【计算机模具设计】第四章-冷却系统PPT课件.ppt

第四章模具温度调节系统设计 一概述注塑成型的过程 是将温度较高的熔融塑料 通过高压注射进入温度较低的模具中 经过冷却固化 从而得到所需要的制品 首先 从提高生产效率的角度来看 成型过程中的成型周期是一个非常重要的环节 由于在整个成型周期中50 60 的时间用于对制品的冷却 1 温度调节系统设计 注塑模不仅是塑料熔体的成型设备 而且还是热交换器 模具温度调节系统直接关系塑料件的质量和生产效率 是注塑模设计的核心内容之一 大型注塑模具的冷却系统设计尤其重要 计算也较为复杂 对于大多数较低模温的塑料注射 仅设置模具冷却系统 但对于模温超过80 的塑料 以及大型模具需要设置加热装置 2 1温度调节系统的作用 高温塑料熔体在模腔内凝固时将释放热量 注塑模存在一个合适的模具温度 模温调节系统是使整个成型型腔 在整个批量生产中保持这个合适温度 3 1 对制品质量的影响 模温的波动及分布不均匀 和模温的不合适这两方面会使塑料制品质量变坏 a 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 甚至出现尺寸误差过大的废品 这对成型收缩率较大的结晶型塑料影响更为明显 4 b 内应力 模具型腔温度分布的不均匀 如模具型芯壁和型腔壁有明显的过大温差 会导致塑料件厚度截面上残余应力分布的不均匀 固化后塑料件会出现变形翘曲 塑料件中局部范围残余应力过大会引起裂纹和开裂 5 c 表面质量 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 提高模温有利于模型内聚合物的结晶过程 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 提高模温是会延长冷却时间和注塑周期 也会使脱模温度过高 使塑料件在脱模中受到损伤 6 2 对生产效率的影响 冷却时间在整个注塑周期中占50 80 的时间 在保证塑料件质量前提下 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充的冷却效率 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仅占5 30 热量大部分由冷却水携走 缩短冷却时间途径有三个方面 7 a 湍流状态 让冷却水处于湍流状态模具冷却管道中冷却水应处于高速湍流状态 流速v 0 5 1m s 甚至更高 雷诺数Re 4000 使冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热系数a提高 资料表明 湍流流体在Re 104时 其传热能力比层流高10 20倍 8 b 温差 扩大模具与冷却水的温差在模温一定时 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 9 C 传热面积 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 冷却孔道壁与成型零件间钢材的压塌现象 10 模具预热 对于大型注塑模 为提高制件的合格率 在开机前必须将模具预热到适宜温度 例如要把5t重的模具从室温20 升高到合适的模温60 四个小时 近半吨的原料 11 2 模具冷却系统 包括 冷却水道 模具温度控制器在设计冷却系统时 应从以下原则考虑A冷却水道尽可能设置在靠近型腔B冷却水道应安排得尽量紧密 C 冷却水道的直径应优先采用大于8mm 并且各个水道的直径应尽量相同D对于中 大型模具 可将冷却水道分成几个独立的回路来增大冷却液的流量 E流动状态以湍流为佳F充分考虑所用的模具材料的热传导率 12 13 14 15 2 模具冷却系统设置设计准则 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 并要首先保证型芯的冷却 通常对凹模和型芯采用两条回路 减小型芯壁与型腔壁之间的温度差是很重要的 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 模温波动不超过士2 5 精密注射时模温误差在土1 之内 并采用缓冷方法 保证制品尺寸精度和质量 16 17 18 管道作串联布置 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 冷却管道总长总在15m以下 弯头数目不要超过15个 出水温度与进水温度相差愈大 说明模具内温度愈不均匀 精密注射的模具 此两者温度差限制在2 之内 一般模具也应在5 左右 管道作串联布置 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温差大 多路并联冷却 冷却效果好 但需控制好各路的流量和水温的一致性 19 20 21 管道直径经湍流计算确定 管径一般取d 8 25mm 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 22 23 冷却管道布置 冷却管道布置应以均匀为前提 如图所示 水孔壁与型腔壁通常的间距h 1 5 3d 孔壁之间间距b 2 5 4d 均匀布置后 按需要作局部调整 过大间距会使模温不均匀 间距的过小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 24 25 局部加强冷却 注塑模的浇注系统 如主流道的末端等处需加强冷却 可利用较冷的进水 塑料制品局部的厚壁及转角等处 需减小间距h和b 强化冷却 在塑料熔流末端 特别是熔合缝的汇合处 冷却孔道应远离 26 模具材料 从冷却效果来选取模具材料 常用模具钢的热导率均较低 合碳量和含铬量越高的钢种导热性愈差 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 还会导致型腔表面硬度下降 铍铜合金导热性和热稳定性好 且可获得较高硬度 如我国铍铜ZCUBe2经时效处理后 硬度可达HRC49 比热容是1 89kJ kg C 27 28 2 管道回路的布置 凹模管道回路a 外接直通式图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 29 b平面回路式 是凹模板的内平面上的管道整体布置 管道加工后必须用孔塞和挡板来控制冷却液流动 它适合各种较浅的 特别是圆形的型腔 对长宽比很大的矩形型腔 也可采用左右两回路的平衡布置 挡板的安装应便于从模外直接拆卸 修理更换方便 30 31 32 C 多层回路式 对深腔的凹模 冷却管道应采用多层的立体布置 布置成曲折的Y形 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 对大型模具会造成流程过长而冷却不均匀 还有一种带有密封环的冷却板 板上铣有冷却槽 用四块紧固于模具侧面 每板均有一对出人口 检修很方便 但成本较高 33 矩形嵌入凹模 先对嵌人凹模作单层或多层回路布置 尽可能只有一对出人 然后设计水源的连接 是用延伸式管接头 穿过模板直接连接在嵌入芯模上 该嵌入芯模倘若拆卸 会损伤接头 必须有O形圈密封 也有将圆铜管埋在嵌件与模板之间 为保证嵌件凹模与铜管间有效接触面积 可用低熔点合金把铜管四周空隙填满 34 圆柱嵌入凹模 圆柱嵌入凹模可利用圆柱体上开出的环形沟槽 嵌人模板后形成矩形冷却管道 必须在沟槽的上下方装人O形圈密封 一模多腔的模具中 直线布置的型腔可通过设在模板上的孔道相连 多个嵌件的冷却沟相连有困难时 可在模板上开沟槽 但其冷却效果不如前者 35 型芯管道口路 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置沟槽 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布置方法 36 37 38 a 隔板式 用于单个圆柱高型芯 在型芯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一回路 此方法也可用于多个小直径的圆柱型芯 用串接管路方法 可适用于窄长的矩形高型芯 有用于大直径的高型芯 39 40 b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 低温的进水直接作用于型芯的最高部位 对于位于中心的浇口 冷却效果好 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 41 42 C 螺旋式 大直径的圆柱高型芯 在心柱表面车制螺旋沟槽 压人型芯的内孔中 冷却水从中心孔引向心柱顶端 经螺旋回路从底部流出 心往使型芯有较好剧性 较薄的型芯壁改善了冷却效果 只是加工较复杂 对于直径5mm左右的细长型芯 可用紫铜或被铜芯棒压配在型芯的中央小孔中 用冷却水冲冷该导热芯棒的根部 43 44 45 46 4 冷却水管与模具的连接 水嘴最好装在注射机的背后 即注射机操作人的另一侧 冷却水道的水嘴最好不要设置在模具顶端和底面不能相互靠得太近 47 冷却水道的水嘴在模具中的正确位置 48 冷却水道常用的水嘴 普通模具水嘴 49 快速安装水嘴 50 5 冷却系统的简略计算 对于大多数中小型注塑模具的水冷却系统 必须计算冷却传热面积 确定冷却水温度和流量 尽管作了一些简略的计算处理 但由于遵循了模具注塑过程热平衡和冷却水湍流动的两大原则 计算方法和结果是可行的 51 52 A 热平衡计算 冷却装置的计算就是计算模具的冷却面积 计算冷却分布造成的不同温度分布 以便设计冷却回路 求得恰当的冷却管道直径和长度 满足冷却要求 塑料每小时所放出的热量为Qin imp inmgQin一一熔融塑料每小时所放出的热量 J h n 每小时的注射次数 mg 一每次注射的塑料量kg i一每kg塑料熔体凝固时放出的热焓量 kJ kg 53 54 冷却水带走的Qout Qout 冷却水每小时从模具携走热量 KJ hmw 冷却水每小时用量 kg hCw 冷却水比热容 4 187kJ kg tout 模具的出水温度 tin 进人模具的冷却水温度 55 5 热平衡 Mw 冷却水每小时用量 kg h 56 2 湍流计算 经计算保证冷却水在管道中处于湍流状态 从而获得冷却水的体积流量V 并确定相应的管径d 由水的密度p 1000kg m3和每小时用水量mw 可换算得冷却水的体积流量 57 圆管中湍流的雷诺数Re的计算式 式中V 管中的最低流速u 粘度可由式计算得流量V后 直接查表 得温度10C时保证雷诺数R 104以上的管道直径d 58 3 冷却面积计算 进一步确定能保证冷却效率的冷却管道长度和孔数 由冷却定律 冷却水从模具中带走的热量为 式中tm 模具温度 tcp 冷却水的平均温度 C t 模具与冷却水的平均温度差 a 冷却水的管壁传热系数 kJ m h C A 管道的有效冷却面积 m 59 长径比