冷卻水路設(shè)計

1、冷卻水路設(shè)計1第一頁，共32頁。開始語 我們知道幾乎每一個注射成型模具中都有冷卻水路系統(tǒng)而模具設(shè)計同仁幾乎每天都涉及到冷卻水路設(shè)計。但冷卻的重要性何在呢? 又該如何設(shè)計冷卻水路呢? 2第二頁，共32頁。冷卻的重要性 冷卻速率和均勻度會影響產(chǎn)品最后的成型。這些影響包括兩個主要方面品質(zhì)和成本。n產(chǎn)品品質(zhì) 表面光潔度: 許多材料需要相對高的模具表面溫度在生產(chǎn)中以獲得良好的表面光潔度如果某些區(qū)域與另一些區(qū)域的模穴溫度不同那么在成品表面就會看到不同的表面光澤。 殘余應(yīng)力: 殘余應(yīng)力是在充填或保壓過程中剪切應(yīng)力的結(jié)果。除了流動導(dǎo)致應(yīng)力外由于產(chǎn)品表面溫度不同各個部分以不同的速率冷卻時也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘

2、余應(yīng)力可能是產(chǎn)品在使用過程中過早損壞或者產(chǎn)品翹曲和扭曲的原因。為了減小這些應(yīng)力就需要均勻的冷卻。 結(jié)晶度: 半結(jié)晶材料成型過程中呈現(xiàn)的結(jié)晶度受熔體冷卻的影響。產(chǎn)品冷卻過程中結(jié)晶度的不同會影響體積收縮要保待所需要的尺寸公差是困難的。不同區(qū)域體積收縮的顯著變化通常是產(chǎn)品翹曲的一個原因。 熱彎曲: 如果模具的上表面和下表面的溫度不同一旦產(chǎn)品從模具中頂出由于在上下表面之間不同的熱收縮速率產(chǎn)品會彎曲。3第三頁，共32頁。n生產(chǎn)成本頂出溫度: 產(chǎn)品從模具中頂出的溫度會受很多因素的影響。產(chǎn)品的強(qiáng)度必須足夠大以抵抗由于體積收縮的變化和殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的翹曲和頂出系統(tǒng)對產(chǎn)品施加的局部應(yīng)力。頂出力受產(chǎn)品的幾何形狀、

3、模具的表面光潔度和在充填與保壓過程中模穴的填充度的影響。 循環(huán)時間: 通常循環(huán)時間是產(chǎn)品的溫度降到能安全頂出的溫度所花的時間。如果充填和保壓過程都是最佳化的改善冷卻行為可以顯著地減小冷卻時間。因?yàn)槔鋮s時間通常包括80%的循環(huán)時間所以減小冷卻時間會顯著減小循環(huán)時間和生產(chǎn)成本。 根據(jù)產(chǎn)品的用途在均勻冷卻以保証產(chǎn)品的品質(zhì)和快速冷卻以減小產(chǎn)品的成本之間取一個折中。 注射時間保壓時間冷卻時間開模時間相關(guān)時間4第四頁，共32頁。影響冷卻系統(tǒng)行為的因素 n 影響冷卻系統(tǒng)的因素 從塑料到模穴壁的熱傳導(dǎo): 冷卻系統(tǒng)的行為受從塑料中移走的熱量和轉(zhuǎn)移到模穴表面的溫度的影響。它會受到材料性質(zhì)、熔體溫度和模具表面溫度的

4、差異以及冷卻中的塑料和模具材料之間接觸好壞的影響。 通過模穴壁的熱傳導(dǎo): 冷卻系統(tǒng)行為也受通過模具材料到達(dá)冷卻水管的熱傳導(dǎo)的影響。模具材料的性質(zhì)包括熱傳導(dǎo)率、冷卻水管和塑料表面的距離和塑料熔體與冷卻水管內(nèi)部溫度之差也影響冷卻系統(tǒng)行為。水管距離模穴越近熱量移走得越快然而把它們放置得離模穴過近會產(chǎn)生模穴表面溫度的局部變化除非增加額外的水管減小相鄰水管的距離。因此最優(yōu)化的水管放置是均勻冷卻與快速冷卻的折中。 從模穴到冷卻水管的熱傳導(dǎo): 冷卻系統(tǒng)行為也受從模具材料到冷卻介質(zhì)熱傳導(dǎo)的影響熱傳導(dǎo)受冷卻液流經(jīng)模具材料時的紊亂程度、冷卻液進(jìn)口溫度、冷卻液的性質(zhì)及冷卻液的流速的影響。冷卻液紊亂時混合作用的影響從

5、水管外壁到冷卻液的熱傳導(dǎo)比層流有效得多。過大的紊亂會浪費(fèi)泵功率而且沒有獲得更大的熱傳導(dǎo)能力。在考慮冷卻介質(zhì)時要確保成型廠有能力提供足夠多的冷卻液體積在足夠的壓力下達(dá)到所需的流速并在一個溫度和所需的速率下釋放熱。 5第五頁，共32頁。熱量在注射成型中的傳遞熱量由塑料帶入熱量從冷卻水管傳入或傳出熱輻射熱對流A熱量傳遞到模板6第六頁，共32頁。冷卻系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)常受到模穴的幾何形狀、分模線、滑塊和頂針的限制因此不能僵硬地給出理想分布的設(shè)計指南。 模具設(shè)計者的目標(biāo)應(yīng)該是設(shè)計一個冷卻系統(tǒng)它會: 均勻地冷卻產(chǎn)品 減少循環(huán)時間7第七頁，共32頁。冷卻系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)1 n 冷卻水路設(shè)置要使冷卻效

6、果均勻 靠近熱量較多處 遠(yuǎn)離熱量較少處 8第八頁，共32頁。冷卻系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)2 n 尺寸及排放位置 水管中心與模穴表面的距離 相鄰水管的距離 9第九頁，共32頁。冷卻系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)3 n 尺寸及排放位置 冷卻水管的長度CInOutInOutAInOutBInOut 增加一條冷卻水管的長度會增加熱傳導(dǎo)的面積。在這個原則上圖B會比圖A好然而長的水路可能產(chǎn)生一些問題例如壓力降增加沿長度方向溫度升高過多。為了避免這些問題和進(jìn)口溫度與出口溫度之差大于2C 很長的水路應(yīng)該分成兩條或更多短的水路如圖C所示。 10第十頁，共32頁。冷卻系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)4 n 尺寸及排放位置 特殊特征 擋板 噴泉 在一個冷卻管道內(nèi)任

7、何冷卻液的方向改變會增加紊亂度因此在轉(zhuǎn)彎后熱傳導(dǎo)的能力會增加。擋板和噴泉都會增大紊亂度是由于在流動系統(tǒng)中固有轉(zhuǎn)彎和它們的幾何形狀能夠在受限制區(qū)進(jìn)行冷卻因此加強(qiáng)了冷卻效果。 Bubbler(噴泉)Baffle(檔板)TM002P0711第十一頁，共32頁。冷卻系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)5 n 冷卻系統(tǒng)類型 串聯(lián)和并聯(lián) 串聯(lián)水路 優(yōu)點(diǎn) 流速均勻 排熱均勻 缺點(diǎn) 壓降高 並聯(lián)水路 優(yōu)點(diǎn) 適用于入子四周 底壓下可達(dá)高流速 缺點(diǎn) 各分支流速不一樣 各分支冷卻效果不佳 易產(chǎn)生污垢 12第十二頁，共32頁。熱量集聚TM002P03母模公模熱量 (冷卻凝固時這一部分縮水,引起翹曲)熱量集聚在這個部分熔融塑料凝固塑料增加水路

8、13第十三頁，共32頁。冷卻與翹曲變形 T=50T=50T=50T=40q Aq Bq Aq BBACK14第十四頁，共32頁。 對這種方框形產(chǎn)品,最大的品質(zhì)問題應(yīng)該是翹曲變形,而進(jìn)澆位置與冷卻水路設(shè)計對產(chǎn)品品質(zhì)有著較大的影響。個案設(shè)計15第十五頁，共32頁。下面以L089為例說明進(jìn)澆位置與冷卻水路設(shè)計對產(chǎn)品品質(zhì)的影響。塑膠材料: ABS/PC CYCOLOY C2950 GE USA 最大外型尺寸31425132平均肉厚為1.6mm16第十六頁，共32頁。 在2D同仁進(jìn)行模具設(shè)計的同時我們CAE工程課也進(jìn)行相應(yīng)的模流分析。首先我們使用快速充填分析尋找最佳進(jìn)澆位置。 兩點(diǎn)進(jìn)澆壓力太大而且塑膠流

9、動路徑過長(如上圖) 因此不採用。經(jīng)過內(nèi)部分析檢討我們決定採用四點(diǎn)進(jìn)澆(如右兩圖)。但哪一種四點(diǎn)進(jìn)澆位置使產(chǎn)品的翹曲變形較小呢? 還得使用MPI進(jìn)一步分析比較。17第十七頁，共32頁。 兩種方案均采用潛伏式澆口從扁銷上進(jìn)澆。我們采用相同的水路設(shè)計設(shè)定相同的冷卻條件進(jìn)行分析比較。Case1Case2潛伏式澆口原始冷卻水路設(shè)計18第十八頁，共32頁。流動分析結(jié)果比較:Fill Time(sec)Case 10.89Case 21.01Injection Pressure(MPa)Case 1120.9Case 2129.2Temperature(deg.C)Case 1266.2280.6Case

10、 2271.1279.719第十九頁，共32頁。翹曲分析結(jié)果比較:0.430.430.530.530.280.31Deflection X(mm)Case 10.86外張Case 21.06Deflection Z(mm)Case 10.28上翹Case 20.3120第二十頁，共32頁。結(jié)論: 相比較而言Case1的翹曲變形較小注射壓力也較小因此我們建議採取Case1的進(jìn)澆位置進(jìn)行模具設(shè)計。21第二十一頁，共32頁。 但從翹曲分析結(jié)果得知Case1的翹曲變形量仍較大其中X方向往外張可否將其再減小? 經(jīng)過大家的討論後，我們變更了冷卻水路設(shè)計再設(shè)定相同的冷卻條件進(jìn)行分析比較。設(shè)變的冷卻水路試圖使

11、用母模水路矯正產(chǎn)品的變形。 兩種冷卻水路設(shè)計如下圖所示:設(shè)變冷卻水路(Case3)原始冷卻水路(Case1)22第二十二頁，共32頁。冷卻分析結(jié)果比較:Coolant Temperature(deg.C)Case 16565.06Case 36565.42Temperature Difference(deg.C)Case 12.4-5.96Case 30.36-6.5723第二十三頁，共32頁。流動分析結(jié)果比較:Fill Time(sec)Case 10.89Case 30.89Injection Pressure(MPa)Case 1120.9Case 3120.9Temperature(d

12、eg.C)Case 1266.2280.6Case 3266.2280.624第二十四頁，共32頁。翹曲分析結(jié)果比較:0.430.430.320.320.280.24Deflection X(mm)Case 10.86外張Case 30.64Deflection Z(mm)Case 10.28上翹Case 30.24BACK25第二十五頁，共32頁。將翹曲變形放大十倍:X向Z向1426第二十六頁，共32頁。 很明顯地變更了冷卻水路設(shè)計之後在相同的冷卻條件下翹曲變形減小了。 然而X向仍然外張Z向仍然上翹可否將其再進(jìn)一步減小以取得最佳產(chǎn)品品質(zhì)? 我們考慮到設(shè)變的冷卻水路除了起到均勻冷卻作用外還要起

13、到矯正翹曲變形作用的。因此我們可以通過改變成型條件特別是改變冷卻水溫來達(dá)到目的。不過該改變哪一條水路的水溫才好呢? 2527第二十七頁，共32頁。冷卻水溫成型條件設(shè)變:保壓曲線T(sec)P(MPa)901.53.513.50Case428第二十八頁，共32頁。冷卻分析結(jié)果比較:Coolant Temperature(deg.C)Case 36565.4Case 45065.1Temperature Difference(deg.C)Case 30.36-6.8Case 40.77-12.429第二十九頁，共32頁。流動分析結(jié)果比較:Fill Time(sec)Case 30.89Case 40.89Injection Pressure(MPa)Case 3120.9Case 4120.8Temperature(deg.C)Case 3266.2280.6Case 4266.2280.630第三十頁，共32頁。翹曲分析結(jié)果比較:Deflectio