第七章 模具温度调节系统设计

大连理工大学机械工程学院模具研究所InstituteofDie&Mould,SchoolofMechanicalEngineeringDalianUniversityofTechnology精密模具设计PrecisionMouldDesign第七章模具温度调节系统设计7.1模具温度调节的意义7.2模具的加热与冷却分析7.3模具冷却的基本原理7.3模具冷却系统的计算7.4模具冷却系统的设计原则7.5冷却系统的结构形式7.6模具的加热7.1模具温度调节的意义（1）模温对塑件质量的影响1）成形性能◆模温过低，会降低熔体流动性，可能发生欠注；◆模温过高，会使熔体发生热分解，制品收缩率增大，影响尺寸精度。◆模温恒定，可减少成型收缩率的波动，制品尺寸稳定，成形质量均匀。2）塑件变形◆模温稳定，冷却均衡，可以减小塑件变形。◆模具温差过大，会使塑件冷却不均匀，收缩不一致，由此产生应力而引起塑件翘曲变形，尤其壁厚不均和形状复杂的塑件更为突出。图7-1冷却不均引起的塑件翘曲变形冷却速率较低,较热模面冷却速率较高,较冷模面脫模塑件翘曲变形收缩量较大收缩量较小制品变形时会向较热的一侧弯曲3）尺寸稳定性◆模温恒定，可减少成型收缩率的波动，提高尺寸稳定性。◆结晶性塑料，模温高有利于结晶过程的进行，充分结晶的塑件，在存放或使用中不会发生尺寸变化；但结晶度高收缩大。◆对较柔软的塑料，成形中宜用低模温，有利于尺寸稳定。任何一种材料，模温恒定，收缩一致，均有利于提高尺寸精度。4）力学性能◆模温低，塑件熔接痕明显，降低强度；结晶型塑料，结晶度越高，塑件应力开裂倾向越大；为减小应力，模温不宜过高。◆对PC一类高粘度的非结晶型塑料，其应力开裂与塑件内应力大小有关，升高模温有利于减小内应力，减小应力开裂趋势。5）外观质量一般塑件，适当提高模温能有效改善塑件外观质量，使塑件表观光泽，轮廓清晰，降低粗糙度。（2）模温对生产效率的影响模具工作时的温度是周期性变化的。注射熔体时，模温高，脱模时模温低。模具可看成一个热交换器。其热量的传递主要靠对流、辐射和传导等方式完成。塑料熔体以200℃左右的温度注入模具，冷却到制品脱时约60℃左右的温度。其间所释放的热量约有5%左右以辐射、对流的方式散发到大气中，其余95%左右将由冷却介质带走。模具的生产效率主要取决于冷却介质的热交换效果。最高模溫最低模溫平均模溫模溫时间注射开模成型周期图7-2注射成形中的模具温度变化★塑料制品在模内停留的冷却时间与其传给模具的热量之间具有下述关系：Qt—塑料制品传给模具的热量（J）；ha—塑料对模腔材料的传热系数（W/（㎡·k））；AM—模腔的表面积（cm²）；⊿θmp—模腔内塑料熔体与模腔表壁的温度差（℃）；tc—塑料制品在模内的冷却时间（s）；当塑料品种、成型工艺条件和模具结构均已确定时，则ha、AM和Qt就基本确定，于是此式说明，制品在模腔内的冷却时间tc与温度差⊿θmp成反比关系。增大温差⊿θmp，可减小tc。tAhQcmpMat•••=ΔθθΔ∝mpct1★缩短冷却时间，提高生产效率的措施：1）提高模板对冷却介质的传热系数haφ—与冷却介质溫度有关的系数；ρ—冷却介质在该溫度下的密度g/㎝³;v—冷却介质的流速m/s；d—冷却管路的直径mm。◆传热系数与冷却介质在模具冷却通道内的流动速度有关。研究表明紊流状态下的传热系数可比层流高10～20倍。◆层流时流体的层与层之间仅以热传导方式传热；◆紊流时管壁和中心处流体发生无规则快速对流，传热效果大大增加。()2.08.0dvhaρφ=图7-3层流与紊流示意图层流紊流冷却介质在通道中是否产生湍流，可用雷诺数（Re）来判断。即Re＝d—圆形水道直径或非圆形通道的当量直径，m；υ—水的流速，m/s;ν—水的运动粘度，㎡/s.雷诺数达到4000以上时，一般可视为紊流，为使冷却介质处于稳定紊流状态，希望雷诺数达到6000～10000以上。冷却剂流动型态与雷诺数的关系如表8-1。νυd⋅雷诺数范围流动型态10,000Re紊流2,300Re10,000层状流与紊流之转换区100Re2,300层状流Re100静止流表7-1冷却剂流动型态与对应的雷诺数范围2）提高模具与冷却介质之间的温度差模具若采用低温水冷却，可提高模具与冷却介质之间的温度差，从而提高生产效率。但温差过大，会使大气中的水分在型腔表面凝聚，影响制件成形质量。3）增大冷却介质的传热面积增大冷却介质的传热面积，需在模具中开设尺寸尽可能大和数量尽可能多的冷却通道。但由于模具中推杆、型芯和镶块等结构的影响，冷却水道的尺寸和数量会受到一定限制。模具总体结构设计时，应先考虑冷却水道的布置。传热面积：AM=nπdLL—模具上一根冷却水管的長度（mm）d—冷却水管直径n—模具上冷却水管的数量但是，水管的直径不能过大；过大的直径会使水流速度减慢，雷诺数降低，传热系数降低。7.2模具的加热与冷却分析1）对粘度低，流动性好的塑料（PE、PP、PA、PS等），成型工艺要求的模具温度一般不高（60℃左右），通常可对模具进行冷却，通过调节冷却水的流量大小控制模温。如果要求提高生产效率，可采用降低冷却水温度的方法来达到。2）对于粘度高，流动性差的塑料（PC、PPO、PSF等），为降低塑料熔体粘度，改善充模流动性，成形时需要较高的模具温度（80～120℃），此时需对模具进行加热。3）对于高粘流温度的塑料，一般需采用温水控制模温，这不仅可对制品发挥冷却作用，而且比常温水和冷水更有利于促使模温分布趋于均匀。4）对热固性塑料，模具温度一般要求在120～220℃，需对模具进行加热。常用电加热方式。5）由于制品几何形状的影响，制品在模具内各处的温度不一定相等，因此常因温度分布不均导致成型质量出问题。为此，可对模具采用局部加热或局部冷却的方法，以改善模具温度分布，达到均匀冷却的效果。6）对于流程长，壁厚较大的制品，或者用粘流温度不高的材料，成型面积比较大的制品时，为保证塑料熔体在充模过程中不因温度下降而产生流动困难，亦可对模具进行加热来控制模温。表7-2常用塑料材料的注射温度和模具温度注射温度（℃）模具温度（℃）最低推荐最高最低推荐最高ABS200230280255080PA122302553003080110PA62302553007085110PA662602803207080110PBT220250280156080PC2603053407095120PC/ABS2302653005075100PC/PBT250265280406085HDPE180220280204095LDPE180220280204070PET26527029080100120PMMA240250280356080POM1802252355070105PP200230280205080PPE2402803206080110PS180230280205070PVC160190220204070SAN200230270406080塑料品种7）对于某些工作温度要求高于室温的大型模具，可在模内设置加热装置，以保证生产之前能使模具迅速达到工作温度要求。8）为了准确实时地调节与控制模具温度，可在模具内同时设置加热和冷却装置。9）对于小型薄壁制品，且成型工艺要求的模温不太高时，模内可不设冷却装置，直接靠自然冷却。模具温度调节系统设计时，还应注意以下问题：一是当采用冷水调节与控制模温时，由于水与模壁间温差大，大气中的水分容易凝聚在模腔表面，从而影响制品表面质量。二是当采用加热措施控制模温时，模温升高后，会使原来采用间隙配合的滑动零件的配合间隙发生变化，从而导致滑动零件的运动产生故障。模具冷却系统设计计算包括三部分：冷却时间、模具的热平衡和冷却回路尺寸与布置。（1）冷却时间计算冷却时间通常指塑料熔体从充满模具型腔起，到可以打开模具取出塑件止的时间。理论上，冷却时间与塑件最大壁厚的平方成正比，或是与最大的流道直径的1.6次方成正比。即7.3模具冷却系统的计算换言之，塑件壁厚增加两倍时，冷却时间就要增加四倍。熔体的热扩散系数冷却时间塑件最大壁厚2∝（最大流道直径）1.6★以塑件壁厚计算冷却时间，可分两类塑料计算：1）非结晶型塑料①薄壁塑件（壁厚与平均直径之比≤1/20）通常按塑件断面的平均温度θ2，来计算冷却到该温度的时间t式中k—塑料的热扩散系数（m㎡/s）；S—塑件的最大厚度（mm）；θ0—塑料熔体的初始注射温度（℃）；θw—模具温度（℃）；θ1—塑件最厚部位中心层达到的脱模温度（℃）。⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−))8ln22022wwkStθθπθθπ（（＝②厚壁制品（壁厚与平均直径之比1/20）厚壁塑件只要其两表面层具有足够的刚性，且壁厚中心层的温度大致在该物料的热变形温度附近，即可脱模。通常用该塑料的热变形温度或略低于该温度作为脱模温度θ1，来计算冷却到该温度所需的时间t其中θ1为塑件最厚部位中心层达到的脱模温度（℃）。以上两式推导的假设：a假定充模熔体温度是均匀一致的；b假设塑件在模内冷却过程中，始终与模腔壁紧密接触；c冷却过程中，假设模具型腔表面的温度均匀，且始终保持均一；d公式是按两平行大平面壁的塑件来推导，忽略塑件侧壁的冷却作用。⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−))4ln12022wwkStθθπθθπ（（＝2）结晶型塑料三种结晶型塑料的冷却时间经验公式如下：①PE（ρ＝0.945g/cm³)适用范围θ0=(193.3～248.9)℃,θw=(4.4～79.4)℃棒：板：②PP适用范围θ0＝(232.2～282.2)℃,θw=(4.4～79.4)℃棒：板：③POM适用范围θ0＞190℃,θw＜125℃棒：板：式中R—棒状塑件半径（mm）；S—板状塑件厚度（mm）。⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+wRtθθ9.22349066.6502＝⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+wRtθθ6.1859.2896.12302＝⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+wStθθ6.1859.2898.7902＝⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+wStθθ9.22349085.3702＝⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+wRtθθ8.1578.15761.7102＝⎟⎠⎞⎜⎝⎛−+wStθθ8.1578.15727.3602＝（2）模具冷却系统热平衡计算1）单位时间内进入模具的总热量Q=W·Q1=NGQ1(kJ/h）其中W-单位时间内注入模具型腔的塑料重量（kg/h)；N-为每小时注射次数；G-每次注射重量（kg)；Q1－单位重量的塑料材料从熔体状态进入型腔开始到冷却结束时所放出的热量（kJ/kg)；Q1又称为单位热流量之差或热焓之差，其值可查表获得，或由下式近似计算求得Q1＝c2(θ1max-θ1min)+μ式中c2－塑料比热容[kJ/（kg·℃）]；可查表。μ－结晶型塑料的熔化潜热（kJ/kg）θ1max－塑料熔体进入模腔时的温度（℃）；θ1min－塑件冷却固化结束时的温度（℃）。2）通过自然冷却所散发的热量QC、QR、QL①模具由于空气对流所散发的热量Qc其中Am－模具表面积（㎡）；θ2m－模具平均温度（℃）；θ0－车间室温（℃）；h1－传热系数[kJ/（㎡·h·℃）]，当0＜θ2m＜300℃时，由试验得)(021θθ−=mmcAhQ3/10221)30036025.0187.4hθθθ−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++mm（＝（kJ/h)（kJ/h)将h1式代入QC式中得4/3022)()30036025.0(187.4θθθ−++=mmmcAQ应当指出，上式中Am除了模具暴露在空气中的四个侧表面积外，还应包括动模和定模两个分型面的表面积。因分型面只有在开模状态下才会散发热量，故有Am＝（Am1+Am2ηk）式中Am1－模具的四个侧表面积（㎡）；Am2－模具两个分型面的表面积之和（㎡）；ηk－开模率，定义为t－注射成型周期（s）；t1－注射时间（s）；t2－制品所需冷却时间（s），其值可由冷却时间计算公式求得。ttttk)(21−−=η冷却时间/s制品厚度/mmABSPAHDPELDPEPPPSPVC0.51.81.81.00.81.82.53.02.33.01.82.11.02.