模具设计-冷却水路

冷卻水路設計對產品品質的影響2開始語我們知道﹐幾乎每一個注射成型模具中都有冷卻水路系統﹐而模具設計同仁幾乎每天都涉及到冷卻水路設計。但冷卻的重要性何在呢?又該如何設計冷卻水路呢?3冷卻的重要性冷卻速率和均勻度會影響產品最后的成型。這些影響包括兩個主要方面﹕品質和成本。產品品質–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。–殘余應力:殘余應力是在充填或保壓過程中剪切應力的結果。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。–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。–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。4生產成本–頂出溫度:產品從模具中頂出的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。頂出力受產品的几何形狀、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。–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。根據產品的用途﹐在均勻冷卻以保証產品的品質和快速冷卻以減小產品的成本之間取一個折中。注射時間保壓時間冷卻時間開模時間相關時間5影響冷卻系統行為的因素影響冷卻系統的因素–從塑料到模穴壁的熱傳導:冷卻系統的行為受從塑料中移走的熱量和轉移到模穴表面的溫度的影響。它會受到材料性質、熔體溫度和模具表面溫度的差異以及冷卻中的塑料和模具材料之間接觸好壞的影響。–通過模穴壁的熱傳導:冷卻系統行為也受通過模具材料到達冷卻水管的熱傳導的影響。模具材料的性質﹐包括熱傳導率、冷卻水管和塑料表面的距離﹐和塑料熔體與冷卻水管內部溫度之差﹐也影響冷卻系統行為。水管距離模穴越近﹐熱量移走得越快﹐然而﹐把它們放置得離模穴過近﹐會產生模穴表面溫度的局部變化﹐除非增加額外的水管減小相鄰水管的距離。因此﹐最優化的水管放置是均勻冷卻與快速冷卻的折中。–從模穴到冷卻水管的熱傳導:冷卻系統行為也受從模具材料到冷卻介質熱傳導的影響﹐熱傳導受冷卻液流經模具材料時的紊亂程度、冷卻液進口溫度、冷卻液的性質及冷卻液的流速的影響。冷卻液紊亂時混合作用的影響﹐從水管外壁到冷卻液的熱傳導比層流有效得多。過大的紊亂會浪費泵功率﹐而且沒有獲得更大的熱傳導能力。在考慮冷卻介質時﹐要確保成型廠有能力提供足夠多的冷卻液體積﹐在足夠的壓力下達到所需的流速﹐并在一個溫度和所需的速率下釋放熱。6熱量在注射成型中的傳遞熱量由塑料帶入熱量從冷卻水管傳入或傳出熱輻射熱對流A熱量傳遞到模板7冷卻系統設計目標冷卻系統的設計經常受到模穴的几何形狀、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。模具設計者的目標應該是設計一個冷卻系統﹐它會:均勻地冷卻產品減少循環時間8冷卻系統設計要點1冷卻水路設置要使冷卻效果均勻–靠近熱量較多處–遠離熱量較少處9冷卻系統設計要點2尺寸及排放位置–水管中心與模穴表面的距離–相鄰水管的距離10冷卻系統設計要點3尺寸及排放位置–冷卻水管的長度CInOutInOutAInOutBInOut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。為了避免這些問題和進口溫度與出口溫度之差大于2C﹐很長的水路應該分成兩條或更多短的水路﹐如圖C所示。11冷卻系統設計要點4尺寸及排放位置–特殊特征•擋板•噴泉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几何形狀能夠在受限制區進行冷卻﹐因此加強了冷卻效果。Bubbler(噴泉)Baffle(檔板)TM002P0712冷卻系統設計要點5冷卻系統類型–串聯和并聯串聯水路優點–流速均勻–排熱均勻缺點–壓降高並聯水路優點–適用于入子四周–底壓下可達高流速缺點–各分支流速不一樣–各分支冷卻效果不佳–易產生污垢TM002P08SeriesCircuitParallelCircuitTM002P08SeriesCircuitParallelCircuit13熱量集聚TM002P03母模公模熱量(冷卻凝固時這一部分縮水,引起翹曲)熱量集聚在這個部分熔融塑料凝固塑料增加水路14冷卻與翹曲變形T=50℃T=50℃T=50℃T=40℃ABABBACK15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。個案設計16下面以L089為例說明進澆位置與冷卻水路設計對產品品質的影響。塑膠材料:ABS/PCCYCOLOYC2950GEUSA最大外型尺寸31425132平均肉厚為1.6mm17在2D同仁進行模具設計的同時﹐我們CAE工程課也進行相應的模流分析。首先﹐我們使用快速充填分析尋找最佳進澆位置。兩點進澆壓力太大﹐而且塑膠流動路徑過長(如上圖)﹐因此不採用。經過內部分析檢討﹐我們決定採用四點進澆(如右兩圖)。但哪一種四點進澆位置使產品的翹曲變形較小呢?還得使用MPI進一步分析比較。18兩種方案均采用潛伏式澆口﹐從扁銷上進澆。我們采用相同的水路設計﹐設定相同的冷卻條件進行分析比較。Case1Case2潛伏式澆口原始冷卻水路設計19流動分析結果比較:FillTime(sec)Case10.89Case21.01InjectionPressure(MPa)Case1120.9Case2129.2Temperature(deg.C)Case1266.2~280.6Case2271.1~279.720翹曲分析結果比較:0.430.430.530.530.280.31DeflectionX(mm)Case10.86外張Case21.06DeflectionZ(mm)Case10.28上翹Case20.3121結論:相比較而言﹐Case1的翹曲變形較小﹐注射壓力也較小﹐因此我們建議採取Case1的進澆位置進行模具設計。22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?經過大家的討論後，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。兩種冷卻水路設計如下圖所示:設變冷卻水路(Case3)原始冷卻水路(Case1)23冷卻分析結果比較:CoolantTemperature(deg.C)Case165~65.06Case365~65.42TemperatureDifference(deg.C)Case12.4~-5.96Case30.36~-6.5724流動分析結果比較:FillTime(sec)Case10.89Case30.89InjectionPressure(MPa)Case1120.9Case3120.9Temperature(deg.C)Case1266.2~280.6Case3266.2~280.625翹曲分析結果比較:0.430.430.320.320.280.24DeflectionX(mm)Case10.86外張Case30.64DeflectionZ(mm)Case10.28上翹Case30.24BACK26將翹曲變形放大十倍:X向Z向1427很明顯地﹐變更了冷卻水路設計之後﹐在相同的冷卻條件下﹐翹曲變形減小了。然而﹐X向仍然外張﹐Z向仍然上翹﹐可否將其再進一步減小﹐以取得最佳產品品質?我們考慮到﹐設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作用的。因此﹐我們可以通過改變成型條件﹐特別是改變冷卻水溫來達到目的。不過﹐該改變哪一條水路的水溫才好呢?2528冷卻水溫成型條件設變:保壓曲線T(sec)P(MPa)901.53.513.50Case429冷卻分析結果比較:CoolantTemperature(deg.C)Case365~65.4Case450~65.1TemperatureDifference(deg.C)Case30.36~-6.8Case40.77~-12.430流動分析結果比較:FillTime(sec)Case30.89Case40.89InjectionPressure(MPa)Case3120.9Case4120.8Temperature(deg.C)Case3266.2~280.6Case4266.2~280.631翹曲分析結果比較:DeflectionX(mm)Case30.64外張Case40.50DeflectionZ(mm)Case30.24上翹Case40.180.320.320.250.250.240.1832可見﹐設變成型條件之後﹐翹曲變形又減小了。如果想取得最佳成型條件﹐我們可以使用MPI/OPTIM最佳化模組再進一步分析。當然﹐要將翹曲變形完全消除是不實際的﹐我們只能將其控制在客戶許可範圍之內。33設計良好的冷卻水路﹐將可以縮短熔膠固化所需的時間﹐有效的增加生產效率﹐降低成本﹐並可使成品各部分均勻冷卻﹐防止產品因熱應力所造成的收縮扭曲變形等不利因素發生。此外﹐在特定情況下﹐冷卻水路還起到矯正翹曲變形的作用。設計總結