注塑模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與Moldflow教學(xué)內(nèi)容

注塑模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與Moldflow冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性冷卻的影響產(chǎn)品品質(zhì)表面光潔度殘余應(yīng)力結(jié)晶度熱彎曲生產(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2023/2/73冷卻影響產(chǎn)品品質(zhì)表面光潔度：許多材料需要相對高的模具表面溫度，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。

殘余應(yīng)力：殘余應(yīng)力是在充填或保壓過程中剪切應(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)品在使用過程中過早損壞或者產(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。結(jié)晶度：半結(jié)晶材料成型過程中呈現(xiàn)的結(jié)晶度受熔體冷卻的影響。產(chǎn)品冷卻過程中結(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。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2023/2/74冷卻影響生產(chǎn)成本頂出溫度：產(chǎn)品從模具中頂出的溫度會(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)間開模時(shí)間循環(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。如果充填和保壓過程都是優(yōu)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。andPacking冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性2023/2/75冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型2023/2/77冷卻水路的類型串聯(lián)水路

優(yōu)點(diǎn)

–流速均勻

–排熱均勻缺點(diǎn)

–壓降高并聯(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)成及類型2023/2/78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)成及類型2023/2/79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)成及類型2023/2/710冷卻水路的基本形式擋板(Baffle)噴泉(Bubbler)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型2023/2/711冷卻水路的基本形式吸熱管(ThermalPin)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型2023/2/712冷卻理論分析熱量在注射成型中的傳遞熱量由熔融塑料帶入熱量從冷卻水路傳入或傳出輻射散熱對流散熱熱量散失到模板上冷卻理論分析2023/2/714從塑料到模穴壁的熱傳導(dǎo)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2023/2/715從模穴壁到水管壁的熱傳導(dǎo)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2023/2/716從水管壁到冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù)冷卻液紊亂程度確信達(dá)到紊流狀態(tài)，但亦不宜過大冷卻液進(jìn)口溫度冷卻液的性質(zhì)冷卻液的流速冷卻理論分析2023/2/717典型模具材料的熱特性冷卻理論分析2023/2/718冷卻液流動(dòng)與雷諾數(shù)雷諾數(shù)定義：雷諾數(shù)(Re)流動(dòng)類型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2023/2/719冷卻液流動(dòng)率與熱交換層流的溫度梯度雷諾數(shù)<2300紊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2023/2/720冷卻液流動(dòng)率與熱量流動(dòng)率冷卻理論分析2023/2/721散熱能力紊流實(shí)際散熱流動(dòng)率熱交換熱容傳導(dǎo)對流交換層流冷卻理論分析2023/2/722冷卻時(shí)間的方程式冷卻時(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)(thermaldiffusivity)定義為：

或冷卻理論分析2023/2/723冷卻時(shí)間與模溫增加模溫，冷卻時(shí)間延長厚2mm、長200mm的產(chǎn)品，以推薦的料溫及1秒時(shí)間注射冷卻理論分析2023/2/724冷卻與翹曲當(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2023/2/725熱量聚積熱量聚積在角落處，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(相對于凝固部分的收縮，引起翹曲)Cavity冷Core熱冷卻理論分析2023/2/726差動(dòng)結(jié)晶不平均的壁厚將導(dǎo)致不同的冷卻速率。需更長時(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(DifferentialCrystallinity)?？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2023/2/727冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)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。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)品減少循環(huán)周期時(shí)間冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)2023/2/729冷卻水路設(shè)置要使冷卻效果均勻靠近熱量較多處遠(yuǎn)離熱量較少處冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)2023/2/730水路尺寸及排放位置冷卻水管的直徑優(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。無論多大的模具，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)2023/2/731冷卻水路的長度對于中大型模具，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；對于精密成型模具，則要控制在2-3℃以下，每條水路長度在1.2-1.5m以下。增加一條冷卻水管的長度會(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，然而長的水路可能會(huì)產(chǎn)生一些問題，例如壓力降增加，沿長度方向溫度升高過多。為了避免這些問題，很長的水路應(yīng)該分成兩條或更多短的水路，如圖C所示。CInOutInOutAInOutBInOut冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)2023/2/732采用Baffle或Bubbler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)2023/2/733采用串聯(lián)Baffle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)2023/2/734采用串聯(lián)Bubbler應(yīng)采用串聯(lián)噴泉水路，以助于散熱：INCorrect!OUTPinTube冷卻水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)2023/2/735結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例一個(gè)方框形產(chǎn)品對這種方框形產(chǎn)品，最大的品質(zhì)問題應(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2023/2/737產(chǎn)品的尺寸與所選用的塑料塑膠材料：

ABS/PCCYCOLOYC2950GEUSA

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2023/2/738MPA分析尋找合適進(jìn)澆點(diǎn)先以MoldflowPartAdviser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，故不采用。結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/739MPI分析尋找合適進(jìn)澆形式?jīng)Q定采用四點(diǎn)進(jìn)澆，有以下兩種方案，以MoldflowPlasticsInsight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2023/2/740MPI快速充填分析結(jié)果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2023/2/741方案比較兩種方案均采用潛伏式澆口，從扁銷上進(jìn)澆。采用相同的水路設(shè)計(jì)，設(shè)定相同的冷卻條件進(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2023/2/742Case1&Case2充填狀況比較FillTime(sec)

0.891.01Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/743Case1&Case2充填壓力比較InjectionPressure(MPa)

120.9129.2Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/744Case1&Case2波前溫度比較FlowFrontTemperature(deg.C)

266.2~280.6271.1~279.7Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/745Case1&Case2X向變形比較DeflectionX(mm)

0.430.430.860.530.531.06Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/7460.280.31Case1&Case2Z向變形比較DeflectionZ(mm)

0.280.31Case1Case2結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/747初步結(jié)論相比較而言，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2023/2/748水路設(shè)變但從翹曲分析結(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2023/2/749Case1&Case3冷卻水溫比較CoolantTemperature(deg.C)

65~65.165~65.4Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/750Case1&Case3公母模溫差比較TemperatureDifference(deg.C)

2.4~-5.960.36~-6.57Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/751Case1&Case3充填狀況比較FillTime(sec)

0.890.89Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/752Case1&Case3充填壓力比較InjectionPressure(MPa)

120.9120.9Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/753Case1&Case3波前溫度比較FlowFrontTemperature(deg.C)266.2~280.6266.2~280.6Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/7540.430.430.320.32Case1&Case3X向變形比較DeflectionX(mm)

0.860.64Case1Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/7550.280.24Case1&Case3Z向變形比較DeflectionZ(mm)

0.28Case10.24Case3結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/756翹曲變形狀況將翹曲變形量放大10倍

X向(外張)Z向(上翹)結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/757矯正翹曲變形設(shè)變的冷卻水路除了起到均勻冷卻作用外，還要起到矯正翹曲變形的作用。通過改變成型條件，特別是改變冷卻水溫來進(jìn)一步減小翹曲變形。不過，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2023/2/758設(shè)變成型條件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2023/2/759Case3&Case4冷卻水溫比較CoolantTemperature(deg.C)65~65.450~65.1Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/760Case3&Case4公母模溫差比較TemperatureDifference(deg.C)

0.36~-6.80.77~-12.4Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/761Case3&Case4充填狀況比較FillTime(sec)

0.890.89Case3Case4結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計(jì)案例2023/2/762Case3&Case4充填壓力比較In