华科大塑料成型工艺学课件06模具温度控制系统设计

第六章

模具温度控制系统设计塑料成型工艺及模具设计本章基本内容冷却系统的设计原则冷却系统的结构设计冷却水道的设计加热系统的设计第６章模具温度控制系统

学习目的与要求

1、掌握冷却系统的设计原则

2、掌握冷却系统的结构设计方法及基本装置

3、了解冷却水道的计算方法

4、了解加热系统的加热方式及基本要求

第６章模具温度控制系统

★冷却系统设计原则

★冷却系统的结构设计

★加热系统的设计

本章重点第６章模具温度控制系统本章难点

★冷却系统设计原则★冷却系统的结构设计第６章模具温度控制系统6.1概述6.2冷却系统设计6.3加热系统设计6.4思考与练习第６章模具温度控制系统

模具温度是否合理直接关系到成型塑件的尺寸精度、表观及内在质量，以及塑件的生产效率，因此是模具设计中的一项重要工作。塑料品种不同则对于模具的温度要求也不同。总要求是，使模具温度达到适宜制品成型的工艺条件要求，能通过控温系统的调节，使模腔各个部位上的温度基本相同；在较长时间内，即在生产过程中的每个成型周期中，模具温度应均衡一致。6.1概述

6.2.1模具温度分析

6.2.2冷却系统设计原则

6.2.3冷却系统的结构设计

（一）凹模冷却系统

（二）型芯冷却系统

6.2.4、冷却水道的计算

（一）模具带有冷却系统时的热传行为

（二）冷却水回路数量的计算（三）冷却水在回路中的压力降计算（四）冷却回路计算示例6.2冷却系统设计

模具温度低，熔体流动性差，塑料成型性能差，塑件轮廓不清晰，表面产生明显的银丝、云纹，甚至充不满型腔或形成熔接痕，塑件表面不光泽，缺陷多，机械强度降低。对于热固性塑料，模温过低造成固化程度不足，降低塑件的物理、化学和力学性能。对于热塑性塑料注射成型时，在模温过低，充模速度又不高的情况下，塑件内应力增大，易引起翘曲变形或应力开裂，尤其是粘度大的工程塑料。但在采用允许的低模温时，则有利于减小塑料的成型收缩率，从而提高塑件的尺寸精度，并可缩短成型周期。对于柔性塑料（如聚烯烃等）采用低模温有利于塑件尺寸稳定。

6.2.1模具温度分析

模温过高，成型收缩率大，脱模后塑件变形大，并且易造成溢料和粘模。对于热固性塑料会产生过热导致变色、发脆、强度低等。但对于结晶性塑料，使用高温有利于结晶过程进行，避免在存放和使用过程中，尺寸发生变化。对于粘度大的刚性塑料，使用高模温，可使其应力开裂大大降低。模具温度不均匀，型芯和型腔温度差过大，塑件收缩不均匀，导致塑件翘曲变形，影响塑件的形状及尺寸精度。因此，为保证塑件质量，模温必须适当、稳定、均匀。可见，模温对整个模塑成型过程都有极大的影响。6.2.1模具温度分析

据统计，对于注射模塑，注射时间约占成型周期的5%，冷却时间约占80%，推出（脱模）时间约占15%。可见，模塑周期主要取决于冷却定型时间，而缩短冷却时间，可通过调节塑料和模具的温差。因而在保证塑件质量和成型工艺顺利进行的前提下，通过降低模具温度来缩短冷却时间，是提高生产率的关键。对于模具要求在60℃左右的中型模具，可不设冷却系统。而对大中型模具，尤其是大型模具，必须设计有效、控温合理的功能齐全的冷却系统。表6—1为常用塑料的料温及模具温度。6.2.1模具温度分析

正确地分析与判断模具温度状况，应注意下述各点：（1）塑料的热量与塑料重量成正比。（2）在注射完成时，模腔内的塑料受到高压作用，此时型腔的温度与型芯的温度相同。（3）当塑件为平板状态时，每半模（动、定模）的温度值接近。（4）当塑件壁厚均匀时，在塑件壁厚较厚处模具温度较高。6.2.1模具温度分析

模具的冷却就是将熔融状态的塑料传给模具的热量，尽可能迅速地全部带走，以便塑件冷却定型，并获得最佳质量。

模具的冷却方法有：水冷却、空气冷却和油冷却等，但常用的是水冷却方法。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。

6.2.2冷却系统设计原则

冷却系统的设计原则如下：

1合理地进行冷却水道总体布局

2合理确定冷却水道与型腔表壁的距离

3考虑和利用模具材料的导热性

４应加强浇口处的冷却

５控制冷却水道出、入口处的温度差尽量小

６应使冷却水道中的水呈湍流状态流动

6.2.2冷却系统设计原则

当塑件厚度均匀时，各冷却水孔至型腔表壁的距离最好取作相同，以使塑件冷却均匀，如图6—1a所示。若塑件的壁厚不均，较厚处热量较多，则可采取冷却水道较为靠近厚壁型腔的办法，如图6—1b所示。1、合理地进行冷却水道总体布局6.2.2冷却系统设计原则

图6—2a,b的水孔到型腔的最短距离（垂直距离）相同,但水道数量却不一样,从而型腔热量向冷却源流动的路程彼此不同。如图a所示，开设较多的小孔，通入恒定温度的水，其温度分布均匀，其型腔表面温度变化不大；图b同样的型腔由于水道数量减少，尺寸减小，使型腔表面的冷却温度出现梯度，使冷却不均匀。图6—3为型腔表面到冷却水孔的距离的尺寸关系。合理地距离不仅关系到型腔是否冷却均匀，而且关系到模具的刚度、强度问题。２、合理确定冷却水道与型腔表壁的距离6.2.2冷却系统设计原则

如图表6—2在100℃下，各种材料的传热系数。如图6—4所示，当镶拼成型零件较大或较高时，应该优先考虑将冷却水道直接开设在成型零件上，同时，固定板仍需开设一定数量的水道，以调节整个模具冷却均匀。

3、考虑和利用模具材料的导热性6.2.2冷却系统设计原则

浇口附近温度最高，距浇口愈远温度愈低，因此，浇口附近应加强冷却，通常可使冷水先流经浇口附近，然后再流向浇口远端。见图6—5a、b、c示例。４、应加强浇口处的冷却6.2.2冷却系统设计原则

精密塑件要求该温度差在2℃以内，一般塑件在5℃以内，以避免造成模具表面冷却不均匀。对模具水道有串联式和并联式两种使用方式，例如图6—6所示。５、控制冷却水道出、入口处的温度差尽量小

6.2.2冷却系统设计原则

雷诺数是用以判定水流状态的参数，对于塑料模，雷诺数Re取4000～10000。其校核公式为：６、应使冷却水道中的水呈湍流状态流动6.2.2冷却系统设计原则

d—管道直径；V—平均线速度；η—黏度如图6—7

雷诺准数对热传导的响．

除了上述几项基本原则应遵循外，还应注意以下事项：（１）应避免在制品容易产生熔结痕的部位开设冷却水道；（２）必须注意密封水，防止水流入型腔；（３）当水道发生相贯时，应采取措施使水只可定方向连续流出，避免有水不能流动的死角。水道壁应加工光滑，以使清除水道污垢方便，经较长使用时间后，冷却效果一致。（４）由于凹模与型芯的冷却情况不同，需用两个调温器分别控制各自回路中冷却液的温度、压力、流量和速度。

6.2.2冷却系统设计原则

常见结构如图6—8钻孔式水道系统、6—9所示沟槽式水道系统

6.2.3冷却系统结构设计(一)、凹模冷却系统

设计型芯冷却系统要比设计凹模时复杂得多，需视型芯的粗细高低，镶拼状况，推杆位置等情况灵活地采用不同形式的冷却装置。图6—10所示为大型芯的冷却装置。图6—11所示为隔板式冷却装置。图6—12所示为水管喷流式冷却装置。图6—13a,b,c所示为对细长型芯的冷却装置。图6—14所示冷却侧型芯。6.2.3冷却系统结构设计(二)、型芯冷却系统设计

热传递的三种基本方式：热传导、热辐射和对流传热在设置有冷却系统的模具上均存在，并且是相互伴随，同时对冷却模具产生作用。

6.2.4模具温度控制系统（一）模具带有冷却系统时的热传行为

设塑料传给模具的多余热量为Q，辐射散热量为Qf，模具向安装设备传导的热量为Qs，冷却统带走的热量为Q’，则可建立下式

1.求塑料传给模具的多余热量6.2.4模具温度控制系统2.计算由冷却系统携带出模外的热量Ｑ′

式中G—每小时注射的塑料重量，㎏；

—进入模具时的塑料熔料温度与制品在脱模时的温度之差；

—塑料的比热，kJ/（㎏·℃）,参见表6—3。

—塑料熔解潜热，kJ/㎏，参见表6—3。无定形塑料1.求塑料传给模具的多余热量6.2.4模具温度控制系统式中Ｗ—每小时流经模具的冷却液重量，㎏；

λ—冷却液比热，kJ/（㎏·℃），水的λ=4.186kJ/（㎏.℃）2.计算由冷却系统携带出模外的热量Ｑ′6.2.4模具温度控制系统（1）关于ＷＷ=每小时液体流量×液体比重=水道截面积×液体流速×水流时间（每小时）×液体比重故，求得Ｗ的算术式为

将其代入式（6—5）中，便得到如下公式

式中d—水道孔径，m；Ｖ—水流速度，m/s；

Ｔ—每小时水流持续时间，s/h，若水一直流动，则Ｔ=3600s/h。

ρ—冷却液比重，㎏/m³6.2.4模具温度控制系统6.3.1加热对象6.3.2加热方式6.3.3电加热系统设计6.3.4防止热量散失的方法6.3加热系统设计

6.3.1加热对象

（1）热固性塑料模（2）热流道模的流道板（3）小型塑件的热塑性塑料注射模（4）某些高粘性或结晶性塑料注射模

除了上述在整个生产过程中都需要加热模具的情况之外，有时要求对模具先进行短期加热，然后再冷却，大型热塑性塑料注射模就是如此。

6.3加热系统设计6.3.2加热方式

通常采用的加热方式有两种：

1.电加热式

2.在模具内部通入热介质

对于需要提供足够热能，温度要求较高的模具采用电加热式，例如热固性塑料模、热塑性热流道模的流道板等。也采用热水、过热水或热油加热、蒸汽加热式、而煤气、天燃气燃烧加热的方法一般不太使用。6.3加热系统设计6.3.3电加热系统设计

电加热式具有温度调节范围较大，装置结构简单，安装及维修方便，清洁、无污染等优点。缺点是升温较缓慢，改变温度时有时间滞后效应。

1.电加热系统设计的基本要求

2.电加热装置的形式6.3加热系统设计6.3加热系统设计1.电加热系统设计的基本要求（1）正确合理地布设电热元件。（2）大型模具的电热板，应安装两套控制温度仪表，分别控制调节电热板中央和边缘部位的温度。（3）电热板的中央和边缘部位分别采用不同功率的电热元件，一般模具中央部位电热元件功率较小，边缘部位的电热元件功率较大。（4）加强模具的保温措施，减少热量的传导和热辐射的损失。通常，在模具与压机的上、下压板之间以及模具四周设置石棉隔热板，厚度约为4～6mm。6.3.3电加热系统设计

6.3加热系统设计

2.电加热装置的形式

电加热装置有两大类型：

(1)电阻加热

(2)感应加热

常用的电阻加热装置：

(1)电阻丝直接加热

(2)电热套、电热片加热装置如图6—15(3)电热棒（如图6—16）6.3加热系统设计6.3.3电加热系统设计

⒊电热功率的计算将模温升至工作温度所需的总功率

P—电功率（W）；m—模具重量（kg）;q—每千克模具加热所需的电功率（W/kg）

电热棒的根数n

6.3加热系统设计6.3.4防止热量散失的方法1.减小接触面积法2.空气层隔热法3.安装隔热板隔热法6.3加热系统设计思考与练习1、对模具电加热基本要求有哪些？（答案）２、塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关？（答案）３、塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则？（答案）４、冷却系统设计原则？（答案）电阻加热的基本要求：采用电阻加热时要合理布设电热元件，保证电热元件的功率。如电热元件的功率不足，就不能达到模具的温度：如电热元件功率过大，会使模具加热过快，从而出现局部过热现象，就难于控制模温。要达到模具加热均匀保证符合塑件成型温度的条件，在设计模具电阻加热装置时，必须考虑以下基本要求：ａ、正确合理地布高电热元件ｂ、大型模具的电热板，应安装两套控制温度仪表，分别控制调节电热板中央和边缘部位的温度ｃ、电热板的中央和边缘部分分别采用不同功率的电热元件，一般模具中央部位电热元件功率稍小，边缘部位电热元件功率稍大ｄ、加强模具的保温措施，减少热量的传导和热辐射的损失，通常，在模具与压机的上、下压板之间以及模具四周设置石棉隔热板，厚度约为4～6mm１、对模具电加热基本要求有哪些？２、塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关？与模具温度、传热面积、型腔和塑料的平均温差度、塑料对型腔的传热系数有关。

设计原则如下：ａ、冷却通道离凹模壁不宜太远或太近，以免影响冷却效果和模具的强度，其距离一般为冷却通道直径的1～2倍。ｂ、在模具结构允许的情况下，冷却通道的孔径尽量大，冷却回路的数量尽量多，这样冷却会愈均匀。ｃ、应与塑件厚度相适应。塑件壁厚基本均匀时，冷却通道与型腔表面各处的距离最好相同，即冷却通道的排列与型腔的形状相吻合。塑件局部壁厚处应增加冷却通道，加强冷却。ｄ、冷却通道不应通过镶块和镶块接缝处，以防止漏水。３、塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则？ｅ、冷却通道内不应有存水和产生回流的部位，应畅通无阻。冷却通道直径一般为8～12mm。进水管直径的选择，应使进水处的流速不超过冷却通道中的水流速度，要避免过大的压力降。ｆ、浇口附近温度最高，距浇口愈远温度愈低，因此，浇口附近应加强冷却，通常可使冷水先流经浇口附近，然后再流向浇口远端。ｇ、冷却通道要避免近塑件的熔接部位，以免使塑件产生熔接痕，降低塑件强度。ｈ、进出口冷却水温差不宜过大，避免造成模具表面冷却不均匀ｉ、凹模、凸模要分别冷却，要保证冷却的平衡，而且对凸模内部的冷却要注意水道穿过凸模与模板接缝处时进行密封，以防漏水。ｊ、要防止冷却通道中的冷却水泄漏，水管与水嘴连接处必须密封。水管接头的部位，要设置在不影响操作的方向，通常朝向注射机的背面。４、冷却系统的设计原则？(1).合理地进行冷却水道总体布局(2).合理确定冷却水道与型腔表壁的距离(3).考虑和利用模具材料的导热性(4).应加强浇口处的冷却(5).控制冷却水出、入口处的温度差尽量小(6).应使冷却水道中的水呈湍流状态流动

表6—1常用塑料在成型时的熔料温度和模具温度（℃）塑料品种熔料温度模具温度PSAS(SAN)ABSPMMACARPVCFRVCPCPE200~300200~260200~260180~250160~250180~210170~190280~320150~26040~6040~6040~6040~6040~6040~6030~6090~12035~70塑料品种熔料温度模具温度PPPAPOMPPOPSFPBT160~260200~320180~220280~340300~340250~27055~6555~12080~110110~150100~15060~80纯铜铜合金铝（2017）黄铜铍铜钢（含碳量1％）工具钢P201084913464337313127103工具钢H13不锈钢316水PSPEPP/PA空气59491.900.340.880.68/0.340.68表6—2在100℃下，各种材料的传热系数[千卡/（米²·小时·℃）]