注射模具冷卻系統(tǒng)設(shè)置

1、注射模具冷卻系統(tǒng)設(shè)置冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型冷卻理論分析冷卻理論分析冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)結(jié)合結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202223/1/20223冷卻的影響v產(chǎn)品品質(zhì) 表面光潔度 殘余應(yīng)力 結(jié)晶度 熱彎曲 v生產(chǎn)成本 頂出溫度 循環(huán)時(shí)間 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性3/1/20224冷卻影響產(chǎn)品品質(zhì) v 表面光潔度：許多材料需要相對(duì)高的模具表面溫度，在生產(chǎn)中以獲得良好的表面光潔度，如果某些區(qū)域與另一些區(qū)域的模穴溫度不同，那么在成品表面就會(huì)看到不同的表面光澤。 v 殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力是在充填或保壓過(guò)程中剪切

2、應(yīng)力的結(jié)果。除了流動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力外，由于產(chǎn)品表面溫度不同，各個(gè)部分以不同的速率冷卻時(shí)也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力可能是產(chǎn)品在使用過(guò)程中過(guò)早損壞或者產(chǎn)品翹曲和扭曲的原因。為了減小這些應(yīng)力，就需要均勻的冷卻。 v 結(jié)晶度：半結(jié)晶材料成型過(guò)程中呈現(xiàn)的結(jié)晶度受熔體冷卻的影響。產(chǎn)品冷卻過(guò)程中結(jié)晶度的不同會(huì)影響體積收縮，要保待所需要的尺寸公差是困難的。不同區(qū)域體積收縮的顯著變化通常是產(chǎn)品翹曲的一個(gè)原因。 v 熱彎曲：如果模具的上表面和下表面的溫度不同，一旦產(chǎn)品從模具中頂出，由于在上下表面之間不同的熱收縮速率，產(chǎn)品會(huì)彎曲。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性3/1/20225冷卻影響生產(chǎn)成本 v 頂出溫度：產(chǎn)品從模具中頂出的

3、溫度會(huì)受很多因素的影響。產(chǎn)品的強(qiáng)度必須足夠大，以抵抗由于體積收縮的變化和殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的翹曲，和頂出系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品施加的局部應(yīng)力。頂出力受產(chǎn)品的幾何形狀、模具的表面光潔度和在充填與保壓過(guò)程中模穴的填充度的影響。注射時(shí)間保壓時(shí)間冷卻時(shí)間開(kāi)模時(shí)間v 循環(huán)時(shí)間: 通常，循環(huán)時(shí)間是產(chǎn)品的溫度降到能安全頂出的溫度所花的時(shí)間。如果充填和保壓過(guò)程都是最佳化的，改善冷卻行為可以顯著地減小冷卻時(shí)間。因?yàn)槔鋮s時(shí)間通常包括80%的循環(huán)時(shí)間，所以減小冷卻時(shí)間會(huì)顯著減小循環(huán)時(shí)間和生產(chǎn)成本。and Packing冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性3/1/202263/1/20227冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型3/1/20228冷卻水

4、路的類(lèi)型v 串聯(lián)水路 優(yōu)點(diǎn) 流速均勻 排熱均勻 缺點(diǎn) 壓降高 v 并聯(lián)水路 優(yōu)點(diǎn) 適用于入子四周 低壓下可達(dá)高流速 缺點(diǎn) 各分支流速不一樣 各分支冷卻效果不佳 易產(chǎn)生污垢 冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型3/1/20229冷卻水路的基本形式直線式圓管直線式方管冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型3/1/202210冷卻水路的基本形式圓形彎管方形彎管冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型3/1/202211冷卻水路的基本形式擋板(Baffle)噴泉(Bubbler)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型3/1/202212冷卻水路的基本形式吸熱管(Thermal Pin)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類(lèi)型3/1/2022133/1/202214熱量在注射成型中的傳遞 熱量

5、由熔融塑料帶入熱量由熔融塑料帶入熱量從冷卻水路傳入或傳出熱量從冷卻水路傳入或傳出輻射散熱輻射散熱對(duì)流散熱對(duì)流散熱熱量散失到模板上熱量散失到模板上冷卻理論分析3/1/202215從塑料到模穴壁的熱傳導(dǎo)v 影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù) 模具材料熱特性 比熱 導(dǎo)熱性 料溫和模溫之間的溫度梯度 塑料和模穴壁之間接觸的質(zhì)量 確信良好的接觸冷卻理論分析3/1/202216從模穴壁到水管壁的熱傳導(dǎo)v 影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù) 模具材料熱特性 比熱 導(dǎo)熱性 冷卻水管和塑料表面的距離 均勻冷卻與快速冷卻的折中 料溫和水溫之間的溫度梯度冷卻理論分析3/1/202217從水管壁到冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)v 影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù)

6、冷卻液紊亂程度 確信達(dá)到紊流狀態(tài)，但亦不宜過(guò)大 冷卻液進(jìn)口溫度 冷卻液的性質(zhì) 冷卻液的流速冷卻理論分析3/1/202218典型模具材料的熱特性Material Thermal Conductivity W/m/deg K Specific Heat J/kg/degK Density Kg/m3 Aluminum 221.9 920 2699 P20 29 460 7800 CarbSt 41.9 460 7833 BeCu 130 420 8415 420 ss 24.9 401.7 7750 H-13 28.2 454.7 7750 C17200 (BeCu) 105 380 8350 C

7、17510 (BeCu0) 245 380 8820 C18000 (NiSiCrCu) 207.6 404 8580 冷卻理論分析3/1/202219冷卻液流動(dòng)與雷諾數(shù)v 雷諾數(shù)定義：雷諾數(shù)雷諾數(shù) (Re)流動(dòng)類(lèi)型流動(dòng)類(lèi)型10,000 Re紊流2,300 Re 10,000瞬變流100 Re 2,300層流Re 100 停滯流這里， 為冷卻液密度，U 為冷卻液平均流速，d 為冷卻水管直徑， 為冷卻液動(dòng)態(tài)粘度。冷卻理論分析3/1/202220冷卻液流動(dòng)率與熱交換層流的溫度梯度雷諾數(shù) 230063 C43 C23 C20 C塑料塑料金屬界面冷卻液金屬界面冷卻液溫度梯度冷卻理論分析3/1/2022

8、21冷卻液流動(dòng)率與熱量流動(dòng)率冷卻理論分析3/1/202222散熱能力冷卻理論分析3/1/202223冷卻時(shí)間的方程式v 冷卻時(shí)間：理論上，冷卻時(shí)間與最大產(chǎn)品厚度的平方或最大流道直徑的冪的1.6次成正比，也就是 這里熔融塑料的熱擴(kuò)散系數(shù)(thermal diffusivity)定義為： 或冷卻理論分析3/1/202224冷卻時(shí)間與模溫v 增加模溫，冷卻時(shí)間延長(zhǎng)0510152025302030405060708090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200Mold TemperatureCooling timesPA 66PPABS厚2mm、長(zhǎng)200m

9、m的產(chǎn)品，以推薦的料溫及1秒時(shí)間注射冷卻理論分析3/1/202225冷卻與翹曲v 當(dāng)塑料接觸到模具時(shí)，一邊是冷的，另一邊是熱的，不同的冷卻便發(fā)生了。熱的一邊要比較長(zhǎng)的時(shí)間冷卻和收縮（收縮大），而導(dǎo)致熱的一邊象弓一樣彎曲。熱的一邊冷的一邊張應(yīng)力凝固和收縮冷的一邊熱的一邊冷卻理論分析3/1/202226熱量聚積v 熱量聚積在角落處，使得角落收縮變形而小于90度，造成典型的盒狀弓形翹曲。 熱集中在公模的角落熱的角落(相對(duì)于凝固部分的收縮，引起翹曲)Cavity冷Core熱冷卻理論分析3/1/202227差動(dòng)結(jié)晶v 不平均的壁厚將導(dǎo)致不同的冷卻速率。需更長(zhǎng)時(shí)間冷卻的區(qū)域?qū)⒂懈叩慕Y(jié)晶度，這叫做差動(dòng)結(jié)晶

10、(Differential Crystallinity)?？焖倮鋮s，低結(jié)晶度，低收縮率慢速冷卻，高結(jié)晶度，高收縮率冷卻理論分析3/1/2022283/1/202229冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) v 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常受到模穴的幾何形狀、分模線、滑塊和頂針的限制，因此不能僵硬地給出理想分布的設(shè)計(jì)指南。 v 模具設(shè)計(jì)者的目標(biāo)應(yīng)該是綜合考慮各方面因素，設(shè)計(jì)一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng)，它會(huì)： 均勻地冷卻產(chǎn)品均勻地冷卻產(chǎn)品 減少循環(huán)周期時(shí)間減少循環(huán)周期時(shí)間 冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/202230冷卻水路設(shè)置要使冷卻效果均勻 v 靠近熱量較多處 v 遠(yuǎn)離熱量較少處 冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/202231水路尺寸及排放位置 v

11、冷卻水管的直徑優(yōu)先采用大于8mm，各個(gè)水管的直徑應(yīng)盡量一致，避免冷卻液的流速不均產(chǎn)生壓力損失。v 無(wú)論多大的模具，水管的直徑都不能大于14mm，否則冷卻水流難以形成紊流狀況。 冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/202232冷卻水路的長(zhǎng)度 v 對(duì)于中大型模具，進(jìn)出水口的溫差很大會(huì)影響冷卻效果。從冷卻均勻性考慮，進(jìn)出口溫差一般控制在5以下；對(duì)于精密成型模具，則要控制在2-3以下，每條水路長(zhǎng)度在1.2-1.5m以下。v 增加一條冷卻水管的長(zhǎng)度會(huì)增加熱傳導(dǎo)的面積。在這個(gè)原則上圖B會(huì)比圖A好，然而長(zhǎng)的水路可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，例如壓力降增加，沿長(zhǎng)度方向溫度升高過(guò)多。為了避免這些問(wèn)題，很長(zhǎng)的水路應(yīng)該分成兩條或更多短的

12、水路，如圖C所示。 CInOutInOutAInOutBInOut冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/202233采用Baffle或Bubbler v 在一個(gè)冷卻管道內(nèi)任何冷卻液的方向改變會(huì)增加紊亂度，因此在轉(zhuǎn)彎后熱傳導(dǎo)的能力會(huì)增加。擋板和噴泉都會(huì)增大紊亂度，是由于在流動(dòng)系統(tǒng)中固有轉(zhuǎn)彎和它們的幾何形狀能夠在受限制區(qū)進(jìn)行冷卻，因此加強(qiáng)了冷卻效果。冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/202234采用串聯(lián)Bafflev 在多型芯中采用串聯(lián)擋板水路時(shí)，散熱不佳：INOUTPoor!PinBlade冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/202235采用串聯(lián)Bubblerv 應(yīng)采用串聯(lián)噴泉水路，以助于散熱：INCorrect!OUTPinTu

13、be冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)3/1/2022363/1/202237一個(gè)方框形產(chǎn)品 v 對(duì)這種方框形產(chǎn)品，最大的品質(zhì)問(wèn)題應(yīng)該是翹曲變形，而進(jìn)澆位置與冷卻水路設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有著較大的影響。 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202238產(chǎn)品的尺寸與所選用的塑料塑膠材料： ABS/PC CYCOLOY C2950 GE USA 最大外型尺寸 31425132平均肉厚為1.6mm 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202239MPA分析尋找合適進(jìn)澆點(diǎn) v 先以Moldflow Part Adviser快速充填分析尋找合適的進(jìn)澆點(diǎn)。當(dāng)用兩點(diǎn)進(jìn)澆時(shí)，充填壓力太大，且塑膠流動(dòng)路徑太長(zhǎng)，故不采用。

14、結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202240MPI分析尋找合適進(jìn)澆形式 v 決定采用四點(diǎn)進(jìn)澆，有以下兩種方案，以Moldflow Plastics Insight分析尋找合適的進(jìn)澆位置及流道排布。Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202241MPI快速充填分析結(jié)果v MPI快速充填分析表明兩種方案均能達(dá)到流動(dòng)平衡，Case2充填壓力較大，但還不知何種方案的翹曲變形量更小，故需用MPI進(jìn)一步分析比較。Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202242方案比較 v 兩種方案均采用潛伏式澆口，從扁銷(xiāo)上進(jìn)澆。采用相同的水路設(shè)計(jì)，設(shè)定相同的冷

15、卻條件進(jìn)行分析比較。 潛伏式澆口原始冷卻水路設(shè)計(jì) 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202243Case1&Case2充填狀況比較 v Fill Time(sec)0.891.01Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202244Case1&Case2充填壓力比較v Injection Pressure(MPa)120.9129.2Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202245Case1&Case2波前溫度比較v Flow Front Temperature(deg.C)266.2280.6271.1279.7Case1Case2結(jié)合

16、Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202246Case1&Case2 X向變形比較 v Deflection X(mm)0.430.430.860.530.531.06Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/2022470.280.31Case1&Case2 Z向變形比較v Deflection Z(mm)0.280.31Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202248初步結(jié)論v 相比較而言，Case1的翹曲變形較小，注射壓力也較小，因此我們采取Case1的進(jìn)澆位置及流道排布進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/20224

17、9水路設(shè)變v 但從翹曲分析結(jié)果得知，Case1的翹曲變形量仍較大，其中X方向往外張，可否將其再減小? 我們變更了冷卻水路設(shè)計(jì)，再設(shè)定相同的冷卻條件進(jìn)行分析比較。設(shè)變的冷卻水路試圖使用母模水路矯正產(chǎn)品的變形。設(shè)變冷卻水路(Case3) 原始冷卻水路(Case1) 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202250Case1&Case3冷卻水溫比較 v Coolant Temperature(deg.C)6565.16565.4Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202251Case1&Case3公母模溫差比較 v Temperature Difference(deg

18、.C)2.4-5.960.36-6.57Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202252Case1&Case3充填狀況比較v Fill Time(sec)0.890.89Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202253Case1&Case3充填壓力比較v Injection Pressure(MPa)120.9120.9Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202254Case1&Case3波前溫度比較v Flow Front Temperature(deg.C)266.2280.6266.2280.6Case1Cas

19、e3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/2022550.430.430.320.32Case1&Case3 X向變形比較v Deflection X(mm)0.860.64Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/2022560.280.24Case1&Case3 Z向變形比較v Deflection Z(mm)0.28Case10.24Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202257翹曲變形狀況v 將翹曲變形量放大10倍X向(外張)Z向(上翹)結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202258矯正翹曲變形v 設(shè)變的冷卻水路除了起到均勻冷卻作用外，

20、還要起到矯正翹曲變形的作用。通過(guò)改變成型條件，特別是改變冷卻水溫來(lái)進(jìn)一步減小翹曲變形。不過(guò)，該改變哪一條水路的水溫才好呢？ 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202259設(shè)變成型條件v Case4冷卻水溫保壓曲線T(sec)P(MPa)901.53.513.50結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202260Case3&Case4冷卻水溫比較v Coolant Temperature(deg.C)6565.45065.1Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202261Case3&Case4公母模溫差比較v Temperature Difference(deg.C) 0.36-6.80.77-12.4Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例3/1/202262Case3&Case4充填狀況比較v Fill Time(sec)