注射模具冷卻系統(tǒng)設(shè)置

Moldflow與

注射模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)衛(wèi)道科技集團(tuán)/深圳泰道電腦有限公司陳德錚12/25/20221課程內(nèi)容冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型冷卻理論分析冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例12/25/20222冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性12/25/20223冷卻的影響產(chǎn)品品質(zhì)表面光潔度殘余應(yīng)力結(jié)晶度熱彎曲生產(chǎn)成本 頂出溫度循環(huán)時(shí)間

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性12/25/20224冷卻影響產(chǎn)品品質(zhì)表面光潔度：許多材料需要相對(duì)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(huì)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(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力外，由于產(chǎn)品表面溫度不同，各個(gè)部分以不同的速率冷卻時(shí)也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(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(huì)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(gè)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(huì)彎曲。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性12/25/20225冷卻影響生產(chǎn)成本頂出溫度：產(chǎn)品從模具中頂出的溫度會(huì)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(duì)產(chǎn)品施加的局部應(yīng)力。頂出力受產(chǎn)品的幾何形狀、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。注射時(shí)間保壓時(shí)間冷卻時(shí)間開模時(shí)間循環(huán)時(shí)間:

通常，循環(huán)時(shí)間是產(chǎn)品的溫度降到能安全頂出的溫度所花的時(shí)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(shí)間。因?yàn)槔鋮s時(shí)間通常包括80%的循環(huán)時(shí)間，所以減小冷卻時(shí)間會(huì)顯著減小循環(huán)時(shí)間和生產(chǎn)成本。andPacking冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性12/25/20226冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型12/25/20227冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型12/25/20228冷卻水路的類型串聯(lián)水路

優(yōu)點(diǎn)

–流速均勻

–排熱均勻缺點(diǎn)

–壓降高并聯(lián)水路

優(yōu)點(diǎn)

–適用于入子四周

–低壓下可達(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)生污垢冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型12/25/20229冷卻水路的基本形式直線式圓管直線式方管冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型12/25/202210冷卻水水路的的基本本形式式圓形彎彎管方形彎彎管冷卻系系統(tǒng)的的構(gòu)成成及類類型12/19/202211冷卻水水路的的基本本形式式擋板(Baffle)噴泉(Bubbler)冷卻系系統(tǒng)的的構(gòu)成成及類類型12/19/202212冷卻水水路的的基本本形式式吸熱管管(ThermalPin)冷卻系系統(tǒng)的的構(gòu)成成及類類型12/19/202213冷卻理理論分分析12/19/202214熱量在在注射射成型型中的的傳遞遞熱量由由熔融融塑料料帶入入熱量從從冷卻卻水路路傳入入或傳傳出輻射散散熱對(duì)流散散熱熱量散散失到到模板板上冷卻理理論分分析12/19/202215從塑料料到模模穴壁壁的熱熱傳導(dǎo)導(dǎo)影響冷冷卻系系統(tǒng)性性能的的參數(shù)數(shù)模具材材料熱熱特性性比熱導(dǎo)熱性性料溫和和模溫溫之間間的溫溫度梯梯度塑料和和模穴穴壁之之間接接觸的的質(zhì)量量確信良良好的的接觸觸冷卻理理論分分析12/19/202216從模穴穴壁到到水管管壁的的熱傳傳導(dǎo)影響冷冷卻系系統(tǒng)性性能的的參數(shù)數(shù)模具材材料熱熱特性性比熱導(dǎo)熱性性冷卻水水管和和塑料料表面面的距距離均勻冷冷卻與與快速速冷卻卻的折折中料溫和和水溫溫之間間的溫溫度梯梯度冷卻理理論分分析12/19/202217從水管壁到到冷卻介質(zhì)質(zhì)的熱傳導(dǎo)導(dǎo)影響冷卻系系統(tǒng)性能的的參數(shù)冷卻液紊亂亂程度確信達(dá)到紊紊流狀態(tài)，，但亦不宜宜過大冷卻液進(jìn)口口溫度冷卻液的性性質(zhì)冷卻液的流流速冷卻理論分分析12/19/202218典型模具材材料的熱特特性冷卻理論分分析12/19/202219冷卻液流動(dòng)動(dòng)與雷諾數(shù)數(shù)雷諾數(shù)定義義：雷諾數(shù)(Re)流動(dòng)類型10,000<Re紊流2,300<Re<10,000瞬變流100<Re<2,300層流Re<100

停滯流這里，為冷卻液密度，U為冷卻液平均流速，d為冷卻水管直徑，為冷卻液動(dòng)態(tài)粘度。冷卻理論分分析12/19/202220冷卻液流動(dòng)動(dòng)率與熱交交換層流的溫度梯度雷諾數(shù)<2300紊流的溫度梯度雷諾數(shù)>230063°C43°C23°C20°C塑料塑料／金屬界面冷卻液／金屬界面冷卻液溫度梯度冷卻理論分分析12/19/202221冷卻液流動(dòng)動(dòng)率與熱量量流動(dòng)率冷卻理論分分析12/19/202222散熱能力紊流實(shí)際散熱流動(dòng)率熱交換熱容傳導(dǎo)對(duì)流交換層流冷卻理論分分析12/19/202223冷卻時(shí)間的的方程式冷卻時(shí)間：：理論上，冷冷卻時(shí)間與與最大產(chǎn)品品厚度的平平方或最大大流道直徑徑的冪的1.6次成成正比，也也就是———這里熔融塑塑料的熱擴(kuò)擴(kuò)散系數(shù)(thermaldiffusivity)定義為：：或冷卻理論分分析12/19/202224冷卻時(shí)間與與模溫增加模溫，，冷卻時(shí)間間延長(zhǎng)厚2mm、、長(zhǎng)200mm的產(chǎn)產(chǎn)品，以推推薦的料溫溫及1秒時(shí)時(shí)間注射冷卻理論分分析12/19/202225冷卻與翹曲曲當(dāng)塑料接觸觸到模具時(shí)時(shí)，一邊是是冷的，另另一邊是熱熱的，不同同的冷卻便便發(fā)生了。。熱的一邊邊要比較長(zhǎng)長(zhǎng)的時(shí)間冷冷卻和收縮縮（收縮大大），而導(dǎo)導(dǎo)致熱的一一邊象弓一一樣彎曲。熱的一邊冷的一邊張應(yīng)力凝固和收縮冷的一邊熱的一邊冷卻理論分分析12/19/202226熱量聚積熱量聚積在在角落處，，使得角落落收縮變形形而小于90度，造造成典型的的盒狀弓形形翹曲。熱集中在公公模的角落落熱的角落(相對(duì)于凝凝固部分的的收縮，引引起翹曲)Cavity冷Core熱冷卻理論分分析12/19/202227差動(dòng)結(jié)晶不平均的壁壁厚將導(dǎo)致致不同的冷冷卻速率。。需更長(zhǎng)時(shí)時(shí)間冷卻的的區(qū)域?qū)⒂杏懈叩慕Y(jié)結(jié)晶度，這這叫做差動(dòng)動(dòng)結(jié)晶(DifferentialCrystallinity)?？焖倮鋮s，低結(jié)晶度，低收縮率慢速冷卻，高結(jié)晶度，高收縮率冷卻理論分分析12/19/202228冷卻水路設(shè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)12/19/202229冷卻系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)目標(biāo)冷卻系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)經(jīng)常常受到模穴穴的幾何形形狀、分模模線、滑塊塊和頂針的的限制，因因此不能僵僵硬地給出出理想分布布的設(shè)計(jì)指指南。模具設(shè)計(jì)者者的目標(biāo)應(yīng)應(yīng)該是綜合合考慮各方方面因素，，設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)良好的冷冷卻系統(tǒng)，，它會(huì)：均勻地冷卻卻產(chǎn)品減少循環(huán)周周期時(shí)間冷卻水路設(shè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)12/19/202230冷卻水路設(shè)設(shè)置要使冷冷卻效果均均勻靠近熱量較較多處遠(yuǎn)離熱量較較少處冷卻水路設(shè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)12/19/202231水路路尺尺寸寸及及排排放放位位置置冷卻水水管的的直徑徑優(yōu)先先采用用大于于8mm，，各個(gè)個(gè)水管管的直直徑應(yīng)應(yīng)盡量量一致致，避避免冷冷卻液液的流流速不不均產(chǎn)產(chǎn)生壓壓力損損失。。無論多多大的的模具具，水水管的的直徑徑都不不能大大于14mm，，否則則冷卻卻水流流難以以形成成紊流流狀況況。冷卻水水路設(shè)設(shè)計(jì)要要點(diǎn)12/19/202232冷卻卻水水路路的的長(zhǎng)長(zhǎng)度度對(duì)于于中中大大型型模模具具，，進(jìn)進(jìn)出出水水口口的的溫溫差差很很大大會(huì)會(huì)影影響響冷冷卻卻效效果果。。從從冷冷卻卻均均勻勻性性考考慮慮，，進(jìn)進(jìn)出出口口溫溫差差一一般般控控制制在在5℃℃以以下下；；對(duì)對(duì)于于精精密密成成型型模模具具，，則則要要控控制制在在2-3℃℃以以下下，，每每條條水水路路長(zhǎng)長(zhǎng)度度在在1.2-1.5m以以下下。。增加加一一條條冷冷卻卻水水管管的的長(zhǎng)長(zhǎng)度度會(huì)會(huì)增增加加熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo)的的面面積積。。在在這這個(gè)個(gè)原原則則上上圖圖B會(huì)會(huì)比比圖圖A好好，，然然而而長(zhǎng)長(zhǎng)的的水水路路可可能能會(huì)會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生生一一些些問問題題，，例例如如壓壓力力降降增增加加，，沿沿長(zhǎng)長(zhǎng)度度方方向向溫溫度度升升高高過過多多。。為為了了避避免免這這些些問問題題，，很很長(zhǎng)長(zhǎng)的的水水路路應(yīng)應(yīng)該該分分成成兩兩條條或或更更多多短短的的水水路路，，如如圖圖C所所示示。。CInOutInOutAInOutBInOut冷卻卻水水路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)要要點(diǎn)點(diǎn)12/19/202233采用用Baffle或或Bubbler在一一個(gè)個(gè)冷冷卻卻管管道道內(nèi)內(nèi)任任何何冷冷卻卻液液的的方方向向改改變變會(huì)會(huì)增增加加紊紊亂亂度度，，因因此此在在轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎彎后后熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo)的的能能力力會(huì)會(huì)增增加加。。擋擋板板和和噴噴泉泉都都會(huì)會(huì)增增大大紊紊亂亂度度，，是是由由于于在在流流動(dòng)動(dòng)系系統(tǒng)統(tǒng)中中固固有有轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎彎和和它它們們的的幾幾何何形形狀狀能能夠夠在在受受限限制制區(qū)區(qū)進(jìn)進(jìn)行行冷冷卻卻，，因因此此加加強(qiáng)強(qiáng)了了冷冷卻卻效效果果。。冷卻卻水水路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)要要點(diǎn)點(diǎn)12/19/202234采用串聯(lián)聯(lián)Baffle在多型芯芯中采用用串聯(lián)擋擋板水路路時(shí)，散散熱不佳佳：INOUTPoor!PinBlade冷卻水路路設(shè)計(jì)要要點(diǎn)12/19/202235采用串聯(lián)聯(lián)Bubbler應(yīng)采用串串聯(lián)噴泉泉水路，，以助于于散熱：：INCorrect!OUTPinTube冷卻水路路設(shè)計(jì)要要點(diǎn)12/19/202236結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)案案例12/19/202237一個(gè)方框框形產(chǎn)品品對(duì)這種方方框形產(chǎn)產(chǎn)品，最最大的品品質(zhì)問題題應(yīng)該是是翹曲變變形，而而進(jìn)澆位位置與冷冷卻水路路設(shè)計(jì)對(duì)對(duì)產(chǎn)品品品質(zhì)有著著較大的的影響。。結(jié)合Moldflow分析的設(shè)設(shè)計(jì)案例例12/19/202238產(chǎn)品的尺寸與與所選用的塑塑料塑膠材料：ABS/PCCYCOLOYC2950GEUSA最大外型尺寸寸31425132平均肉厚為1.6mm結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案案例12/19/202239MPA分析尋尋找合適進(jìn)澆澆點(diǎn)先以MoldflowPartAdviser快速充充填分析尋找找合適的進(jìn)澆澆點(diǎn)。當(dāng)用兩兩點(diǎn)進(jìn)澆時(shí)，，充填壓力太太大，且塑膠膠流動(dòng)路徑太太長(zhǎng)，故不采采用。結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案案例12/19/202240MPI分析尋尋找合適進(jìn)澆澆形式?jīng)Q定采用四點(diǎn)點(diǎn)進(jìn)澆，有以以下兩種方案案，以MoldflowPlasticsInsight分析尋尋找合適的進(jìn)進(jìn)澆位置及流流道排布。Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案案例12/19/202241MPI快速充充填分析結(jié)果果MPI快速充充填分析表明明兩種方案均均能達(dá)到流動(dòng)動(dòng)平衡，Case2充填填壓力較大，，但還不知何何種方案的翹翹曲變形量更更小，故需用用MPI進(jìn)一一步分析比較較。Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案案例12/19/202242方案比較兩種方案均采采用潛伏式澆澆口，從扁銷銷上進(jìn)澆。采采用相同的水水路設(shè)計(jì)，設(shè)設(shè)定相同的冷冷卻條件進(jìn)行行分析比較。。潛伏式澆口原始冷卻水路路設(shè)計(jì)結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案案例12/19/202243Case1&Case2充填狀況比比較FillTime(sec)0.891.01Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/202244Case1&Case2充填填壓力力比較較InjectionPressure(MPa)120.9129.2Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/202245Case1&Case2波前前溫度度比較較FlowFrontTemperature(deg.C)266.2~280.6271.1~279.7Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/202246Case1&Case2X向變變形比比較DeflectionX(mm)0.430.430.860.530.531.06Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/2022470.280.31Case1&Case2Z向變變形比比較DeflectionZ(mm)0.280.31Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/202248初步結(jié)結(jié)論相比較較而言言，Case1的翹翹曲變變形較較小，，注射射壓力力也較較小，，因此此我們們采取取Case1的的進(jìn)澆澆位置置及流流道排排布進(jìn)進(jìn)行模模具設(shè)設(shè)計(jì)。。結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/202249水路設(shè)設(shè)變但從翹翹曲分分析結(jié)結(jié)果得得知，，Case1的的翹曲曲變形形量仍仍較大大，其其中X方向向往外外張，，可否否將其其再減減小?我我們變變更了了冷卻卻水路路設(shè)計(jì)計(jì)，再再設(shè)定定相同同的冷冷卻條條件進(jìn)進(jìn)行分分析比比較。。設(shè)變變的冷冷卻水水路試試圖使使用母母模水水路矯矯正產(chǎn)產(chǎn)品的的變形形。設(shè)變冷冷卻水水路(Case3)原始冷冷卻水水路(Case1)結(jié)合Moldflow分析的的設(shè)計(jì)計(jì)案例例12/19/202250Case1&Case3冷卻卻水溫溫比較較CoolantTemperature(deg.C)65~65.165~65.4Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202251Case1&Case3公母母模溫差比比較TemperatureDifference(deg.C)2.4~-5.960.36~-6.57Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202252Case1&Case3充填填狀況比較較FillTime(sec)0.890.89Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202253Case1&Case3充填填壓力比較較InjectionPressure(MPa)120.9120.9Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202254Case1&Case3波前前溫度比較較FlowFrontTemperature(deg.C)266.2~280.6266.2~280.6Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/2022550.430.430.320.32Case1&Case3X向變形比比較DeflectionX(mm)0.860.64Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/2022560.280.24Case1&Case3Z向變形比比較DeflectionZ(mm)0.28Case10.24Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202257翹曲變形狀狀況將翹曲變形形量放大10倍X向(外張張)Z向(上翹翹)結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202258矯正翹曲變變形設(shè)變的冷卻卻水路除了了起到均勻勻冷卻作用用外，還要要起到矯正正翹曲變形形的作用。。通過改變變成型條件件，特別是是改變冷卻卻水溫來進(jìn)進(jìn)一步減小小翹曲變形形。不過，，該改變哪哪一條水路路的水溫才才好呢？結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202259設(shè)變成型條條件Case4冷卻水溫保壓曲線T(sec)P(MPa)901.53.513.50結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202260Case3&Case4冷卻卻水溫比較較CoolantTemperature(deg.C)65~65.450~65.1Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202261Case3&Case4公母母模溫差比比較TemperatureDifference(deg.C)0.36~-6.80.77~-12.4Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202262Case3&Case4充填填狀況比較較FillTime(sec)0.890.89Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)計(jì)案例12/19/202263Case3&Case4充填填壓力比較較InjectionPressure(MPa)120.9120.8Case3Case4結(jié)合Moldf