第六章冷却系统设计.docx
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第六章冷却系统设计
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第六章冷却系统设计
第一节概述
一、热塑性塑料和部分热固性塑料注塑而成的过程，是将温度较高的熔融塑料，通过高压注射进入温度较低的模具中，经过冷却从而得到所需要的成品。
其制品应保证：
最好的尺寸稳定性；最小的变形；最高的强度和韧性；最完美的外观。
而在成型过程中，由于制品形状复杂、壁厚不均、充模顺序不同等因素，使得注入模具型腔中的塑料固化时，不同位置温度不一样。
因此，由于热交换而产生应力，这种应力会直接影响成品的尺寸精度与外观。
如何控制模具温度得到高质量的成品？
因此，冷却系统设计就成为模具设计中的一个重要环节。
1、模具冷却系统包括：
冷却水道、模具温度控制器及加热元件等。
2、设计冷却系统时，应从以下原则考虑：
（1）在保证模具材料有足够机械度的前提下，冷却水道应尽量设置在靠近型腔（型芯）
表面；
（2）在保证模具材料有足够机械度的前提下，冷却水道应安排得尽量紧密；
（3）冷却水道的直径应优先采用大于8mm，并且各个水道的直径应尽量相同；
（4）制品较厚的部位应特别加强冷却。
二、冷却水道在模具中的位置
冷却水道位置取决于成品的形状和不同的壁厚，原则上冷却水道应设置在塑料自模具热传导困难的地方。
根据冷却系统的设计原则，冷却水道应围绕模具的成型的成品，且尽量排列均匀一致。
（由于顶出装置的影响，公模水路与线母模水路的排列不能完全一致）。
三、模板冷却水道的设置
不少小型模具的型腔是直接在模板上加工而成的，对这类模具可以直接在模板上设置冷却水道。
在模板上设置冷却水道，同样应遵循冷却系统的设计原则，使冷却水道尽量靠近型腔表面和尽量围绕型腔，使成品在成型过程中冷却均匀。
如果模具的冷却水道太长，在成型过程中，会使水温变化增大（入水口与出水口温度相
差很大），针对此问题，为保证冷却效果，增加采用两个或两个以上独立水路。
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相交水道通常采用过盈配合方式插入镶件，使冷却液改变流向。
如果模具中成品的部分是以镶件方式镶入模板，其冷却水路的分布最好采用围绕镶件的方法。
四、型芯冷却水道的设置
对于一模多腔的模具，其型芯的冷却方式可分为串联冷却和并联冷却两种。
串联冷却水路具有流动有力的优点，但存在随着型芯数目增加，温度变化大的缺点。
并联冷却水路随温度梯度变化不大，但流动不够有力，其结果会导致对不同型芯冷却效果不均匀。
因此，两种冷却水路的排列方式仅适用型芯数目不多的模具。
对于一模多腔模具，上述两种冷却方式最好能和建立两个以上独立水路的方法一起使用。
许多模具中，一些形状特殊、尺寸较薄且偏长的型芯，在成型过程中需对其进行温度控制。
众所周知直径较小（通常小于6mm）且尺寸较长的芯子，由于表面较小，使得热传导非常困难，在成型过程中，因细长芯子散热不良，会引起制品在这一部位出现变形、缩孔等缺陷。
因此必须采用特殊的冷却方式对细长芯子温度加以控制。
对于这类型芯结构，通常在设计时采用下列几种冷却方式：
1、冷却水路围绕型芯；
2、采用热传导率较高的材料（如铍青铜）制造细长型芯；
3、在型芯内部较粗的部分（通常直径大于8mm）加入细铜棒，细铜棒的一端连接模板
中的冷却水路。
五、“O”型圈
在模具结构中，冷却水路通过模板与模板、模板与型腔等结合处会因结合存在配合间隙产生冷却液泄漏现象。
为避免这一现象的发生通常采用“O”型圈对结合处实行密封。
在使用“O”型圈时，模具结构应从以下原则考虑：
保证模板与镶件（模板与模板）之间有足够的正压力。
六、冷却管与模具的连接
模具冷却水道的水嘴（出入水口）在模具中的正确位置：
1、模具安装在注射机上后，其冷却水道的水嘴（进出口）要正对注射机的拉杆，以免
水管安装困难。
2、冷却水道的水嘴最好装在注射机的背后（即：
注射机操作的另一侧），以免影响操作。
3、细模水路的水嘴不能靠得太近，以免水管安装与固定困难。
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第二节设计要点
一、常用水孔快速接头的规格与形式（超连结到标准件）
二、“O”形环的规格、隔板规格及喷水管的规格（超连结到标准件）
三、冷却循环系统的理论分析
1、在注射成型中的热传导过程、温度梯度及热量散失过程曲线图。
如（图六/2/A-a、b、c）所示：
<图六/2/A-a>
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<图六/2/A-b>
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热
交
换
传递
<图六/2/A-c>
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2、热量集中分析，如（图六/2/B）所示：
公模仁母模仁热量集中在这个区域
热
（相对于未收缩区域的收缩
区域引起翘曲）
<图六/2/B>
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2、冷却系统设计构思
（1）为达到均一冷却而合理布置冷却水道，如（图六/2/C-a）所示：
—靠近高热量区
—远离低热量区
<图六/2/C-a>
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（2）串、并联水路的优缺点，如（图六/2/C-b）所示：
串联水路并联水路
优点优点
—统一的流动率—用在入子的周围最好
—统一的热交换—高体积低压力
缺点缺点
—较高的降压—没有统一的流动率
—易于堵塞
<图六/2/C-b>
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四、规格及其与肉厚的关系
冷却水道的直径优先采用大于8mm，各个水孔的直径尽量一致（如图六/2/D-a）。
避免冷却液的流速不均产生压力损失，应保证S1、S2、S3的截面积约相等（如图六/2/D-b）。
肉厚W
水孔直径d
≦2mm
8~10
≦4mm
10~12
≦6mm
12~15
图六/2/D-a
<图六/2/D-b>
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五、模具中冷却系统循环要求
1、对于中大型模具，进出水口的温差很大会影响冷却效果，从冷却均匀性考虑，进出
口温差一般控制在5ºC以下；对于精密成型模具，则要控制在2~3ºC以下，水孔长度在~以下。
2、模具材料的导热系数、比热及密度（系数越大，则从熔融塑料上吸收热量越快、冷
却越快），如（表2-1）所示：
材料
热传导系数
（W/m/degK）
比热
（J/kg/degK）
密度
（Kg/m3）
Aluminum
920
2699
P20
29
460
7800
CarbSt
460
7833
BeCu
130
420
8415
420ss
7750
H-13
7750
C17200（BeCu）
105
380
8350
C17510（BeCu0）
245
380
8820
C18000（NiSiCrCu）
404
8580
<表2-1>
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六、水路的排布及冷却形式
1、采用模板循环水路直接冷却形式，如（图六/2/E）所示：
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<图六/2/E>
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2、采用模仁循环水路直接冷却形式，如（图六/2/F）所示：
<图六/2/F>
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3、采用模板、模仁联合循环水路冷却形式
（1）模板连结冷却水路设计之一（如下图）：
（2）模板连结冷却水路设计之二（如下图）：
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（3）模板连结冷却水路设计之三（如下图）：
（4）模板冷却水路设计之四（如下图）：
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（5）模仁双重水路的设计形式（如下图）：
4、局部型芯和镶件的冷却形式
（1）模仁入子冷却水路（如下图）：
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（2）入子上用螺旋槽镶件冷却形式与深筒模仁双螺纹水路的设计形式（如下图）：
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（3）型芯设计在下固定板上冷却水路采用隔板形式与冷却水管形式（如下图）：
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（4）采用隔板串连的水路设计形式（如下图）：
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（5）采用隔板、导热性好的材质（铍铜）的水路设计形式（如下图）：
（6）在多型芯上用冷却水管并联形式（如下图）：
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（7）喷水管水路设计形式（如下图）：
（8）型芯冷却水路设计形式（如下图）：
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5、斜销中水路的冷却形式，如（图六/2/G）所示
<图六/2/G>
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6、滑块中水路的冷却形式，如（图六/2/H）所示：
<图六/2/H>
（1）在滑块上应用冷却水管组件形式（如下图）：
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（2）模板、模仁、入子整体水路的设计形式（如下图）：
（3）滑块座及其入子整体水路的设计形式（如下图）：
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七、水孔分布的间距值
1、水孔与水孔之间距值：
平行两条水孔之距为3D~5D，交错两条水孔之距为3mm以下；
当水孔长度小于150mm时，最小间距为3mm；当水孔长度大于150mm时，最小间距为5mm。
如（图六/2/I）所示：
<图六/2/I>
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2、水孔与零件边缘之间距值，如（图六/2/J）所示：
<图六/2/J>
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3、水孔到成品的表面之间距值，如（图六/2/K）所示：
<图六/2/K>
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4、水孔到顶针、螺钉孔之间距值，如（图六/2/L）所示：
<图六/2/L>
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八、水路的密封形式
1、采用“O”形环密封圈，如（图六/2/M）所示：
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<图六/2/M>
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2、用水孔塞或螺塞，如（图六/2/N）所示：
<图六/2/N>
3、利用铜棒的过盈配合，如（图六/2/O）所示：
<图六/2/O>
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九、其它注意事顶
1、成型平板形成品的模具，其水路应采用平均分布的直水路进行冷却，避免多循环，
在成型时调节困难，影响成品质量；
2、三板模的剥料板中应设两条水路；
3、采用热浇道的倒装式模具，浇口的正上方应设一条冷却水路；
十、几种常见热塑性塑料的加工条件，如（表2-2）所示：
塑料名称
熔体
注射压力/Mpa
模具温度/ºC
PS
170~250
60~150
40~80
AS（SAN）
190~230
100~200
40~80
PVC硬质
170~190
80~250
30~60
PE低密度
160~260
30~80
40~50
PE高密度
220~280
60~140
40~60
PP
180~300
80~150
40~90
PA―66
260~290
70~150
60~120
TPU
175~200
80~100
20~90
PC
270~320
70~150
80~120
POM
200~220
100~150
90~120
PSF
330~380
150~180
90~150
PAS
400~430
140~210
232~260
<表2-2>
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