注射模具冷却系统设计讲义课程

2022/12/25Page1Moldflow与

注射模具冷却系统设计卫道科技集团/深圳泰道电脑有限公司陈德铮2022/12/25Page2课程内容冷却系统设计的重要性冷却系统的构成及类型冷却理论分析冷却水路设计要点结合Moldflow分析的设计案例冷却系统设计的重要性2022/12/25Page4冷却的影响产品品质表面光洁度残余应力结晶度热弯曲生产成本 顶出温度循环时间

冷却系统设计的重要性2022/12/25Page5冷却影响产品品质表面光洁度：许多材料需要相对高的模具表面温度，在生产中以获得良好的表面光洁度，如果某些区域与另一些区域的模穴温度不同，那么在成品表面就会看到不同的表面光泽。

残余应力：残余应力是在充填或保压过程中剪切应力的结果。除了流动导致应力外，由于产品表面温度不同，各个部分以不同的速率冷却时也会产生残余应力。这些残余应力可能是产品在使用过程中过早损坏或者产品翘曲和扭曲的原因。为了减小这些应力，就需要均匀的冷却。结晶度：半结晶材料成型过程中呈现的结晶度受熔体冷却的影响。产品冷却过程中结晶度的不同会影响体积收缩，要保待所需要的尺寸公差是困难的。不同区域体积收缩的显着变化通常是产品翘曲的一个原因。热弯曲：如果模具的上表面和下表面的温度不同，一旦产品从模具中顶出，由于在上下表面之间不同的热收缩速率，产品会弯曲。冷却系统设计的重要性2022/12/25Page6冷却影响生产成本顶出温度：产品从模具中顶出的温度会受很多因素的影响。产品的强度必须足够大，以抵抗由于体积收缩的变化和残余应力而产生的翘曲，和顶出系统对产品施加的局部应力。顶出力受产品的几何形状、模具的表面光洁度和在充填与保压过程中模穴的填充度的影响。注射时间保压时间冷却时间开模时间循环时间:

通常，循环时间是产品的温度降到能安全顶出的温度所花的时间。如果充填和保压过程都是最佳化的，改善冷却行为可以显著地减小冷却时间。因为冷却时间通常包括80%的循环时间，所以减小冷却时间会显著减小循环时间和生产成本。andPacking冷却系统设计的重要性冷却系统的构成及类型2022/12/25Page8冷却系统的构成冷却系统的构成及类型2022/12/25Page9冷却水路的类型串联水路

优点

–流速均匀

–排热均匀缺点

–压降高并联水路

优点

–适用于入子四周

–低压下可达高流速缺点

–各分支流速不一样

–各分支冷却效果不佳

–易产生污垢冷却系统的构成及类型2022/12/25Page10冷却水路的基本形式直线式圆管直线式方管冷却系统的构成及类型2022/12/19Page11冷却水路的的基本形式式圆形弯管方形弯管冷却系统的的构成及类类型2022/12/19Page12冷却水路的的基本形式式挡板(Baffle)喷泉(Bubbler)冷却系统的的构成及类类型2022/12/19Page13冷却水路的的基本形式式吸热管(ThermalPin)冷却系统的的构成及类类型冷却理论分分析2022/12/19Page15热量在注射射成型中的的传递热量由熔融融塑料带入入热量从冷却却水路传入入或传出辐射散热对流散热热量散失到到模板上冷却理论分分析2022/12/19Page16从塑料到模模穴壁的热热传导影响冷却系系统性能的的参数模具材料热热特性比热导热性料温和模温温之间的温温度梯度塑料和模穴穴壁之间接接触的质量量确信良好的的接触冷却理论分分析2022/12/19Page17从模穴壁到到水管壁的的热传导影响冷却系系统性能的的参数模具材料热热特性比热导热性冷却水管和和塑料表面面的距离均匀冷却与与快速冷却却的折中料温和水温温之间的温温度梯度冷却理论分分析2022/12/19Page18从水管壁到到冷却介质质的热传导导影响冷却系系统性能的的参数冷却液紊乱乱程度确信达到紊紊流状态，，但亦不宜宜过大冷却液进口口温度冷却液的性性质冷却液的流流速冷却理论分分析2022/12/19Page19典型模具材材料的热特特性冷却理论分分析2022/12/19Page20冷却液流动动与雷诺数数雷诺数定义义：雷诺数(Re)流动类型10,000<Re紊流2,300<Re<10,000瞬变流100<Re<2,300层流Re<100

停滞流这里，为冷却液密度，U为冷却液平均流速，d为冷却水管直径，为冷却液动态粘度。冷却理论分分析2022/12/19Page21冷却液流动动率与热交交换层流的温度梯度雷诺数<2300紊流的温度梯度雷诺数>230063°C43°C23°C20°C塑料塑料／金属界面冷却液／金属界面冷却液温度梯度冷却理论分分析2022/12/19Page22冷却液流动动率与热量量流动率冷却理论分分析2022/12/19Page23散热能力紊流实际散热流动率热交换热容传导对流交换层流冷却理论分分析2022/12/19Page24冷却时间的方方程式冷却时间：理论上，冷却却时间与最大大产品厚度的的平方或最大大流道直径的的幂的1.6次成正比，也也就是——这里熔融塑料料的热扩散系系数(thermaldiffusivity)定义为：或冷却理论分析析2022/12/19Page25冷却时间与模模温增加模温，冷冷却时间延长长厚2mm、长200mm的产品，以推推荐的料温及及1秒时间注射冷却理论分析析2022/12/19Page26冷却与翘曲当塑料接触到到模具时，一一边是冷的，，另一边是热热的，不同的的冷却便发生生了。热的一一边要比较长长的时间冷却却和收缩（收收缩大），而而导致热的一一边象弓一样样弯曲。热的一边冷的一边张应力凝固和收缩冷的一边热的一边冷却理论分析析2022/12/19Page27热量聚积热量聚积在角角落处，使得得角落收缩变变形而小于90度，造成典型型的盒状弓形形翘曲。热集中在公模模的角落热的角落(相对于凝固部部分的收缩，，引起翘曲)Cavity冷Core热冷却理论分析析2022/12/19Page28差动结晶不平均的壁厚厚将导致不同同的冷却速率率。需更长时时间冷却的区区域将有更高高的结晶度，，这叫做差动动结晶(DifferentialCrystallinity)。快速冷却，低结晶度，低收缩率慢速冷却，高结晶度，高收缩率冷却理论分析析冷却水路设计计要点2022/12/19Page30冷却系统设计计目标冷却系统的设设计经常受到到模穴的几何何形状、分模模线、滑块和和顶针的限制制，因此不能能僵硬地给出出理想分布的的设计指南。。模具设计者的的目标应该是是综合考虑各各方面因素，，设计一个良良好的冷却系系统，它会：：均匀地冷却产产品减少循环周期期时间冷却水路设计计要点2022/12/19Page31冷却水路设置置要使冷却效效果均匀靠近热量较多多处远离热量较少少处冷却水路设计计要点2022/12/19Page32水路尺寸寸及排放放位置冷却水管管的直径径优先采采用大于于8mm，各个水水管的直直径应尽尽量一致致，避免免冷却液液的流速速不均产产生压力力损失。。无论多大大的模具具，水管管的直径径都不能能大于14mm，否则冷却水水流难以形成成紊流状况。。冷却水路设计计要点2022/12/19Page33冷却水路的长长度对于中大型模模具，进出水水口的温差很很大会影响冷冷却效果。从从冷却均匀性性考虑，进出出口温差一般般控制在5℃以下；对于精精密成型模具具，则要控制制在2-3℃以下，每条水水路长度在1.2-1.5m以下。增加一条冷却却水管的长度度会增加热传传导的面积。。在这个原则则上图B会比图A好，然而而长的水水路可能能会产生生一些问问题，例例如压力力降增加加，沿长长度方向向温度升升高过多多。为了了避免这这些问题题，很长长的水路路应该分分成两条条或更多多短的水水路，如如图C所示。CInOutInOutAInOutBInOut冷却水路路设计要要点2022/12/19Page34采用Baffle或Bubbler在一个冷冷却管道道内任何何冷却液液的方向向改变会会增加紊紊乱度，，因此在在转弯后后热传导导的能力力会增加加。挡板板和喷泉泉都会增增大紊乱乱度，是是由于在在流动系系统中固固有转弯弯和它们们的几何何形状能能够在受受限制区区进行冷冷却，因因此加强强了冷却却效果。。冷却水路路设计要要点2022/12/19Page35采用串串联Baffle在多型型芯中中采用用串联联挡板板水路路时，，散热热不佳佳：INOUTPoor!PinBlade冷却水水路设设计要要点2022/12/19Page36采用串联Bubbler应采用串联联喷泉水路路，以助于于散热：INCorrect!OUTPinTube冷却水路设设计要点结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page38一个方框形形产品对这种方框框形产品，，最大的品品质问题应应该是翘曲曲变形，而而进浇位置置与冷却水水路设计对对产品品质质有着较大大的影响。。结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page39产品的尺寸寸与所选用用的塑料塑胶材料：：ABS/PCCYCOLOYC2950GEUSA最大外型尺尺寸31425132平均肉厚为为1.6mm结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page40MPA分析寻找合合适进浇点点先以MoldflowPartAdviser快速充填分分析寻找合合适的进浇浇点。当用用两点进浇浇时，充填填压力太大大，且塑胶胶流动路径径太长，故故不采用。。结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page41MPI分析寻找合合适进浇形形式决定采用四四点进浇，，有以下两两种方案，，以MoldflowPlasticsInsight分析寻找合合适的进浇浇位置及流流道排布。。Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page42MPI快速充填分分析结果MPI快速充填分分析表明两两种方案均均能达到流流动平衡，，Case2充填压力较较大，但还还不知何种种方案的翘翘曲变形量量更小，故故需用MPI进一步分析析比较。Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page43方案比较两种方案均均采用潜伏伏式浇口，，从扁销上上进浇。采采用相同的的水路设计计，设定相相同的冷却却条件进行行分析比较较。潜伏式浇口口原始冷却水水路设计结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page44Case1&Case2充填状况比比较FillTime(sec)0.891.01Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page45Case1&Case2充填压力比比较InjectionPressure(MPa)120.9129.2Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page46Case1&Case2波前温度比比较FlowFrontTemperature(deg.C)266.2~280.6271.1~279.7Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page47Case1&Case2X向变形比较较DeflectionX(mm)0.430.430.860.530.531.06Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page480.280.31Case1&Case2Z向变形比较较DeflectionZ(mm)0.280.31Case1Case2结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page49初步结论论相比较而而言，Case1的翘曲变变形较小小，注射射压力也也较小，，因此我我们采取取Case1的进浇位位置及流流道排布布进行模模具设计计。结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page50水路设变变但从翘曲曲分析结结果得知知，Case1的翘曲变变形量仍仍较大，，其中X方向往外外张，可可否将其其再减小小?我们变更更了冷却却水路设设计，再再设定相相同的冷冷却条件件进行分分析比较较。设变变的冷却却水路试试图使用用母模水水路矫正正产品的的变形。。设变冷却却水路(Case3)原始冷却却水路(Case1)结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page51Case1&Case3冷却水温温比较CoolantTemperature(deg.C)65~65.165~65.4Case1Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page52Case1&Case3公母模温温差比较较TemperatureDifference(deg.C)2.4~-5.960.36~-6.57Case1Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page53Case1&Case3充填状况况比较FillTime(sec)0.890.89Case1Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page54Case1&Case3充填压力力比较InjectionPressure(MPa)120.9120.9Case1Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page55Case1&Case3波前温度度比较FlowFrontTemperature(deg.C)266.2~280.6266.2~280.6Case1Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page560.430.430.320.32Case1&Case3X向变形比比较DeflectionX(mm)0.860.64Case1Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page570.280.24Case1&Case3Z向变形比比较DeflectionZ(mm)0.28Case10.24Case3结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page58翘曲变形形状况将翘曲变变形量放放大10倍X向(外张)Z向(上翘)结合Moldflow分析的设设计案例例2022/12/19Page59矫正翘曲曲变形设变的冷冷却水路路除了起起到均匀匀冷却作作用外，，还要起起到矫正正翘曲变变形的作作用。通通过改变变成型条条件，特特别是改改变冷却却水温来来进一步步减小翘翘曲变形形。不过过，该改改变哪一一条水路路的水温温才好呢呢？结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page60设变成型条条件Case4冷却水温保压曲线T(sec)P(MPa)901.53.513.50结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page61Case3&Case4冷却水温比比较CoolantTemperature(deg.C)65~65.450~65.1Case3Case4结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page62Case3&Case4公母模温差差比较TemperatureDifference(deg.C)0.36~-6.80.77~-12.4Case3Case4结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page63Case3&Case4充填状况比比较FillTime(sec)0.890.89Case3Case4结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page64Case3&Case4充填压力比比较InjectionPressure(MPa)120.9120.8Case3Case4结合Moldflow分析的设计计案例2022/12/19Page