【计算机模具设计】第四章 冷却系统

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
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.
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)

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。
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 冷却水时，有可能使型腔表面凝聚大气中 的水分．
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。
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


（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。
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。

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’
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

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.

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
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）

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。
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
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。
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。
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。