塑料模冷却系统设计及注塑模设计程序

塑料模冷却系统设计及注塑模设计程序1第1页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

影响冷却时间因素还包括冷却管道与型腔的距离、塑料种类和塑件厚度、开模温度、模具热传导率、冷却介质初始温度及流动状态等。根据实验，塑料带给模具的热量约5%由辐射、对流传到大气中，其余95%由冷却介质带走，其中主要影响因素是冷却介质的流量，其次是冷却水管距型腔的距离。缩短冷却时间，可通过增大冷却介质流速、增大传热面积和调节塑料与模具的温差来实现。此外，冷却管道距型腔表面越近，则冷却效果越好。

特别要注意的是成型开始前模具的预热问题，现举例计算如下。为了把重1吨的模具从室温20℃提高到50℃，假设型腔的比热为0.1kcal/kg·℃，

假若这3000千卡的热量不是预热供给，而是由注射到型腔的塑料传给，并假设比热为0.4的塑料每小时成型塑件总重量20kg，塑料的温度从200℃冷却到70℃，放出的热量为(假设忽略熔解潜热)

如上所述，模具预热需要的热量，相当于成型时3小时所放出的热量，因此在间断操作，更换模具等情况下，模具的预热必须予以考虑。第2页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统(二)温度调节对塑件质量的影响1．变形模具温度稳定，冷却速度均衡，可减小塑件的变形。对壁厚不一致和形状复杂的塑件，经常会出现因收缩不均匀而产生翘曲变形的情况。故须采用合适的冷却系统，使模具凹模与型芯的各个部位的温度基本保持一致，以便型腔内的塑料熔体能同时凝固。2．尺寸精度保持模温恒定，能减少制件成型收缩率的波动，提高塑件尺寸精度的稳定性。在可能的情况下采用较低的模温有助于减小塑件的成型收缩率。例如，对于结晶形塑料，因为模温较低，制件的结晶度低，可以降低收缩率。但结晶度低又不利于制件尺寸的稳定性，引起力学性能变化，从尺寸的稳定性出发，又需要适当提高模具温度，使塑件结晶均匀。第3页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统3．力学性能结晶形塑料，结晶度越高，塑件的应力开裂倾向越大，故从减小应力开裂的角度出发，降低模温是有利的。但对于聚碳酸酯一类高黏度无定形塑料，其应力开裂倾向与塑件中的内应力的大小有关，提高模温有利于减小制件中的内应力，也就减小了其应力开裂倾向。4．表面质量提高模温能改善制件表面质量，过低的模温会使制件轮廓不清晰并产生明显的熔接痕，导致制件表面粗糙度提高。

上述几点要求有互相矛盾的地方，在选用时应根据使用情况偏重于满足塑件的主要要求。因此，必须合理控制模具温度，才能确保塑件的质量。第4页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统(三)对温度调节系统的要求模温不均：型芯型腔温差过大，塑件收缩不均、内应力增大、塑件变形、尺寸不稳定模温过高：易造成溢料粘模，塑件脱模困难，变形大；热固性塑料则过熟模温过低：塑料流动性差，塑件轮廓不清晰，表面无光泽

在设计温度调节系统时希望能满足下面要求：(1)根据塑料的品种，确定温度调节系统是采用加热方式还是冷却方式。(2)希望模温均一，塑件各部同时冷却，以提高生产率和提高塑件质量。(3)采用低的模温，快速、大流量通水冷却一般效果比较好。(4)温度调节系统要尽量做到结构简单、加工容易、成本低廉。常见热塑性塑料建议模温第5页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统二、模具冷却系统的设计计算

1.冷却时间的确定

冷却系统是指模具中开设的水道系统，它与外界水源连通，根据需要组成一个或者多个回路的水道。注射模具中冷却系统的作用是：①带走高温塑料熔体所放出的热量；②将模具温度控制在设定的范围内。

塑件在模具内的冷却时间，是指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出塑件时为止这一段时间。1）利用简化公式进行计算S——塑件壁厚Tc——塑料注塑温度Tm——模具型腔温度T——塑件脱模时平均温度α——塑料热扩散系数λ——塑料导热系数ρ——塑料密度Cp——塑料比热容第6页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统2）根据塑件厚度大致确定所需的冷却时间，见表第7页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统目的：为了设计冷却回路，求得恰当的冷却管道直径与长度，满足冷却要求。模具上热传导的三种基本方式：热辐射、对流传热、热传导(向模板的传热、和喷嘴接触的传热等)。假设塑料熔体在模内释放的热量，经模具传导全部由冷却水带走，并忽略熔解潜热，则模具冷却时所需冷却水的体积流量qv(m3/min)由下式计算：2.传热面积的计算W——单位时间内注入模具中的塑料熔体质量，kg/minq——单位质量塑料熔体在成型过程中放出的热量，kJ/kgC水——冷却水的比热容T1——冷却水的出口温度T2——冷却水的进口温度塑料品种q塑料品种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醋酸纤维素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8页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

当液体在圆形断面直管中流动时，为了使冷却水处于湍流状态，根据流速v与管道直径d和流量的关系(见下表)，确定冷却管道的直径d。冷却管道总传热面积A的计算：△T——模具与冷却水之间的平均温差h

——冷却管道孔壁与冷却水之间的传热系数，对于长径比L/d>50的细长冷却管道f

——与冷却水温度有关的物理系数第9页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统不同水温下的f

值3.冷却水在圆管中的平均流速4.冷却水孔总长度5.冷却水孔数计算l——因受模具尺寸限制，每一根水管的长度A——冷却管道总传热面积第10页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统6.冷却水流动状态校核7.冷却水进口处与出口处温差校核Re——雷诺数η——冷却水的运动粘度

冷却水出入口温差小，有利于模具型腔表面温度分布，一般应控制在5℃以内，精密模具应控制在2℃左右。应使冷却水道中的水呈湍流状态流动第11页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统液体层流液体湍流第12页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统三、模具冷却系统设计原则

1.模具结构允许，冷却水孔数量尽量多，尺寸尽量大

设计冷却系统需要考虑模具的具体结构、塑件的尺寸和壁厚、镶块的位置、熔接痕的产生位置等。

不均匀的冷却会使制品表面光泽不一，出模后产生热变形。由于模具上各种孔(顶杆孔、型芯孔、镶块接缝等)的限制，只能在满足结构设计的情况下开设冷却水通道。第13页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统2.冷却水孔至型腔表面距离相等

当塑件壁厚均匀时，冷却水孔与型腔表面各处最好有相同的距离，如图3-8-3a所示，冷却通道的排列与型腔的形状相吻合；当塑件厚度不均匀时，图3-8-3b所示，塑件壁厚处冷却通道应靠近型腔，间距要小，以加强冷却。一般冷却通道与型腔表面的距离大于10mm，常用12～15mm。第14页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统3.浇口处加强冷却

普通熔融的塑料充填型腔的时候，浇口附近温度最高，距浇口越远温度越低，因此浇口附近要加强冷却，通入冷水，而在温度低的外侧使用经过热交换了的温水通过即可。一般将冷却回路的入口设在浇口处。图a所示为两型腔侧浇口冷却回路布置，图b为薄膜浇口冷却回路布置，图c为多点浇口的冷却水管分布图。第15页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

对于收缩大的塑料(如聚乙烯)应沿其收缩方向设冷却水通道，如图所示是四方形塑件中心浇口的情况，从浇口的放射线及与其垂直的方向上均会引起收缩。此时应在和收缩相对应的中心部通冷却水，外侧通经漩涡状冷却回路热交换过的温水。4.冷却水道应沿着塑料收缩方向设置第16页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统5.降低入水与出水的温度差

如果入水温度和出水温度差别太大时，使模具的温度分布不均，特别是对流动距离很长的大型制品，料温愈流愈低。设计时应根据塑件的结构特点、塑料特性及塑件壁厚合理确定水道的排列形式，使得塑件的冷却速度大致相同。如图3-8-7所示，对于大型塑件，型腔比较长时，图中b的形式会使入水与出水的温差大，塑件冷却不均匀；图中a的形式可使入水与出水温差小，冷却效果好。6.冷却系统设计应先于推出机构，这样才能得到较好的冷却效果第17页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统7.凹模与型芯要分别冷却，保证冷却平衡

一般应采用两条冷却回路分别冷却凹模与型芯。有些塑件的形状能使塑料散发的热量等量地被凹模和型芯所吸收。但是极大多数塑件的模具都有一定高度的型芯以及包围型芯的凹模，对于这类模具，凹模和型芯所吸收的热量是不同的。这是因为塑件在固化时因收缩包紧在型芯上，塑件与凹模之间会形成空隙，这时绝大部分的热量将依靠型芯的冷却回路传递，加上型芯布置冷却回路的空间小，还有推出系统的干扰，使型芯的传热变得更加困难。因此，在冷却系统设计中，要把主要注意力放在型芯的冷却上。9.注意水管的密封，以免漏水

为防止漏水，镶块与镶块的拼接处不应设置冷却管道，否则在接缝处漏水，必须设置时，应加设套管密封。此外，应注意水道穿过型芯、型腔与模板接缝处时的密封以及水管与水嘴连接处的密封，同时水管接头部位设置在不影响操作的方向，通常在注射机的背面。8.便于加工和清理：一般孔径设计为8～12mm第18页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统四、常见的各种冷却系统结构

由于塑件的形状多样，必须根据型腔内的温度分布、浇口位置等设计不同的冷却系统。(一)凹模冷却系统结构

如图所示为最简单的外接直流循环式冷却回路，其方法是在型腔附近钻冷却水孔，用水管接头和塑料管将模内管道连接成单路或多路并行循环。这种回路结构简单、制造方便，但外连接太多，容易碰坏，因此只用于较浅的矩形型腔第19页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

为避免外部设置接头，可在型腔外周钻直通水道，用堵头或隔板使冷却水沿指定方向流动，这种钻孔的方法比较容易加工。(a)用堵头控制冷却水流向，该回路适合各种较浅的，特别是圆形的型腔。(b)为左右对称式冷却回路，采用隔板控制冷却水流向，适合长宽比很大的矩形型腔。冷却回路的结构第20页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

对于侧壁较高的型腔，冷却回路通常分层设置，如图所示。可以是环形冷却水路，也可以是螺旋形冷却水路。第21页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

对于嵌入式型腔，可在其嵌入界面开设环形冷却水槽，如图。环形冷却水槽第22页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

凹模通常是以镶块的形式镶入模板中的。对于矩形镶块，可在模板或镶块上用钻孔的方法得到矩形冷却回路。对于圆形镶块，一般不宜在镶块上钻出冷却孔道，此时可在圆形镶块的外圆上开设环形冷却水沟槽。(a)结构比(b)好，(a)中冷却水与三个传热表面相接触，而(b)中冷却水只与一个传热表面接触。圆形镶块上的冷却沟槽第23页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

冷却水通道的开设应该尽可能按照型腔的形状，对于不同形状的塑件，冷却水道位置也不同。(1)薄壁、扁平塑件侧面浇口的情况，如左图所示，型芯和凹模都是距型腔等距离钻孔。(2)中等深度壳形塑件右图为侧浇口的塑件，凹模距型腔等距离钻孔，型芯开设一排矩形冷却沟槽构成冷却回路，用单层冷却回路已不能使冷却水迅速地冷却型芯的表面，应设法使冷却水在型芯内循环流动。浅型芯冷却水路中等高度型芯冷却水路(二)型芯冷却系统结构第24页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统(3)深型腔塑件深的塑件最困难的是型芯的冷却，对于中等高度的型芯可采用斜交叉管道构成的冷却回路，使冷却水在型芯内循环流动，如左图所示。对于宽度较大的型芯还可以采用几组斜交叉冷却管道并将它们串联在一起，如右图。入口出口斜交叉式管道冷却回路第25页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

对于深腔的大型制品，为使整个型芯都得到冷却，可在型芯内钻多个孔，在每个水孔内插入纵向隔板，水从右侧流入，由于水堵使水上流，在上侧通过隔板流入左侧而完成冷却过程。出口入口入口AA直孔隔板式冷却回路第26页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

下图是为了较好的进行型芯冷却，从型芯中心进入水，在端面(浇口处)冷却后沿型芯顺序流出模具，凹模也是这样冷却。此法用于非常深的塑件冷却。非常深的塑件冷却水路出口入口入口出口第27页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

对于高而细的型芯可采用喷流式冷却，如图，型芯中间装有一个喷水管，冷却水从型芯下部进入喷向型芯顶部，当制件的浇口开设在顶部中心，此处为温度最高区域，冷却水分流后向四周流动以冷却型芯壁。对于中心浇口的单腔模具，这种方式冷却效果很好。喷流式冷却水路第28页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统

对于高而粗的型芯，可在型芯内开大圆孔，嵌入开有沟槽的衬套，冷却水从型芯衬套的中间水道喷出，首先冷却温度较高的型芯顶部，然后沿侧壁的环形沟槽流动，冷却型芯四周，最后沿型芯的底部流出。这种冷却方式效果好，但模具结构比较复杂。衬套式冷却水路第29页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统(4)狭窄的、薄的、细小型的型芯对细小型芯，不可能在型芯内直接设置冷却水路，不采用其他冷却方法会使型芯过热。下图为一种细小型芯的间接冷却方法，即在型芯中心压入热传导性能好的软铜或铍铜芯棒，并将芯棒的一端伸人到冷却水孔中冷却。细小型芯的间接冷却芯棒第30页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统(三)局部加热和冷却

在模具的温度控制上，有时会遇到局部冷却或加热的情况，这时可使用图3-8-24那样的冷却单件或图3-8-25那样的插入式加热棒。第31页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统(四)冷却系统的组合形式——炉中钎焊

沿着制品形状开设冷却水回路一般多以钻孔的方法加工，但有时由于结构不允许钻更多的孔，而把铜管放进槽中，以低熔点合金固定的冷却方式，但成本高，喷流式又存在密封问题等，补足以上缺点的办法就是采用炉中钎焊这个方法，如图3-8-26所示。在冷却芯轴上加工出冷却水槽，分别与型腔和型芯在热处理时进行钎焊，可以在靠近型腔表面处按照要求设置冷却水槽，结构紧凑，冷却效果好。

重要的是钎焊温度和热处理的温度要相同，按照模具热处理温度的不同，选择适合这个温度的钎焊材料，使用这种方法还要注意，冷却用的芯轴与型腔或型芯的接合面，加工精度要高，壁厚均匀，因为反复的加热、冷却，可能产生高的应力而出现裂纹，因此钎焊材料的选择，接合面的加工精度，表面平度、间隙、炉温的调整等许多问题都要注意。这是新的加工方法，有待进一步研究、总结，目前在国内很少应用。第32页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.8

注射模具温度调节系统五、加热装置的设计

当要求模具温度在80℃以上时，就要设加热装置。根据热源不同，模具加热的方式分为电加热（包括电阻加热和感应加热，后者应用较少）、油加热、蒸汽加热、热水或过热水加热等。目前电阻加热应用比较广泛。用热水、热油或水蒸汽加热的方法其装置与水冷却装置基本相同。电阻加热的优点是结构简单、制造容易、使用、安装方便、温度调节范围较大、没有污染等；缺点是：耗电量较大。电阻加热装置有三种：电阻丝加热、电热套或电热板加热、电热棒加热。加热模具所需要的总功率P可用下式计算：m——模具质量Cp——模具材料的比热容T1——模具的初始温度T2——模具要求的加热温度η——加热元件的效率t——加热升温时间第33页，共36页，2023年，2月20日，星期四§3.9

低发泡塑料注射成型模具一、概述

低发泡塑料又称硬质发泡体、结构泡沫塑料或合成木材。所谓低发泡