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1、第六章模具温度控制系统设计2021/9/251本章基本内容本章基本内容n冷却系统的设计原则n冷却系统的结构设计n冷却水道的设计n加热系统的设计第章第章 模具温度控制系统模具温度控制系统第章 模具温度控制系统2021/9/252 冷却系统设计原则 冷却系统的结构设计 加热系统的设计本章重点本章重点第章 模具温度控制系统第章 模具温度控制系统2021/9/253本章难点本章难点 冷却系统设计原则冷却系统的结构设计第章 模具温度控制系统2021/9/2546.1 概述6.2 冷却系统设计6.3 加热系统设计6.4 思考与练习第章 模具温度控制系统2021/9/255 模具温度是否合理直接关系到成型塑
2、件的尺寸精度、表观及内在质量，以及塑件的生产效率，因此是模具设计中的一项重要工作。塑料品种不同则对于模具的温度要求也不同。总要求是，使模具温度达到适宜制品成型的工艺条件要求，能通过控温系统的调节，使模腔各个部位上的温度基本相同；在较长时间内，即在生产过程中的每个成型周期中，模具温度应均衡一致。6.1 概述2021/9/256 6.2.1 模具温度分析模具温度分析 6.2.2 冷却系统设计原则冷却系统设计原则 6.2.3 冷却系统的结构设计冷却系统的结构设计 （一）凹模冷却系统（一）凹模冷却系统 （二）型芯冷却系统（二）型芯冷却系统 6.2.4、冷却水道的计算冷却水道的计算 （一）（一）模具带有
3、冷却系统时的热传行为模具带有冷却系统时的热传行为 （二）（二）冷却水回路数量的计算冷却水回路数量的计算 （三）（三）冷却水在回路中的压力降计算冷却水在回路中的压力降计算 （四）（四）冷却回路计算示例冷却回路计算示例6.2 冷却系统设计2021/9/257 对于模具要求在60左右的中型模具，而对大中型模具，尤其是大型模具，必须设计冷冷却系统有效、控温合理的功能齐全的冷却系统。表61为常用塑料的料温及模具温度。正确地分析与判断模具温度状况，应注意下述各点：（1）塑料的热量与塑料重量成正比。（2）在注射完成时，模腔内的塑料受到高压作用，此 时型腔的温度与型芯的温度相同。（3）当塑件为平板状态时，每半
4、模（动、定模）的温度值接近。（4）当塑件壁厚布均匀时，在塑件壁厚较厚处模具温度较高。6.2.1 模具温度分析2021/9/258 冷却却系统冷却却系统:是指模具中开设的水道系统，它与外界水源连通，根据需要组成一个或者多个回路的水道。冷却系统的设计原则冷却系统的设计原则：1 1 合理地进行冷却水道总体布局合理地进行冷却水道总体布局 2 2 合理确定冷却水道与型腔表壁的距离合理确定冷却水道与型腔表壁的距离 3 3 考虑和利用模具材料的导热性考虑和利用模具材料的导热性 应加强浇口处的冷却应加强浇口处的冷却 控制冷却水入口处的温度差尽量小控制冷却水入口处的温度差尽量小 应使冷却水道中的水呈湍流状态流动
5、应使冷却水道中的水呈湍流状态流动 6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/259 当塑件厚度均匀时，各冷却水孔至型腔表壁的距离最好取作相同，以使塑件冷却均匀，如图61a所示。若塑件的壁厚不均，较厚处热量较多，则可采取冷却水道较为靠近厚壁型腔的办法，如图61b所示。1 1、合理地进行冷却水道总体布局、合理地进行冷却水道总体布局6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/2510 图62a,b的水孔到型腔的最短距离（垂直距离）相同,但水道数量却不一样,从而型腔热量向冷却源流动的路程彼此不同。图63型腔表面到冷却水孔的距离的尺寸关系。合理地距离它不仅关系到型腔是否冷却均匀，而且关系到模具的刚度、强度
6、问题。、合理确定冷却水道与型腔表壁的距离、合理确定冷却水道与型腔表壁的距离6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/2511 如图表62在100下，各种材料的传热系数 如图64所示，当镶拼成型零件较大或较高时，应该优先考虑将冷却水道直接开设在成型零件上，同时，固定板仍需开设一定数量的水道，以调节整个模具冷却均匀。3 3、考虑和利用模具材料的导热性、考虑和利用模具材料的导热性6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/2512 见图65a、b、c示例、应加强浇口处的冷却应加强浇口处的冷却6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/2513精密塑件要求该温度差在2以内，一般塑件在5以内。对模具水道有串
7、联式和并联式两种使用方式，例如图66所示。、控制冷却水入口处的、控制冷却水入口处的 温度差尽量小温度差尽量小 6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/2514 雷诺数是用以判定水流状态的参数，对于塑料模，雷诺数Re取 400010000。其校核公式为：、应使冷却水道中的水呈湍流状态流动、应使冷却水道中的水呈湍流状态流动6.2.2 冷却系统设计原则 如图67 雷诺准数对热传导的影响2021/9/2515 除了上述几项基本原则应遵循外，还应注意以下事项注意以下事项：（）应避免在制品容易产生熔结痕的部位开设冷却水道；（）必须注意密封水，防止水流入型腔；（）当水道发生相贯时，应采取措施使水只可定方向
8、连续流出，避免有水不能流动的死角。水道壁应加工光滑，以使清楚水道污垢方便，经较长使用时间后，冷却效果一致。（）由于凹模与型芯的冷却情况不同，需用两个调温器分别控制各自回路中冷却液的温度、压力、流量和速度。6.2.2 冷却系统设计原则2021/9/2516 常见结构如图68钻孔式水道系统、69所示沟槽式水道系统 6.2.3 冷却系统结构设计(一)、凹模冷却系统(二)、型芯冷却系统设计2021/9/2517 设计型芯冷却系统要比设计凹模时复杂得多，需视型芯的粗细高低，镶拼状况，推杆位置等情况灵活地采用不同形式的冷却装置。图610所示为大行型的冷却装置。图611所示为隔板式冷却装置。图612所示为水
9、管喷流式冷却装置。图613a,b,c所示对细长型芯的冷却。图614所示冷却侧型芯。6.2.3 冷却系统结构设计(二)、型芯冷却系统设计2021/9/2518 热传递的三种基本方式：热传导、热热传导、热辐射和对流传热辐射和对流传热在设置有冷却系统的模具上均存在，并且是相互伴随，同时对冷却模具产生作用。传热行为体现在如下四方面：(1)传导 (2)对流 (3)辐射 (4)传导 6.2.4 模具温度控制系统（一）模具带有冷却系统时的热传行为2021/9/2519 模具向设备工作台面所传导的热量应为：由型腔向冷却水道传导热量的关系式如下：6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2520 （二）冷却水回
10、路数量计算 设塑料传给模具的多余热量为Q，辐射散热量为Q，模具向安装设备传导的热量为Qs，冷却统带走的热量为 Qf，则可建立下式 1.求塑料传给模具的多余热量6.2.4 模具温度控制系统 2.计算由冷却系统携带出模外 的热量2021/9/2521 式中G 每小时注射的塑料重量，；进入模具时的塑料熔料温度与制品在脱模时 的温度之差；塑料的比热，kJ/（）,参见表63。塑料熔解潜热，kJ/，参见表63。无定形塑料 1.求塑料传给模具的多余热量6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2522式中 每小时流经模具的冷却液重量，；冷却液比热，kJ/（），水的=4.186 kJ/（.）冷却液比热，kJ/
11、（），水的=4.186 kJ/（.）2.计算由冷却系统携带出模外的热量6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2523 （1）关于 =每小时液体流量液体比重 =水道截面积液体流速水流时间（每小时）液体比重 故，求得的算术式为 将其代入式（65）中，便得到如下公式 式中 d水道孔径，m；水流速度，m/s；每小时水流持续时间，s/h，若水一直流动，则=3600 s/h。冷却液比重，/m6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2524 表64所列为当水温为23，Re=4000时，产生稳定湍流状态的冷却水应达到的流量与流速。表65所列为不同温度下，水的运动粘度值。在每一成型周期里，流经模具的冷却水
12、总长度为l，用下式计算：（m）式中 V 水流速度，m/s；T一个周期的时间，s （2）关于t6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2525 在每一周期里，由冷却液带走的热量为，计算公式为：式中 A 水道的截面积；每一周期里流经模具的冷却水重量 （条）模具应设计冷却回路数目n，即：6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2526 （三）冷却水在回路中的压力降计算 在同样的控制条件下，如果模具各条冷却回路的长度和截面积相同，水在各条回路的压力降也就相等，那么个条回路水温基本均匀。冷却回路压力降P可按下面经验公式计算：(大气压)6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2527（四）冷却回路计
13、算示例 有一成型高密度聚乙烯食品盒模具，每一模一件，塑件壁厚为1.9mm。现确定对模具型腔和型芯均进行冷却。考虑到塑件壁厚值不大，但塑料流程较长，因而对塑料熔料温度取稍高值，为230（手册数据为150260），模温取值偏低，为38（手册资料为3570），取水温低于模温14，为24。根据塑件的质量要求，拟控制各条冷却回路的出入口温度为3。6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2528现拟出具体使用参数如下：熔料温度，230模温，38塑件脱模温度，94注射量，kg/次 0.186每小时注射量，,33.48比热，KJ/kg 2.302潜热，KJ/kg 243成型时间，秒/模 20 每小时成型次数
14、 180水温 24平均水温 266.2.4 模具温度控制系统2021/9/2529 计算步骤如下：1.计算塑料传给型腔和型芯的多余热量和根据公式（64）便可求得塑料传给模具的总的多余热量：=33.48(230-94)2.302+243 =18617.29（KJ/h）若按冷却系统完成排出总多余热量的90的 任务来计算，冷却系统应排除热量为：=18617.290.9=16755.56（kJ/h）6.2.4 模具温度控制系统2021/9/2530 因为型芯的高度和直径较大，故认为型芯和型腔各吸收热量的比例为60和40。所以，它们分别排除热量：型芯应排除热量 型腔(凹模)应排除热量 2.确定冷却水道的
15、孔径d 本模具适用于在锁模力500吨的注射机上成型，查表65，确定水孔直径d取12mm。确定采用水为冷却液。由表65同时查知雷诺准数Re=4000时的水流速度=0.43m/s.6.2.4 模具温度控制系统2021/9/25316.3.1 加热对象6.3.2 加热方式6.3.3 电加热系统设计6.3.4 防止热量散失的方法6.3 加热系统设计2021/9/2532 6.3.1 6.3.1 加热对象加热对象 （1）热固性塑料模 （2）热流道模的流道板 （3）小型塑件的热塑性塑料注射模 （4）某些高粘性或结晶性塑料注射模 除了上述在整个生产过程中都需要加热模具的情况之外，有时要求对模具先进行短期加热
16、，然后再冷却，大型热塑性塑料注射模就是如此。6.3 加热系统设计2021/9/25336.3.2 6.3.2 加热方式加热方式 通常采用的加热方式有两种：1.电加热式 2.在模具内部通入热介质 对于需要提供足够热能，温度要求较高的模具采用电加热式，例如热固性塑料模、热塑性热流道模的流道板等。也采用热水、过热水或热油加热、蒸汽加热式、而煤气、天燃气燃烧加热的方法一般不太使用。6.3 加热系统设计2021/9/25346.3.3 6.3.3 电加热系统设计电加热系统设计 电加热式具有温度调节范围较大!装置结构简单，安装及维修方便，清洁、无污染等优点。缺点是升温较缓慢，改变温度时有时间滞后效应。1.
17、电加热系统设计的基本要求 6.3 加热系统设计6.3 加热系统设计2.电加热装置的形式2021/9/25351.电加热系统设计的基本要求 （1）计算模具的加热功率 （2）合理地分布电热组件 （3）防止热量散失的工作 （4）建立必要的控温系统6.3.3 6.3.3 电加热系统设计电加热系统设计 6.3 加热系统设计2021/9/2536 2.电加热装置的形式 电加热装置有两大类型电加热装置有两大类型 ：(1)电阻加热 (2)感应加热 常用的电阻加热装置常用的电阻加热装置 ：(1)电阻丝直接加热 (2)电热套、电热片加热装置 如图615 (3)电热棒（如图616）6.3 加热系统设计6.3.3 6
18、.3.3 电加热系统设计电加热系统设计 2021/9/2537 电热功率的计算 （1）计算在要求时间内将模温升至工作温度所需的总功率 （2）计算成型过程中要求模具对塑料加热到一定温度所需的热功率 电热棒的根数n 6.3 加热系统设计2021/9/25386.3.4 防止热量散失的方法1.减小接触面积法2.空气层隔热法3.安装隔热板隔热法6.3 加热系统设计2021/9/2539思考与练习1 1、对模具电加热基本要求有哪些？、对模具电加热基本要求有哪些？（答案答案）、塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所、塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关？需的冷却时间与哪些因素有关？（答
19、案答案）、塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则、塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则？（答案答案）、冷却系统设计原则？、冷却系统设计原则？（答案答案）2021/9/2540电阻加热的基本要求：采用电阻加热时要合理布设电热元件，保证电热元件的功率。如电热元件的功率不足，就不能达到模具的温度：如电热元件功率过大，会使模具加热过快，从而出现局部过热现象，就难于控制模温。要达到模具加热均匀保证符合塑件成型温度的条件，在设计模具电阻加热装置时，必须考虑以下基本要求以下基本要求：、正确合理地布高电热元件、大型模具的电热板，应安装两套控制温度仪表，分别控制调节电热板中央和边缘部位的温度、电热板的中央和边缘部分分
20、别采用不同功率的电热元件，一般模具中央部位电热元件功率稍小，边缘部位诉电热元件功率稍大、加强模具的保温措施，减少热量的传导和热辐射的损失，通常，在模具与压机的上、下压板之间以及模具四周设置石棉隔热板，厚度约为46mm、对模具电加热基本要求有哪些？对模具电加热基本要求有哪些？2021/9/2541、塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所塑料熔体充满型腔后冷却到脱模温度所需的冷却时间与哪些因素有关？需的冷却时间与哪些因素有关？与模具热量、传热面积、型腔和塑料的平均温差度、塑料对型腔的传热系数有关。2021/9/2542设计原则如下：、冷却通道离凹模壁不宜太远或太近，以免影响冷却效果和模具的强度，其距离
21、一般为冷却通道直径的12倍。、在模具结构允许的情况下，冷却通道的孔径尽量大，冷却回路的数量尽量多，这样冷却会愈均匀。、应与塑件厚度相适应。塑件壁厚基本均匀时，冷却通道与型腔表面各处的距离最好相同，即冷却通道的排列与型腔的形状相吻合。塑件局部壁厚处应增加冷却通道，加强冷却。、冷却通道不应通过镶块和镶块接缝处，以防止漏水。、塑料模具冷却装置设计要遵循、塑料模具冷却装置设计要遵循什么原则？什么原则？2021/9/2543、冷却通道内不应有存水和产生回流的部位，应畅通无阻。冷却通道直径一般为812mm。进水管直径的选择，应使进水处的流速不超过冷却通道中的水流速度，要避免过大的压力降。、浇口附近温度最高
22、，距浇口愈远温度愈低，因此，浇口附近应加强冷却，通常可使冷水先流经浇口附近，然后再流向浇口远端。、冷却通道要避免近塑件的熔接部位，以免使塑件产生熔接痕，降低塑件强度。、进出口冷却水温差不宜过大，避免造成模具表面冷却不均匀、凹模各凸模要分别冷却，要保证冷却的平衡，而且对凸模内部的冷却要注意水道穿过凸模与模板接缝处时进行密封，以防漏水。、要防止冷却通道中的冷却水泄漏，水管与水嘴连接处必须密封。水管接头的部位，要设置在不影响操作的方向，通常朝向注射机的背面。2021/9/2544、冷却系统的设计原则？(1).合理地进行冷却水道总体布局(2).合理确定冷却水道与型腔表壁的距离(3).考虑和利用模具材料
23、的导热性(4).应加强浇口处的冷却(5).控制冷却水入口处的温度差尽量小(6).应使冷却水道中的水呈湍流状态流动 2021/9/2545表表6 61 1 常用塑料在成型时的熔料温度和模具温度常用塑料在成型时的熔料温度和模具温度（）塑料品种熔料温度模具温度PSAS(SAN)ABSPMMACARPVCFRVCPCPE20030020026020026018025016025018021017019028032015026040604060406040604060406030609012035702021/9/2546塑料品种塑料品种熔料温度模具温度PPPAPOMPPOPSFPBT160260200
24、3201802202803403003402502705565551208011011015010015060802021/9/2547纯铜铜合金铝（2017）黄铜铍铜钢（含碳量1）工具钢P20 1084913464337313127103 工具钢H13不锈钢316水PSPEPP/PA空气 59491.900.340.880.68/0.340.68 表表62在在100下，各种材料的传热系数下，各种材料的传热系数千卡千卡/（米（米小时小时）2021/9/2548塑料名称 比热kJ/潜热kJ/结 晶 型 塑 料缩醛塑料尼龙低密度乙烯高密度乙烯聚丙烯聚酯 1.4651.6742.3022.7211.
25、952 163130130243209125 无定型塑料 高强度聚苯乙烯ASABS丙烯塑料硬聚氯乙烯聚碳酸酯改型PPO 1.4651.4231.6741.4651.1721.2561.340 表表6 63 32021/9/2549水孔直径mm水流量m/min 水流速m/s 适用注射机锁模力 80.6650（60克以下注射机）10120.520.4350500（60250克注射机）18200.290.26500（250克以上注射机）表表6 64 42021/9/2550表表65 水在不同温度下的水在不同温度下的值（值（/s）水温（）（/s）水温（）（/s）15192328333842 47576
26、6758594100 2021/9/2551图 61 冷却水道布局2021/9/2552图62 冷却水道数量传热关系2021/9/2553图63 从型腔表面到冷却水孔的距离2021/9/2554 图 64 凹模与型芯的冷却 2021/9/2555 图65 热浇口处的冷却2021/9/2556 图66 冷却水道的串、并联使用 2021/9/2557图67 雷诺准数对热传导的影响 2021/9/2558图68 钻孔式水道系统2021/9/2559图69 沟槽式水道系统2021/9/25602021/9/2561图611 隔板式冷却装置2021/9/2562图612 水管喷流式冷却装置 2021/9/2563 图 613 对细型芯的冷却 2021/9/2564图614 冷却侧型芯2021/9/25656 15 电热套和电热片2021/9/2566 图616 电热棒及其它加热榜内的安装 2021/9/25672021/9/25682021/9/2569