優(yōu)化內(nèi)容摘要:由誰負(fù)責(zé)模具冷卻過程的優(yōu)化。對(duì)于成型周期（80%是冷卻時(shí)間）中如此重要的一步，在傳統(tǒng)加工過程中卻沒有人直接負(fù)責(zé)。制模工程師認(rèn)為好的冷卻設(shè)計(jì)是工具車間的報(bào)價(jià)表中本來就有的。工具車間通常不優(yōu)先考慮模具冷卻，其設(shè)計(jì)者也不一定對(duì)熱傳輸問題非常在行。由誰負(fù)責(zé)模具冷卻過程的優(yōu)化？為什么不在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)給它傾注更多的精力？對(duì)于成型周期（80%是冷卻時(shí)間）中如此重要的一步，在傳統(tǒng)加工過程中卻沒有人直接負(fù)責(zé)。 制模工程師認(rèn)為好的冷卻設(shè)計(jì)是工具車間的報(bào)價(jià)表中本來就有的。工具車間通常不優(yōu)先考慮模具冷卻，其設(shè)計(jì)者也不一定對(duì)熱傳輸問題非常在行。他們的長(zhǎng)處是切割鋼鐵并以盡可能經(jīng)濟(jì)的方法生產(chǎn)模具。每一

2、方都認(rèn)為另一方負(fù)責(zé)而實(shí)際上哪一方都沒有負(fù)責(zé)，這個(gè)工業(yè)鏈中的斷層導(dǎo)致的是一種潛在的成本。部件冷卻不足會(huì)增加循環(huán)時(shí)間、廢料和尺寸問題。 而且，對(duì)于尺寸相似的部件，每一個(gè)制造過程的冷卻負(fù)載可以有很大的不同。比如，一個(gè)吹制部件只能在外表面冷卻。該部件的內(nèi)表面是一個(gè)空心腔體。因此，內(nèi)表面無冷卻的可能性極小。對(duì)于吹制模來說，部件的冷卻全部在該部件外壁方向。把一個(gè)噴射成型部件和一個(gè)厚度完全相同的吹制部件相比，冷卻發(fā)生在該部件的兩側(cè)。噴射成型部件會(huì)冷卻的非常快，從而循環(huán)時(shí)間也更短。因此，對(duì)于每一工藝類型冷卻部件所使用的技術(shù)必須很好地策劃以保證競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 吹制模具制造還有一段使用“浸入加工”的歷史。這種方法涉及

3、使用有供水流通過的大開孔鑄造模具。然而，這些系統(tǒng)把冷卻水集中在部件的關(guān)鍵部位比如壁厚較大的部分或者尾部毛邊。這種技術(shù)不能提供用于最大熱量傳送的水的湍流。切鋼工具中一種鉆制的水路系統(tǒng)允許最佳的流量通過水路并且允許選擇在最需要冷卻的位置布置水路。建議在要求高性能冷卻和明確溫度控制的所有系統(tǒng)中使用鉆制水路系統(tǒng)。 模具冷卻的重點(diǎn)可以概括為下列5個(gè)類別： 1、模制塑料的熱性能和模具的建造材料。 2、 從熔體準(zhǔn)備到冷卻循環(huán)時(shí)間的能量平衡。 3、 冷卻劑流速對(duì)傳熱效率的影響。 4、模具溫度調(diào)節(jié)器的選擇。 5、 最佳模具冷卻的設(shè)計(jì)慣例。 第一位的是理解與傳熱有關(guān)的部件從熱塑料部件到工具鋼的熱性能，最后才是對(duì)冷

4、卻介質(zhì)的理解。不同塑料制品的熱含量以及不同類型模具材料（鋼材、合金，等等）的傳熱率有很大的差別，這一點(diǎn)沒有得到普遍認(rèn)識(shí)。 塑料的熱含量 在估計(jì)模具溫度調(diào)節(jié)器大小以及設(shè)計(jì)塑料模具冷卻系統(tǒng)時(shí)，塑料的熱含量通常是一個(gè)不被考慮的參數(shù)。每一種塑料都要求有一個(gè)特定的能量（每磅）以塑化固體樹脂顆粒。這樣的例子包括： 同樣，為了形成一個(gè)穩(wěn)定的部件，這個(gè)等量的熱能必須被除掉。根本上講，輸出的能量必須與輸入的能量相等。注意所有晶體材料的塑化要求的熱能幾乎是非晶體樹脂的一倍。這在熔體準(zhǔn)備時(shí)通常沒有問題，盡管給料螺桿結(jié)構(gòu)會(huì)影響熔體的準(zhǔn)備。但是，對(duì)于烯烴材料而言兩倍的熱量必須被除掉，而且就具有競(jìng)爭(zhēng)性的非晶體樹脂而言通常

5、還是在同一個(gè)循環(huán)時(shí)間內(nèi)，它確實(shí)含有這一層意思。因此，這種工具對(duì)烯烴樹脂就要求較多的模具冷卻以使循環(huán)時(shí)間保持競(jìng)爭(zhēng)性。這些樹脂的結(jié)晶度使這一點(diǎn)成為一個(gè)非常重要的問題，因?yàn)槌裏崴俣忍龝?huì)影響晶體增加并影響制成品的翹曲和尺寸的穩(wěn)定性。 由于很多工業(yè)企業(yè)把ABS或者PC方面的工程師轉(zhuǎn)到像PP類的樹脂方面，這明顯表示模具冷卻變得比以往任何時(shí)候都重要了。 典型模具鋼種的傳導(dǎo)率 從上表中可以看出，典型模具材料的熱傳導(dǎo)率（K）有很大的差異。K是熱量能夠在材料中行進(jìn)（傳輸）的速度。這個(gè)值越高，熱量的傳輸就更加有效。這個(gè)單位僅僅表示每單位時(shí)間可測(cè)量的熱的數(shù)量，其他的特性保持不變。 銅是一種非常優(yōu)秀的傳熱材料（是P2

6、0的10倍），鋁也是。然而，兩種材料都比較軟，都不用于大批量的生產(chǎn)工具。鈦是一種熱傳導(dǎo)率非常低的硬金屬。這種較差的熱傳導(dǎo)特征使得它能有效地用作熱轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中的絕緣板。如果在某關(guān)鍵區(qū)域要求的熱傳輸量很大，鈹銅合金是最好的，它結(jié)合了優(yōu)秀傳熱性能和硬度兩個(gè)特征。 水與熱量傳輸 毫無疑問，模具冷卻最重要的并且完全在我們控制之中的一點(diǎn)是冷卻劑的流速?；貞浺幌聼醾鲗?dǎo)率圖表，水（靜止的）傳熱效率不及P20鋼的1/50。因此，水在熱傳輸問題上是一個(gè)限制因素。然而，流動(dòng)著的水因?yàn)橥牧饔邢喈?dāng)好的傳熱性能。湍流使得冷卻劑能夠混合并能把熱量從冷卻通道驅(qū)散。湍流可以從雷諾數(shù)計(jì)算而得。這是一個(gè)以通道直徑、冷卻劑速度和冷卻介

7、質(zhì)粘度為基礎(chǔ)的沒有單位的值。大于5,000表示湍流和優(yōu)秀的傳熱性能。湍流越多，傳熱效率越好。 該公式的研究表明，對(duì)于一個(gè)給定的現(xiàn)有工具，管子直徑不能改變，冷卻劑保持不變，因此，只有改變冷卻劑流速來積極地影響雷諾數(shù)。速度是GMP。增加GMP既能極大地改善從鋼到冷卻劑的熱傳輸效率，也能改善模具溫度調(diào)節(jié)器兩端的溫度差（T）。使GPM最大化是最佳冷卻的極好方法。 最終結(jié)果是湍流改善了熱傳輸?shù)乃蟹矫?。因此，既然湍流要求的冷卻劑流速較高，GMP應(yīng)該總是盡可能地大。 強(qiáng)烈建議重要工作上使用的所有模具溫度調(diào)節(jié)器安裝一個(gè)內(nèi)置流量計(jì)。 溫度調(diào)節(jié)器的選擇 從模具上要消除的熱量的多少因所加工樹脂的不同而不同。此外，

8、熱量消除的速度也因模具建造材料的不同而有差異。因此，確定模具溫度調(diào)節(jié)器必須考慮所有這些變量，否則可能造成選定的調(diào)節(jié)器偏小，從而導(dǎo)致循環(huán)次數(shù)過多。 輸入的熱量永遠(yuǎn)等于輸出的熱量。如果冷卻系統(tǒng)或者模具冷卻結(jié)構(gòu)不充分，能量還會(huì)找到一種釋放途徑。然而，這一般是借助于工具兩邊的模具溫度調(diào)節(jié)器，否則，部件會(huì)因過多的殘留熱量而脫模，或者必須延長(zhǎng)循環(huán)時(shí)間以便有足夠的時(shí)間消除熱量。造成的困難是要在正常條件下使所有的能量釋放出來。 冷卻管線的布置 在模腔中布置冷卻管線和型芯鋼時(shí)請(qǐng)考慮實(shí)際的部件結(jié)構(gòu)。司空見慣的作法是，管線的布置在所有其他的設(shè)計(jì)問題之后，并且通常沒有通過好的管線布置使冷卻達(dá)到最佳的這個(gè)選擇余地。請(qǐng)?jiān)?/p>

9、設(shè)計(jì)的早期階段預(yù)先考慮這些問題。如果部件有較厚部分，那么請(qǐng)考慮把該管線布置得稍微靠近墻壁一點(diǎn)或者布置兩個(gè)小直徑管線代替一根管線。深型芯的冷卻一直是一個(gè)難題。隨著部件的冷卻，它將向型芯上收縮并脫離模腔。因此，80%的冷卻來自型芯鋼。然而型芯的表面與體積比最小（與模腔比較而言），并且在這個(gè)狹窄的空間里獲得充足的冷卻水非常難。這可以解釋為什么很多型芯運(yùn)行時(shí)溫度很高。 當(dāng)簡(jiǎn)單通道的冷卻變得困難時(shí)，還有其他方法選擇。像型芯這樣難以冷卻的部位可以用隔板、起泡器和熱管來冷卻。但是需要注意的是，每種選擇有很多不同的設(shè)計(jì)，很多設(shè)計(jì)只是代表工具車間在價(jià)格較低的競(jìng)標(biāo)報(bào)價(jià)中提供的最低的成本標(biāo)準(zhǔn)條款。最好是規(guī)定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

10、而不是依賴于工具車間在冷卻上的經(jīng)驗(yàn)。很多工具車間對(duì)優(yōu)化模具冷卻知之甚少，而多數(shù)模具制造商想當(dāng)然地以為工具車間提供的模具能夠完美地冷卻。對(duì)幾家知名工具公司最近的調(diào)查證實(shí)，模具冷卻是他們最后考慮的問題而且他們通常使用的僅僅是標(biāo)準(zhǔn)慣例。 隔板和起泡器在結(jié)構(gòu)和目的上是非常相似的。兩者都從局部的冷卻通道中汲取冷卻水并把它分配到像型芯這樣難以抵達(dá)的部位。在隔板中，水流入鉆制通道再流入型芯中心。通道被一個(gè)鋼制隔板分成兩半，這使水能從一側(cè)流入并從另一側(cè)返回。隔板沒有抵達(dá)通道底端，從而允許水流通過。好的結(jié)構(gòu)能保證半塊隔板的橫截面積最小。這可以使局部流速達(dá)到最大從而形成湍流。 安裝管道時(shí)，使用較多的是用并流而不是

11、串流。串流從一端進(jìn)入，在出來之前通過整個(gè)工具。這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致的壓降最大并且工具兩端的T很大部件兩端的溫度不均勻，存在潛在的變形可能。并流能使T最小，從而保證了工具兩端溫度均勻。采用并流工具兩端的壓降也很低。 切實(shí)可行的模具設(shè)計(jì) GPM或者局部冷卻劑壁流速度是優(yōu)化模具冷卻最重要的因素，這一點(diǎn)是已經(jīng)確認(rèn)了的。那么，是什么阻礙著對(duì)GPM的優(yōu)化？答案是壓降。流道中任何不必要的限制都能降低GPM。每一個(gè)軟管接頭、彎管、扭接軟管、軟管過長(zhǎng)等等，都能構(gòu)成壓力損失的因素，因此，降低了GPM。限制物和壓降太多會(huì)使GPM接近于0。一旦流量達(dá)到如此地步，再也不會(huì)有湍流產(chǎn)生，熱量傳輸會(huì)大幅度降低。要平衡輸出、輸入能量，

12、回流冷卻水溫度要上升。由于部件兩側(cè)的溫度變量過大，這個(gè)增量會(huì)引起部件尺寸不穩(wěn)定。 壓降越大，模具溫度調(diào)節(jié)器中要求的泵的功率也越大，這樣才能使流速保持一致。相反，如果現(xiàn)存系統(tǒng)中的限制物可以被消除，那么泵能提供的GPM就更多（這是自由熱傳輸）。這就好比一輛獲得了更大里程的氣動(dòng)汽車。 理解從模具溫度調(diào)節(jié)器上可獲得的GPM的一個(gè)最大誤解是供貨商只提供泵曲線。工具車間永遠(yuǎn)不會(huì)提供工具的系統(tǒng)曲線。比如，一臺(tái)額定容量為25psi的40GPM泵并不表示它能產(chǎn)生40GPM。該工具的壓降不知道，所有的軟管接點(diǎn)也不知道。這個(gè)很容易判斷，實(shí)際上，所有的工具車間都應(yīng)該在向模具制造商發(fā)貨時(shí)提供這個(gè)數(shù)據(jù)。泵是發(fā)動(dòng)機(jī)而工具是

13、車體。這兩者之間必須相互匹配以便判斷所得到的性能。大的重型車上配一個(gè)小的發(fā)動(dòng)機(jī)將無法工作。同樣地，過小的溫度調(diào)節(jié)器泵在多限制物的大工具中不會(huì)產(chǎn)生湍流。工具特性曲線必須與泵的曲線相匹配。 既然限制物影響GPM，如果某天工具和好的模具調(diào)節(jié)器連接，另一天與不同直徑的軟管連接，再一天與不同長(zhǎng)度的軟管連接，那么，GPM每天都要變化。湍流變化、熱傳輸變化、冷卻效率變化最終會(huì)慢慢地影響部件質(zhì)量。 而且，既然限制物應(yīng)該保持為最少以保證GPM為最大，那么，應(yīng)該把這些最小量的限制物只布置在腔體和型芯里，這是一條很好的規(guī)則。這些部位是湍流最大位置之所在，也是使用限制物最少的結(jié)果。在不需要熱傳輸?shù)牟课槐热缏?lián)軸器、減壓

14、器等形成湍流是沒有意義的而且這還會(huì)消耗泵的功率。 最佳的模具冷卻設(shè)計(jì)建議 流速 (GPM) 的判定 最小 GPM = 3.5 x 管子內(nèi)徑 (以便獲得好的雷諾數(shù) #)。 還要考慮消除所有熱負(fù)載需要的GPM。 必須能夠從Thermolator上得到較大的值： 10根平行排列的1/2”管子 到公用集合管的長(zhǎng)度相等 部件重量：3 磅； 循環(huán)時(shí)間：47 秒； 樹脂： ABS, ThermolatorT 目標(biāo)為 3F 要求的最小GPM是多少？ 每一條管線要求1.75GPM以便獲得好的雷諾數(shù)。 因此：10 根 x 1.75 = 17.5 GPM. 必須判定的還有熱負(fù)載： ABS = 150 BTU/lb. 3 lb. 的部件 每47秒 熱負(fù)載 = 3 x 150 x 3,600/47 = 34,468 BTU/hr。 回想 thermolater 熱負(fù)載 = M x Cp x (Tout - Tin)。 因此， 34,468 = M x 0.98 BTU/lb. - F x (3F)。 求出 M (每小時(shí)的質(zhì)量流量) 11,724. 轉(zhuǎn)換成 GPM (x 1/500) = 23.5 GPM. 采用這兩個(gè)GPM之和中