注射模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化分析

陳永兆 梁志偉

摘 要：注塑模具設(shè)計手冊中冷卻系統(tǒng)較少參考數(shù)據(jù)，缺乏相應(yīng)參數(shù)和比對優(yōu)化性。熔體保溫，充模固化時間，冷卻水流量，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)等都是影響因素，進(jìn)行分析可獲得較高的生產(chǎn)效率，保證零件成品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：冷卻流量；管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

冷卻系統(tǒng)是注塑模具的重要組成部分。模具溫度是熔塑流體進(jìn)入型腔和型芯產(chǎn)生的溫度，對熱塑性還是熱固性的模具溫度變化都會影響到產(chǎn)品質(zhì)量。對于大多數(shù)模具而言，模具冷卻的過程，通過冷卻水在冷卻管網(wǎng)中的流速來調(diào)節(jié)內(nèi)部溫度產(chǎn)生變化的。溫度的波動會使產(chǎn)品的收縮率、尺寸精度、塑性變形、裂紋和表面質(zhì)量的影響。尤其薄壁細(xì)小（注射針頭），左右不對稱厚度不一致，大型框架結(jié)構(gòu)的塑件都非常重要。

圖中塑料由30度升溫到150度以上注射入到模具內(nèi)，在流速冷卻或時效冷卻。圖中陰影部分就是研究內(nèi)容，流速冷卻利用水泵控制水的速度快速降溫，整個過程時間可提高30%，但容易產(chǎn)生裂紋和表面粗糙；而時效冷卻最大就是耗時生產(chǎn)率低。模具在合模和開模這兩段時間里模具溫度平穩(wěn)，只有（150度到200度）溶膠注入才有劇烈熱量變化，澆注口大小，溶膠流速，零件分布表面面積都會影響充模時間，熱量集聚型腔內(nèi)，恒定流速冷卻水不能快速冷卻就必須延長開模時間。另外只能提高流速產(chǎn)生較大溫差冷卻型腔，這會使塑件有裂紋變形和表面粗糙。

注射模具的溫度對塑料熔體的充模流動、固化定型、生產(chǎn)效率、塑件的形狀和尺寸精度都有重要的影響。注射模具中設(shè)置溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的目的，是通過控制模具溫度，使注射成型具有良好的產(chǎn)品質(zhì)量和較高的生產(chǎn)力。模具溫度（模溫）是指模具型腔和型芯的表面溫度。不論是熱塑性塑料還是熱固性塑料的模塑成型，模具溫度對塑料制件的質(zhì)量和生產(chǎn)率都有很大的影響。

冷卻管道的分析與計算是在管道數(shù)量及尺寸已定的基礎(chǔ)上，用來確定每個管段之間的流量與每個交點的壓力。管網(wǎng)分析具有兩方面的重要意義：其一，注塑模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計會嚴(yán)重影響到產(chǎn)品的變形、耐應(yīng)力開裂性 、精度、表面質(zhì)量等，并且由于注射成型的整個生產(chǎn)周期中，冷卻時間占了生產(chǎn)周期的 80%左右，因此注塑模的冷卻系統(tǒng)設(shè)計的好壞也決定性地影響著塑料產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和質(zhì)量 。所以，優(yōu)秀的冷卻系統(tǒng)設(shè)計，有效地調(diào)節(jié)模具溫度是至關(guān)重要的。然而，很多設(shè)計者經(jīng)常將注塑模具的冷卻系統(tǒng)忽略不重視的，經(jīng)常在整個模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時的最后一道工序才去設(shè)計冷卻系統(tǒng)，最終造成的結(jié)果就是，隨便找能利用的空間來設(shè)計水路建立冷卻系統(tǒng)，這是設(shè)計者對冷卻系統(tǒng)的重要性與結(jié)構(gòu)沒有足夠的認(rèn)知和重視。往往這樣設(shè)計出來的產(chǎn)品很難達(dá)到客戶的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。冷卻系統(tǒng)設(shè)計，說明在塑料注射模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計方面的設(shè)計思想及原則 。

1 模體溫度對零件的影響

模體溫度變化會對零件的收縮率、尺寸大小、力學(xué)性能、外形變化、應(yīng)力裂紋和表面質(zhì)量等有影響。

模體溫度過低，熔體流動性差，零件外形不清晰，還有可能填充不全產(chǎn)生接縫空穴，零件表面粗糙，缺陷形成過多。對于熱固性塑料，模體溫度低容易使固化程度不穩(wěn)定，降低零件的物理、化學(xué)和力學(xué)的性質(zhì)；熱塑性塑料在注射成型過程中，模體溫度低并且充模流速低，零件會應(yīng)力加大，引起彎曲變形或應(yīng)力破裂。

模體溫度過高，成形收縮率就大，脫模后零件變形大，造成溢料和粘模的現(xiàn)象。模具溫度變動較大時，零件收縮程度不均勻，導(dǎo)致零件彎曲變形，影響零件的形狀及尺寸。

2 模體溫度對生產(chǎn)率的影響

縮短冷卻時間就是提高模塑生產(chǎn)效率。關(guān)鍵在于縮短塑料硬化時間，而縮短冷卻時間，可調(diào)節(jié)塑料和模體的溫差，因而在確保零件質(zhì)量和成型工藝條件下，降低模體溫度可以縮短冷卻時間，從而提高生產(chǎn)效率。在模體內(nèi)合理安置管路進(jìn)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量和流速，產(chǎn)生良好的產(chǎn)品質(zhì)量和較高的生產(chǎn)率。模體溫度的調(diào)節(jié)是除了冷卻外也可以通過加設(shè)加熱管控制保溫系統(tǒng)。

3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)

模具內(nèi)部冷卻系統(tǒng)在設(shè)計中要根據(jù)零件在模體內(nèi)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮。管的直徑、長度、結(jié)構(gòu)位置等，對于厚薄不均勻不對稱設(shè)置控溫系統(tǒng)，保證熱平衡穩(wěn)定，注意不穩(wěn)定會使塑件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力使產(chǎn)品變形或開裂，從而就無法保證模塑成型。因此，設(shè)置冷卻效果良好的冷卻水管路的模具是有效縮短成型周期、提高零件生產(chǎn)效率的方法。所以應(yīng)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)、壁厚變化及塑料材料，設(shè)計好不同適合的管路。

4 冷卻回路設(shè)置的基本原則

1）冷卻系統(tǒng)設(shè)計時必須早于頂出機(jī)構(gòu)的設(shè)定。主要是活動部件尺寸會影響結(jié)構(gòu)。

2）凹模和型芯的散熱穩(wěn)定性，溫差變化較大有缺陷。

3）冷卻管道數(shù)量適合、冷卻通道孔徑大盡量靠近熔體距離5mm。

4）冷卻管道到型腔的表面距離應(yīng)盡量相等。

5）澆口處必須加強(qiáng)冷卻效果。

6）冷卻管道出、入口溫度差必須盡量減少。

7）降溫流向應(yīng)沿著塑料收縮的方向一致。

8）注意零件接痕部位冷卻的變化。

模具應(yīng)除去的總熱量Q計算公式：

5 結(jié)語

首先根據(jù)熱成型模的具冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求，結(jié)合經(jīng)驗初步考慮對注射模具冷卻管道的參數(shù)、管道的直徑、管道的數(shù)目及管道分布形式進(jìn)行設(shè)計； 考慮方便的加工工藝，根據(jù)計算合理安排管道，在保證質(zhì)量前提下縮短生產(chǎn)周期。

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基金項目：

本文是2015年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程-應(yīng)用型人才培養(yǎng)示范基地【粵教高函[2015]97】“機(jī)械工程應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)示范基地”和2016年廣東省本科高校教育教學(xué)改革項目【粵教高函[2016]236】“全員、全程、全方位的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程體系建設(shè)”的研究成果。

作者簡介：

陳永兆（1976-），男，助理工程師，研究方向：金工實習(xí)、特種加工技術(shù)應(yīng)用；

梁志偉（1990-），男，研究方向：金工實習(xí)，數(shù)控多軸加工，特種加工技術(shù)應(yīng)用。