1、注射模具冷卻系統設置冷卻系統設計的重要性冷卻系統設計的重要性冷卻系統的構成及類型冷卻系統的構成及類型冷卻理論分析冷卻理論分析冷卻水路設計要點冷卻水路設計要點結合結合Moldflow分析的設計案例分析的設計案例3/1/202223/1/20223冷卻的影響v產品品質 表面光潔度 殘余應力 結晶度 熱彎曲 v生產成本 頂出溫度 循環時間 冷卻系統設計的重要性3/1/20224冷卻影響產品品質 v 表面光潔度：許多材料需要相對高的模具表面溫度，在生產中以獲得良好的表面光潔度，如果某些區域與另一些區域的模穴溫度不同，那么在成品表面就會看到不同的表面光澤。 v 殘余應力：殘余應力是在充填或保壓過程中剪切

2、應力的結果。除了流動導致應力外，由于產品表面溫度不同，各個部分以不同的速率冷卻時也會產生殘余應力。這些殘余應力可能是產品在使用過程中過早損壞或者產品翹曲和扭曲的原因。為了減小這些應力，就需要均勻的冷卻。 v 結晶度：半結晶材料成型過程中呈現的結晶度受熔體冷卻的影響。產品冷卻過程中結晶度的不同會影響體積收縮，要保待所需要的尺寸公差是困難的。不同區域體積收縮的顯著變化通常是產品翹曲的一個原因。 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，產品會彎曲。冷卻系統設計的重要性3/1/20225冷卻影響生產成本 v 頂出溫度：產品從模具中頂出的

3、溫度會受很多因素的影響。產品的強度必須足夠大，以抵抗由于體積收縮的變化和殘余應力而產生的翹曲，和頂出系統對產品施加的局部應力。頂出力受產品的幾何形狀、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。注射時間保壓時間冷卻時間開模時間v 循環時間: 通常，循環時間是產品的溫度降到能安全頂出的溫度所花的時間。如果充填和保壓過程都是最佳化的，改善冷卻行為可以顯著地減小冷卻時間。因為冷卻時間通常包括80%的循環時間，所以減小冷卻時間會顯著減小循環時間和生產成本。and Packing冷卻系統設計的重要性3/1/202263/1/20227冷卻系統的構成冷卻系統的構成及類型3/1/20228冷卻水

4、路的類型v 串聯水路 優點 流速均勻 排熱均勻 缺點 壓降高 v 并聯水路 優點 適用于入子四周 低壓下可達高流速 缺點 各分支流速不一樣 各分支冷卻效果不佳 易產生污垢 冷卻系統的構成及類型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的構成及類型3/1/202210冷卻水路的基本形式圓形彎管方形彎管冷卻系統的構成及類型3/1/202211冷卻水路的基本形式擋板(Baffle)噴泉(Bubbler)冷卻系統的構成及類型3/1/202212冷卻水路的基本形式吸熱管(Thermal Pin)冷卻系統的構成及類型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流散熱對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v 影響冷卻系統性能的參數 模具材料熱特性 比熱 導熱性 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v 影響冷卻系統性能的參數 模具材料熱特性 比熱 導熱性 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的熱傳導v 影響冷卻系統性能的參數

6、冷卻液紊亂程度 確信達到紊流狀態，但亦不宜過大 冷卻液進口溫度 冷卻液的性質 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冷卻液流動與雷諾數v 雷諾數定義：雷諾數雷諾數 (Re)流動類型流動類型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， 為冷卻液動態粘度。冷卻理論分析3/1/202220冷卻液流動率與熱交換層流的溫度梯度雷諾數 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冷卻液流動率與熱量流動率冷卻理論分析3/1/202222散熱能力冷卻理論分析3/1/202223冷卻時間的方程式v 冷卻時間：理論上，冷卻時間與最大產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散系數(thermal diffusivity)定義為： 或冷卻理論分析3/1/202224冷卻時間與模溫v 增加模溫，冷卻時間延長0510152025302030405060708090100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200Mold TemperatureCooling timesPA 66PPABS厚2mm、長200m

9、m的產品，以推薦的料溫及1秒時間注射冷卻理論分析3/1/202225冷卻與翹曲v 當塑料接觸到模具時，一邊是冷的，另一邊是熱的，不同的冷卻便發生了。熱的一邊要比較長的時間冷卻和收縮（收縮大），而導致熱的一邊象弓一樣彎曲。熱的一邊冷的一邊張應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差動結晶v 不平均的壁厚將導致不同的冷卻速率。需更長時間冷卻的區域將有更高的結晶度，這叫做差動結晶

10、(Differential Crystallinity)。快速冷卻，低結晶度，低收縮率慢速冷卻，高結晶度，高收縮率冷卻理論分析3/1/2022283/1/202229冷卻系統設計目標 v 冷卻系統的設計經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計指南。 v 模具設計者的目標應該是綜合考慮各方面因素，設計一個良好的冷卻系統，它會： 均勻地冷卻產品均勻地冷卻產品 減少循環周期時間減少循環周期時間 冷卻水路設計要點3/1/202230冷卻水路設置要使冷卻效果均勻 v 靠近熱量較多處 v 遠離熱量較少處 冷卻水路設計要點3/1/202231水路尺寸及排放位置 v

11、冷卻水管的直徑優先采用大于8mm，各個水管的直徑應盡量一致，避免冷卻液的流速不均產生壓力損失。v 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。 冷卻水路設計要點3/1/202232冷卻水路的長度 v 對于中大型模具，進出水口的溫差很大會影響冷卻效果。從冷卻均勻性考慮，進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。v 增加一條冷卻水管的長度會增加熱傳導的面積。在這個原則上圖B會比圖A好，然而長的水路可能會產生一些問題，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，很長的水路應該分成兩條或更多短的

12、水路，如圖C所示。 CInOutInOutAInOutBInOut冷卻水路設計要點3/1/202233采用Baffle或Bubbler v 在一個冷卻管道內任何冷卻液的方向改變會增加紊亂度，因此在轉彎后熱傳導的能力會增加。擋板和噴泉都會增大紊亂度，是由于在流動系統中固有轉彎和它們的幾何形狀能夠在受限制區進行冷卻，因此加強了冷卻效果。冷卻水路設計要點3/1/202234采用串聯Bafflev 在多型芯中采用串聯擋板水路時，散熱不佳：INOUTPoor!PinBlade冷卻水路設計要點3/1/202235采用串聯Bubblerv 應采用串聯噴泉水路，以助于散熱：INCorrect!OUTPinTu

13、be冷卻水路設計要點3/1/2022363/1/202237一個方框形產品 v 對這種方框形產品，最大的品質問題應該是翹曲變形，而進澆位置與冷卻水路設計對產品品質有著較大的影響。 結合Moldflow分析的設計案例3/1/202238產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 結合Moldflow分析的設計案例3/1/202239MPA分析尋找合適進澆點 v 先以Moldflow Part Adviser快速充填分析尋找合適的進澆點。當用兩點進澆時，充填壓力太大，且塑膠流動路徑太長，故不采用。

14、結合Moldflow分析的設計案例3/1/202240MPI分析尋找合適進澆形式 v 決定采用四點進澆，有以下兩種方案，以Moldflow Plastics Insight分析尋找合適的進澆位置及流道排布。Case1Case2結合Moldflow分析的設計案例3/1/202241MPI快速充填分析結果v MPI快速充填分析表明兩種方案均能達到流動平衡，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進一步分析比較。Case1Case2結合Moldflow分析的設計案例3/1/202242方案比較 v 兩種方案均采用潛伏式澆口，從扁銷上進澆。采用相同的水路設計，設定相同的冷

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

16、Moldflow分析的設計案例3/1/202246Case1&Case2 X向變形比較 v Deflection X(mm)0.430.430.860.530.531.06Case1Case2結合Moldflow分析的設計案例3/1/2022470.280.31Case1&Case2 Z向變形比較v Deflection Z(mm)0.280.31Case1Case2結合Moldflow分析的設計案例3/1/202248初步結論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的進澆位置及流道排布進行模具設計。 結合Moldflow分析的設計案例3/1/20224

17、9水路設變v 但從翹曲分析結果得知，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計，再設定相同的冷卻條件進行分析比較。設變的冷卻水路試圖使用母模水路矯正產品的變形。設變冷卻水路(Case3) 原始冷卻水路(Case1) 結合Moldflow分析的設計案例3/1/202250Case1&Case3冷卻水溫比較 v Coolant Temperature(deg.C)6565.16565.4Case1Case3結合Moldflow分析的設計案例3/1/202251Case1&Case3公母模溫差比較 v Temperature Difference(deg

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

19、e3結合Moldflow分析的設計案例3/1/2022550.430.430.320.32Case1&Case3 X向變形比較v Deflection X(mm)0.860.64Case1Case3結合Moldflow分析的設計案例3/1/2022560.280.24Case1&Case3 Z向變形比較v Deflection Z(mm)0.28Case10.24Case3結合Moldflow分析的設計案例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)結合Moldflow分析的設計案例3/1/202258矯正翹曲變形v 設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。通過改變成型條件，特別是改變冷卻水溫來進一步減小翹曲變形。不過，該改變哪一條水路的水溫才好呢？ 結合Moldflow分析的設計案例3/1/202259設變成型條件v Case4冷卻水溫保壓曲線T(sec)P(MPa)901.53.513.50結合Moldflow分析的設計案例3/1/202260Case3&Case4冷卻水溫比較v Coolant Temperature(deg.C)6565.45065.1Case3Case4結合Moldflow分析的設計案例3/1/202261Case3&Case4公母模溫差比較v Temperature Difference(deg.C) 0.36-6.80.77-12.4Case3Case4結合Moldflow分析的設計案例3/1/202262Case3&Case4充填狀況比較v Fill Time(sec)