（材料加工工程专业论文）注塑模凹模冷却过程稳态传热温度场数值模拟.pdf

重庆大学硕士学位论文摘要 摘要 在我国，塑料工业是一个新兴发展的行业，塑料模具设计主要依靠模具设计 师的直觉和经验。模具往往要经过反复调试和修正才能正式投入生产，不仅模具 设计周期长，成本高，而且难以保证产品质量。采用c a e 技术，在计算机上做试 验，可以一次试模成功。注射模c h e 技术包含了多方面的内容。本论文针对注射 模冷却系统的设计，运用传热学的基本原理，利用计算机数值模拟技术，建立了 冷却过程的解析模型。在此基础上，利用v c + + 开发工具，设计了注射模冷却数值 模拟系统，通过模拟模具温度场，来合理安排冷却水管位置、大小，提高冷却系 统设计效率。 研究结果表明：当其它条件不变时，随着注射温度增加，冷却时间和温差增 加；随着冷却水温度增加，冷却时间增加，温差减少；随着开模温度增加，冷却 时阿减少，温差增加；随着塑件厚度增加，冷却时间增加，温差减少；随着距型 腔壁距离越大，冷却时间和温差均增大；随着水管间距增大，冷却时间和温差逐 渐减少，到达一定值后，又逐渐增大；随着冷却水流速增大，冷却时间减少，温 差增大；随着直径尺寸变大，冷却时间减少，温差增大。 关键词：注塑模，冷却系统，c a e 重庆大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t p l a s t i ci n d u s t r yi sad e v e l o p i n gi n d u s t r yn e w l yi nc h i n a m o u l dd e s i g n e r sd e p e n d t h e i ri n t u t i o na n de x 廊c eo nm o u l dd e s i g n m o u l di sa l w a y sd e b u ga n dc o r r e c t e d a g a i na n da g a i nb e f o r ei tc a nb eu s e dt op r o d u c ep r o d u c t s n o to n l yt h em o u l dd e s i g n c y c l ei sl e n g t h e n i n ga n dt h em o u l dc o s ti sh i g h , b u ta l s ot h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tt a i l n o tb eg u a r a n t e e d t a k i n ga d v a n t a g eo ft h ec a et e c h n o l o g ya n dd o i n gt h ee x p e r i m e n t o nt h ec o m p u t e r , m o u l dd e s i g nc a l lb ei m p l e m e n ts u c c e s s f u l l yi no n et r a i l i n j e c t i n g m o u l dc a et e c h n o l o g yi n c l u d e ss e v e r a la s p e c t so fc o n t e n t t h i sp a p e re s t a b l i s h e st h e a n a l 蛐c a lm o d e lo f c o o l i n gp r o c e s sb ym e a n so f b a s i ct h e o r yo f h e a tt r a n s p o r t a t i o na n d c o m p u t e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y ap r a c t i c a lc o o l i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a ls y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gv c + + 6 0 t h em o u l dt e m p e r a t u r ef i e l dc a n b es i m u l a t e db yt h ec o o l i n ga n a l y s i ss y s t e m 。t h r o u g hi t ，t h eh o s ed i s l o c a t i o na n dt h e h o s ed i a m e t e ra r ea r r a n g e dc o r r e c t l y t h e r e f o r e ，i tc a ne n h a n c et h ee f f i c e n c yo fd e s i g n m e a n w h i l e , b yu s i n gi t , s o m ep r o c e s sf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o o l i n gc a p a c i t yw a s a n a l y s i z e d a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h er e s e a r c h ，w h e no t h e rf a c t o r si su n c h a n g e d , c o o l i n g t i m ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea r el a r g e ri fi n j e c t i n gt e m p e r a t u r eo rd i s t a n c ef r o m m o u l dw a l li sr a i s e d ；c o o l i n gt i m ei sl a r g e ra n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e c o m es m a l l e r i fc o o l i n gw a t e rt e m p e r a t u r eo rp l a s t i ct m c kb e c o m et b i r m e r ；c o o l i n gt i m ei ss m a l l e r a n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e c o m el a r g e ri fo p e nt e m p e r a t u r e ，o rc o o lw a t e rs p e e d ，o r h o s ed i a m e t e ri sr a i s e d ；c o o l i n gt i m ea n dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eg r a d u a l l yb e c o m e s m a l l e rb e f o r et h e yr e a c hac e r t a i nv a l u ea n dm e yb e c o m el a r g e ri fh o s ed i s t a n c ei s r a l s e da ta l lt i m e s k e yw o r d s ：i n j e c t i n gm o u l d ，c o o l i n gs y s t e m , c a e i i 重庆大学硕士学位论文1 绪言 1 绪言 1 雩| 素 振和发展我国的模其工业，曰菔受到人们的灏视和关注，猩电子、汽车、电机、 电器、仪器、仪表、寨电和通讯等产品中，6 0 一8 0 的零部件都攥依靠模具成形。用 摸其生产裁终爱表现爨来熬裹耱度、裹复杂程度、离一致蛙、黼生产率亵低游耗， 是其谴加工铺造方法所不能沈叛的。模具工监慧离新技术产监的一个缀或部分。傻 如，属予商新技术产渡领域的集成电路的设计与制造，不能没有做引线框架的精密 缀进冲模和精密的集成电路塑封摸；计算机的枫巍、接插件和诲多元器件的话造， 毽鍪绥蠢精密鋈瓣模鬟耱精密律嚣模蹙：数字纯藏予产品蕊发蕊，没骞耩密溪其毽 不行。模具工业又是搿新技术产业他的重要领域。c a d c a _ v j c a e 技术的应用，使模 具的设计制造技术发擞了重大变革；模具的开发和制造水平的提高，有赖于采用数 整精密簿效疆工设冬；逆囊王翟、莠嚣工程、敏捷秘造、盛熬技术等先避卷8 逡技零 在模兵王娥中的应用，也要与电子信息等高新技零嫁接，实蕊离新技术产渡亿。国 民经济的五大支柱产h k 一机械、电子、汽车、石化、建筑，都袋求模具工业的发展 与之相邋应，以满足其发展的需要。机槭、电子、汽车工业努辫熨大量的模舆；石 往工盈一年生产5 0 0 多万瘫聚乙爨、蒙嚣麓窝冀豫含成褥器“。，缀大一部分褥要羹 料模具成型，做成制晶，才能用于生产和生活的消费。建筑业邋去与模具工业的关 系不大，现在不同了，地板砖和卫嫩沽具需要大爨的陶瓷模具，塑料管件和魍钢门 塞迄霰要大量懿塑辩摸其癜墼。模爨王照遮经嚣蘸蓬要。 塑料作为商分子纯学和材料科举发展的重蓦成祭，罩已成魏入类不可缺少的羹 要生产搽料。塑料制鼎、制件在工般生产和日常嫩活中得到了愈来愈广泛的臌用。 现在，袅球范围豹以激料代替金属的趋势更加速了塑料产品割潦波的发展。烫料产 瑟一般采爝翟瓣模其成嫠方法垒产。耱辩模墓设诗耱常l 逵中瓣赞统手王方式攀愁满 足不了生产需要，因丽对计算机的威用提出了迫切的需求。c a d 是指计算机辅助设 计，具有图形绘制，图形编辑，图形存储，图形输出功能，包耩塑料产品的建模， 模具方案设计和零部件设计。c a d 目前流行软件有a u t o c a d 、p r o e 、u g 、i d e a s 等。 c a m 是指计算机辅助制造。c a e 是指使用计算机对模具进行有限元结构力学分析、流 动分析模拟和冷却分析模拟等工艺进行模拟，是当前模具工业研究的方向和潮流。 c a d c a m c a e 工作过程如下历述：首先由c a e 系统对制件进行全面分析，提出制件的 设计方案和注塑成型工艺，然后由c a d 系统根据c a e 软件所提供的有关性能参数进行 模具图纸设计，再将模具部件的几何数据转变为数控加工数据输入给c a m 系统并由 c 州实现模具船工移测试的全过程。 重庆大学硕士学位论文 l 绪言 1 2 计算机模拟概述 塑料成型计算机模拟是在计算机上建立数学模型，对塑料成型过程进行分析与 仿真，并把仿真结果用文本输出和图形显示出来。计算机模拟是c a e 的核心，因此 常把计算机模拟称为c a e 。 以注射成型制品的开发和生产过程为例“1 ，传统的做法是按照图1 1 所示依次 进行概念设计、制品设计、模具设计、模具制造和试模，只有在实际试模后或对制 品测试后才能发现问题，并根据出现的问题，研究、判断原因，决定改进方案或调 整成型条件或修正模具，甚至更改设计；如此反复进行，直到试模和制品没有问题 为止。这一过程既耗资又费时，常常需数十天甚至更长的时间；如果开发新产品， 从设计到生产的周期会更长，将严重影响新产品的开发和投放市场。而利用计算机 模拟技术，则可很好地解决上述问题( 见图1 2 ) 。在注射成型制品开发的任何一个 阶段，都可采用计算机模拟技术来检验各种想法的可行性，防患于未然。由于计算 机运算迅速，一天之内可以测试好几种甚至几十种设计，较之传统的修模、换模、 试模可显著节省人工、时间、经费、材料、能源和场地。 图1 1传统的注射成型制品开发和生产过程 f i 9 1 1e x p l o i t a t i o na n dp r o d u c i n gp r o c e s so ft r a d i t i o n a li n j e c t i n gm o u l d i n gp r o d u c t rr 1 主射成型过程率的计算机模拟技术 图1 2 基于计算机模拟技术的注射成型制品开发和生产过程 f i 9 1 2e x p l o i t a t i o na n dp r o d u c i n gp r o c e s so fi n j e c t i o nm o u l d i n gb a s e do nc a e 重庆大学硕士学位论文 i 绪言 计算机模拟等于在计算机上做试验，通过试验可以判断模具结构参数和成型工 艺参数的正确性，不断改进设计方案，直至提出最优的设计参数，这样可以实现 次试模成功。而传统的经验试差法主要依靠模具设计师的直觉和经验。因此，模具 往往要经过反复调试与修正才能正式投入生产。这不仅使模具生产周期及新产品开 发周期延长，生产成本增长，而且难以保证质量，特别是设计大型精密注射模和采 用新型塑料原料及新的成型工艺时，经验试差法更无能为力。所以采用计算机模拟 具有很重要的经济意义，可以缩短产品的开发周期，提高塑料制品质量，降低生产 成本。 1 3 计算机数值模拟分类 因为塑料注射成型是一个复杂的物理过程，非牛顿性的高温塑料熔体在压力驱 动下通过浇注系统流向低温的模具型腔，熔体由于模其中的冷却系统而快速固化， 同时伴随剪切生热，体积收缩，分子取向和结晶过程。因此全面深入理解成型需要 了解高分子物理学，传热学，流变学及成型工艺学等多方面的综合知识。目前建立 一个统一的数学模型对塑料成型全过程进行模拟难度相当大，所以将成型过程分开 考虑，主要包括如下主要内容”1 ： 充模流动模拟：主要是通过对熔融塑料充模过程的模拟，获得型腔内温度场、 压力场和速度场的分布图及所需锁模力等信息，可以帮助工程技术人员合理地设计 浇注系统，优化注射工艺参数，发现可能出现的成型缺陷并提出相应对策。 保压过程模拟：主要用于预测熔体在型腔的补料与压实过程的压力场、温度 场分布，计算体积收缩率和剪切应力，通过观察节点图和标量图判断存在的问题， 以便改进和优化工艺参数。 冷却模拟：主要是通过对模具冷却过程的模拟，优化冷却管道布置，避免过 热点，减少塑料件残余应力和翘曲变形，缩短循环时间，以达到塑料件快速冷却的 目的。 翘曲变形分析：主要是用于分析整个塑料件的翘曲变形。找出产生翘曲变形的 主要原因以及相应的补救措施。可在一般的工作环境中，考虑到注塑机的大小、材 料特性、环境因素和冷却参数的影响，预测并减少制品变形。 制品结晶及纤维定向分析 1 4 国内外现状综述 1 4 1 国外研究状况 因为塑料成型c a e 具有重要的实际意义，很多国家的科研机构和高等院校与企 重庆大学硕士学位论文1 绪言 业集团投入大量人力，物力进行研究，c a e 技术始于1 9 4 3 年“”，随着有限元理论 的逐步成熟，及计算机硬件的迅速发展，使c a e 技术经历了6 0 年代的探索发展，7 0 - - 8 0 年代的蓬勃发展，以及9 0 年代的成熟壮大三个阶段。 七十年代以前，由于计算机条件的限制，且有限元还处于发展阶段，对充模过 程和冷却过程都采用一维模拟，早在1 9 6 0 年，t o o r ，b a l l m a n 和c o p p e r ”最先用数 值方法计算了塑料熔体的充模过程，随后，许多研究者对一维流动进行了大量研究。 r o t h e z 。1 对熔体在圆管内的流动进行了研究；k a m a l 和k e n i n g ”1 对半圆盘的充模过 程进行了模拟。通过建立模具内的热平衡方程，考虑模腔与冷却介质之间的一维传 热，采用分析解或有限差分法求解平衡方程，由此得到最小冷却时问的计算公式。 7 0 年代中期到8 0 年代中期，充模流动模拟和冷却模拟采用二维模拟技术，在 二维流动分析中，除数值方法本身的难点外，另个新的难点是对移动边界的处理， 即如何确定新时刻的熔体流动前沿位置。b r o y e r 、o u t f i n g e r 和t a d m o r 运用流动 网格分析法对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取向问题进行了探 索。t a k a h a s h i 和m a t s u o k a 基于流动网格分析法，考虑熔体温度的变化，将三维制 件展平为二维平面，实现了对三维制件的非等温流动分析。h i b b e r 和s h e n “”则利用 有限元和有限差分混合法模拟塑料熔体的非等温二维流动过程，实现了将流道系统 和二维型腔相连接的流动分析，为开发实用型流动模拟软件奠定了基础。此阶段冷 却模拟最早采用的方法是将一维热传导方程扩展到二维情形。此时，有限差分法是 主要的分析方法。将模具划分成大的网格，制品划分成小的网格，冷却装置以一维 单元近似，同时进行分析计算，绘制出制品和模具的二维温度场。 8 0 年代后期，开展了三维流动和冷却模拟研究，三维流动模拟主要采用二种方 法：其一，h i e b e r 采用流动路径法实现了对三维制件的流动分析。其二，v w w a n g 及h i e b e r 用有限元与有限差分混合法，沿用h i e b e r 和s h e n 提出的数学模型，求解 压力场，速度场和温度场，针对三角形线性单元，定义了控制体积，并沿用流动网 格分析法的基本思想，提出用控制体积法来确定熔体流动前沿位置。在这一阶段， 采用边界分析法对冷却过程进行了三维模拟。 九十年代，开展了成型过程流动，保压，冷却，应力应变及翘曲的全过程模拟， 将各独立模块有机地结合起来，考虑它们之间的相互影响，以提高模拟软件的分析 精度和扩大适用范围。同时，为提高c a e 系统的实用化程度，提高系统几何模型的 生成速度，开展了c a r 与c a d c 埘集成化研究。这一阶段，人工智能在c a e 中的应 用也取得了一些进展。 目前国际上具有代表性的商品化软件是美国a c t e c h 公司的c - m o l d 软件，它包 含了三维流动模拟，三维冷却分析，保压分析软件，并基于流动、保压、冷却的分 析结果，进行了纤维定向分析、塑料制品的应力和翘曲分析。 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪言 1 4 2 国内研究状况 在国内，开展塑料成型数值模拟研究的起步较晚，从8 0 年代中期以来，国内开 始重视塑料模具c a e 技术，通过不懈的努力，以及对国外软件开发经验与技术的吸 收和研究，发展较快，并取得了一定的成果，如华中理工大学模具国家重点实验室 自行开发了国内第一个注射模c a d c a m c a e 集成系统h s c 2 0 ，郑州大学橡塑模具国 家工程研究中心开发的z - m o l d 软件。1 。四川大学高分子材料科学与工程系针对结晶 型塑料注塑柱状件的冷却问题建立了物理及数学模型，用有限差分法求解，提供了 动态观察注塑过程中制品温度分布的一种途径。上海交通大学等在注射模 c a d c a m c a e 系统研究方面也做了很多研究工作，但因一些关键问题，如国产塑料 流变性能数据库、熔接线及气穴位置的自动识别、冷却模拟的三维瞬态温度场计算 等问题得不到很好解决，且研究缺乏系统性，因此离实用还有较大距离。同国外相 比差距较大。无论是软件的集成化方面或者是单个子系统都有很大的差距。因为塑 料行业最近几年才得到重视和发展，在塑料的高分子物理、结晶度、流变学方面的 基础理论研究方面还有很多工作要做。 1 4 3 存在的问题 塑料成型数值模拟在实际应用中取得了飞速发展，但商品化软件无论在功能上 还是在精度上，至今未达到尽善尽美的程度。如国外美国a ct e c h 公司的c m o l d ， 澳大利亚m o l d f l o w 公司的m f 和德国i k v 研究所的c a d m o u l d 等c a e 软件提供了冷却、 收缩和翘曲等问题的计算模型。但对这些现象的详细描述在未来一段时阈内仍具有 挑战性。有许多因素比如粘弹性、结晶度、分子取向及很难用数学描述的各种各向 异性都影响收缩和翘曲，在一定程度上这些现象的物理背景还不清楚，而且所需要 的材料参数，很难通过实验精确地获得。因此，这种基于不清楚的物理背景和不精 确的材料性能的计算机模拟软件的预测能力在未来的一段时间可能还有一定的限 制。我国从8 0 年代开始，先后从国外引进几十套注射成型模拟软件，但由于国外塑 料性能、模架标准等与国内生产实际不符合，且难以进行二次开发，致使这些软件 难以发挥应有的作用。此外，国外软件价格昂贵，难以在国内普及。针对国内实际 情况，开发出实用的注射成型过程计算机模拟系统对于促进我国塑料加工工业和模 具制造业的发展有着重要的意义 1 5 本课题的目的和意义 本研究通过模拟模具温度场，来合理安排冷却水管位置、大小，缩短冷却时间 提高产品质量和产量，提高冷却系统的设计效率。 5 重庆大学硕士学位论文 t 绪言 通过模具冷却模拟可以得到模具的温度场，其分析结果可用来优化冷却系统， 提高制品的质量和生产效率。 优化冷却管道布置，避免过热点，减少塑料件残余应力和翘曲变形。 缩短冷却循环时间以达到使用塑料件快速均匀冷却的目的。 实践经验少的设计人员能应用它设计出较好的冷却系统，这样不仅可以弥补 设计人员的不足，减少和避免人为的错误，而且可以使有经验的工程技术人员从繁 琐复杂的冷却系统设计得以适当解脱出来从事更有意义的工作。 采用计算机数值模拟，不仅可以利用计算机高速处理信息的能力，更重要的 是可以将设计人员的集体智慧及经验融合其中，保证快速获得高质量的冷却系统， 大大缩短工艺设计的时间。 应用冷却数值模拟，还可获得客观的经济效益。采用c a e 软件，可以使生产 厂家在产品数量，产品质量，商业利润等方面取得显著成效。以成型汽车水箱护罩 为例1 ，传统做法下，试模次数经常超过四次，每次试模成本都很高，采用c a e 技 术，可以在计算机上进行分析，最终一次试模成功，经济效益显著。 1 6 本课题的主要研究内容及特点 选择典型截面，确定第一类，第二类，第三类边界条件。 根据要求选择数值解法。 正确确定内节点和边界节点温度方程。 根据软件工程的要求，对软件进行正确的需求分析，概要设计，详细设计。 程序大致分为三个模块，它们是前处理模块，中间处理模块，后处理模块，其主要 功能如下几个方面： 参数输入。设计一个友好的用户界面，在该界面用户可以方便地实现输入工 艺参数和熟物性参数。 网格化分。把所研究的区域离散化。 计算模块。依据前处理模块的输入参数和空间参数，进行数值模拟计算。 结果输出和图形输出。输出计算结果及模具温度场，设计人员可以直观的看 出冷却系统设计的合理性。 6 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 2 冷却系统设计 在注射成形中，模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率。由于各种塑料 的性能和成型工艺要求不同，对模具温度的要求也不同。一般注射到模具内的塑料 熔体的温度为2 0 0 c 左右，熔体固化成为制品后，从6 0 c 左右的模具中脱模，温度 的降低是依靠在模具内通入冷却水，将热量带走1 1 2 1 。 2 1 冷却系统的必要性 2 1 1 温度调节对制品质量的影响 模温直接关系制品的成型收缩率。模温波动会使批量生产制品尺寸不稳定，从 而降低制品尺寸精度，甚至出现尺寸误差大的废品。这对成型收缩率较大的结晶型 塑料影响更为明显。 模具型腔温度分布的不均，如模具型芯和型腔壁有明显的过大温差，会导致塑 件厚度截面上残余应力分布的不均匀，固化后塑件会出现变形翘曲。塑件中局部范 围残余应力过大会引起裂纹。这对刚硬的聚碳酸脂等物料尤为重要。 提高模温能改善制品表面的粗糙度，使轮廓清晰，熔合缝不显现。提高模温有 利于结晶型聚合物的结晶过程，有利于高粘度熔体的充模流动，也有利于减小制品 中残余应力。但是会延长冷却时间和注塑周期，也会使脱模温度过高，使塑件在脱 模中受到损伤。 2 1 2 温度调节对生产效率的影响 冷却时间在整个注塑周期中占5 0 一8 0 的时间。在保证塑件质量前提下，限 制和缩短冷却时间是提高生产效率的关键。让高温熔体尽快降温固化，模温调节系 统应有较高的冷却效率。注入模具的塑料熔体所具有的热量，由模具传导，对流和 辐射散传于大气和注射机的仅占5 左右。热量大部分由冷却水带走。缩短冷却时 间途径有三个方面“”。 让冷却水处于湍流状态 模具冷却管道中冷却水应处于湍流状态，流速v = o 5 - 1 5 m s ，甚至更高，雷诺 数r e 1 0 0 9 0 。伎冷却管道孔壁与冷却介质之阀的传热系数h 提高。资料表明，无规 则的湍流流体在r e 1 0 0 0 0 时，其传热能力比层流高1 0 2 0 倍。 扩大模具与冷却水的温差 在模温定时，采用低温的冷却水。但倘若设计不当，会加剧模温分布的不均 匀。采用低于室温的冷却水时，有可能使型腔表面凝聚大气中的水分。 7 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 增大冷却介质的传热面积 也就是尽量增大管道孔径和增加孔数。但是受模具结构，如脱模零件镶块接缝 的限制。要防止型腔压力过大时，型腔壁压塌的现象。 2 2 冷却系统的设计原则 为提高冷却效率和争取型腔表面温度的均匀与稳定，在系统的综合设计中应遵 守生产中的约定准则。 要优先考虑冷却管道的位置，而后综合处理脱模机构零件布置和镶块结构。 并首先保证型芯的冷却。通常对凹模和型芯采用两条回路。减小型芯壁和型腔壁之 间的温差是很重要的，特别是大型模具。使用模温调节装置，可有效保证模温控制 质量。在通常注射成型生产中，模温波动不超过纽5 。c 。精密注射时模温误差在1 之内，并采用缓冷方法，保证制品尺寸精度和质量。 要保证实现管道冷却水湍流状态的流速和流量，还要保证足够的水压。冷却 管道总长在1 5 m 以下：弯头数目不要超过1 5 个。出水温度与入水温度相差越大，模 具内温度越不均匀。精密注射的模具，此二者温度差限制在2 c 之内。一般模具也 应在5 左右。管道作串连布置，特别是从模具外用管接头和水管连接，加工维修 方便，但由于流程长使冷却水的压力降和进出口温差大。多路并联冷却，冷却效果 好，但需要控制好各路的流量和水温的一致性。 管道直径经湍流计算确定，般取d = 8 2 5 m ，管道过细，加工和清理困难。 水垢和铁锈会使冷却效率变坏一个数量级。因此需定期清理，或用软水，也可对孔 壁作磷化处理。较大管道孔径和根数能增加有效冷却面积。只要不妨碍模具总体结 构，愈大愈多为好。水管接头孔径应与管道孔径一致。进水和出水接头尽可能在模 具一侧，并置于不妨碍注塑操作的方向。 冷却管道布置应以均匀为前提。见图2 1 ，孑l 壁与型腔壁通常的间距 h = ( 1 5 - 3 ) d ，孔壁之间的间距b = ( 2 5 - 4 ) d 。均匀布置后，按需要作局部调整。过大 间距会使模温不均匀；过小的间距孔壁承受型腔高压后，由于弯曲应力和剪切应力 及其综合变形作用，在孔的中央部位会产生型腔壁的压塌现象。 ii j 。，。：，。：。，：、! 8 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 图2 1 冷却孔径与位置 f i 9 2 1c o o la p e r t l w ea n dp l a c e 压塌现象的计算如图2 2 所示，矩形管道孔上壁厚为架空梁， 力为：a 。- 0 5 等茎 由于梁的跨度很短，在梁的中性层上最大剪切应力为： f 。= 0 7 5 掣h 弯曲变形和剪切变形在二孔间中点的型腔压下量为： ，：丛f 2 _ + 业至1 。一h 3 2 e 2 gj 其固定端的最大正应 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 圈2 2 冷却孔的分布 f i 9 2 2 c o o la p e r t u md i s t r i b u t i n g 以上三式中，型腔压力p c 视为注射条件，大致为2 0 一6 0 n m m 2 ；h 为冷却孑l 处模具 壁厚( m ) ：l 是矩形孔的宽度( m ) ，若用圆孔直径代入，计算结果偏安全，e 为弹性 模量( n r a m = ) ，g 为剪切模量( n m m = ) ，f 为下陷量( 舢) 。在孔间距b 大于0 7 倍宽 度l 条件下，由( 2 3 ) 式，矩形孔宽l 对应型腔壁厚的最小h 值。按资料分析，倘 若是圆孔，直径d = l 时将查得壁厚系数为0 8 。 注塑模的浇注系统，如主流道的末端等处需要加强冷却，可利用较冷的进水。 塑料制品局部的厚壁及转角处，需减小间距h 和b 。在塑料熔流末端，特别是熔合 缝的汇合处，冷却孔道应远离。 从冷却效果来选取模具材料。常用模具钢的导热系数均较低。含碳量和含铬 量越高的钢种导热性能愈差。不锈钢相比之下可视为绝热材料。普通钢传热性差， 且热稳定性不好，还导致了型腔表面硬度下降。铍铜台金导热性和热稳定性好，且 可获得较高硬度。如我国铍铜合金q b e 2 ( 镀1 9 一2 2 ，镍0 2 - 0 5 ，其余为铜) ， 经固熔时效处理后，硬度可达h r c 4 9 。导热系数为4 3 0 k j m h 。碳素钢为( c0 5 ) 1 9 0 8 k 3 m h 9 重庆大学硕士学位论文2 冷却系统设计 2 3 冷却回路的布置 2 3 1 凹模冷却回路 外接直通式 图2 3 是最简单的外部连接的直通管道布置。用水管接头和橡塑管将模内管道 连接成单路或多路循环。管道加工方便，适合于浅的矩形型腔。但是外接部分容易 损坏。 、 图2 3 外接直通式回路 f i 9 23c i r c u m s c r i b ed i r r e c tc o f j l e tl o o p 平面回路式 图2 4 所示是凹模板的内平面上的管道布置。管道加工后必须用孔塞和挡板来 控制冷却液流动。它适合比较浅的，特别是圆形的型腔。见圈2 4 。对长宽比很大 的矩形型腔，也可采用如图2 5 所示左右二回路的平衡布置。挡板的安装应便于从 模外直接拆卸，修理更换方便。 图2 4 单回路 f i 9 2 4s i n g l el o o p 图2 5 左右二回路 f i 9 2 5l e f t r i g h td o u b l el o o p 多层回路式 如图2 6 所示，对深腔的凹模，冷却管道应采用多层的立体布置。成曲折的y 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 形，目的是为了对主流道和型腔底部进行冷却。型腔四周可采用各平面的单独整体 回路，但这样会使模外管接头多，各回路冷却参量平衡较难。若将各层回路在深度 方向连成一体，对大型模具造成流程过长而冷却不均匀。 凹模嵌入式 凹模通常是以镶块的形式镶入模板中的。对于矩形镶块，仍可象上述的例子在 模板上或者在镶块上用钻孔的方法得到冷却回路。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围上开设环形冷却水槽，必须在沟槽的上 下方装入密封圈，防止冷却水泄漏。这种结构如图2 7 所示。因为冷却水与三个传 热表面相接触，所以传热效果好。 憩姜 蛾 图2 6多层回路 f i 9 2 6m u l t i l a y e rl o o p 圈2 7圆形镶块上的沟槽 f i 9 2 7t h eg r o o v eo fc i r c l ei n c r u s t a t i o n 2 。3 2 型芯冷却回路 对于很浅的型芯，可直接将平面回路开设在型芯下部。对于中等高度型芯，可 在型芯的底端面上开设矩形冷却水槽回路。对圆柱型芯作如图2 8 所示环形布置， 再加工横沟，安上挡板和防漏橡胶圈。对矩形型芯则铣出相通的矩形布景沟槽。 对于较高的型芯，倘若沿型芯深度方向开设管道，就不得不在型芯的侧表面打 孔以相互沟通。虽然用孔塞封住，但型芯侧表面质量难以保证。因此对于高型芯， 常用以下三种内循环管道流动方法。 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 隔板式 如图2 9 所示方法用于单个圆柱型芯。与型芯底面相垂直的直管道中设置隔板， 进水和出水与模内横向管道形成冷却回路。 图2 8 中等高度型芯的冷却回路 f i 9 2 8c o o ll o o po ft h em i d d l eh e i g h tc o r e g 三r c 1 h 铴 r j 1 0 q 一 j 髟彩么毖缈 图2 9 隔板式冷却回路 f i 9 2 9c l a p b o a r dc o o ll o o p 图2 1 0 喷流式冷却回路 f i 9 2 。1 0c a s c a d ec o o ll o o p 喷流式 在型芯中间装一个喷水管，进水从管中喷出后再向四周冲刷型芯内壁，如图 2 1 0 所示。低温的进水直接作用于型芯的最高部位。对位于中心的浇口，冷却效果 较好。喷流式可用于单个小直径型芯，也可用于多个小直径型芯的并联冷却，此时底 部进水和出水管应相互错开。 螺旋式 如图2 1 l 所示，适合予大直径的圆柱高型芯，在心柱表面车制螺旋沟槽，压入 型芯的内孔中。冷却水从中心孔引向心柱顶端，经螺旋回路从底部流出。心柱使型 芯有较好钢性，这种冷却方式冷却效果好，但模具结构和加工方式较复杂。 2 4 冷却系统的工艺计算 传热学的基本原理与计算公式应用到注塑模的冷却系统的计算，需了解塑料材 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 料和金属材料的热性能，需结合注塑工艺和模具结构，经过一些具体且可行的方法， 才能获得工程应用所允许的近似结果。应用计算机和冷却系统软件作模具冷却的模 拟，可获得较为精确的计算结果。传统的计算方法包括注塑冷却时间的计算，冷却 管道的简略计算和详细计算。 沁滁淞测i 互三粼蕊搽渊j 图2 1 i 螺旋式冷却回路 f i 啦1 lh e l i xc o o ll o o p 2 4 1 冷却时间的计算 注塑过程中塑件熔体冷却时间，通常是指塑料熔体从充满模具型腔起，到可以 开模取出塑件为止的时间。可以开模取出塑件的时间，常以塑件已充分凝固，具有 一定强度和刚度，在开模推出时不致变形开裂为准。目前主要有三种衡量制品己充分 固化的准则： 对于无定形塑料，制品最大壁厚中心部分的温度己冷却到该种塑料的热变形 温度以下； 对于无定形塑料，制品截面内的平均温度已达到所规定的制品的出模温度： 对于结晶形塑料，最大壁厚的中心层温度达到固熔点，或者结晶度达到某一 个百分比。 目前，借助于简化公式或者经验公式对冷却时间作计算。对于上述的第一条和 第二条准则，可假定制品的温度只沿着模壁的方向传递，即简化为一维非稳态无内 热源导热问题，由此建立一维导热微分方程为 o ta 2 t 瓦刮一砑 ( 2 4 ) 求解式( 2 4 ) ，便可得到冷却时间的解析表达式。第三条准则中的冷却时间计 算公式则依靠经验获得。 制品最大壁厚中心部分的温度达到热变形温度时需要的冷却时间为 1 3 重庆大学硕士学位论文2 冷却系统设计 铲去n 以鲁) 汜s ， 式中，s 为制品的壁厚( 舢) ：a ，为塑料热扩散率( m m 2 s ) ；t 。为塑料注射温度( ) ； t 。为模具温度( 口c ) ； 为塑料的热变形温度( ) 。 制品截面内的平均温度达到所规定的制品的出模温度时所需要的冷却时间为 铲荔s _ l 。h 罡( 慧 汜e ， 式中，t ，为截面内平均温度( ) ，其它符号的含义同式( 2 5 ) 。 结晶形塑料制品的最大壁厚中心层温度达到固熔点时所需要的冷却时间。 1 ) 聚乙烯，适用范围t 。= ( 1 9 3 3 2 4 8 9 ) ，t 。= ( 4 4 7 9 4 ) 。 棒一_ 1 2 3 9 6 ( 器) 板：r ：7 9 9 8 日z 正型) 、1 8 5 6 一f ，。 2 ) 聚丙烯，适用范围f 。= ( 2 3 2 3 2 8 2 2 ) ，t 。= ( 4 4 7 9 4 ) 。 棒：f ：6 5 6 6 r ：( 垒兰竺! ) 、2 2 3 9 一f 。 板f _ 3 7 8 5 矿( 基等) 3 ) 聚甲醛，适用范围厶 1 9 0 c ，( 1 2 5 。c 。 棒一硼脚印麓等， 板：f ：3 6 2 7 h ：( 生! 型) 、1 5 7 8 一t 以上各式中，r 为棒状塑件半径( 衄) ；h 为板状塑件厚度( 衄) 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 4 2 冷却回路的简易计算 如果忽略模具因空气对流，热辐射以及与注射机接触所散发的热量，则模具 冷却时所需冷却介质的体积流量q 为 g ：县 ( 2 1 3 )q 2 7 _ = 、( z 3 ) p c i ( , t 1 一t 2j 式中，q 为冷却介质的体积流量( m 3 r a i n ) ； w 为单位时间内注入模具中的塑料重量( k g m i n ) ； q 1 为单位重量的塑料制品在凝固时所放出的热量( k j k g ) ； 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 p 为冷却介质的密度( k g m3 ) ； c 。为冷却介质的比热容( k j ( k g ) ) t ，为冷却介质的出口温度( ) ； t ，为冷却介质的进口温度( ) ； 其中q l 可表示为 q 1 = c 2 也一t 4 ) + “】 式中，c ，为塑料的比热容( k j k g ) ： ( 2 1 4 ) f 3 与f 。分别为塑料熔体的温度和推出前制品的温度； u 为结晶形塑料的熔化潜热( k j k g ) ； 当求出冷却水的体积流量q 后，便可根据冷却水处于湍流状态下的流速v 与 管道直径d 的关系，确定模具冷却水管的直径d ，见表2 1 。 表2 1 冷却水的稳定湍流速度与流量 t a b l e 2 1s t a b l eo n f l o tv e l o c i t ya n df l u xo fc o o lw a t e r 冷却通道直径最低流速v流量q d ( 珊)( m s ) 81 6 65 o e 0 0 3 1 01 3 26 2 e - 0 0 3 1 21 1 0 7 4 e 一0 0 3 1 50 8 79 2 e - 0 0 3 2 0o 6 61 2 4 e - 0 0 3 2 50 5 31 5 5 e - 0 0 3 3 00 4 41 8 7 e - 0 0 3 流量在表中两个数值之间时，选管道直径小者。 求冷却水在管道内的流速 4 - 口= 2 ”2 材2 求冷却管道的传热面积a a ：6 0 w g _ _ _ _ a 式中w ，q 1 同上： 出为模温与冷却介质温度之间的平均温差( ) 。 h 为冷却管壁与冷却介质的换热系数( i d ( r a 。 ) ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 重庆大学硕士学位论文2 冷却系统设计 其中， ：4 1 8 _ 7 f 百( p v ) 。 8 又厂：0 2 删，1 8 7 z ) 0 彳堡垒 ” l “ 为冷却介质的热导率( k j ( m h ) ) ； u 为冷却介质的粘度( p a s ) ： 冷却管道的孑l 数r l a 肛磊 l 为冷却管道开设方向上模具长度或宽度( m ) 。其它同上。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 2 4 3 冷却回路的详细计算 在一般的注射模冷却管道设计中，采用简易计算已够。但是对于精密和复杂的 大型注射模，就有必要全面地考察冷却过程的影响因素，进行较为深入的设计计算。 单位时间里型腔内的总热量q ( k j h ) q _ w 9 1 = n g q l ( 2 2 0 ) n 为每小时注射次数；g 为每次塑料的重量( k g ) ；w ，q 1 同上。 通过自然冷却所散发的热量q c ，级，骁 1 ) 由对流所散发的热量q c ( k j h ) q c = 4 1 8 7 卜+ i 3 + 3 0 6 0 旷a k _ f 0 筘 ( 2 _ z 1 ) 式中，f ：。为模具平均温度；t o 为室温；a m 为模具表面积( 脚2 ) ； 4 。除了模具暴露在空气中的四个侧表面积外，还应包括动模和定模两个分型面的表 面积，由于只有在开模状态下，动模、定模两个分型面才会散发热量，故有 a 。- - n 彳。l + a 。2 r i ( 2 2 2 ) 式中，a 。为模具的四个侧表面积；a 。：为模具两个分型面表面积之和；r 。为开模 率。 玎；! 二虹= 型 ( 2 2 3 ) t 式中，f 为注射成型周期( s ) ；q 为注射时间，f ：为冷却时间( s ) 。 2 ) 由辐射所散发的热量幺( k j h ) ”2 0 s 厶g i ( 警 4 _ ( 等) 4 像z a ， 重庆大学硕士学位论文 2 冷却系统设计 式中，4 。，为四侧表面积：为辐射率，磨光表面e = o 0 4 o 0 5 ，一般加工面e = 0 8 0 o 9 0 。 3 ) 向注射机台传递的热量q l ( k j h ) 眈= 2 4 。3 0 2 。一f o ) ( 2 2 5 ) 式中，h ：为传热系数a ( m 2 h ) ；一。3 为模具与工作台接触面积，其它同上。 由冷却管道带走的热量q ： 从以上分析可知，冷却液应从模具中带走的热量为 q 2 = q 一( q c + 绋+ q ) ( 2 2 6 ) 根据模具的工作实际，q 2 应由凹模冷却系统携走热量q 2 。和凸模冷却液携走热量 q 2 。所组成 q 2 = q 2 x4 - q 2 g ( 2 2 7 ) 至于q ，。和q 2 。分配，理论上则需以塑件壁厚的中性面作为凹模和凸模分界面，分 别计算凹模和凸模所承担固化的塑料重量，从而计算出传导进凹模和凸