注塑成型工藝 第十章 注射模溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、一、 溫度調(diào)節(jié)的必要性,二、 冷卻管道的工藝計(jì)算,三、 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,第十章 注射模溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng),重點(diǎn)掌握,,第一節(jié) 溫度調(diào)節(jié)的必要性,一、溫度調(diào)節(jié)對(duì)塑件質(zhì)量的影響,1．變形 模具溫度穩(wěn)定，冷卻速度均衡，可減小塑件的變形。對(duì)壁厚不一致和形狀復(fù)雜的塑件，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因收縮不均勻而產(chǎn)生翹曲變形的情況。故須采用合適的冷卻系統(tǒng)，使模具凹模與型芯的各個(gè)部位的溫度基本保持一致，以便型腔內(nèi)的塑料熔體能同時(shí)凝固。,2．尺寸精度

2、 保持模溫恒定，能減少制件成型收縮率的波動(dòng)，提高塑件尺寸精度的穩(wěn)定性。在可能的情況下采用較低的模溫有助于減小塑件的成型收縮率。例如，對(duì)于結(jié)晶形塑料，因?yàn)槟剌^低，制件的結(jié)晶度低，可以降低收縮率。但結(jié)晶度低不利于制件尺寸的穩(wěn)定性，從尺寸的穩(wěn)定性出發(fā)，又需要適當(dāng)提高模具溫度，使塑件結(jié)晶均勻。,3．力學(xué)性能 結(jié)晶形塑料，結(jié)晶度越高，塑件的應(yīng)力開裂傾向越大，故從減小應(yīng)力開裂的角度出發(fā)，降低模溫是有利的。但對(duì)于聚碳酸

3、酯一類高黏度無定形塑料，其應(yīng)力開裂傾向與塑件中的內(nèi)應(yīng)力的大小有關(guān)，提高模溫有利于減小制件中的內(nèi)應(yīng)力，也就減小了其應(yīng)力開裂傾向。,為什么說縮短注射循環(huán)周期的冷卻時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵？ 因注射模中熔體從200℃左右降低到60℃左右，所釋放的熱量中約有5％以輻射、對(duì)流的方式散發(fā)到大氣中，其余95％由冷卻介質(zhì)(一般是水)帶走。模具的冷卻時(shí)間約占整個(gè)注射循環(huán)周期的2／3。,4 ．表面質(zhì)量 提高模溫能改善制件

4、表面質(zhì)量，過低的模溫會(huì)使制件輪廓不清晰并產(chǎn)生明顯的熔接痕，導(dǎo)致制件表面粗糙度提高。,二、溫度調(diào)節(jié)對(duì)生產(chǎn)效率的影響,,注射成型中，模具的冷卻時(shí)間取決于冷卻效果，即冷卻水的流動(dòng)狀態(tài)。據(jù)資料表明，在湍流下的熱傳遞比層流下的高10～20倍。,冷卻水處于湍流狀態(tài)，水的雷諾數(shù)Re(動(dòng)量與黏度的比值)達(dá)到6 000以上。,,,,根據(jù)牛頓冷卻定律，冷卻系統(tǒng)從模具中帶走的熱量(kJ)為,式中 Q——模具與冷卻系統(tǒng)之間所傳遞的熱量，KJ；

5、 h——冷卻通道孔壁與冷卻介質(zhì)之間的傳熱膜系數(shù)，kJ／(m2·h．℃)； A——冷卻介質(zhì)的傳熱面積，m2； Δθ——模具溫度與冷卻介質(zhì)溫度之間的差值，℃； t——冷卻時(shí)間，s。 式(10—1)知，當(dāng)所需傳遞的熱量Q不變時(shí)，可通過如下三條途徑來縮短冷卻時(shí)間。,（10-1）,1．提高傳熱膜系數(shù),,冷卻介質(zhì)在圓管內(nèi)呈湍流流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，冷卻管道孔壁與冷卻介質(zhì)之間的傳熱膜系數(shù)h [k

6、J／(m2·h．℃)]為,,式中 f——與冷卻介質(zhì)溫度有關(guān)的物理系數(shù)(具體計(jì)算方法見下節(jié))； ρ——冷卻介質(zhì)在一定溫度下的密度，kg／m3； υ——冷卻介質(zhì)在圓管中的流速，m／s； d——冷卻管道的直徑，m。 即當(dāng)冷卻介質(zhì)溫度和冷卻管道直徑不變時(shí)，增加冷卻介質(zhì)的流速v，可提高傳熱膜系數(shù)。,(10-2),模溫一定，適當(dāng)降低冷卻介質(zhì)的溫度，利于縮短模具的冷卻

7、時(shí)間t。一般注射模具所用的冷卻介質(zhì)是常溫水，若改用低溫水，便可提高模具與冷卻介質(zhì)之間的溫度差Δθ，提高注射成型的生產(chǎn)率。但采用低溫水冷卻模具時(shí)，大氣中的水分有可能在型腔表面凝聚而導(dǎo)致制件的質(zhì)量下降。,增大冷卻介質(zhì)的傳熱面積A，需在模具上開設(shè)尺寸盡可能大和數(shù)量盡可能多的冷管道，但由于模具上有各種孔(如推桿孔、型芯孔)和縫隙(如鑲塊接縫)的限制，只能在滿足模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下盡量多開設(shè)冷卻水管通道。,3．增大冷卻介質(zhì)的傳熱面積,2．提高模具

8、與冷卻介質(zhì)之間的溫度差,衡量塑件已充分固化的準(zhǔn)則： ①塑件最大壁厚中心部分的溫度已冷卻到該種塑料的熱變形溫度以下。 ②塑件截面內(nèi)的平均溫度已達(dá)到所規(guī)定的塑件的出模溫度。 ③對(duì)于結(jié)晶形塑料，最大壁厚的中心層溫度達(dá)到固熔點(diǎn)，或結(jié)晶度達(dá)到某一百分比。,第二節(jié) 冷卻管道的工藝計(jì)算,一、冷卻時(shí)間的計(jì)算,什么是塑件在模具內(nèi)的冷卻時(shí)間？,通常指塑料熔體從充滿型腔時(shí)起到可以開模取出制件的這一段時(shí)間。,可開模的標(biāo)準(zhǔn)：塑件已充

9、分固化，具有一定的強(qiáng)度和剛度，開模推出時(shí)不致變形開裂。,b、塑料的注射溫度不變，且塑件內(nèi)、外表面的溫度在充模時(shí)降低到模具的溫度并維持恒定。 由此建立一維導(dǎo)熱微分方程為,,,,,,,,求解上式，并簡(jiǎn)化，得到冷卻時(shí)間t1的解析表達(dá)式。同理可得第二條準(zhǔn)則的冷卻時(shí)間t2的簡(jiǎn)化公式。第三條準(zhǔn)則中的冷卻時(shí)間t3依靠經(jīng)驗(yàn)獲得。,（10-3）,上述的第一條準(zhǔn)則，假定：,a、塑件的溫度只沿垂直于模壁的方向傳遞，即簡(jiǎn)化成一維導(dǎo)熱問題，圖10—l。,

10、(1) 塑件最大壁厚中心部分溫度達(dá)到熱變形溫度時(shí)所需的冷卻時(shí)間t1(s)為,,( 10-4),式中 S——塑件的壁厚，mm； α1——塑料熱擴(kuò)散率，mm2／s；某些常用塑料的α1值見表10-2； θc——塑料注射溫度，℃； θM——模具溫度，℃； θ1——塑料的熱變形溫度，℃；附錄3給出了在一定溫度下塑料試樣的熱變形溫度，但不是生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)的熱變形溫度，確定θ1時(shí)還應(yīng)

11、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)。,,(2)塑件截面內(nèi)平均溫度達(dá)到規(guī)定的塑件出模溫度時(shí)所需要的冷卻時(shí)間t2(s)為,( 10-5),式中 θ2——截面內(nèi)平均溫度，℃。,(3)結(jié)晶形塑料制件的最大壁厚中心溫度達(dá)到固熔點(diǎn)時(shí)所需的冷卻時(shí)間t3(s),,①聚乙烯,,(棒類) （10-6）,,（板類） （10-7）,以上兩式的適用范圍是θc=193．3～248．9℃，θM=4．4～79．4℃。,② 聚丙烯,,(棒類) （10-8）,,,（板類

12、） （10-9）,以上兩式的適用范圍是θc=232．2～282．2℃，θM=4．4～79．4℃。,③聚甲醛,,(棒類) （10-10）,,（板類） （10-11）,以上兩式的適用范圍是θc>190℃，θM<125℃。式(10-6~11)中，θc為棒類或板類塑件的初始成型溫度(℃)；θM為模具溫度(℃)；R為棒類塑件的半徑(cm)；S為板類塑件的厚度(cm)。,二、冷卻管道傳熱面積及管道數(shù)目的簡(jiǎn)易計(jì)

13、算,忽略模具因空氣對(duì)流、熱輻射以及與注射機(jī)接觸所散發(fā)的熱量，則模具冷卻時(shí)所需冷卻介質(zhì)的體積流量可按下式計(jì)算,（10-12）,式中 qv——冷卻介質(zhì)的體積流量，m3／min； W——單位時(shí)間(每分鐘)內(nèi)注入模具中的塑料質(zhì)量，kg／min； Q1——單位重量的塑件在凝固時(shí)所放出的熱量，kJ／kg； ρ——冷卻介質(zhì)的密度，kg／m3； c1——冷卻介質(zhì)的比熱容，kJ／(kg

14、·℃)； θ1——冷卻介質(zhì)出口溫度，℃； θ2——冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度，℃。,,Q1可表示為,,（10-13）,式中 c2——塑料的比熱容，kJ／(kg·℃)；θ3、θ4——分別為塑料熔體的溫度和推出前塑件的溫度，℃； u——結(jié)晶形塑料的熔化潛熱，kJ／kg。 冷卻管道總傳熱面積A(m2)可用如下公式計(jì)算,（10-14）,,式中 h——冷卻管道孔

15、壁與冷卻介質(zhì)之間的傳熱膜系數(shù)，kJ／(m2·h．℃)； Δθ——模溫與冷卻介質(zhì)溫度之間的平均溫差，℃。 h可由式(10-2)求得，其中,,(10-15),式中 λ——冷卻介質(zhì)的熱導(dǎo)率，kJ／(m2·h．℃)； c1——冷卻介質(zhì)的比熱容，kJ／(kg·℃)； μ——冷卻介質(zhì)的黏度，Pa·s；,,(10-16),v——冷卻介質(zhì)的流速，

16、m／s；qv——冷卻介質(zhì)的體積流量，m3／s；d——冷卻管道的直徑，m。f既可由式（10-15）計(jì)算得到，也可由表10-5選取。 模具應(yīng)開設(shè)的冷卻管道的孔數(shù)為,(10-17),式中 L——冷卻管道開設(shè)方向上模具長(zhǎng)度或?qū)挾?，m。,,,,,例 某注射模成型聚丙烯塑件，產(chǎn)量為50kg／h，用20℃的水作為冷卻介質(zhì)，其出口溫度為27℃，水呈湍流狀態(tài)，若模具平均溫度為40℃，模具寬度為300mm，求冷卻管道直徑及所需冷卻管

17、道孔數(shù)。,解：,(1)求塑料制件在固化時(shí)每小時(shí)釋放的熱量Q 查表10-4得聚丙烯的單位熱流量,,故,,(2) 求冷卻水的體積流量 由式(10—12)得,,（3） 求冷卻管道直徑d，查表10-1，為使冷 卻水處于湍流狀態(tài)， 取 d=25mm,,,(4)求冷卻水在管道內(nèi)的流速v由式(10—16)得,(5)求冷卻管道孔壁與冷卻介質(zhì)之間的傳熱膜系數(shù)h 查表10—5，取f=7.22(水溫為30℃時(shí))，

18、 再由式(10-2)得,(6)求冷卻管道總傳熱面積A 由式(10—14)得,(7)求模具上應(yīng)開設(shè)的冷卻管道的孔數(shù)n 由式(10—17)得,,,,,三、冷卻管道的詳細(xì)計(jì)算,一般的注射模冷卻管道設(shè)計(jì)中，采用上節(jié)所介紹的簡(jiǎn)易計(jì)算已足夠。但對(duì)于精密和復(fù)雜的大型注射模，有必要較全面地考察冷卻過程的冷卻影響因素，進(jìn)行較為深入的設(shè)計(jì)計(jì)算。,1．單位時(shí)間里型腔內(nèi)的總熱量Q,總熱量Q(kJ/h)為,(10-18),式中 W——

19、單位時(shí)間內(nèi)注入型腔中的塑料質(zhì)量，kg／h； N——每小時(shí)注射次數(shù)； G——每次塑料的注射量，kg； Q1——單位質(zhì)量的塑料制件從熔體進(jìn)入型腔開始到冷卻結(jié)束時(shí)所放出的熱量，kJ／kg；又稱為單位熱流量之差或熱焓之差。,,總熱量Q(kJ/h)為,,(10-18),式中 W——單位時(shí)間內(nèi)注入型腔中的塑料質(zhì)量，kg／h； N——每小時(shí)注射次數(shù)； G——每

20、次塑料的注射量，kg； Q1——單位質(zhì)量的塑料制件從熔體進(jìn)入型腔開始到冷卻結(jié)束時(shí)所放出的熱量，kJ／kg；又稱為單位熱流量之差或熱焓之差。,對(duì)于某些塑料，可從圖10-2中得到不同溫度下的熱焓量，也可以由下式近似求得,,(10-19),式中 c2——塑料的比熱容，kJ／(kg·℃)； u——結(jié)晶形塑料的熔化潛熱，KJ／kg； c2和u可查閱表10-3；

21、 θ1max、θ1min——分別為進(jìn)入型腔的熔體溫度和冷卻結(jié)束時(shí)塑件的溫度，℃。表10—4中也給出了常用塑料Ql的近似值。,2．通過自然冷卻所散發(fā)的熱量Qc、QR、QL,（1）由對(duì)流所散發(fā)的熱量Qc(kJ／h),,（10-20）,式中 AM——模具表面積，m2； θ2M——模具平均溫度，℃； θ0——室溫，℃； h1——傳熱系數(shù)，kJ／(m2·h．℃)。

22、當(dāng)0℃<θ2M <300℃時(shí)，由實(shí)驗(yàn)得,,(10-21),將式(10—21)代人式(10—20)中得到,,(10-22),注意：上式中AM除了模具暴露在空氣中的四個(gè)側(cè)表面積外，還包括動(dòng)模和定模兩個(gè)分型面的表面積，由于只有開模狀態(tài)下，動(dòng)、定模兩個(gè)分型面才會(huì)散發(fā)熱量，故有,,（10-23）,式中 AMl——模具的四個(gè)側(cè)表面積，m2； AM2——模具兩個(gè)分型面表面積，m2； h1——開模率，定

23、義為,,式中 t——注射成型周期，s； t1——注射時(shí)間，s；可參見表6—2； t2——制品冷卻時(shí)間，s；可參見表10-6。（2）由輻射所散發(fā)的熱量QR(kJ/h),(10-24),,(10-25),式中 ε——輻射率，磨光表面ε=0.04～0.05，一般加工面ε=0.80~0.90，毛坯表面ε=1.0。,(3) 向注射機(jī)工作臺(tái)所傳遞的熱量QL(kJ/h)),,(10-26),式中

24、 AM3——模具與工作臺(tái)接觸面積，m2； h2——傳熱系數(shù)，可以使用如下經(jīng)驗(yàn)值 普通鋼h2=502kJ／(m2·h．℃)； 合金鋼h2=377kJ／(m2·h．℃)； 合金h2=586kJ／(m2·h．℃)。,某些模具(如熱流道模具等)在模具固定板與工作臺(tái)板之間使用隔熱墊時(shí)，傳熱系數(shù)為,,（10-27）,,,式中 h2s——采用隔

25、熱墊后的傳熱系數(shù)，kJ／(m2·h·℃)； h2——不采用隔熱墊時(shí)的傳熱系數(shù)，kJ／(m2·h．℃)； δs——隔熱墊厚度，m； λs——隔熱材料的熱導(dǎo)率，石棉板約為0．561 kJ／(m.h．℃)； λM——模具材料的熱導(dǎo)率，kJ／(m·h．℃)；參見表10-7； HM——模具總高度的一半，

26、m。,3．模板的熱傳導(dǎo)阻力,型腔內(nèi)塑件的絕大部分熱量Q2是通過模板由型腔壁傳遞給冷卻水管壁的。在兩個(gè)平面間流動(dòng)的熱量可用傅里葉方程予以描述,(10-29),式中 λ——模板的熱導(dǎo)率，KJ/(m.h.℃)； δ——模具型腔壁與冷卻水管壁之間的距離，m； φ——型腔與冷卻水管壁之間的傳熱面積，m2； θ3M——型腔壁的平均溫度，℃； θ4M——冷卻水管壁的平均溫度，℃

27、； Δθ——兩平行平面間的溫差，℃。,,,,Rv=,,值得注意的是，式(10—29)僅適用于具有相同進(jìn)口及出口截面的兩平行平面的傳熱情況，在注射模中型腔壁并不一定與冷卻水管壁的面積相等。為此，以型腔壁(a ×b)為熱表面，冷卻水管壁(A×B)為冷表面，圖10—3，建立熱阻數(shù)學(xué)模型如下,從式（10-29）知，當(dāng)Q2一定時(shí)，,的值越大，溫差越,大，,將,,定義為熱傳導(dǎo)力，以Rv(h.℃/KJ)表示，即,

28、（10-30）,,,(10-31),則型腔壁與冷卻水管壁之間的熱阻為,,(10-32),求解式（10-32），得,,(A/B≠a/b) （10-33）,或者,,（A/B=a/b時(shí)）,,對(duì)于型芯內(nèi)部的冷卻水管，圖10—4，用類似方法可得Rv為,,(10-35),式中 c——型芯長(zhǎng)度，m； d1、d2——分別為型芯 內(nèi)、外徑，m； 型芯內(nèi)徑在這時(shí)即為冷卻水管的直徑。,注射模中，圍繞著型

29、腔往往有多個(gè)冷卻水管，該型腔與每一個(gè)冷卻水管之間熱阻單獨(dú)計(jì)算，則相應(yīng)的總熱阻為,,（10-36）,式中 Rv——總熱阻； Rvi——型腔與每個(gè)水管之間的熱阻； n——型腔所對(duì)應(yīng)的冷卻管道數(shù)。,因此，此時(shí)可將式(10-29)改寫為,,(10-37),式中 Q2——每小時(shí)冷卻水應(yīng)帶走的熱量，KJ/h； Rv——總熱阻，h·℃/KJ； θ3M——型腔壁的平均溫

30、度，℃ θ4M——冷卻水管壁的平均溫度，℃,4．由冷卻管道帶走的熱量Q2 單位時(shí)間內(nèi)制件中由冷卻水管帶走的熱量Q2應(yīng)為 Q2=Q一(Qc+QR+QL) 式中 Q——型腔內(nèi)需傳遞的總熱量。,模具工作過程中，Q2應(yīng)分別由凹模和型芯的冷卻系統(tǒng)帶走，因此分解為Q2G和Q2K兩部分，其表達(dá)式分別為,,(10-39),仿照式(10—18)有,,(10-40),式中 QG和QK——凹模和型芯所要帶走的熱量

31、； GG,和GK——凹模和型芯所要承擔(dān)的制件重量，kg。,GG, 、GK的計(jì)算方法：①以塑件壁厚的中性面作為凹模和型芯冷卻的交界面來計(jì)算。②圓筒形塑件，實(shí)驗(yàn)表明約Q2被凹模帶走，Q2被型芯帶走。③采用如下分配方案,,（10-41）。,④根據(jù)塑件形狀，凹模與型芯的冷卻管道設(shè)置的情況，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)和冷卻原則的指導(dǎo)，來分配Q2G和Q2K，以符合實(shí)際情況。5．冷卻過程中塑件和模壁的溫度設(shè)在冷卻過程中塑件的溫度為

32、θ1、模壁的溫度為θ3，它們之間存在著溫度差，Q2才從模具中通過冷卻系統(tǒng)散發(fā)出去，Q1與(θ1—θ3)的關(guān)系可由下式確定,,即,,（10-42）,式中 fz——塑件的表面積(m2)； β——有效傳熱率；，t1為注射時(shí)間(s)；t2為冷卻時(shí)間(s)，t3為注射周期； h2——塑件與模具間的傳熱系數(shù)，h2可取11 549kJ／(m2·h．℃)；(θl—θ3)M——塑件與型腔壁溫差的平均值,注意

33、：式(10-42)用的是(θ1—θ3)M，不是(θ1—θ3)。原因：注射過程中，θ1從θlmax→θ1min，而θ3從θ3min→θ3max→θ3min，呈周期性變化，須采用平均溫度的概念來表征該冷卻過程的溫度水平。 如果凹模和型芯與塑件的接觸面積分別為fG和fK，則有,,（10-43）,由傳熱學(xué)可知，當(dāng)兩種介質(zhì)進(jìn)行熱變換時(shí)，一處溫度升高，另一處溫度降低，它們的溫差平均值應(yīng)采用對(duì)數(shù)平均值，即,,也即,,（10-44）,式中 θ1

34、max——塑料熔體注入溫度，℃； θ1min——塑件脫模溫度，℃； θ3max——型腔壁溫度波動(dòng)的上限，℃； θ3min——型腔壁溫度波動(dòng)的下限，℃。從式(10-37)知，θ3M為型腔壁的平均溫度，設(shè)型腔壁溫度的波動(dòng)值為θ3a，則有,,(10-45),,(10-46),式(10-44)中，塑料熔體注入溫度θlmax由注射工藝確定，每一種塑料的型腔壁最佳平均溫度θ3M可以

35、選定，型腔壁中實(shí)際溫度波動(dòng)值θ3a(比如±10℃)也可以設(shè)定，由式(10-45)和式(10-46)得到θ3min和θ3max(注意θ3min應(yīng)大于冷卻水人口溫度)， (θl—θ3)M可由式(10-42)或式(10-43)求得，于是用式(10-44)求出制件脫模溫度θlmin。,因式(10-44)不便于計(jì)算，圖10-5給出了基于式(10-44)的曲線圖，由橫坐標(biāo)(θ1—θ3)M上與縱坐標(biāo)(θ1max—θ3min)上兩數(shù)值的交點(diǎn)，

36、就可找到差值(θlmin—θ3max)，從而也就得到了θ1min。由上法獲得的制件脫模溫度θ1min若過高(高于合理的推出溫度)，可改變?chǔ)?a的值，重新計(jì)算，以減小θ1min。,6.所需冷卻水量qv、管徑d和流速v由冷卻水管帶走的熱量Q2將使冷卻水溫度上升，由傳熱公式,,有,,,式中 qv——所需冷卻水的體積流量，m3/h； θ5out——冷卻水出口溫度，℃； θ5in——冷卻水人口溫度，℃；

37、 ρ——冷卻水平均溫度θ5M時(shí)水的密度，kg／m3； ， c1——冷卻水平均溫度θ5M時(shí)水的比熱容，kJ／kg·℃； ‘ Q2——單位時(shí)間冷卻水帶走的熱量，KJ/h θ5out、θ5in由經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，精密模具中，冷卻水出入口溫差冷卻水出人口溫差(θ5out-θ5in)應(yīng)在2℃以內(nèi)。,根據(jù)qv值，可由表10—1查找所需冷卻水管直徑d和最低流速vmin。

38、冷卻水的平均流速(m／s)為,,（10-48）,實(shí)際上，管徑d=0.008~0.025m，此時(shí)流速v=0.5~5m/s。 7．冷卻水管壁與冷卻水交界面?zhèn)鳠崮は禂?shù)h3在雷諾數(shù)Re>6 000時(shí)，冷卻水處于穩(wěn)定湍流狀態(tài)，這時(shí)冷卻水管壁與冷卻水交界面?zhèn)鳠崮は禂?shù)h3[kJ／(m2·h．℃)]可用如下公式計(jì)算,,(10-49),式中 θ5M——冷卻水的平均溫度，℃； v——冷卻水的平均流速，m／s；

39、 d——冷卻水管直徑，m。,d0.13與v0.87的值可從圖10—6和圖10—7中查到。對(duì)于常用的d和v值，可認(rèn)為d0.13≈0.55，v0.87≈v，故式(10—49)可簡(jiǎn)化為,,(10-50),當(dāng)然，也可以利用式(10-2)求h3，當(dāng)平均水溫在20℃以上，雷諾數(shù)Re=6 000～10 000時(shí)，式 (10-49)與式(10-2)之間的誤差在±2％以內(nèi)。,8．所需冷卻水管的表面積Ф,冷卻水是以對(duì)流方式進(jìn)行熱傳遞

40、的，故有,,將式(10-49)代人上式，并求出Ф(m2)，則有,,(10-51) 或采用簡(jiǎn)化公式,,（10-52）,式中 Q2——單位時(shí)間內(nèi)冷卻水帶走的熱量，kJ／h； θ4M——冷卻水管壁的平均溫度，℃；由式(10-37)所求； θ5M——冷卻水平均溫度，℃。由式(10-51)或式(10-52)計(jì)算得到的冷卻水管的表面積Φ值，其大致標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)接近于或大于制件與型腔相接觸的面積 9．所需冷

41、卻水管的總長(zhǎng)度L(m) 由式Φ=πdL可得,,(10-53),式中，各符號(hào)含義皆同式(10-51)。,10．冷卻水流動(dòng)狀態(tài)的校核,冷卻水的流動(dòng)狀態(tài)是處于層流還是湍流，其冷卻效果會(huì)相差10～20倍。因此，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)凹模和型芯的冷卻水流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行校核，其校核公式為,,(10-54) 式中 η——水的運(yùn)動(dòng)黏度，m2／s；其數(shù)值可由圖10-8查出。,11．冷卻水壓降的計(jì)算為使冷卻水處于穩(wěn)定的湍流狀態(tài)，在其他條件不

42、變時(shí)，提高冷卻水的流速v最為有效。但當(dāng)流速v過大時(shí)，流動(dòng)阻力大增；冷卻回路過長(zhǎng)，也會(huì)增大流動(dòng)阻力。設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)模具內(nèi)每組冷卻回路中保證穩(wěn)定湍流所需的壓力降進(jìn)行計(jì)算，以校核在實(shí)際中能否提供所必須的壓力降。計(jì)算壓力降Δp(Pa)的公式為,,(10-55),式中 ρ——水在θsM時(shí)的密度，kg／m3； Le——冷卻回路因孔徑變化或改變方向引起局部阻力的當(dāng)量長(zhǎng)度，m；其值由表10-8確定。例 如圖10-9所示的注射模，

43、用以生產(chǎn)HDPE筐簍，其結(jié)構(gòu)及尺寸在圖中已標(biāo)注。已知制件厚度為1．5mm，且四側(cè)面均有30％的網(wǎng)孔，試設(shè)計(jì)該模具的冷卻系統(tǒng)，求出所需冷卻水管直徑d、傳熱面積Φ、冷卻回路長(zhǎng)度L，并校驗(yàn)該冷卻回路是否處于穩(wěn)定湍流狀態(tài)？,解:,(1)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備塑件大側(cè)面積為2×42．5×20=1 700 cm2，塑件職小側(cè)面為2×27．5×20=1 100cm2，底面積為40×25=1 000cm2，由此得到

44、塑件質(zhì)量為,,加上流道凝料的消耗，故一次注射量G取為0．50 kg。 由表10-4查得HDPE的單位熱流量Q1=755kJ/kg。,設(shè)注射時(shí)間t1=5s，冷卻時(shí)間t2=8s，開模取件時(shí)間為7 s，得注射周期t=20 s，由此得到每小時(shí)注射次數(shù)N=3 600／20=180。將以上數(shù)據(jù)代人式(10—18)得單位時(shí)間內(nèi)型腔總熱量為Q=180×755×0．50=67 950 kJ/h由圖中尺寸可知，模具四側(cè)面積AMl

45、=1．68 m2，分型面面積AM2=0．90 m2，開模率ηh為,,故散熱表面積為,,設(shè)模具平均溫度θ2M=60℃，室溫θ0=20℃，根據(jù)式（10-22），對(duì)流散發(fā)的熱量Qc為,,根據(jù)式(10-25)，輻射所散發(fā)的熟量QR為,,根據(jù)式(10-26)，注射機(jī)工作臺(tái)所傳遞的熱量QL為,,根據(jù)式(10-38)，應(yīng)由冷卻系統(tǒng)從模具中帶走的熱量Q2為,,Q2應(yīng)分別由凹模和型芯的冷卻回路帶走，采用式(10-41)的分配方案，有,,(2)計(jì)算凹模冷卻

46、回路的有關(guān)參數(shù)1^制件與型腔壁溫度差的平均值 根據(jù)式(10-43)，有,,設(shè)θlmax=230℃ ，θ3max=70℃，θ3min=50C，則θ3M=60 ℃，由(θ1--θ3)M=51 ℃， (θlmax--θ3min)=180℃，查圖10—5所示曲線，得θ1min--θ3max=6 ℃，即得θ1min=76 ℃。2^凹模所需冷卻水管直徑 設(shè)θ5in=18℃，θ50ut=23℃ ，則θ5M=20．5℃，據(jù)式(10—47)有,,

47、由qv查表10-1得水管直徑d=25mm，冷卻水最低流速v=0.53m/s。據(jù)式（10-48），同樣可算得,,,3^ 熱阻計(jì)算 用式(10-33)分別計(jì)算型腔壁與每一個(gè)冷卻水管 之間的模具熱阻，這里對(duì)計(jì)算過程不作詳細(xì)討論，結(jié)果有,,取鋼材的熱導(dǎo)率入=176kJ／(m·h·℃)，則,,即Rv=0.00072h.℃/KJ,4^ 冷卻水管壁的平均溫度 據(jù)式(10-37)，有,,5^凹模冷卻水管回路的總傳熱面積

48、據(jù)式(10-51),,6^凹模所需冷卻水管長(zhǎng)度 據(jù)式(10-53)，有,,據(jù)圖10-9中冷卻水管的設(shè)計(jì)，凹模中水管實(shí)際總長(zhǎng)約5m，故完全能滿足冷卻要求。,7^雷諾數(shù)Re值的校核 當(dāng)θ5M=20．5℃時(shí)，由圖10-8查得水的運(yùn)動(dòng)黏度η=1.0×10—6m2／s，由計(jì)算已知v=0.53m／s，d=0.025m，據(jù)式(10-54)有,,故水的流動(dòng)屬于穩(wěn)定湍流，有良好的冷卻效果。8^ 冷卻回路壓降計(jì)算 由圖10-9可知，凹模

49、的冷卻回路有12次90º的轉(zhuǎn)彎，得Le=12×30d=9.0m，再將其他已知數(shù)據(jù)代人式(10—55)得,,該壓力遠(yuǎn)小于一般自來水壓力（建設(shè)部規(guī)定：表前壓力為0.14MPa），故該方案可靠。（3)計(jì)算型芯冷卻回路的有關(guān)參數(shù)(略),第三節(jié) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,2、注意凹模和型芯的熱平衡。有些塑件的形狀能使塑料散發(fā)的熱量等量地被凹模和型芯所吸收。但是極大多數(shù)塑件的模具都有一定高度的型芯以及包圍型芯的凹模，對(duì)于這類模具，

50、凹模和型芯所吸收的熱量是不同的。這是因?yàn)樗芗诠袒瘯r(shí)因收縮包緊在型芯上，塑件與凹模之間會(huì)形成空隙，這時(shí)絕大部分的熱量將依靠型芯的冷卻回路傳遞，加上型芯布置冷卻回路的空間小，還有推出系統(tǒng)的干擾，使型芯的傳熱變得更加困難。因此，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要把主要注意力放在型芯的冷卻上。,1、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)先于推出機(jī)構(gòu)，這樣才能得到較好的冷效果。,3、簡(jiǎn)單模具，可先設(shè)定冷卻水出入口的溫度，然后計(jì)算冷卻水的流量、冷卻管道直徑、保證湍流的流速及維持這一流

51、速所需的壓力降便已足夠。復(fù)雜而又精密的模具，則應(yīng)做詳細(xì)計(jì)算。,4、生產(chǎn)批量大的普通模具和精密模具在冷卻方式上應(yīng)有差異，對(duì)于大批量生產(chǎn)的普通塑件，可采用快冷以獲得較短的循環(huán)注射周期?？炖洌菏估鋮s管道靠近型腔布置，采用較低的模具溫度。精密塑件需要有精確的尺寸公差和良好的力學(xué)性能，須采用緩冷，即模具溫度較高，冷卻管道的尺寸和位置也應(yīng)適應(yīng)緩冷的要求。,5、模具中冷卻水溫度升高會(huì)使熱傳遞減小，精密模具出入口水溫相差應(yīng)在2℃以內(nèi)，普通模具也不要超過

52、5℃。從壓力損失觀點(diǎn)出發(fā)，冷卻回路的長(zhǎng)度應(yīng)在1.2—1.5m以下，回路的彎頭數(shù)目不希望超過5個(gè)。圖10-10。,6、凹模與型芯的冷卻情況不同，一般應(yīng)采用兩條冷卻回路分別冷卻凹模與型芯。,7、當(dāng)模具僅設(shè)一個(gè)入水接口和一個(gè)出水接口時(shí)，應(yīng)將冷卻管道進(jìn)行串聯(lián)連接，若采用并聯(lián)連接，由于各回路的流動(dòng)阻力不同，很難形成相同的冷卻條件。當(dāng)需要并聯(lián)連接時(shí)，則需在每個(gè)回路中設(shè)置水量調(diào)節(jié)泵及流量計(jì)。,8、采用多而細(xì)的冷卻管道，比采用獨(dú)根大冷卻管道好。因?yàn)槎喽?/p>

53、細(xì)的冷卻管道擴(kuò)大了模溫調(diào)節(jié)的范圍，但管道不可太細(xì)，以免堵塞，一般管道的直徑為8～25mm。,9、收縮率大的塑件模具中，應(yīng)沿其收縮方向設(shè)置冷卻回路。圖10—11方形PE塑件，采用中心直接澆口，從澆口的放射線及與其垂直的方向上均會(huì)引起收縮。此時(shí)應(yīng)在和收縮相對(duì)應(yīng)的中心部通冷卻水，外側(cè)通經(jīng)漩渦狀冷卻回路熱交換過的溫水 。,10、普通模具的冷卻水應(yīng)采用常溫下的水，通過調(diào)節(jié)水流量來調(diào)節(jié)模具溫度。小型塑件，由于其注射時(shí)間和保壓時(shí)間都較短，成型周期主要

54、由冷卻時(shí)間決定，為了提高成型效率，可以采用經(jīng)過冷卻的水進(jìn)行冷卻，目前常用經(jīng)冷凍機(jī)冷卻過的5～10℃水。用冷水進(jìn)行冷卻時(shí)，大氣中的水分會(huì)凝聚在型腔表面易引起塑件的缺陷，對(duì)此要加以注意。對(duì)流動(dòng)距離長(zhǎng)、成型面積大的塑件，為了防止填充不足或者變形，有時(shí)還得通熱水?？傊?，模溫最好通過冷卻系統(tǒng)或者專門的裝置能任意調(diào)節(jié)。,11、合理地確定冷卻管道的中心距及冷卻管道與型腔壁的距離。圖10—12，(a)布置的冷卻管道間距合理，保證了型腔表面溫度均勻分布，

55、(b)開設(shè)的冷卻管道直徑太小、間距太大，型腔表面的溫度變化很大(53．33~61．65℃)。冷卻管道與型腔壁的距離太大會(huì)使冷卻效率下降，而距離太小又會(huì)造成冷卻不均勻。,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：一般冷卻管道中心線與型腔壁的距離應(yīng)為冷卻管道直徑的1～2倍，冷卻管道的中心距約為管道直徑的3—5倍。,12、當(dāng)制件壁厚均勻時(shí)，應(yīng)盡可能使所有的冷卻管道孔到各處型腔表面的距離相等，圖10—13。當(dāng)塑件壁厚不均勻時(shí)，在厚壁處應(yīng)開設(shè)距離較小的冷卻管道，圖10—14。,

56、13、應(yīng)加強(qiáng)澆口處的冷卻。熔體充模時(shí)，澆口附近的溫度最高。一般來說，距澆口越遠(yuǎn)，溫度越低。澆口附近應(yīng)加強(qiáng)冷卻，將冷卻回路的入口設(shè)在澆口處，冷卻水首先通過澆口附近，圖10—15。(a)側(cè)澆口冷卻回路的布置，(b)多個(gè)點(diǎn)澆口冷卻回路的布置。,14、應(yīng)避免將冷卻管道開設(shè)在塑件熔合的部位。當(dāng)采用多澆口進(jìn)料或者型腔形狀復(fù)雜時(shí)，多股熔體在匯合處將產(chǎn)生熔合紋。在熔合紋處的溫度一般較其他部位的低，為了不致使溫度進(jìn)一步下降，保證熔合質(zhì)量，應(yīng)盡可能不在熔合

57、紋部位開設(shè)冷卻管道。,16、進(jìn)口、出口水管接頭的位置應(yīng)盡可能設(shè)在模具的同一側(cè)。為了不影響操作，通常將進(jìn)口、出口水管接頭設(shè)在注射機(jī)背面的模具一側(cè)。,15、注意水管的密封問題，以免漏水。冷卻管道應(yīng)避免穿過鑲塊，否則在接縫處漏水，若必須通過鑲塊時(shí)，應(yīng)加設(shè)套管密封。,第四節(jié) 冷卻回路的形式,一、凹模冷卻回路,①圖10—16最簡(jiǎn)單的直流冷卻回路，采用軟管將直通的管道連接起來。這種單層的冷卻回路通常用于較淺的型腔。,②為了避免設(shè)置外部接頭，冷卻管

58、道之間可以采用內(nèi)部鉆孔的方法溝通，非進(jìn)出口均用螺塞堵住，并用堵頭或隔板使冷卻水沿所規(guī)定的回路流動(dòng)，圖10—17。,(a)用堵頭來控制冷卻水流向，(b)采用隔板來控制冷卻水流向。(b)大面積的淺型腔，若采用單一的冷卻回路，則型腔左右兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生明顯的溫差，因冷卻水從型腔一側(cè)流向另一側(cè)時(shí)溫度會(huì)逐漸增加。改進(jìn)方法：采用兩條左,右對(duì)稱的冷卻回路，且兩條冷卻回路的入口均靠近澆口處，保證型腔表面的溫度分布均勻。,③冷卻回路應(yīng)盡可能按照型腔的形狀布置，

59、對(duì)于側(cè)壁較厚的型腔，如圓筒形和矩形塑料制件凹模型腔，通常分層設(shè)置布局相同的矩形冷卻回路，對(duì)型腔側(cè)壁進(jìn)行冷卻，圖10-18。,④凹模通常是以鑲塊的形式鑲?cè)肽０逯械?。?duì)于矩形鑲塊，仍可像上述的例子在模板上或者在鑲塊上用鉆孔的方法得到矩形冷卻回路。對(duì)于圓形鑲塊，一般不宜在鑲塊上鉆出冷卻孔道，此時(shí)可在圓形鑲塊的外圓上開設(shè)環(huán)形冷卻水溝槽，圖10—19。(a)結(jié)構(gòu)比(b)好，(a)中冷卻水與三個(gè)傳熱表面相接觸，而(b)中冷卻水只與一個(gè)傳熱表面接觸。

60、,二、型芯冷卻回路 很淺的型芯，型芯的下部開設(shè)單層冷卻回路，圖10-20；中等高度的型芯，可在型芯上開出一排矩形冷卻溝槽構(gòu)成冷卻回路，圖10-21；較高的型芯，用單層冷卻回路已不能使冷卻水迅速地冷卻型芯的表面，應(yīng)設(shè)法使冷卻水在型芯內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。,1．臺(tái)階式管道冷卻法,圖10—18，型芯內(nèi)靠近表面的部位開設(shè)出冷卻管道，形成臺(tái)階式冷卻回路。由于需要在型芯的側(cè)壁開設(shè)平行于型芯上表面的管道以溝通回路，不得不從型芯側(cè)壁,表面開孔，然后

61、用螺塞將孔道封住。但這將影響型芯的表面粗糙度。,2．斜交叉管道冷卻法,圖10-22，采用斜向交叉的冷卻管道在型芯內(nèi)形成冷卻回路。對(duì)于寬度較大的型芯還可以采用幾組斜交叉冷卻管道并將它們串聯(lián)在一起。,圖10-23，采用多個(gè)與型芯底面相垂直的管道與底部的橫向管道形成冷卻回路，同時(shí)為了使冷卻水沿著冷卻回路流動(dòng)，在每一個(gè)直管道中均設(shè)置了隔板。,3．直孔隔板式管道冷卻法,4.噴流式冷卻法,圖10-24，型芯中間裝有一個(gè)噴水管，冷卻水從噴水管中噴出，

62、分流后向四周流動(dòng)以冷卻型芯壁。對(duì)于中心澆口的單腔模具，這種方式的冷卻效果很好，從噴水管噴的冷卻水直接冷卻型芯壁溫度最高的部位(此處正對(duì)著澆口)。這種冷卻方式適合于高度大而直徑小的型芯冷卻。,5．襯套式冷卻法,圖10-25，冷卻水從型芯襯套的中間水道噴出，首先冷卻溫度較高的型芯頂部，然后沿側(cè)壁的環(huán)形溝槽流動(dòng)，冷卻型芯四周，最后沿型芯的底部流出。這種冷卻方式效果好，但模具結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故只適合于直徑較大的圓筒形型芯的冷卻。,對(duì)細(xì)小型芯，不可

63、能在型芯內(nèi)直接設(shè)置冷卻水路，不采用其他冷卻方法會(huì)使型芯過熱。圖10-26為一種細(xì)小型芯的間接冷卻方法，即在型芯中心壓人熱傳導(dǎo)性能好的軟銅或鈹銅芯棒，并將芯棒的一端伸人到冷卻水孔中冷卻。,習(xí)題與思考,1．為什么要對(duì)模具溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)?2．怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)模具溫度的調(diào)節(jié)?3．試述設(shè)計(jì)模具冷卻系統(tǒng)時(shí)所應(yīng)遵守的原則。4．一塊已加熱的塑料板放在室溫的金屬塊上，塑料板冷卻后向上翹曲還是向下翹曲?為什么?5.設(shè)有一成型HDPE塑件的模具，產(chǎn)量為15

64、kg／h，用常溫水(20℃)作為模具冷卻介質(zhì)，冷卻水出口溫度為25℃，且在管內(nèi)呈湍流狀態(tài)，若模具平均溫度為45℃，模具寬度為300mm，求冷卻水管直徑及模具上應(yīng)開設(shè)的冷卻水孔數(shù)。6．若把質(zhì)量2t的模具從室溫20℃升至60℃，取模具的比熱容為0．418 7kJ／(kg·℃)，試問需要給模具提供多少熱量?若該模具在沒有預(yù)熱的情況下，僅依靠注入的塑料熔體供熱，設(shè)每小時(shí)能成型60 kg，比熱容為1．047kJ／(kg·℃)