第十章 注射模温度调节系统

Q1 5.9 10 KJ / kg
2
故
Q WQ1 50 5.9 10 2.9510 KJ / h
2 4
(2) 求冷却水的体积流量 由式(10—12)得
WQ1 2.95 104 / 60 qv 3 1.67 102 m 3 / min c1 1 2 10 4.187 27 20
υ——冷却介质在圆管中的流速，m／s；
d——冷却管道的直径，m。 即当冷却介质温度和冷却管道直径不变时，增加冷却 介质的流速v，可提高传热膜系数。
2．提高模具与冷却介质之间的温度差 模温一定，适当降低冷却介质的温度，利于缩短模具 的冷却时间t。一般注射模具所用的冷却介质是常温水， 若改用低温水，便可提高模具与冷却介质之间的温度差 Δθ，提高注射成型的生产率。但采用低温水冷却模具时， 大气中的水分有可能在型腔表面凝聚而导致制件的质量下 降。 3．增大冷却介质的传热面积 增大冷却介质的传热面积A，需在模具上开设尺寸尽 可能大和数量尽可能多的冷管道，但由于模具上有各种 孔(如推杆孔、型芯孔)和缝隙(如镶块接缝)的限制，只能 在满足模具结构设计的情况下尽量多开设冷却水管通道。
二、温度调节对生产效率的影响
为什么说缩短注射循环周期的冷却时间是提高生产效 率的关键？ 因注射模中熔体从200℃左右降低到60℃左右，所 释放的热量中约有5％以辐射、对流的方式散发到大气中， 其余95％由冷却介质(一般是水)带走。模具的冷却时间约 占整个注射循环周期的2／3。
注射成型中，模具的冷却时间取决于冷却效果，即冷 却水的流动状态。据资料表明，在湍流下的热传递比层流 下的高10～20倍。 冷却水处于湍流状态，水的雷诺数Re(动量与黏度的 比值)达到6 000以上。
上述的第一条准则，假定：
a、塑件的温度只沿垂直于模壁 的方向传递，即简化成一维导热问 题，图10—l。 b、塑料的注射温度不变，且 塑件内、外表面的温度在充模时降 低到模具的温度并维持恒定。 由此建立一维导热微分方程为
1 2 t x
2
（10-3）
求解上式，并简化，得到冷却时间t1的解析表达式。 同理可得第二条准则的冷却时间t2的简化公式。第三条准 则中的冷却时间t3依靠经验获得。
(1) 塑件最大壁厚中心部分温度达到热变形温度时所需 的冷却时间t1(s)为
S 2 4 c M t1 2 ln 1 1 M
( 10-4)
式中 S——塑件的壁厚，mm； α1——塑料热扩散率，mm2／s；某些常用塑料的 α1值见表10-2； θc——塑料注射温度，℃； θM——模具温度，℃； θ1——塑料的热变形温度，℃；附录3给出了在一定 温度下塑料试样的热变形温度，但不是生产应用时的热 变形温度，确定θ1时还应根据经验。
Q1可表示为
Q1 c2 3 4 u
（10-13）
式中 c2——塑料的比热容，kJ／(kg· ℃)； θ3、θ4——分别为塑料熔体的温度和推出前塑件的温度， ℃； u——结晶形塑料的熔化潜热，kJ／kg。
冷却管道总传热面积A(m2)可用如下公式计算
60 WQ 1 A h
c 157.8 t 3 36.27S 157.8 M
2
（板类）
（10-11）
以上两式的适用范围是θc>190℃，θM<125℃。 式(10-6~11)中，θc为棒类或板类塑件的初始成型温度 (℃)；θM为模具温度(℃)；R为棒类塑件的半径(cm)；S 为板类塑件的厚度(cm)。
二、冷却管道传热面积及管道数目的简易计算
1．提高传热膜系数 冷却介质在圆管内呈湍流流动状态时，冷却管道孔壁与 冷却介质之间的传热膜系数h [kJ／(m2· h．℃)]为
4.187 f v h d 0.2
0.8
(10-2)
式中 f——与冷却介质温度有关的物理系数(具体计算方 法见下节)；
ρ——冷却介质在一定温度下的密度，kg／m3；
(2)塑件截面内平均温度达到规定的塑件出模温度时所需 要的冷却时间t2(s)为
S 2 8 c M t 2 2 ln 2 1 2 M
( 10-5)
式中 θ2——截面内平均温度，℃。
(3)结晶形塑料制件的最大壁厚中心温度达到固熔点时所 需的冷却时间t3(s)
总热量Q(kJ/h)为
Q WQ1 NGQ1
(10-18)
式中 W——单位时间内注入型腔中的塑料质量，kg／h； N——每小时注射次数； G——每次塑料的注射量，kg； Q1——单位质量的塑料制件从熔体进入型腔开始到冷却结束时 所放出的热量，kJ／kg；又称为单位热流量之差或热焓之差。 对于某些塑料，可从图10-2中得到不同温度下的热焓量， 也可以由下式近似求得 Q1 c2 1max 1min u (10-19) 式中 c2——塑料的比热容，kJ／(kg· ℃)； u——结晶形塑料的熔化潜热，KJ／kg； c2和u可查阅表10-3； θ1max、θ1min——分别为进入型腔的熔体温度和冷却结束时 塑件的温度，℃。 表10—4中也给出了常用塑料Ql的近似值。
①聚乙烯
c 28.9 t 3 123.96R 185.6 M
2
(棒类)
（10-6）
c 28.9 t 3 79.98S 185.6 M
2
（板类） （10-7）
以上两式的适用范围是θc=193．3～248．9℃， θM=4．4～79．4℃。
② 聚丙烯
c 490 t3 65.66R 223.9 M
第十章 注射模温度调节系统
重点掌握
一、 温度调节的必要性 二、 冷却管道的工艺计算 三、 冷却系统的设计原则
第一节 温度调节的必要性
一、温度调节对塑件质量的影响
1．变形
模具温度稳定，冷却速度均衡，可减小塑件的变形。 对壁厚不一致和形状复杂的塑件，经常会出现因收缩不 均匀而产生翘曲变形的情况。故须采用合适的冷却系统， 使模具凹模与型芯的各个部位的温度基本保持一致，以 便型腔内的塑料熔体能同时凝固。
查表10—5，取f=7.22(水温为30℃时)，
再由式(10-2)得
f v h 4.187 d 0. 2
0.8
1.001 104 KJ / m 2 h C
7.22 0.996 10 0.57 4.187 ( 25 / 1000 0.2 )
3
0. 8
2
(棒类)
（10-8）
c 490 t 3 37.85S 223.9 M
2
（板类）
（10-9）
以上两式的适用范围是θc=232．2～282．2℃， θM=4．4～79．4℃。 ③聚甲醛
c 157.8 t 3 71.61R 157.8 M
2
(棒类)
（10-10）
4q v v 2 d
(10-16)
v——冷却介质的流速，m／s；
qv——冷却介质的体积流量，m3／s；
d——冷却管道的直径，m。
f既可由式（10-15）计算得到，也可由表10-5选取。
模具应开设的冷却管道的孔数为
A n dL
(10-17)
式中 L——冷却管道开设方向上模具长度或宽度，m。
例 某注射模成型聚丙烯塑件，产量为50kg／h，用20℃ 的水作为冷却介质，其出口温度为27℃，水呈湍流状态， 若模具平均温度为40℃，模具宽度为300mm，求冷却管 道直径及所需冷却管道孔数。 解： (1)求塑料制件在固化时每小时释放的热量Q 查表10-4得聚丙烯的单位热流量
忽略模具因空气对流、热辐射以及与注射机接触所散 发的热量，则模具冷却时所需冷却介质的体积流量可按下 式计算 WQ1 qv （10-12） c
1 1 2
式中 qv——冷却介质的体积流量，m3／min； W——单位时间(每分钟)内注入模具中的塑料质量， kg／min； Q1——单位重量的塑件在凝固时所放出的热量，kJ ／kg； ρ——冷却介质的密度，kg／m3； c1——冷却介质的比热容，kJ／(kg· ℃)； θ1——冷却介质出口温度，℃； θ2——冷却介质进口温度，℃。
（3） 求冷却管道直径d，查表10-1，为使冷 却水处于 湍流状态， 取 d=25mm (4)求冷却水在管道内的流速v 由式(10—16)得
4qv 4 1.67 102 v 0.57m / s 2 2 d 3.14 25 / 1000 60
(5)求冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数h
三、冷却管道的详细计算
一般的注射模冷却管道设计中，采用上节所介绍的简 易计算已足够。但对于精密和复杂的大型注射模，有必要 较全面地考察冷却过程的冷却影响因素，进行较为深入的 设计计算。
1．单位时间里型腔内的总热量Q 总热量Q(kJ/h)为
Q WQ1 NGQ1
(10-18)
式中 W——单位时间内注入型腔中的塑料质量，kg／h； N——每小时注射次数； G——每次塑料的注射量，kg； Q1——单位质量的塑料制件从熔体进入型腔开始到 冷却结束时所放出的热量，kJ／kg；又称为单位热流量之 差或热焓之差。
第二节 冷却管道的工艺计算
一、冷却时间的计算 什么是塑件在模具内的冷却时间？
通常指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出制件 的这一段时间。
可开模的标准：塑件已充分固化，具有一定的强度和 刚度，开模推出时不致变形开裂。 衡量塑件已充分固化的准则： ①塑件最大壁厚中心部分的温度已冷却到该种塑料的 热变形温度以下。 ②塑件截面内的平均温度已达到所规定的塑件的出模 温度。 ③对于结晶形塑料，最大壁厚的中心层温度达到固熔 点，或结晶度达到某一百分比。
（10-14）
式中 h——冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热膜系 数，kJ／(m2· h．℃)； Δθ——模温与冷却介质温度之间的平均温差，℃。 h可由式(10-2)求得，其中
f 0.244 4.187
0.6
4.187 c1
0.4
(10-15)
式中 λ——冷却介质的热导率，kJ／(m2· h．℃)； c1——冷却介质的比热容，kJ／(kg· ℃)； μ——冷却介质的黏度，Pa· s；
2．尺寸精度
保持模温恒定，能减少制件成型收缩率的波动，提高 塑件尺寸精度的稳定性。在可能的情况下采用较低的模温 有助于减小塑件的成型收缩率。例如，对于结晶形塑料， 因为模温较低，制件的结晶度低，可以降低收缩率。但结 晶度低不利于制件尺寸的稳定性，从尺寸的稳定性出发， 又需要适当提高模具温度，使塑件结晶均匀。
根据牛顿冷却定律，冷却系统从模具中带走的热量(kJ)为
Q hAt / Βιβλιοθήκη Baidu600
（10-1）
式中 Q——模具与冷却系统之间所传递的热量，KJ； h——冷却通道孔壁与冷却介质之间的传热膜系数， kJ／(m2· h．℃)； A——冷却介质的传热面积，m2； Δθ——模具温度与冷却介质温度之间的差值，℃； t——冷却时间，s。 式(10—1)知，当所需传递的热量Q不变时，可通过如 下三条途径来缩短冷却时间。
(6)求冷却管道总传热面积A 由式(10—14)得
60WQ1 60 2.95 104 / 60 2 A 0.178m 4 h 1.001 10 40 27 20 / 2
(7)求模具上应开设的冷却管道的孔数n 由式(10—17)得
A 0.178 n 8 dL 3.14 25 / 1000 300/ 1000
3．力学性能 结晶形塑料，结晶度越高，塑件的应力开裂倾向越 大，故从减小应力开裂的角度出发，降低模温是有利的。 但对于聚碳酸酯一类高黏度无定形塑料，其应力开裂倾向 与塑件中的内应力的大小有关，提高模温有利于减小制件 中的内应力，也就减小了其应力开裂倾向。
4 ．表面质量
提高模温能改善制件表面质量，过低的模温会使制 件轮廓不清晰并产生明显的熔接痕，导致制件表面粗糙度 提高。