【计算机模具设计】第四章 冷却系统

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

冷却水道的水嘴在模具中的正确位置
冷却水道常用的水嘴

普通模具水嘴
快速安装水嘴
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。

（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。
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。
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＝Δimp= Δi nmg
Qin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 Δi一每kg塑料熔体凝固时放出的热焓量(kJ/kg)
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。
（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。
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
⑤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。
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）

冷却管道布置

④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。
冷却管长度
小结
1.模具冷却系统设计的作用 2.模具冷却系统设置设计准则 3.模具冷却系统设置的形式 4.模具冷却系统设置与模具的连接 5.冷却系统的理论计算

长径比L／d>50的细长冷却管道，
载热模具管壁对冷却水的传热系数
式中P——冷却水密度 v——流速，m/S d——管径，m A。——冷却水物理性质参量的函数
水的热导率λ ，比热容Cw及粘度u均是水温的函数。现将模
具冷却水的平均温度tcp下的λ ,Cw及计算得A。列于表
最后，可由下式求出管长l，或孔数n
圆柱嵌入凹模

①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。
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。

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。
（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。 冷却水从模具中带走的热量为：
由冷却定律，



式中tm——模具温度，℃ tcp——冷却水的平均温度，’C Δt——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’
2.模具冷却系统设置设计准则

①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。
②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。
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。
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.

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.

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。
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。
④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
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 。
温度调节系统设计
③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。
（2）管道回路的布置


①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。
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。
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

冷却水带走的Qout
Qout——冷却水每小时从模具携走热量，KJ/h mw——冷却水每小时用量，kg/h Cw——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℃
5.热平衡

Mw—冷却水每小时用量,kg/h
（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
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.
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
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=0．51m/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。
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wenku.baidu.com冷却水时，有可能使型腔表面凝聚大气中 的水分．