模具设计与制造实训_9-50.ppt

1/50,第9章冷却系统设计,一、冷却系统设计原则和步骤二、MoldWizard水道设计三、模具设计实例四、知识拓展,2/50,一、冷却系统设计原则和步骤模具温度调节对塑件质量的有重要影响。模具温度不仅影响塑件的尺寸精度、形状精度和力学性能，还直接影响塑件的表面质量。一般来说，模具的冷却时间约占整个注射周期的2/3，因此需要合理地进行模具的冷却系统设计，以便缩短成型周期中的冷却时间，这是提高生产效率的关键。1.冷却系统的设计原则(1)冷却回路的设计应与脱模机构保持协调，避免相互影响。在模具设计时冷却系统的布置一般应先于脱模机构，以保证冷却系统的设计质量。,3/50,(2)冷却水道应尽量多、截面尺寸应尽量大、距离型腔表面尽量相等型腔表面的温度与冷却水道的数量、截面尺寸及冷却水的温度有关。图示在冷却水道数量和尺寸不同的条件下通入45（图a）和59.83（图b）的冷却水后，模具内的温度分布情况。可见，冷却水道越多、截面尺寸越大，则模具温度分布越均匀。设计时需要合理地确定冷却水道的直径中心距以及与型腔壁的距离。一般冷却水道中心线与型腔壁的距离为冷却水道直径的1倍2倍，冷却水道中心距约为水道直径的3倍5倍。冷却水道至型腔表面的距离应尽量相等。,4/50,(3)浇口处加强冷却图示分别为侧浇口（图a）、多点浇口（图b）和直接浇口（图c）的冷却水道的排布形式示意图。,5/50,(4)冷却水道出、入口温差应尽量小如果冷却水道较长，则冷却水出、入口的温差就比较大，易使模温不均匀，所以在设计时应引起注意。图b的形式比图a的形式好，降低了出、入口冷却水的温差，提高了冷却效果。一般来说，精密模具的进出水温差应在2C内，普通模具不应超过5C。,6/50,(5)冷却水道应沿着塑料收缩的方向设置对收缩率较大的塑料，例如聚乙烯，冷却水道应尽量沿着塑料收缩的方向设置。图示是方形塑件采用中心浇口（直接浇口）的冷却水道，冷却水道从浇口处开始，以方环状向外扩展。,7/50,(6)冷却水道应避免开设在塑件熔接痕处，并注意干涉及密封等问题冷却水道不应穿过镶件，以免在接缝处漏水，如需通过镶件时，应加设管套密封或加密封圈。(7)冷却水道应便于加工和清理为便于加工和操作，进出水管接头应尽量设在模具同一侧，并设在注射机背面，同时水管接头处应密封，以免漏水。,8/50,2.冷却系统的设计步骤冷却系统的设计是一项比较烦琐的工作，既要考虑效果及冷却的均匀性，又要考虑冷却系统对模具整体结构的影响。冷却系统的设计包括以下内容：1)冷却系统的排列方式及冷却系统的具体确定2)冷却系统的具体位置及尺寸的确定3)重点部位如动模型芯或镶件的冷却4)侧滑块及侧型芯的冷却5)冷却元件的设计及冷却标准元件的选用6)密封结构的设计在冷却系统的设计过程中，冷却水道的尺寸和数目是难点，完全凭经验设计冷却水道，通过调节水的流量和水温来调节模具的温度是不够的。以下是简便易行的冷却水道计算方法，供模具设计人员参考。,9/50,冷却水道的计算过程如下：(1)计算单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1（kJ/kg）其中，c2塑料的比热容kJ/（kgC），查表；3塑料熔体的初始温度（C），一般比喷射温度低10C；4塑件在推出时的温度（C），一般等于模温；结晶型塑料的熔化质量焓（kJ/kg），查表。,10/50,(2)求冷却水的体积流量qv（m3/min）塑料熔体具有的热量通过辐射、对流约有5%扩散到空气中，而95%由模具传导，假设熔体带入的热量全部由模具传导：其中，W单位时间（每分钟）内注入模具中的塑料熔体重量（kg/min）；Q1单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量（kJ/kg）；冷却水的密度（kg/m3）；c1冷却水的比热容kJ/（kgC）；1冷却水入口温度（C）；2冷却水出口温度（C）。,11/50,(3)查表使冷却水处于紊流状态，取d按照流动理论，当水温在20C时，反映粘性流体受迫流动状态的雷诺数Re4000时才能形成紊流，这样可以增强散热效果。相反，当Re2300时为层流，散热效果较紊流降低约三倍。(4)求冷却水在水道内的流速v（m/s）冷却水在圆管中的流速为：其中，qv冷却水的体积流量（m3/s）；d冷却水道的直径（m）。,12/50,(5)求冷却水道孔壁与冷却介质直接传热系数hkJ/（m2hC）在忽略辐射、对流等自然冷却散热的情况下，孔壁与冷却水之间的传热膜系数h为：其中，t冷却水的平均温度（C）；v冷却水在圆管中的平均流速（m/s），v0.87可查表；d冷却水道的直径（m），d0.13可查表。,13/50,(6)求冷却水道总传热面积A其中，W单位时间内注入模具中的塑料熔体重量（kg/min）；Q1单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量（kJ/kg）；h冷却水道孔壁与冷却水之间的传热膜系数kJ/（kgC）；模具温度与冷却水温度之间的平均温差（C）。(7)求模具上应开设的冷却水道的长度L（m）其中，A冷却水道总传热面积（m2）；d冷却水道的直径（m）。,14/50,二、MoldWizard水道设计MoldWizard提供了多种冷却标准件，包括【COOLINGHOLE】(水道)、【PIPEPLUG】（水道堵头）、【CONNECTORPLUG】（水嘴）、【BUFFLE】（水道分隔片）、【O-RING】（O型密封圈）等。【水道】包括自定义水道和水道标准件。如果【水道】默认设置中没有自定义水道功能，单击【文件】/【实用工具】/【用户默认设置】，按照图示修改默认设置，修改完毕后重新启动UG，即可打开自定义水道功能。,15/50,1.水道单击【水道】，在【分类】下拉列表框中选择COOLINGHOLE选项，部件列表区域显示水道，如图所示。可以在【选项】栏选择水道的直径。对于盲孔，水道的长度包括HOLE_1_DEPTH和HOLE_2_DEPTH，HOLE_2_DEPTH是预钻孔的长度，HOLE_1_DEPTH是水道的长度。对于通孔，为了便于设置密封圈、水道堵头等标准件，水道最好在两侧同时设置，此时水道长度为贯通板长度的一半。,16/50,2.水道堵头在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择PIPEPLUG选项，部件列表区域显示水道堵头，如图所示。水道堵头一般设置在定模型腔和动模型芯内，用于堵塞水道的一端或两端。插入水道堵头有两种方法：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择PIPEPLUG选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。,17/50,3.水道分隔片在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择BUFFLE选项，部件列表区域显示水道分隔片。水道分隔片一般用于深型腔塑件模具，设置在动模型芯内，其中，隔板与孔的配合要求紧，否则隔板容易转动而达不到设计目的。插入水道分隔片的方法有两种：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择BUFFLE选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。,18/50,4.水嘴在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择CONNECTORPLUG选项，部件列表区域显示水嘴，如图所示。水嘴的作用是将冷却水道与冷却水管快速连接，其内径按照冷却水路直径选取。插入水嘴有两种方法：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择CONNECTORPLUG选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。,19/50,5.O型密封圈在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择O-RING选项，部件列表区域显示O型密封圈。O型密封圈一般用于定模型腔和定模板之间的水道密封，或者动模型芯和动模板之间的水道密封。O型密封圈的内径要大于水道的直径。插入O型密封圈的方法有两种：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择O-RING选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。,20/50,6.冷却样式在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择COOLINGPATTERN选项，部件列表区域显示冷却样式。冷却样式将一种常用的冷却系统做成了一个装配模块，用户只要选择水道的直径和水道区域范围，即可一次性插入一个完整的冷却系统。冷却系统包括一个进水管和一个出水管，进、出水嘴的位置由【参数】inlet_position控制。inlet_position对应的水嘴位置如下：1右侧下面（图a所示）；2右侧上面（图b所示）；3后侧右边；4后侧左边；5左侧上边；6左侧下边；7前侧左边；8前侧右边。,21/50,三、模具设计实例1.数码相机盖冷却系统设计本节进行数码相机盖模具的冷却系统设计。根据塑件和模架尺寸参数确定模具的冷却系统，包括冷却水道的形式、位置和主要参数，并在MoldWizard里完成数码相机盖模具的冷却水道设计。（1）冷却水道的尺寸计算1)计算单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1（kJ/kg）其中，ABS的比热容c2=1.68kJ/（kgC）（查表），ABS熔体的初始温度3=170C，塑件在推出时的温度4=60C，ABS的熔化质量焓=0kJ/kg（查表）。,22/50,2)求冷却水的体积流量qv（m3/min）其中，ABS的注塑成型周期为40s70s，取s=40s，数码相机盖塑件与凝料重量为25.6g，因此每分钟注入模具中的塑料熔体重量W=25.660/40=38.4(g/min)=0.0384kg/min，单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1=185kJ/kg，冷却水的密度=1000kg/m3，25C冷却水的比热容c1=4.178kJ/（kgC），数码相机盖模具属于较精密模具，冷却水入口温度1与冷却水出口温度2之差控制在3C左右。3)查表使冷却水处于紊流状态，取d一般来说，如果时，冷却水道的直径取8mm。对于数码相机盖模具，qv=5.67X10-4m3/min=34kg/h4000时才能形成紊流，这样可以增强散热效果。相反，当Re2300时为层流，散热效果较紊流降低约三倍。查表可知，冷却水道的直径为0.008m时，为使冷却水形成紊流，v=0.66m/s。,24/50,5)求冷却水道孔壁与冷却介质直接传热系数h孔壁与冷却水之间的传热膜系数h计算公式：其中，冷却水平均温度t=25C，冷却水在圆管中的平均流速v=0.66m/s，冷却水道的直径d=0.008m，查表，v0.87=0.7，d0.13=0.534。6)求冷却水道总传热面积A（m2）其中，单位时间内注入模具中的塑料熔体重量W=0.0384kg/min，单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1=185kJ/kg，冷却水道孔壁与冷却水之间的传热膜系数h=13244kJ/（kgC），模具温度与冷却水温度之间的平均温差=50-25=25C。,25/50,7)求模具上应开设的冷却水道的长度L(m)其中，冷却水道总传热面积A=0.00129m2，冷却水道的直径d=0.008m。综上所述，数码相机盖模具采用8mm的冷却水道，由于塑件重量较轻，冷却水道直径相对较大，流速相对较高，因此冷却水道长度相对较短。水道尺寸的计算是注射模设计中的一个难点，由于在理论方面缺乏精确的热传导分析和热计算基础，以上计算结果只作为设计参考，在实际设计中为了提高冷却效率，对于数码相机盖此类重量较小的塑件，冷却水道的长度一般比理论计算值大一些。,26/50,(2)冷却水道的形式和位置冷却水道的直径和长度确定后，需要进行冷却水道的布局。为了方便设计，一般需要先绘制水道布置简图。图示为数码相机盖模具的冷却水道布置简图。其中，为了使冷却水道出水温度和进水温度之差最小，数码相机盖模具冷却水道沿模板尺寸较短的方向布置。为了加强浇口部位的冷却，进水口设置在离浇口最近的一端。同时，在避免与其他零部件干涉的前提下，冷却水道的布置要尽量均匀，距离模具表面的间隔要尽量一致。由于模具较小，冷却水道相对较大，模具的侧滑块无需额外设置冷却水道。定模型腔和动模型芯是镶嵌结构，冷却水道穿过这些零件时需添加O型密封圈。由图可见，数码相机盖模具的结构比较紧凑，水道布置需避开镶块、固定螺钉、浇口套、拉料杆等零件。预设水道时发现水道与动模/定模固定螺钉距离太近，模具加工时易铣穿水道，造成冷却水泄漏。因此，需要重新调整动模/定模固定螺钉的位置，将动模/定模固定螺钉各向外移2.5mm。UG采用的是参数化设计，修改动模/定模固定螺钉位置后系统会自动更新，自动修改与之相关的模具零部件。修改后的定模和动模的水道布置简图见图。,27/50,28/50,29/50,30/50,（3）创建冷却系统1单击【标准】/【打开】按钮，打开“Example9xmcamera_top_010.prt”。2为便于绘制，利用装配导航器，只显示定模型腔、定模固定板和定模固定螺钉，如图所示。,3在【注塑模向导】工具条中单击【标准件】按钮，按下图所示进行操作，将定模固定螺钉沿XC、YC分别外移2.5mm，为水道流出足够大的空间。重复此步骤，将动模固定螺钉沿XC、YC分别外移2.5mm。,31/50,32/50,4【水道】，创建定模型腔水道。水道完成后，装配导航器里相应地出现1个水道部件（camera_cool_001camera_cool_hole_007）。参照此步骤和定模水道位置图，完成其他定模型腔水道的布置。,33/50,34/50,5【注塑模向导】/【水道】，创建定模型腔水道堵头。,35/50,6【水道】，创建定模型腔水道O型密封圈。密封圈只在水道同时穿过定模型腔和定模板的地方设置，且O型密封圈的内径要大于水道的直径。,36/50,7只显示定模型腔和定模板,【水道】，创建定模板水道。该水道的位置直接由定模型腔水道位置确定。,37/50,8【水道】，创建定模板水嘴。,38/50,9参照步骤48以及动模水道位置图，完成动模型芯与动模板的水道、水道堵头、O型密封圈和水嘴的设计，上图为动模型芯的冷却水道效果图，下图是动模板的冷却水道效果图。,39/50,10【腔体】，利用水道等部件修剪动模型芯、动模板、定模型腔等。,40/50,2.洗衣机面板的水道设计洗衣机面板的型腔较深，其动模的冷却水道设计与普通模具不同，需要设置水道分隔片，这样既增强了冷却水道的冷却效果，又方便了水道的加工与装配。下面讲解洗衣机面板动模的冷却水道设计步骤。,1单击【标准】/【打开】按钮，打开“Example9ex9-1xyj_top_070.prt”。2单击【注塑模向导】工具栏中的【水道】，进入冷却水道标准件设计，按下图示进行操作，创建动模型芯水道，水道直径为16mm。参照此步骤以及动模水道位置，创建其他动模型芯水道。,41/50,42/50,43/50,3【水道】，创建动模型芯分隔片。水道分隔片为HASCO公司的标准件。,44/50,4【水道】，创建动模型芯水道O型密封圈。,45/50,5【水道】，设置动模板水道。其中，水道直径为