注塑模冷却系统设计

1、23.07.2020,1,moldflow与注射模具冷却系统设计,23.07.2020,2,课程内容,冷却系统设计的重要性 冷却系统的构成及类型 冷却理论分析 冷却水路设计要点 结合moldflow分析的设计案例,冷却系统设计的重要性,23.07.2020,4,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,23.07.2020,5,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

2、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,23.07.2020,6,冷却影响生产成本,顶出温度：

3、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。,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最佳化的，改善冷却行为可以显著地减小冷却时间。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著减小循环时间和生产成本。,and packing,冷却系统设计的重要性,冷却系统的构成及类型,23.07.2020,8,冷却系统的构成,冷却系统的构成及类型,23.07.202

4、0,9,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,23.07.2020,10,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,23.07.2020,11,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,23.07.2020,12,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,23.07.2020,13,冷却水路的基本形式,吸热管(thermal pin),冷却系统的构成及

5、类型,冷却理论分析,23.07.2020,15,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,23.07.2020,16,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,23.07.2020,17,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,23.07.2020,18,从水管壁到冷

6、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,23.07.2020,19,典型模具材料的热特性,冷却理论分析,23.07.2020,20,冷却液流动与雷诺数,雷诺数定义：,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,23.07.2020,21,冷却液流动率与热交换,冷却理论分析,23.07.2020,22,冷却液流动率与热量流动率,冷却理论分析,23.07.2020,23,散热能力,冷却理论分析,23.07.2020,24,冷却时间的方程式

7、,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(thermal diffusivity)定义为：,或,冷却理论分析,23.07.2020,25,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,23.07.2020,26,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。,冷却理论分析,23.07.2020,27,热量聚积,热量聚积在角落处，使得角落收缩变形而小于

8、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,23.07.2020,28,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(differential crystallinity)。,冷却理论分析,冷却水路设计要点,23.07.2020,30,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

9、 减少循环周期时间,冷却水路设计要点,23.07.2020,31,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,23.07.2020,32,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,23.07.2020,33,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

10、。 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。,冷却水路设计要点,23.07.2020,34,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,23.07.2020,35,采用串联baffle,在多型芯中采用串联挡板水路时，散热不佳：

11、,冷却水路设计要点,23.07.2020,36,采用串联bubbler,应采用串联喷泉水路，以助于散热：,冷却水路设计要点,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,38,一个方框形产品,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,23.07.2020,39,产品的尺寸与所选用的塑料,塑胶材料： abs/pc cycoloy c2950 ge usa,最大外型尺寸,平均肉厚为1.6mm,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,40,mpa分析寻找合适进浇点,先以mold

12、flow part adviser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,23.07.2020,41,mpi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moldflow plastics insight分析寻找合适的进浇位置及流道排布。,case1,case2,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,42,mpi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。,case1,

13、case2,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,43,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,23.07.2020,44,case1&case2充填状况比较,fill time(sec),0.89,1.01,case1,case2,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,45,case1&case2充填压力比较,injection pressure(mpa),120.9,129.2,case1,case2,结合moldflow

14、分析的设计案例,23.07.2020,46,case1&case2波前温度比较,flow front temperature(deg.c),266.2280.6,271.1279.7,case1,case2,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,47,case1&case2 x向变形比较,deflection x(mm),0.43,0.43,0.86,0.53,0.53,1.06,case1,case2,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,48,0.28,0.31,case1&case2 z向变形比较,deflection z(mm),0.28,0.3

15、1,case1,case2,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,49,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,23.07.2020,50,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,23.07.2020,51

16、,case1&case3冷却水温比较,coolant temperature(deg.c),6565.1,6565.4,case1,case3,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,52,case1&case3公母模温差比较,temperature difference(deg.c),2.4-5.96,0.36-6.57,case1,case3,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,53,case1&case3充填状况比较,fill time(sec),0.89,0.89,case1,case3,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,

17、54,case1&case3充填压力比较,injection pressure(mpa),120.9,120.9,case1,case3,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,55,case1&case3波前温度比较,flow front temperature(deg.c),266.2280.6,266.2280.6,case1,case3,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,56,0.43,0.43,0.32,0.32,case1&case3 x向变形比较,deflection x(mm),0.86,0.64,case1,case3,结合moldf

18、low分析的设计案例,23.07.2020,57,0.28,0.24,case1&case3 z向变形比较,deflection z(mm),0.28,case1,0.24,case3,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,58,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,23.07.2020,59,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,23.0

19、7.2020,60,设变成型条件,case4,冷却水温,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,61,case3&case4冷却水温比较,coolant temperature(deg.c),6565.4,5065.1,case3,case4,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,62,case3&case4公母模温差比较,temperature difference(deg.c),0.36-6.8,0.77-12.4,case3,case4,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,63,case3&case4充填状况比较,fill time(sec),0.89,0.89,case3,case4,结合moldflow分析的设计案例,23.07.2020,64,case3&case4充填压力比较,injec