塑料模冷卻系統(tǒng)設(shè)計及注塑模設(shè)計程序

塑料模冷卻系統(tǒng)設(shè)計及注塑模設(shè)計程序1第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

影響冷卻時間因素還包括冷卻管道與型腔的距離、塑料種類和塑件厚度、開模溫度、模具熱傳導(dǎo)率、冷卻介質(zhì)初始溫度及流動狀態(tài)等。根據(jù)實驗，塑料帶給模具的熱量約5%由輻射、對流傳到大氣中，其余95%由冷卻介質(zhì)帶走，其中主要影響因素是冷卻介質(zhì)的流量，其次是冷卻水管距型腔的距離?？s短冷卻時間，可通過增大冷卻介質(zhì)流速、增大傳熱面積和調(diào)節(jié)塑料與模具的溫差來實現(xiàn)。此外，冷卻管道距型腔表面越近，則冷卻效果越好。

特別要注意的是成型開始前模具的預(yù)熱問題，現(xiàn)舉例計算如下。為了把重1噸的模具從室溫20℃提高到50℃，假設(shè)型腔的比熱為0.1kcal/kg·℃，

假若這3000千卡的熱量不是預(yù)熱供給，而是由注射到型腔的塑料傳給，并假設(shè)比熱為0.4的塑料每小時成型塑件總重量20kg，塑料的溫度從200℃冷卻到70℃，放出的熱量為(假設(shè)忽略熔解潛熱)

如上所述，模具預(yù)熱需要的熱量，相當(dāng)于成型時3小時所放出的熱量，因此在間斷操作，更換模具等情況下，模具的預(yù)熱必須予以考慮。第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(二)溫度調(diào)節(jié)對塑件質(zhì)量的影響1．變形模具溫度穩(wěn)定，冷卻速度均衡，可減小塑件的變形。對壁厚不一致和形狀復(fù)雜的塑件，經(jīng)常會出現(xiàn)因收縮不均勻而產(chǎn)生翹曲變形的情況。故須采用合適的冷卻系統(tǒng)，使模具凹模與型芯的各個部位的溫度基本保持一致，以便型腔內(nèi)的塑料熔體能同時凝固。2．尺寸精度保持模溫恒定，能減少制件成型收縮率的波動，提高塑件尺寸精度的穩(wěn)定性。在可能的情況下采用較低的模溫有助于減小塑件的成型收縮率。例如，對于結(jié)晶形塑料，因為模溫較低，制件的結(jié)晶度低，可以降低收縮率。但結(jié)晶度低又不利于制件尺寸的穩(wěn)定性，引起力學(xué)性能變化，從尺寸的穩(wěn)定性出發(fā)，又需要適當(dāng)提高模具溫度，使塑件結(jié)晶均勻。第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)3．力學(xué)性能結(jié)晶形塑料，結(jié)晶度越高，塑件的應(yīng)力開裂傾向越大，故從減小應(yīng)力開裂的角度出發(fā)，降低模溫是有利的。但對于聚碳酸酯一類高黏度無定形塑料，其應(yīng)力開裂傾向與塑件中的內(nèi)應(yīng)力的大小有關(guān)，提高模溫有利于減小制件中的內(nèi)應(yīng)力，也就減小了其應(yīng)力開裂傾向。4．表面質(zhì)量提高模溫能改善制件表面質(zhì)量，過低的模溫會使制件輪廓不清晰并產(chǎn)生明顯的熔接痕，導(dǎo)致制件表面粗糙度提高。

上述幾點要求有互相矛盾的地方，在選用時應(yīng)根據(jù)使用情況偏重于滿足塑件的主要要求。因此，必須合理控制模具溫度，才能確保塑件的質(zhì)量。第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(三)對溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求模溫不均：型芯型腔溫差過大，塑件收縮不均、內(nèi)應(yīng)力增大、塑件變形、尺寸不穩(wěn)定模溫過高：易造成溢料粘模，塑件脫模困難，變形大；熱固性塑料則過熟模溫過低：塑料流動性差，塑件輪廓不清晰，表面無光澤

在設(shè)計溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)時希望能滿足下面要求：(1)根據(jù)塑料的品種，確定溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)是采用加熱方式還是冷卻方式。(2)希望模溫均一，塑件各部同時冷卻，以提高生產(chǎn)率和提高塑件質(zhì)量。(3)采用低的模溫，快速、大流量通水冷卻一般效果比較好。(4)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)要盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、成本低廉。常見熱塑性塑料建議模溫第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)二、模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算

1.冷卻時間的確定

冷卻系統(tǒng)是指模具中開設(shè)的水道系統(tǒng)，它與外界水源連通，根據(jù)需要組成一個或者多個回路的水道。注射模具中冷卻系統(tǒng)的作用是：①帶走高溫塑料熔體所放出的熱量；②將模具溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。

塑件在模具內(nèi)的冷卻時間，是指塑料熔體從充滿型腔時起到可以開模取出塑件時為止這一段時間。1）利用簡化公式進行計算S——塑件壁厚Tc——塑料注塑溫度Tm——模具型腔溫度T——塑件脫模時平均溫度α——塑料熱擴散系數(shù)λ——塑料導(dǎo)熱系數(shù)ρ——塑料密度Cp——塑料比熱容第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)2）根據(jù)塑件厚度大致確定所需的冷卻時間，見表第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)目的：為了設(shè)計冷卻回路，求得恰當(dāng)?shù)睦鋮s管道直徑與長度，滿足冷卻要求。模具上熱傳導(dǎo)的三種基本方式：熱輻射、對流傳熱、熱傳導(dǎo)(向模板的傳熱、和噴嘴接觸的傳熱等)。假設(shè)塑料熔體在模內(nèi)釋放的熱量，經(jīng)模具傳導(dǎo)全部由冷卻水帶走，并忽略熔解潛熱，則模具冷卻時所需冷卻水的體積流量qv(m3/min)由下式計算：2.傳熱面積的計算W——單位時間內(nèi)注入模具中的塑料熔體質(zhì)量，kg/minq——單位質(zhì)量塑料熔體在成型過程中放出的熱量，kJ/kgC水——冷卻水的比熱容T1——冷卻水的出口溫度T2——冷卻水的進口溫度塑料品種q塑料品種qABS3.1×102～4.0×102低密度聚乙烯5.9×102～6.9×102聚甲醛4.2×102高密度聚乙烯6.9×102～8.1×102聚丙烯酸酯2.9×102聚丙烯5.9×102醋酸纖維素3.9×102聚碳酸酯2.7×102聚酰胺6.5×102～7.5×102聚氯乙烯1.6×102～3.6×102第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

當(dāng)液體在圓形斷面直管中流動時，為了使冷卻水處于湍流狀態(tài)，根據(jù)流速v與管道直徑d和流量的關(guān)系(見下表)，確定冷卻管道的直徑d。冷卻管道總傳熱面積A的計算：△T——模具與冷卻水之間的平均溫差h

——冷卻管道孔壁與冷卻水之間的傳熱系數(shù)，對于長徑比L/d>50的細長冷卻管道f

——與冷卻水溫度有關(guān)的物理系數(shù)第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)不同水溫下的f

值3.冷卻水在圓管中的平均流速4.冷卻水孔總長度5.冷卻水孔數(shù)計算l——因受模具尺寸限制，每一根水管的長度A——冷卻管道總傳熱面積第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)6.冷卻水流動狀態(tài)校核7.冷卻水進口處與出口處溫差校核Re——雷諾數(shù)η——冷卻水的運動粘度

冷卻水出入口溫差小，有利于模具型腔表面溫度分布，一般應(yīng)控制在5℃以內(nèi)，精密模具應(yīng)控制在2℃左右。應(yīng)使冷卻水道中的水呈湍流狀態(tài)流動第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)液體層流液體湍流第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)三、模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則

1.模具結(jié)構(gòu)允許，冷卻水孔數(shù)量盡量多，尺寸盡量大

設(shè)計冷卻系統(tǒng)需要考慮模具的具體結(jié)構(gòu)、塑件的尺寸和壁厚、鑲塊的位置、熔接痕的產(chǎn)生位置等。

不均勻的冷卻會使制品表面光澤不一，出模后產(chǎn)生熱變形。由于模具上各種孔(頂桿孔、型芯孔、鑲塊接縫等)的限制，只能在滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的情況下開設(shè)冷卻水通道。第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)2.冷卻水孔至型腔表面距離相等

當(dāng)塑件壁厚均勻時，冷卻水孔與型腔表面各處最好有相同的距離，如圖3-8-3a所示，冷卻通道的排列與型腔的形狀相吻合；當(dāng)塑件厚度不均勻時，圖3-8-3b所示，塑件壁厚處冷卻通道應(yīng)靠近型腔，間距要小，以加強冷卻。一般冷卻通道與型腔表面的距離大于10mm，常用12～15mm。第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)3.澆口處加強冷卻

普通熔融的塑料充填型腔的時候，澆口附近溫度最高，距澆口越遠溫度越低，因此澆口附近要加強冷卻，通入冷水，而在溫度低的外側(cè)使用經(jīng)過熱交換了的溫水通過即可。一般將冷卻回路的入口設(shè)在澆口處。圖a所示為兩型腔側(cè)澆口冷卻回路布置，圖b為薄膜澆口冷卻回路布置，圖c為多點澆口的冷卻水管分布圖。第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對于收縮大的塑料(如聚乙烯)應(yīng)沿其收縮方向設(shè)冷卻水通道，如圖所示是四方形塑件中心澆口的情況，從澆口的放射線及與其垂直的方向上均會引起收縮。此時應(yīng)在和收縮相對應(yīng)的中心部通冷卻水，外側(cè)通經(jīng)漩渦狀冷卻回路熱交換過的溫水。4.冷卻水道應(yīng)沿著塑料收縮方向設(shè)置第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)5.降低入水與出水的溫度差

如果入水溫度和出水溫度差別太大時，使模具的溫度分布不均，特別是對流動距離很長的大型制品，料溫愈流愈低。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特點、塑料特性及塑件壁厚合理確定水道的排列形式，使得塑件的冷卻速度大致相同。如圖3-8-7所示，對于大型塑件，型腔比較長時，圖中b的形式會使入水與出水的溫差大，塑件冷卻不均勻；圖中a的形式可使入水與出水溫差小，冷卻效果好。6.冷卻系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)先于推出機構(gòu)，這樣才能得到較好的冷卻效果第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)7.凹模與型芯要分別冷卻，保證冷卻平衡

一般應(yīng)采用兩條冷卻回路分別冷卻凹模與型芯。有些塑件的形狀能使塑料散發(fā)的熱量等量地被凹模和型芯所吸收。但是極大多數(shù)塑件的模具都有一定高度的型芯以及包圍型芯的凹模，對于這類模具，凹模和型芯所吸收的熱量是不同的。這是因為塑件在固化時因收縮包緊在型芯上，塑件與凹模之間會形成空隙，這時絕大部分的熱量將依靠型芯的冷卻回路傳遞，加上型芯布置冷卻回路的空間小，還有推出系統(tǒng)的干擾，使型芯的傳熱變得更加困難。因此，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，要把主要注意力放在型芯的冷卻上。9.注意水管的密封，以免漏水

為防止漏水，鑲塊與鑲塊的拼接處不應(yīng)設(shè)置冷卻管道，否則在接縫處漏水，必須設(shè)置時，應(yīng)加設(shè)套管密封。此外，應(yīng)注意水道穿過型芯、型腔與模板接縫處時的密封以及水管與水嘴連接處的密封，同時水管接頭部位設(shè)置在不影響操作的方向，通常在注射機的背面。8.便于加工和清理：一般孔徑設(shè)計為8～12mm第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)四、常見的各種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于塑件的形狀多樣，必須根據(jù)型腔內(nèi)的溫度分布、澆口位置等設(shè)計不同的冷卻系統(tǒng)。(一)凹模冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖所示為最簡單的外接直流循環(huán)式冷卻回路，其方法是在型腔附近鉆冷卻水孔，用水管接頭和塑料管將模內(nèi)管道連接成單路或多路并行循環(huán)。這種回路結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，但外連接太多，容易碰壞，因此只用于較淺的矩形型腔第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

為避免外部設(shè)置接頭，可在型腔外周鉆直通水道，用堵頭或隔板使冷卻水沿指定方向流動，這種鉆孔的方法比較容易加工。(a)用堵頭控制冷卻水流向，該回路適合各種較淺的，特別是圓形的型腔。(b)為左右對稱式冷卻回路，采用隔板控制冷卻水流向，適合長寬比很大的矩形型腔。冷卻回路的結(jié)構(gòu)第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對于側(cè)壁較高的型腔，冷卻回路通常分層設(shè)置，如圖所示?？梢允黔h(huán)形冷卻水路，也可以是螺旋形冷卻水路。第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對于嵌入式型腔，可在其嵌入界面開設(shè)環(huán)形冷卻水槽，如圖。環(huán)形冷卻水槽第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

凹模通常是以鑲塊的形式鑲?cè)肽０逯械?。對于矩形鑲塊，可在模板或鑲塊上用鉆孔的方法得到矩形冷卻回路。對于圓形鑲塊，一般不宜在鑲塊上鉆出冷卻孔道，此時可在圓形鑲塊的外圓上開設(shè)環(huán)形冷卻水溝槽。(a)結(jié)構(gòu)比(b)好，(a)中冷卻水與三個傳熱表面相接觸，而(b)中冷卻水只與一個傳熱表面接觸。圓形鑲塊上的冷卻溝槽第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

冷卻水通道的開設(shè)應(yīng)該盡可能按照型腔的形狀，對于不同形狀的塑件，冷卻水道位置也不同。(1)薄壁、扁平塑件側(cè)面澆口的情況，如左圖所示，型芯和凹模都是距型腔等距離鉆孔。(2)中等深度殼形塑件右圖為側(cè)澆口的塑件，凹模距型腔等距離鉆孔，型芯開設(shè)一排矩形冷卻溝槽構(gòu)成冷卻回路，用單層冷卻回路已不能使冷卻水迅速地冷卻型芯的表面，應(yīng)設(shè)法使冷卻水在型芯內(nèi)循環(huán)流動。淺型芯冷卻水路中等高度型芯冷卻水路(二)型芯冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(3)深型腔塑件深的塑件最困難的是型芯的冷卻，對于中等高度的型芯可采用斜交叉管道構(gòu)成的冷卻回路，使冷卻水在型芯內(nèi)循環(huán)流動，如左圖所示。對于寬度較大的型芯還可以采用幾組斜交叉冷卻管道并將它們串聯(lián)在一起，如右圖。入口出口斜交叉式管道冷卻回路第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

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對于深腔的大型制品，為使整個型芯都得到冷卻，可在型芯內(nèi)鉆多個孔，在每個水孔內(nèi)插入縱向隔板，水從右側(cè)流入，由于水堵使水上流，在上側(cè)通過隔板流入左側(cè)而完成冷卻過程。出口入口入口AA直孔隔板式冷卻回路第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

下圖是為了較好的進行型芯冷卻，從型芯中心進入水，在端面(澆口處)冷卻后沿型芯順序流出模具，凹模也是這樣冷卻。此法用于非常深的塑件冷卻。非常深的塑件冷卻水路出口入口入口出口第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對于高而細的型芯可采用噴流式冷卻，如圖，型芯中間裝有一個噴水管，冷卻水從型芯下部進入噴向型芯頂部，當(dāng)制件的澆口開設(shè)在頂部中心，此處為溫度最高區(qū)域，冷卻水分流后向四周流動以冷卻型芯壁。對于中心澆口的單腔模具，這種方式冷卻效果很好。噴流式冷卻水路第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

對于高而粗的型芯，可在型芯內(nèi)開大圓孔，嵌入開有溝槽的襯套，冷卻水從型芯襯套的中間水道噴出，首先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，最后沿型芯的底部流出。這種冷卻方式效果好，但模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。襯套式冷卻水路第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(4)狹窄的、薄的、細小型的型芯對細小型芯，不可能在型芯內(nèi)直接設(shè)置冷卻水路，不采用其他冷卻方法會使型芯過熱。下圖為一種細小型芯的間接冷卻方法，即在型芯中心壓入熱傳導(dǎo)性能好的軟銅或鈹銅芯棒，并將芯棒的一端伸人到冷卻水孔中冷卻。細小型芯的間接冷卻芯棒第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(三)局部加熱和冷卻

在模具的溫度控制上，有時會遇到局部冷卻或加熱的情況，這時可使用圖3-8-24那樣的冷卻單件或圖3-8-25那樣的插入式加熱棒。第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(四)冷卻系統(tǒng)的組合形式——爐中釬焊

沿著制品形狀開設(shè)冷卻水回路一般多以鉆孔的方法加工，但有時由于結(jié)構(gòu)不允許鉆更多的孔，而把銅管放進槽中，以低熔點合金固定的冷卻方式，但成本高，噴流式又存在密封問題等，補足以上缺點的辦法就是采用爐中釬焊這個方法，如圖3-8-26所示。在冷卻芯軸上加工出冷卻水槽，分別與型腔和型芯在熱處理時進行釬焊，可以在靠近型腔表面處按照要求設(shè)置冷卻水槽，結(jié)構(gòu)緊湊，冷卻效果好。

重要的是釬焊溫度和熱處理的溫度要相同，按照模具熱處理溫度的不同，選擇適合這個溫度的釬焊材料，使用這種方法還要注意，冷卻用的芯軸與型腔或型芯的接合面，加工精度要高，壁厚均勻，因為反復(fù)的加熱、冷卻，可能產(chǎn)生高的應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋，因此釬焊材料的選擇，接合面的加工精度，表面平度、間隙、爐溫的調(diào)整等許多問題都要注意。這是新的加工方法，有待進一步研究、總結(jié)，目前在國內(nèi)很少應(yīng)用。第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.8

注射模具溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)五、加熱裝置的設(shè)計

當(dāng)要求模具溫度在80℃以上時，就要設(shè)加熱裝置。根據(jù)熱源不同，模具加熱的方式分為電加熱（包括電阻加熱和感應(yīng)加熱，后者應(yīng)用較少）、油加熱、蒸汽加熱、熱水或過熱水加熱等。目前電阻加熱應(yīng)用比較廣泛。用熱水、熱油或水蒸汽加熱的方法其裝置與水冷卻裝置基本相同。電阻加熱的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、使用、安裝方便、溫度調(diào)節(jié)范圍較大、沒有污染等；缺點是：耗電量較大。電阻加熱裝置有三種：電阻絲加熱、電熱套或電熱板加熱、電熱棒加熱。加熱模具所需要的總功率P可用下式計算：m——模具質(zhì)量Cp——模具材料的比熱容T1——模具的初始溫度T2——模具要求的加熱溫度η——加熱元件的效率t——加熱升溫時間第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五§3.9

低發(fā)泡塑料注射成型模具一、概述

低發(fā)泡塑料又稱硬質(zhì)發(fā)泡體、結(jié)構(gòu)泡沫塑料或合成木材。所謂低發(fā)泡塑件就