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1、2023/4/201课程内容课程内容冷却系统设计的重要性冷却系统设计的重要性冷却系统的构成及类型冷却系统的构成及类型冷却理论分析冷却理论分析冷却水路设计要点冷却水路设计要点结合结合Moldflow分析的设计案例分析的设计案例第1页/共68页冷却系统设计的重要性冷却系统设计的重要性第2页/共68页2023/4/203冷却的影响冷却的影响v产品品质 表面光洁度 残余应力 结晶度 热弯曲 v生产成本 顶出温度 循环时间 冷却系统设计的重要性第3页/共68页2023/4/204冷却影响产品品质冷却影响产品品质 v表面光洁度：许多材料需要相对高的模具表面温度，在生产中以获得良好的表面光洁度，如果某些区域
2、与另一些区域的模穴温度不同，那么在成品表面就会看到不同的表面光泽。v残余应力：残余应力是在充填或保压过程中剪切应力的结果。除了流动导致应力外，由于产品表面温度不同，各个部分以不同的速率冷却时也会产生残余应力。这些残余应力可能是产品在使用过程中过早损坏或者产品翘曲和扭曲的原因。为了减小这些应力，就需要均匀的冷却。v结晶度：半结晶材料成型过程中呈现的结晶度受熔体冷却的影响。产品冷却过程中结晶度的不同会影响体积收缩，要保待所需要的尺寸公差是困难的。不同区域体积收缩的显着变化通常是产品翘曲的一个原因。v热弯曲：如果模具的上表面和下表面的温度不同，一旦产品从模具中顶出，由于在上下表面之间不同的热收缩速率
3、，产品会弯曲。冷却系统设计的重要性第4页/共68页2023/4/205冷却影响生产成本冷却影响生产成本 v顶出温度：产品从模具中顶出的温度会受很多因素的影响。产品的强度必须足够大，以抵抗由于体积收缩的变化和残余应力而产生的翘曲，和顶出系统对产品施加的局部应力。顶出力受产品的几何形状、模具的表面光洁度和在充填与保压过程中模穴的填充度的影响。注射时间保压时间冷却时间开模时间v循环时间:通常，循环时间是产品的温度降到能安全顶出的温度所花的时间。如果充填和保压过程都是优化的，改善冷却行为可以显着地减小冷却时间。因为冷却时间通常包括80%的循环时间，所以减小冷却时间会显着减小循环时间和生产成本。and
4、Packing冷却系统设计的重要性第5页/共68页冷却系统的构成及类型冷却系统的构成及类型第6页/共68页2023/4/207冷却系统的构成冷却系统的构成冷却系统的构成及类型第7页/共68页2023/4/208冷却水路的类型冷却水路的类型v串联水路 优点 流速均匀 排热均匀 缺点 压降高 v并联水路 优点 适用于入子四周 低压下可达高流速 缺点 各分支流速不一样 各分支冷却效果不佳 易产生污垢 冷却系统的构成及类型第8页/共68页2023/4/209冷却水路的基本形式冷却水路的基本形式直线式圆管直线式方管冷却系统的构成及类型第9页/共68页2023/4/2010冷却水路的基本形式冷却水路的基本
5、形式圆形弯管方形弯管冷却系统的构成及类型第10页/共68页2023/4/2011冷却水路的基本形式冷却水路的基本形式挡板(Baffle)喷泉(Bubbler)冷却系统的构成及类型第11页/共68页2023/4/2012冷却水路的基本形式冷却水路的基本形式吸热管(ThermalPin)冷却系统的构成及类型第12页/共68页冷却理论分析冷却理论分析第13页/共68页2023/4/2014热量在注射成型中的传递热量在注射成型中的传递 热量由熔融塑料带入热量由熔融塑料带入热量从冷却水路传入或传出热量从冷却水路传入或传出辐射散热辐射散热对流散热对流散热热量散失到模板上热量散失到模板上冷却理论分析第14页
6、/共68页2023/4/2015从塑料到模穴壁的热传导从塑料到模穴壁的热传导v影响冷却系统性能的参数模具材料热特性比热导热性料温和模温之间的温度梯度塑料和模穴壁之间接触的质量确信良好的接触冷却理论分析第15页/共68页2023/4/2016从模穴壁到水管壁的热传导从模穴壁到水管壁的热传导v影响冷却系统性能的参数模具材料热特性比热导热性冷却水管和塑料表面的距离均匀冷却与快速冷却的折中料温和水温之间的温度梯度冷却理论分析第16页/共68页2023/4/2017从水管壁到冷却介质的热传导从水管壁到冷却介质的热传导v影响冷却系统性能的参数冷却液紊乱程度确信达到紊流状态，但亦不宜过大冷却液进口温度冷却液
7、的性质冷却液的流速冷却理论分析第17页/共68页2023/4/2018典型模具材料的热特性典型模具材料的热特性冷却理论分析第18页/共68页2023/4/2019冷却液流动与雷诺数冷却液流动与雷诺数v雷诺数定义：雷诺数雷诺数雷诺数雷诺数 (Re)(Re)流动类型流动类型流动类型流动类型10,000Re10,000Re紊流紊流2,300Re10,0002,300Re10,000瞬变流瞬变流100Re2,300100Re2,300层流层流Re100Re100停滞流停滞流这里，为冷却液密度，U为冷却液平均流速，d为冷却水管直径，为冷却液动态粘度。冷却理论分析第19页/共68页2023/4/2020冷
8、却液流动率与热交换冷却液流动率与热交换层流的温度梯度雷诺数230063C43C23C20C塑料塑料金属界面冷却液金属界面冷却液温度梯度冷却理论分析第20页/共68页2023/4/2021冷却液流动率与热量流动率冷却液流动率与热量流动率冷却理论分析第21页/共68页2023/4/2022散热能力散热能力紊流紊流紊流紊流实际散热实际散热实际散热实际散热流动率流动率流动率流动率热交换热交换热交换热交换热容热容热容热容传导传导传导传导对流对流对流对流交换交换交换交换层流层流层流层流冷却理论分析第22页/共68页2023/4/2023冷却时间的方程式冷却时间的方程式v冷却时间：理论上，冷却时间与最大产品
9、厚度的平方或最大流道直径的幂的1.6次成正比，也就是这里熔融塑料的热扩散系数(thermaldiffusivity)定义为：或冷却理论分析第23页/共68页2023/4/2024冷却时间与模温冷却时间与模温v增加模温，冷却时间延长厚2mm、长200mm的产品，以推荐的料温及1秒时间注射冷却理论分析第24页/共68页2023/4/2025冷却与翘曲冷却与翘曲v当塑料接触到模具时，一边是冷的，另一边是热的，不同的冷却便发生了。热的一边要比较长的时间冷却和收缩（收缩大），而导致热的一边象弓一样弯曲。热的一边冷的一边张应力凝固和收缩冷的一边热的一边冷却理论分析第25页/共68页2023/4/2026热
10、量聚积热量聚积vv热量聚积在角落处，使得角落收缩变形而小于热量聚积在角落处，使得角落收缩变形而小于9090度，造成典型度，造成典型的盒状弓形翘曲。的盒状弓形翘曲。热集中在公模的角落热的角落(相对于凝固部分的收缩，引起翘曲)Cavity冷Core热冷却理论分析第26页/共68页2023/4/2027差动结晶差动结晶v不平均的壁厚将导致不同的冷却速率。需更长时间冷却的区域将有更高的结晶度，这叫做差动结晶(DifferentialCrystallinity)。快速冷却，低结晶度，低收缩率慢速冷却，高结晶度，高收缩率冷却理论分析第27页/共68页冷却水路设计要点冷却水路设计要点第28页/共68页202
11、3/4/2029冷却系统设计目标冷却系统设计目标 v冷却系统的设计经常受到模穴的几何形状、分模线、滑块和顶针的限制，因此不能僵硬地给出理想分布的设计指南。v模具设计者的目标应该是综合考虑各方面因素，设计一个良好的冷却系统，它会：均匀地冷却产品均匀地冷却产品减少循环周期时间减少循环周期时间 冷却水路设计要点第29页/共68页2023/4/2030冷却水路设置要使冷却效果均匀冷却水路设置要使冷却效果均匀 v靠近热量较多处 v远离热量较少处 冷却水路设计要点第30页/共68页2023/4/2031水路尺寸及排放位置水路尺寸及排放位置 v冷却水管的直径优先采用大于8mm，各个水管的直径应尽量一致，避免
12、冷却液的流速不均产生压力损失。v无论多大的模具，水管的直径都不能大于14mm，否则冷却水流难以形成紊流状况。冷却水路设计要点第31页/共68页2023/4/2032冷却水路的长度冷却水路的长度 v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5以下；对于精密成型模具，则要控制在2-3以下，每条水路长度在1.2-1.5m以下。v增加一条冷却水管的长度会增加热传导的面积。在这个原则上图B会比图A好，然而长的水路可能会产生一些问题，例如压力降增加，沿长度方向温度升高过多。为了避免这些问题，很长的水路应该分成两条或更多短的水路，如图C所示。CInOutInOu
13、tAInOutBInOut冷却水路设计要点第32页/共68页2023/4/2033采用采用Baffle或或Bubbler v在一个冷却管道内任何冷却液的方向改变会增加紊乱度，因此在转弯后热传导的能力会增加。挡板和喷泉都会增大紊乱度，是由于在流动系统中固有转弯和它们的几何形状能够在受限制区进行冷却，因此加强了冷却效果。冷却水路设计要点第33页/共68页2023/4/2034采用串联采用串联Bafflev在多型芯中采用串联挡板水路时，散热不佳：INOUTPoor!PinBlade冷却水路设计要点第34页/共68页2023/4/2035采用串联采用串联Bubblerv应采用串联喷泉水路，以助于散热：
14、INCorrect!OUTPinTube冷却水路设计要点第35页/共68页结合结合Moldflow分析的分析的设计案例设计案例第36页/共68页2023/4/2037一个方框形产品一个方框形产品 v对这种方框形产品，最大的品质问题应该是翘曲变形，而进浇位置与冷却水路设计对产品品质有着较大的影响。结合Moldflow分析的设计案例第37页/共68页2023/4/2038产品的尺寸与所选用的塑料产品的尺寸与所选用的塑料塑胶材料：ABS/PC CYCOLOY C2950 GE USA 最大外型尺寸31425132平均肉厚为1.6mm结合Moldflow分析的设计案例第38页/共68页2023/4/2
15、039MPA分析寻找合适进浇点分析寻找合适进浇点 v先以MoldflowPartAdviser快速充填分析寻找合适的进浇点。当用两点进浇时，充填压力太大，且塑胶流动路径太长，故不采用。结合Moldflow分析的设计案例第39页/共68页2023/4/2040MPI分析寻找合适进浇形式分析寻找合适进浇形式 v决定采用四点进浇，有以下两种方案，以MoldflowPlasticsInsight分析寻找合适的进浇位置及流道排布。Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例第40页/共68页2023/4/2041MPI快速充填分析结果快速充填分析结果vMPI快速充填分析表明两种方案均能达到流动
16、平衡，Case2充填压力较大，但还不知何种方案的翘曲变形量更小，故需用MPI进一步分析比较。Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例第41页/共68页2023/4/2042方案比较方案比较 v两种方案均采用潜伏式浇口，从扁销上进浇。采用相同的水路设计，设定相同的冷却条件进行分析比较。潜伏式浇口原始冷却水路设计 结合Moldflow分析的设计案例第42页/共68页2023/4/2043Case1&Case2充填状况比较充填状况比较 vFill Time(sec)0.891.01Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例第43页/共68页2023/4/2044Case1&
17、Case2充填压力比较充填压力比较vInjection Pressure(MPa)120.9129.2Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例第44页/共68页2023/4/2045Case1&Case2波前温度比较波前温度比较vFlow Front Temperature(deg.C)266.2280.6271.1279.7Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例第45页/共68页2023/4/2046Case1&Case2 X向变形比较向变形比较 vDeflection X(mm)0.430.430.860.530.531.06Case1Case2结合Moldf
18、low分析的设计案例第46页/共68页2023/4/20470.280.31Case1&Case2 Z向变形比较向变形比较vDeflection Z(mm)0.280.31Case1Case2结合Moldflow分析的设计案例第47页/共68页2023/4/2048初步结论初步结论v相比较而言，Case1的翘曲变形较小，注射压力也较小，因此我们采取Case1的进浇位置及流道排布进行模具设计。结合Moldflow分析的设计案例第48页/共68页2023/4/2049水路设变水路设变v但从翘曲分析结果得知，Case1的翘曲变形量仍较大，其中X方向往外张，可否将其再减小?我们变更了冷却水路设计，再设
19、定相同的冷却条件进行分析比较。设变的冷却水路试图使用母模水路矫正产品的变形。设变冷却水路(Case3)原始冷却水路(Case1)结合Moldflow分析的设计案例第49页/共68页2023/4/2050Case1&Case3冷却水温比较冷却水温比较 vCoolant Temperature(deg.C)6565.16565.4Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例第50页/共68页2023/4/2051Case1&Case3公母模温差比较公母模温差比较 vTemperature Difference(deg.C)2.4-5.960.36-6.57Case1Case3结合Mold
20、flow分析的设计案例第51页/共68页2023/4/2052Case1&Case3充填状况比较充填状况比较vFill Time(sec)0.890.89Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例第52页/共68页2023/4/2053Case1&Case3充填压力比较充填压力比较vInjection Pressure(MPa)120.9120.9Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例第53页/共68页2023/4/2054Case1&Case3波前温度比较波前温度比较vFlow Front Temperature(deg.C)266.2280.6266.2280.
21、6Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例第54页/共68页2023/4/20550.430.430.320.32Case1&Case3 X向变形比较向变形比较vDeflection X(mm)0.860.64Case1Case3结合Moldflow分析的设计案例第55页/共68页2023/4/20560.280.24Case1&Case3 Z向变形比较向变形比较vDeflection Z(mm)0.28Case10.24Case3结合Moldflow分析的设计案例第56页/共68页2023/4/2057翘曲变形状况翘曲变形状况v将翘曲变形量放大10倍X向(外张)Z向(上翘)结合
22、Moldflow分析的设计案例第57页/共68页2023/4/2058矫正翘曲变形矫正翘曲变形v设变的冷却水路除了起到均匀冷却作用外，还要起到矫正翘曲变形的作用。通过改变成型条件，特别是改变冷却水温来进一步减小翘曲变形。不过，该改变哪一条水路的水温才好呢？结合Moldflow分析的设计案例第58页/共68页2023/4/2059设变成型条件设变成型条件vCase4冷却水温保压曲线T(sec)P(MPa)901.53.513.50结合Moldflow分析的设计案例第59页/共68页2023/4/2060Case3&Case4冷却水温比较冷却水温比较vCoolant Temperature(deg
23、.C)6565.45065.1Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第60页/共68页2023/4/2061Case3&Case4公母模温差比较公母模温差比较vTemperature Difference(deg.C)0.36-6.80.77-12.4Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第61页/共68页2023/4/2062Case3&Case4充填状况比较充填状况比较vFill Time(sec)0.890.89Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第62页/共68页2023/4/2063Case3&Case4充填压力比较充填压力比较vIn
24、jection Pressure(MPa)120.9120.8Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第63页/共68页2023/4/2064Case3&Case4波前温度比较波前温度比较vFlow Front Temperature(deg.C)266.2280.6266.2280.6Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第64页/共68页2023/4/20650.320.320.250.25Case3&Case4 X向变形比较向变形比较vDeflection X(mm)0.640.50Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第65页/共68页20
25、23/4/20660.240.18Case3&Case4 Z向变形比较向变形比较vDeflection Z(mm)0.240.18Case3Case4结合Moldflow分析的设计案例第66页/共68页2023/4/2067设计总结设计总结v可见，设变成型条件之后，翘曲变形又减小了。如果想取得最佳成型条件，我们可以使用MPI/OPTIM优化模块再进一步分析。当然，要将翘曲变形完全消除是不实际的，我们只能将其控制在客户许可范围之内。v设计良好的冷却水路，将可以缩短熔胶固化所需的时间，有效的增加生产效率，降低成本，并可使成品各部分均匀冷却，防止产品因热应力所造成的收缩扭曲变形等不利因素发生。此外，在特定情况下，冷却水路还起到矫正翘曲变形的作用。结合Moldflow分析的设计案例第67页/共68页2023/4/2068感谢您的观看！第68页/共68页