模具设计与制造实训_9-50

模具设计与制造实训第9章冷却系统设计1/50第9章冷却系统设计一、冷却系统设计原则和步骤二、MoldWizard水道设计三、模具设计实例四、知识拓展模具设计与制造实训第9章冷却系统设计2/50一、冷却系统设计原则和步骤模具温度调节对塑件质量的有重要影响。模具温度不仅影响塑件的尺寸精度、形状精度和力学性能，还直接影响塑件的表面质量。一般来说，模具的冷却时间约占整个注射周期的2/3，因此需要合理地进行模具的冷却系统设计，以便缩短成型周期中的冷却时间，这是提高生产效率的关键。1.冷却系统的设计原则(1)冷却回路的设计应与脱模机构保持协调，避免相互影响。在模具设计时冷却系统的布置一般应先于脱模机构，以保证冷却系统的设计质量。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计3/50(2)冷却水道应尽量多、截面尺寸应尽量大、距离型腔表面尽量相等型腔表面的温度与冷却水道的数量、截面尺寸及冷却水的温度有关。图示在冷却水道数量和尺寸不同的条件下通入45℃（图a）和59.83℃（图b）的冷却水后，模具内的温度分布情况。可见，冷却水道越多、截面尺寸越大，则模具温度分布越均匀。设计时需要合理地确定冷却水道的直径中心距以及与型腔壁的距离。一般冷却水道中心线与型腔壁的距离为冷却水道直径的1倍~2倍，冷却水道中心距约为水道直径的3倍~5倍。冷却水道至型腔表面的距离应尽量相等。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计4/50(3)浇口处加强冷却图示分别为侧浇口（图a）、多点浇口（图b）和直接浇口（图c）的冷却水道的排布形式示意图。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计5/50(4)冷却水道出、入口温差应尽量小如果冷却水道较长，则冷却水出、入口的温差就比较大，易使模温不均匀，所以在设计时应引起注意。图b的形式比图a的形式好，降低了出、入口冷却水的温差，提高了冷却效果。一般来说，精密模具的进出水温差应在2ºC内，普通模具不应超过5ºC。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计6/50(5)冷却水道应沿着塑料收缩的方向设置对收缩率较大的塑料，例如聚乙烯，冷却水道应尽量沿着塑料收缩的方向设置。图示是方形塑件采用中心浇口（直接浇口）的冷却水道，冷却水道从浇口处开始，以方环状向外扩展。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计7/50(6)冷却水道应避免开设在塑件熔接痕处，并注意干涉及密封等问题冷却水道不应穿过镶件，以免在接缝处漏水，如需通过镶件时，应加设管套密封或加密封圈。(7)冷却水道应便于加工和清理为便于加工和操作，进出水管接头应尽量设在模具同一侧，并设在注射机背面，同时水管接头处应密封，以免漏水。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计8/502.冷却系统的设计步骤冷却系统的设计是一项比较烦琐的工作，既要考虑效果及冷却的均匀性，又要考虑冷却系统对模具整体结构的影响。冷却系统的设计包括以下内容：1)冷却系统的排列方式及冷却系统的具体确定2)冷却系统的具体位置及尺寸的确定3)重点部位如动模型芯或镶件的冷却4)侧滑块及侧型芯的冷却5)冷却元件的设计及冷却标准元件的选用6)密封结构的设计在冷却系统的设计过程中，冷却水道的尺寸和数目是难点，完全凭经验设计冷却水道，通过调节水的流量和水温来调节模具的温度是不够的。以下是简便易行的冷却水道计算方法，供模具设计人员参考。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计9/50冷却水道的计算过程如下：(1)计算单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1（kJ/kg）其中，c2—塑料的比热容[kJ/（kg•ºC）]，查表；θ3—塑料熔体的初始温度（ºC），一般比喷射温度低10ºC；θ4—塑件在推出时的温度（ºC），一般等于模温；μ—结晶型塑料的熔化质量焓（kJ/kg），查表。4321cQ模具设计与制造实训第9章冷却系统设计10/50(2)求冷却水的体积流量qv（m3/min）塑料熔体具有的热量通过辐射、对流约有5%扩散到空气中，而95%由模具传导，假设熔体带入的热量全部由模具传导：其中，W—单位时间（每分钟）内注入模具中的塑料熔体重量（kg/min）；Q1—单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量（kJ/kg）；ρ—冷却水的密度（kg/m3）；c1—冷却水的比热容[kJ/（kg•ºC）]；θ1—冷却水入口温度（ºC）；θ2—冷却水出口温度（ºC）。)(2111cWQqv＝模具设计与制造实训第9章冷却系统设计11/50(3)查表使冷却水处于紊流状态，取d按照流动理论，当水温在20ºC时，反映粘性流体受迫流动状态的雷诺数Re4000时才能形成紊流，这样可以增强散热效果。相反，当Re2300时为层流，散热效果较紊流降低约三倍。(4)求冷却水在水道内的流速v（m/s）冷却水在圆管中的流速为：其中，qv—冷却水的体积流量（m3/s）；d—冷却水道的直径（m）。2vd4q模具设计与制造实训第9章冷却系统设计12/50(5)求冷却水道孔壁与冷却介质直接传热系数h[kJ/（m2•h•ºC）]在忽略辐射、对流等自然冷却散热的情况下，孔壁与冷却水之间的传热膜系数h为：其中，t—冷却水的平均温度（ºC）；v—冷却水在圆管中的平均流速（m/s），v0.87可查表；d—冷却水道的直径（m），d0.13可查表。13.087.0015.017348dvth模具设计与制造实训第9章冷却系统设计13/50(6)求冷却水道总传热面积A其中，W—单位时间内注入模具中的塑料熔体重量（kg/min）；Q1—单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量（kJ/kg）；h—冷却水道孔壁与冷却水之间的传热膜系数[kJ/（kg•ºC）]；Δθ—模具温度与冷却水温度之间的平均温差（ºC）。(7)求模具上应开设的冷却水道的长度L（m）其中，A—冷却水道总传热面积（m2）；d—冷却水道的直径（m）。hWQA160dAL模具设计与制造实训第9章冷却系统设计14/50二、MoldWizard水道设计MoldWizard提供了多种冷却标准件，包括【COOLINGHOLE】(水道)、【PIPEPLUG】（水道堵头）、【CONNECTORPLUG】（水嘴）、【BUFFLE】（水道分隔片）、【O-RING】（O型密封圈）等。【水道】包括自定义水道和水道标准件。如果【水道】默认设置中没有自定义水道功能，单击【文件】/【实用工具】/【用户默认设置】，按照图示修改默认设置，修改完毕后重新启动UG，即可打开自定义水道功能。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计15/501.水道单击【水道】，在【分类】下拉列表框中选择COOLINGHOLE选项，部件列表区域显示水道，如图所示。可以在【选项】栏选择水道的直径。对于盲孔，水道的长度包括HOLE_1_DEPTH和HOLE_2_DEPTH，HOLE_2_DEPTH是预钻孔的长度，HOLE_1_DEPTH是水道的长度。对于通孔，为了便于设置密封圈、水道堵头等标准件，水道最好在两侧同时设置，此时水道长度为贯通板长度的一半。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计16/502.水道堵头在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择PIPEPLUG选项，部件列表区域显示水道堵头，如图所示。水道堵头一般设置在定模型腔和动模型芯内，用于堵塞水道的一端或两端。插入水道堵头有两种方法：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择PIPEPLUG选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计17/503.水道分隔片在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择BUFFLE选项，部件列表区域显示水道分隔片。水道分隔片一般用于深型腔塑件模具，设置在动模型芯内，其中，隔板与孔的配合要求紧，否则隔板容易转动而达不到设计目的。插入水道分隔片的方法有两种：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择BUFFLE选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计18/504.水嘴在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择CONNECTORPLUG选项，部件列表区域显示水嘴，如图所示。水嘴的作用是将冷却水道与冷却水管快速连接，其内径按照冷却水路直径选取。插入水嘴有两种方法：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择CONNECTORPLUG选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计19/505.O型密封圈在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择O-RING选项，部件列表区域显示O型密封圈。O型密封圈一般用于定模型腔和定模板之间的水道密封，或者动模型芯和动模板之间的水道密封。O型密封圈的内径要大于水道的直径。插入O型密封圈的方法有两种：一种是选择插入面、设置插入点直接插入。另一种方法是先选择水道，再从【分类】下拉列表框中选择O-RING选项，设置型号后直接点击【确定】按纽，此时，系统默认插入点为水道的起始点。模具设计与制造实训第9章冷却系统设计20/506.冷却样式在【冷却组件设计】对话框的【分类】下拉列表框中选择COOLINGPATTERN选项，部件列表区域显示冷却样式。冷却样式将一种常用的冷却系统做成了一个装配模块，用户只要选择水道的直径和水道区域范围，即可一次性插入一个完整的冷却系统。冷却系统包括一个进水管和一个出水管，进、出水嘴的位置由【参数】inlet_position控制。inlet_position对应的水嘴位置如下：1—右侧下面（图a所示）；2—右侧上面（图b所示）；3—后侧右边；4—后侧左边；5—左侧上边；6—左侧下边；7—前侧左边；8—前侧右边。(a)(b)模具设计与制造实训第9章冷却系统设计21/50三、模具设计实例1.数码相机盖冷却系统设计本节进行数码相机盖模具的冷却系统设计。根据塑件和模架尺寸参数确定模具的冷却系统，包括冷却水道的形式、位置和主要参数，并在MoldWizard里完成数码相机盖模具的冷却水道设计。（1）冷却水道的尺寸计算1)计算单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1（kJ/kg）其中，ABS的比热容c2=1.68kJ/（kg•ºC）（查表），ABS熔体的初始温度θ3=170ºC，塑件在推出时的温度θ4=60ºC，ABS的熔化质量焓μ=0kJ/kg（查表）。kg)(kJ/18506017068.14321cQ模具设计与制造实训第9章冷却系统设计22/502)求冷却水的体积流量qv（m3/min）其中，ABS的注塑成型周期为40s~70s，取s=40s，数码相机盖塑件与凝料重量为25.6g，因此每分钟注入模具中的塑料熔体重量W=25.660/40=38.4(g/min)=0.0384kg/min，单位重量的塑料熔体在凝固时所放出的热量Q1=185kJ/kg，冷却水的密度ρ=1000kg/m3，25ºC冷却水的比热容c1=4.178kJ/（kg•ºC），数码相机盖模具属于较精密模具，冷却水入口温度θ1与冷却水出口温度θ2之差控制在3ºC左右。3)查表使冷却水处于紊流状态，取d一般来说，如果时，冷却水道的直径取φ8mm。对于数码相机盖模具，qv=5.67X10-4m3/min=34kg/h80kg/h，因此冷却水道直径为φ8mm。421111068.53178.410001850384.0)(cWQqv＝min/3.1/80kghkgqv模具设计与制造实训第9章冷却系统设计23/504)求冷却水在水道内的流速v（m/s）冷却水在圆管中的流速为：其中，冷却水的体积流量qv=5.68X10-4m3/min=0.947X10-5m3/s，冷却水道的直径d=0.008m。按照流动理论，当水温在20ºC时，雷诺数Re4000时才能形成紊流，这样可以增强