注塑模溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第一頁，共67頁。3.9.1概念什么是模具的冷卻系統(tǒng)?定義：為使模具的成型零部件達到某一溫度以及使型腔中的高溫塑料快速而均勻地冷卻而在模具中設(shè)置的一些加熱或冷卻介質(zhì)的通道及其附屬機構(gòu)。第二頁，共67頁。3.9.1概述目的縮短成型周期，提高生產(chǎn)效率。使制品均勻冷卻，防止制品翹曲變形，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。冷卻開合模填充保壓第三頁，共67頁。概述以水為介質(zhì)的模溫調(diào)節(jié)機，其溫度可調(diào)節(jié)到90℃以內(nèi)。以油作介質(zhì)的模溫調(diào)節(jié)機可達到更高的模溫，也可在模具上插入加熱棒或用加熱套來獲得高于100℃的模溫。如果模溫低于室溫，可用冷凍水進行冷卻，即用有致冷功能的模溫調(diào)節(jié)機，但應(yīng)注意模具型腔表面的溫度不可調(diào)節(jié)到該大氣環(huán)境的露點溫度以下，否則型腔內(nèi)壁會有冷凝水凝結(jié)，會直接影響制品的質(zhì)量。第四頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第五頁，共67頁。模溫設(shè)定原則模溫高低視塑料品種不同而定，它對制品結(jié)晶度、力學(xué)性能、表面質(zhì)量、制品的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形有很大影響。特別是結(jié)晶型塑料。流動性差的塑料如聚碳酸酯（PC）、聚苯醚（PPO）、聚甲醛（POM）等要求高模溫。較低的模溫會影響其流動性，增大內(nèi)應(yīng)力，甚至?xí)霈F(xiàn)冷流痕、銀絲、注不滿等缺陷。流動距離長（相對壁厚）及薄壁制品要求模溫較高。第六頁，共67頁。結(jié)晶型塑料的模溫設(shè)定模溫是結(jié)晶聚合物最重要的工藝參數(shù)，它決定了結(jié)晶條件。對于玻璃化溫度低于室溫的高聚物來說，若在成型時未達到足夠的結(jié)晶度則在使用或儲存過程中將發(fā)生后結(jié)晶現(xiàn)象，制品的形狀和尺寸都將發(fā)生改變，因此應(yīng)盡可能地使其結(jié)晶達到平衡狀態(tài)。如PE、PP、POM都屬于此類高聚物。對于玻璃化溫度遠高于室溫的聚合物來說模溫決定了制品的結(jié)晶度，從而影響制品的性能。高模溫由于結(jié)晶度大可得到剛性、硬度和耐磨性都很高的制品。而低模溫可獲得韌性較好的制品。第七頁，共67頁。設(shè)計模溫例子例如尼龍的玻璃化溫度較高，約為45℃，在室溫下應(yīng)該較為穩(wěn)定，不易產(chǎn)生后結(jié)晶現(xiàn)象，可是尼龍制品仍發(fā)現(xiàn)有結(jié)晶度的微小變化，這是由于尼龍易從大氣中吸收水分而誘發(fā)進一步結(jié)晶。尼龍6和尼龍66常采用70～120℃的模溫，這時其結(jié)晶速度很快而又不致產(chǎn)生粗大晶粒，可獲得較高的結(jié)晶度。聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)可采用140～190℃的高模溫來制取結(jié)晶度高不透明的高強度制品，如果采用接近室溫的低模溫則可制取結(jié)晶度低的透明制品。例如PET注拉吹瓶的管坯就要求它有極高的透明度，而采用30℃左右的低模溫。第八頁，共67頁。模溫與內(nèi)應(yīng)力和變形模具型腔內(nèi)壁溫度的差異將直接導(dǎo)致脫模時塑件各處溫度的不均。由于脫模后塑件將繼續(xù)冷卻，最終降至室溫，顯然高溫部位的收縮較低溫部分為大，由于收縮的不均勻性會引起制品的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形，因此脫模時要力求塑件各部位的溫度一致，但這并不等同于給型腔內(nèi)各處相同的冷卻，比如澆口附近和厚壁部位應(yīng)加強冷卻。型芯內(nèi)的熱量不易散發(fā)，故應(yīng)加強對型芯的冷卻。一般型芯的空間較小，還布置有頂出桿、拉料桿等，因此常被忽略。模溫過高而導(dǎo)致脫模時定型不好也是脫模后制品發(fā)生形變的原因。第九頁，共67頁。模溫與制品外觀模溫過低：某些塑料制品表面不光，如聚甲醛塑料成型時模溫在80℃以下會產(chǎn)生橘皮紋；制品輪廓不清晰，并出現(xiàn)明顯的熔接痕。目標(biāo)收縮率小變形小、尺寸穩(wěn)定沖擊強度高耐應(yīng)力開裂性好表面光潔操作低模溫模溫均勻，注射速度大，對結(jié)晶性塑料，則要模溫高，防止后結(jié)晶對PO類塑料，要求低模溫對結(jié)晶性，要求結(jié)晶度低，故用低模溫高模溫模溫過高：制品粘模具，透明制品的透明度降低。第十頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第十一頁，共67頁。冷卻效率冷卻效率對生產(chǎn)效率的影響冷卻開合模填充保壓冷卻效率基本上決定了生產(chǎn)效率。第十二頁，共67頁。冷卻效率冷卻介質(zhì)對冷卻效率的影響冷卻效率基本上由冷卻介質(zhì)的溫度和類型決定。第十三頁，共67頁。冷卻效率提高冷卻效率的措施有哪些？提高模板對冷卻介質(zhì)的傳熱系數(shù)降低冷卻介質(zhì)溫度增加傳熱推動力增大冷卻傳熱面積第十四頁，共67頁。提高冷卻效率的措施提高模板對冷卻介質(zhì)的傳熱系數(shù)

關(guān)鍵：提高冷卻介質(zhì)在模具冷卻通道內(nèi)的流速，或采取其它方式增加擾動使流體從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變成湍流狀態(tài)。湍流下的傳熱系數(shù)比層流提高10～20倍，這是因為湍流時管壁和芯部的流體發(fā)生無規(guī)則的快速對流，使傳熱效果明顯加強，可以用表示流動狀態(tài)的雷諾準(zhǔn)數(shù)Re來校驗冷卻介質(zhì)在流動通道中的流動狀態(tài)。當(dāng)Re=4000時流體的流動可視為湍流，要達到穩(wěn)定的湍流要求Re=6000～10000.第十五頁，共67頁。提高冷卻效率的措施降低冷卻介質(zhì)溫度增加傳熱推動力對于聚苯乙烯一類的非結(jié)晶型塑料，在塑料熔體能順利充滿型腔的前提下，可適當(dāng)降低冷卻介質(zhì)的溫度，以縮短冷卻時間，對于尺寸和性能要求不高的結(jié)晶型塑料制品如聚烯烴類薄壁杯等民用塑件，都可采用較低的模溫，而不必考慮后結(jié)晶等問題。一般注塑模所用冷卻介質(zhì)是常溫水，低溫水可提高注塑成型冷卻效率，但需要能致冷的模溫調(diào)節(jié)機，同時溫度不宜低到露點溫度以下，以免型腔表面產(chǎn)生凝結(jié)水。第十六頁，共67頁。提高冷卻效率的措施增大冷卻傳熱面積

模具型腔一邊的傳熱面積是不可更改的，僅可增加冷卻介質(zhì)道一邊的傳熱面積。在模具上開設(shè)尺寸盡可能大和數(shù)量盡可能多的冷卻介質(zhì)通道，但由于模具上眾多的推桿和型芯布置以及型腔型芯的組合拼接，使介質(zhì)通道開設(shè)位置受到限制。因此在考慮模具總體結(jié)構(gòu)時就應(yīng)先考慮冷卻介質(zhì)通道的布置方案，而不能等到設(shè)計的最后才考慮冷卻介質(zhì)通道開設(shè)的問題。第十七頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第十八頁，共67頁。設(shè)計原則均勻布置冷卻介質(zhì)通道問題：如果冷卻不均勻，制品應(yīng)向高溫一側(cè)彎曲還是向低溫一側(cè)彎曲？為什么？第十九頁，共67頁。設(shè)計原則冷卻通道間距盡量小，直徑盡量大。理想情況下管壁間距不得超過5d。水管壁離型腔表面不得太近亦不能太遠，一般不超過管徑的3倍，以12～15mm為宜。第二十頁，共67頁。設(shè)計原則哪一些設(shè)計合理？合理合理水孔與相鄰型腔表面距離盡量要相等。不合理第二十一頁，共67頁。設(shè)計原則采用并流形式，加強澆口處的冷卻；冷卻介質(zhì)的流向大致與熔體的充模方向一致。中心澆口雙型腔側(cè)澆口第二十二頁，共67頁。設(shè)計原則中心澆口長型芯第二十三頁，共67頁。設(shè)計原則哪一種設(shè)計的溫差更大？降低入水與出水溫度差，一般普通模具出入水溫差應(yīng)在5℃范圍之內(nèi)，精密模具在2℃左右。大小第二十四頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第二十五頁，共67頁。設(shè)計計算制品所需冷卻時間的計算注入模具內(nèi)的塑料熔體所帶入的熱量通過模具模板進入冷卻介質(zhì)，少量散發(fā)到大氣中，它們之間的熱交換速度是決定制品冷卻時間的決定因素。雖然塑料在充模階段就開始冷卻，但是塑件帶入的熱量主要是在保壓階段和保壓之后的冷卻時間內(nèi)除去的，當(dāng)制品冷卻到熱變形溫度以下，即可開模取出制品。第二十六頁，共67頁。設(shè)計計算由于大多數(shù)的塑件為薄壁制品，有二維特性，而熱量只沿一維方向即塑件的厚度方向傳遞，因此當(dāng)塑件的長度與壁厚之比L／S>10的場合，該塑件的冷卻可以按一維傳熱模型計算，如圖所示。假定在充模完成的瞬間型腔內(nèi)各點塑料熔體的溫度為注塑料溫，而制品內(nèi)外表面的溫度立即降到了模壁溫度，并維持恒定不變，熱量不斷地從內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f，在一維導(dǎo)熱情況下傅立葉微分方程可簡化為：第二十七頁，共67頁。設(shè)計計算式中:第二十八頁，共67頁。設(shè)計計算制件的冷卻時間加上開模取制件等輔助時間就是該塑件的成型周期，冷卻時間通常占成型周期的75％左右，由此可估算出單位時間成型制件數(shù)和單位時間放出的總熱量。每秒鐘注塑次數(shù)大約為:N=0．75/t。若每次注塑塑料制件加上澆道的質(zhì)量為m，則單位時間注入塑料量為

M’=N·m式中m——每次注塑塑料質(zhì)量，kg／次、第二十九頁，共67頁。設(shè)計計算冷卻介質(zhì)一邊所需傳熱面積的設(shè)計計算冷卻介質(zhì)用量的計算注塑成型時高溫塑料熔體帶入模具的熱量可計算如下，塑料制品每秒鐘釋放的熱量為：Q1=N·m·q式中：q–單位質(zhì)量塑料熔體所放出的熱量第三十頁，共67頁。設(shè)計計算在一般情況下塑料熔體帶入熱量的90％～95％都是通過模具冷卻通道由冷卻介質(zhì)(一般為冷卻水)帶走的，因此在設(shè)計冷卻水通道時可粗略地按照熔體帶入的熱量全部由冷卻水帶走進行計算，即Q2≈Q1，這在工程計算中是合理的，所設(shè)計的冷卻系統(tǒng)比較安全。第三十一頁，共67頁。設(shè)計計算由于模具設(shè)計時動模和定模的冷卻水道是分別設(shè)置并分別設(shè)計的，對于殼形制件來說模具的一邊為型腔，另一邊為型芯，因此應(yīng)將Q2分解為凹模帶走的熱量Qo和凸模(型芯)帶走熱量Qi，對于平板狀制品常以制品壁厚的中性面來計算動模邊和定模邊所需帶走的熱量，對于圓筒形制品根據(jù)實驗可以按凹模帶走總熱量40％，而型芯帶走其余60％進行設(shè)計，即：Qo=0.4Q2Q1=0.6Q2。第三十二頁，共67頁。設(shè)計計算其它形狀的制品可根據(jù)制品形狀再結(jié)合經(jīng)驗來分配Q。和Qi，使盡量符合實際情況。根據(jù)熱平衡，模具凹模和凸模兩邊每秒鐘冷卻介質(zhì)的體積流量可按下式計算：第三十三頁，共67頁。設(shè)計計算模板的熱傳導(dǎo)阻力與型腔內(nèi)壁溫度θ3m的確定注塑成型是一個間歇過程，型腔內(nèi)模壁各點溫度隨時間而變化，是一個不穩(wěn)定的熱過程。為了簡化運算，將溫度一律取平均值，將它作為一個穩(wěn)定傳熱過程進行計算，從制品經(jīng)模板到冷卻介質(zhì)，其溫度變化如圖所示。第三十四頁，共67頁。設(shè)計計算絕大多數(shù)塑料模具所采用的冷卻介質(zhì)都是冷卻水，下面的計算都是針對冷卻介質(zhì)是水的情況。塑料熔體帶入型腔的熱量大部分通過模板由型腔壁傳向冷卻水管壁再由冷卻水帶走。在兩平行平面間的傳熱可用傅立葉方程式予以描述，這里用它來近似計算由型腔壁向冷卻水管壁的傳熱。第三十五頁，共67頁。設(shè)計計算因為型腔壁面積與冷卻水通道的面積不相等，故用對數(shù)平均傳熱面積：第三十六頁，共67頁。設(shè)計計算型腔壁面平均溫度Q3m對制品質(zhì)量有很大影響，它影響制品內(nèi)應(yīng)力大小，結(jié)晶聚合物結(jié)晶度高低，生產(chǎn)效率高低等，因此設(shè)定正確的Q3m是模具設(shè)計者和工藝控制者追求的目標(biāo)。從順利推出(脫模)的角度出發(fā)，模壁溫度應(yīng)低于該塑料的熱變形溫度10～

20oC，如無妨礙可取得更低一些，但應(yīng)遠高于冷卻水溫度，才能維持正常的熱流。第三十七頁，共67頁。設(shè)計計算上述各影響因素中有許多又是互相矛盾的，例如要提高生產(chǎn)效率就要設(shè)定較低的壁溫，但過低的壁溫會使產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)力加大，使結(jié)晶不完全，造成制品在使用和儲存的過程中產(chǎn)生后結(jié)晶，產(chǎn)品尺寸和性能因此發(fā)生變化，甚至由于低模溫造成充模不滿，制品報廢。因此只能在眾多因素中綜合考慮，給出一合理值。第三十八頁，共67頁。設(shè)計計算冷卻水孔壁與冷卻水界面的傳熱膜系數(shù)計算當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)Re≥10000時，冷卻水處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，這時水與管壁間的傳熱膜系數(shù)可按下式進行計算，該式由包含有傳熱膜系數(shù)的努塞爾特準(zhǔn)數(shù)(Nu)，反應(yīng)流體流動狀態(tài)的雷諾準(zhǔn)數(shù)(Re)和反應(yīng)流體物理特性的普蘭特準(zhǔn)數(shù)(Pr)組成。第三十九頁，共67頁。設(shè)計計算第四十頁，共67頁。設(shè)計計算冷卻介質(zhì)邊傳熱面和A4的確定當(dāng)已知傳熱膜系數(shù)、傳熱量和管壁與冷卻水間溫差后即可求出冷卻水通道一邊的傳熱面積。剛計算時由于A4未知，需采用試差法，先假定一A4，算出Acp，再計算出θ4m，再進行驗算。將算出的A4與前面假定的A4進行比較，若不相等則應(yīng)重新假定A4，并再決定Acp，經(jīng)過反復(fù)計算，直到A4算出值與假定值基本吻合為止。第四十一頁，共67頁。設(shè)計計算冷卻水管總長度計算及流動狀態(tài)、流動阻力的校核冷卻水孔總長度計算，按A4=·d·L可得：

式中d——水孔直徑由于冷卻水在冷卻通道內(nèi)應(yīng)呈湍流，因此在設(shè)計中應(yīng)對凹模和型芯的冷卻水流動狀態(tài)進行校核計算，使雷諾準(zhǔn)數(shù)Re≥10000。設(shè)計時在已知冷卻水體積流量后通過正確選擇和變換冷卻水管的直徑，或改變冷卻水管間聯(lián)接方式(串聯(lián)、并聯(lián)等)即可改變管內(nèi)的流動阻力和流速，使雷諾準(zhǔn)數(shù)在穩(wěn)定的湍流范圍內(nèi)。雷諾準(zhǔn)數(shù)Re可按前面的公式進行計算。第四十二頁，共67頁。設(shè)計計算當(dāng)每組冷卻水從入口到出口串聯(lián)長度過長時，在有限的壓強下是不能達到湍流速度的，因此設(shè)計時還必須對模具內(nèi)每組冷卻回路的流動阻力進行校核，保證穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，為達到要求流速u，冷卻水所必需的壓力為：第四十三頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第四十四頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計型芯高度較小，開設(shè)單層冷卻回路第四十五頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計型芯高度稍高，可開設(shè)一定深度溝槽作為冷卻回路。第四十六頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計中等高度型芯，可用斜交叉管道冷卻回路，但不易獲得均勻的冷卻效果。寬度較大的型芯，可鉆多個孔，并在里面插入隔板。第四十七頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計高而細的型芯采用的噴流式冷卻，在型芯中安置一噴水管，冷卻介質(zhì)從型芯下部進入流向型芯頂部，當(dāng)制件的澆口開設(shè)在頂部中心時此處為溫度最高區(qū)域，然后分流從四周流回、形成平行流動冷卻。第四十八頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計高而粗的型芯可在型芯內(nèi)開大圓孔，嵌入開有溝槽的襯套，冷卻介質(zhì)首先從襯套中間水道噴出冷卻溫度較高的型芯頂部，然后沿側(cè)壁的環(huán)形溝槽流動，冷卻型芯四周。溝槽既可開成圓環(huán)形然后兩者間隔開通，也可形成螺旋形，這種方式對型芯四周冷卻比較均勻。第四十九頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計將大型芯內(nèi)部挖空進行冷卻的，為了避免冷卻水短路安裝一隔板使冷卻水沿一定方向流動。當(dāng)型芯中有菌形閥或推桿時，冷卻水道可避開中心閥桿(或推桿)。第五十頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)型芯過于細長無法開設(shè)進出水通道時，則應(yīng)采用導(dǎo)熱性極佳的銅合金。第五十一頁，共67頁。型芯冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計在鋼型芯內(nèi)嵌入紫銅或鈹銅棒，而將銅棒另一端伸入到冷卻水孔中冷卻。第五十二頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)容型芯冷卻回路設(shè)計凹模冷卻回路設(shè)計負壓冷卻熱管冷卻第五十三頁，共67頁。凹模冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計深度較淺的凹?？稍谀０鍍?nèi)鉆單層的冷卻水孔，孔與孔間用軟管連接或在模板內(nèi)采用內(nèi)部鉆孔的辦法互相溝通，使構(gòu)成回路。第五十四頁，共67頁。凹模冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計能使模板左右均勻冷卻，可用于冷卻一模兩件扁平制品的凹模。第五十五頁，共67頁。冷卻回路結(jié)構(gòu)設(shè)計一模多腔冷卻水路布置。對于深型腔可采用多層水道。第五十六頁，共67頁。凹模冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計對嵌入式型腔可在型腔嵌件周圍開環(huán)形槽。第五十七頁，共67頁。凹模冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計也可將環(huán)形槽互相連通構(gòu)成回路。對嵌入式型腔可在型腔嵌件周圍開螺旋形槽。第五十八頁，共67頁。概述模溫設(shè)計原則冷卻效率問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則冷卻系統(tǒng)設(shè)計計算內(nèi)