注塑模具冷却系统设计原则与Moldflow教学内容

注塑模具冷却系统设计原则与Moldflow冷却系统设计的重要性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2023/2/73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2023/2/74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优化的，改善冷却行为可以显着地减小冷却时间。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着减小循环时间和生产成本。andPacking冷却系统设计的重要性2023/2/75冷却系统的构成及类型冷却系统的构成冷却系统的构成及类型2023/2/77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2023/2/78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2023/2/79冷却水路的基本形式圆形弯管方形弯管冷却系统的构成及类型2023/2/710冷却水路的基本形式挡板(Baffle)喷泉(Bubbler)冷却系统的构成及类型2023/2/711冷却水路的基本形式吸热管(ThermalPin)冷却系统的构成及类型2023/2/712冷却理论分析热量在注射成型中的传递热量由熔融塑料带入热量从冷却水路传入或传出辐射散热对流散热热量散失到模板上冷却理论分析2023/2/714从塑料到模穴壁的热传导影响冷却系统性能的参数模具材料热特性比热导热性料温和模温之间的温度梯度塑料和模穴壁之间接触的质量确信良好的接触冷却理论分析2023/2/715从模穴壁到水管壁的热传导影响冷却系统性能的参数模具材料热特性比热导热性冷却水管和塑料表面的距离均匀冷却与快速冷却的折中料温和水温之间的温度梯度冷却理论分析2023/2/716从水管壁到冷却介质的热传导影响冷却系统性能的参数冷却液紊乱程度确信达到紊流状态，但亦不宜过大冷却液进口温度冷却液的性质冷却液的流速冷却理论分析2023/2/717典型模具材料的热特性冷却理论分析2023/2/718冷却液流动与雷诺数雷诺数定义：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。冷却理论分析2023/2/719冷却液流动率与热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析2023/2/720冷却液流动率与热量流动率冷却理论分析2023/2/721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析2023/2/722冷却时间的方程式冷却时间：

理论上，冷却时间与最大产品厚度的平方或最大流道直径的幂的1.6次成正比，也就是——这里熔融塑料的热扩散系数(thermaldiffusivity)定义为：

或冷却理论分析2023/2/723冷却时间与模温增加模温，冷却时间延长厚2mm、长200mm的产品，以推荐的料温及1秒时间注射冷却理论分析2023/2/724冷却与翘曲当塑料接触到模具时，一边是冷的，另一边是热的，不同的冷却便发生了。热的一边要比较长的时间冷却和收缩（收缩大），而导致热的一边象弓一样弯曲。

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2023/2/725热量聚积热量聚积在角落处，使得角落收缩变形而小于90度，造成典型的盒状弓形翘曲。

热集中在公模的角落热的角落(相对于凝固部分的收缩，引起翘曲)Cavity冷Core热冷却理论分析2023/2/726差动结晶不平均的壁厚将导致不同的冷却速率。需更长时间冷却的区域将有更高的结晶度，这叫做差动结晶(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2023/2/727冷却水路设计要点冷却系统设计目标冷却系统的设计经常受到模穴的几何形状、分模线、滑块和顶针的限制，因此不能僵硬地给出理想分布的设计指南。模具设计者的目标应该是综合考虑各方面因素，设计一个良好的冷却系统，它会：均匀地冷却产品减少循环周期时间冷却水路设计要点2023/2/729冷却水路设置要使冷却效果均匀靠近热量较多处远离热量较少处冷却水路设计要点2023/2/730水路尺寸及排放位置冷却水管的直径优先采用大于8mm，各个水管的直径应尽量一致，避免冷却液的流速不均产生压力损失。无论多大的模具，水管的直径都不能大于14mm，否则冷却水流难以形成紊流状况。冷却水路设计要点2023/2/731冷却水路的长度对于中大型模具，进出水口的温差很大会影响冷却效果。从冷却均匀性考虑，进出口温差一般控制在5℃以下；对于精密成型模具，则要控制在2-3℃以下，每条水路长度在1.2-1.5m以下。增加一条冷却水管的长度会增加热传导的面积。在这个原则上图B会比图A好，然而长的水路可能会产生一些问题，例如压力降增加，沿长度方向温度升高过多。为了避免这些问题，很长的水路应该分成两条或更多短的水路，如图C所示。CInOutInOutAInOutBInOut冷却水路设计要点2023/2/732采用Baffle或Bubbler在一个冷却管道内任何冷却液的方向改变会增加紊乱度，因此在转弯后热传导的能力会增加。挡板和喷泉都会增大紊乱度，是由于在流动系统中固有转弯和它们的几何形状能够在受限制区进行冷却，因此加强了冷却效果。冷却水路设计要点2023/2/733采用串联Baffle在多型芯中采用串联挡板水路时，散热不佳：INOUTPoor!PinBlade冷却水路设计要点2023/2/734采用串联Bubbler应采用串联喷泉水路，以助于散热：INCorrect!OUTPinTube冷却水路设计要点2023/2/735结合Moldflow分析的设计案例一个方框形产品对这种方框形产品，最大的品质问题应该是翘曲变形，而进浇位置与冷却水路设计对产品品质有着较大的影响。结合Moldflow分析的设计案例2023/2/737产品的尺寸与所选用的塑料塑胶材料：

ABS/PCCYCOLOYC2950GEUSA

最大外型尺寸31425132平均肉厚为1.6mm结合Moldflow分析的设计案例2023/2/738MPA分析寻找合适进浇点先以MoldflowPartAdviser快速充填分析寻找合适的进浇点。当用两点进浇时，充填压力太大，且塑胶流动路径太长，故不采用。结合Moldflow分析的设计案例2023/2/739MPI分析寻找合适进浇形式决定采用四点进浇，有以下两种方案，以MoldflowPlasticsInsight分析寻找合适的进浇位置及流道排布。Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/740MPI快速充填分析结果MPI快速充填分析表明两种方案均能达到流动平衡，Case2充填压力较大，但还不知何种方案的翘曲变形量更小，故需用MPI进一步分析比较。Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/741方案比较两种方案均采用潜伏式浇口，从扁销上进浇。采用相同的水路设计，设定相同的冷却条件进行分析比较。潜伏式浇口原始冷却水路设计结合Moldflow分析的设计案例2023/2/742Case1&Case2充填状况比较FillTime(sec)

0.891.01Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/743Case1&Case2充填压力比较InjectionPressure(MPa)

120.9129.2Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/744Case1&Case2波前温度比较FlowFrontTemperature(deg.C)

266.2~280.6271.1~279.7Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/745Case1&Case2X向变形比较DeflectionX(mm)

0.430.430.860.530.531.06Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/7460.280.31Case1&Case2Z向变形比较DeflectionZ(mm)

0.280.31Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例2023/2/747初步结论相比较而言，Case1的翘曲变形较小，注射压力也较小，因此我们采取Case1的进浇位置及流道排布进行模具设计。结合Moldflow分析的设计案例2023/2/748水路设变但从翘曲分析结果得知，Case1的翘曲变形量仍较大，其中X方向往外张，可否将其再减小?我们变更了冷却水路设计，再设定相同的冷却条件进行分析比较。设变的冷却水路试图使用母模水路矫正产品的变形。设变冷却水路(Case3)原始冷却水路(Case1)结合Moldflow分析的设计案例2023/2/749Case1&Case3冷却水温比较CoolantTemperature(deg.C)

65~65.165~65.4Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/750Case1&Case3公母模温差比较TemperatureDifference(deg.C)

2.4~-5.960.36~-6.57Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/751Case1&Case3充填状况比较FillTime(sec)

0.890.89Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/752Case1&Case3充填压力比较InjectionPressure(MPa)

120.9120.9Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/753Case1&Case3波前温度比较FlowFrontTemperature(deg.C)266.2~280.6266.2~280.6Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/7540.430.430.320.32Case1&Case3X向变形比较DeflectionX(mm)

0.860.64Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/7550.280.24Case1&Case3Z向变形比较DeflectionZ(mm)

0.28Case10.24Case3结合Moldflow分析的设计案例2023/2/756翘曲变形状况将翘曲变形量放大10倍

X向(外张)Z向(上翘)结合Moldflow分析的设计案例2023/2/757矫正翘曲变形设变的冷却水路除了起到均匀冷却作用外，还要起到矫正翘曲变形的作用。通过改变成型条件，特别是改变冷却水温来进一步减小翘曲变形。不过，该改变哪一条水路的水温才好呢？结合Moldflow分析的设计案例2023/2/758设变成型条件Case4冷却水温保压曲线T(sec)P(MPa)901.53.513.50结合Moldflow分析的设计案例2023/2/759Case3&Case4冷却水温比较CoolantTemperature(deg.C)65~65.450~65.1Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例2023/2/760Case3&Case4公母模温差比较TemperatureDifference(deg.C)

0.36~-6.80.77~-12.4Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例2023/2/761Case3&Case4充填状况比较FillTime(sec)

0.890.89Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例2023/2/762Case3&Case4充填压力比较In