塑料模9—冷却系统设计及注塑模设计程序.ppt

1,3.8 注射模具温度调节系统,一、概述,注射模具的温度是指模具型腔的表面温度，对于大型塑件是指模具型腔表面多点温度的平均值。在注射成型过程中，模具温度直接影响到塑件的尺寸精度、表观及内在质量，并且对生产效率起到决定性的作用，因此必须采用温度调节系统对模具的温度进行控制。塑料品种和成型工艺不同则对于模具的温度要求也不同。模具温度调节系统包括冷却和加热两个方面。对于大多数流动性好、要求较低模温(一般低于80)的塑料，只需设置模具的冷却系统即可，因为通过调节水的流量就可达到调节模具温度的目的。为了缩短成型周期，还可以把常温的水降低温度后再通入模内。因为成型周期主要取决于冷却时间，用低温水冷却模具，可以提高成型效率。不过需要注意的是，用低温水冷却，大气中的水分可能在型腔表面凝聚，即会影响制品质量。但对于流动性差、要求模温较高的塑料(如：聚碳酸脂、聚砜、聚苯醚等)以及大型注射模具和热流道模具，需设置加热系统。若模具温度过低则会影响塑料的流动，增大流动剪切力，使塑件内应力较大，甚至还会出现冷流痕、银丝、注不满等缺陷。尤其是当冷模刚刚开始注射时，这种情况更为明显。但模具温度也不能过高，否则延长冷却时间，且制品脱模后易发生变形。,2,3.8 注射模具温度调节系统,(一)温度调节与生产效率的关系,根据塑料的特性和模具的构造，确定模温有两个可供选择的区间，一是使模具保持最低的温度，一是使模具的温度保持在比塑料热变形温度稍低的温度，对难于充满型腔的塑料和模具结构复杂的情况，一般采用后者。现假设由塑料传给模具的热量为Q千卡/小时,即冷却时间 t 和Q/T 成比例，为了缩短冷却时间，可减小塑料传给模具的热量Q，或增大塑料和模具的温差T。还可以在型腔温度低处通温水，温度高处通冷水，调节塑料为均一的温度，使得Q/T 的值减小。在塑件成型周期中，冷却时间一般可占成型周期的3/4。因此缩短成型周期中的冷却时间是提高生产率的关键。,式中：A传热面积 H塑料对型腔的传热系数 T型腔和塑料的平均温差 t 冷却时间,若型腔形状和塑料品种确定了，A和H为常数，则：,3,3.8 注射模具温度调节系统,影响冷却时间因素还包括冷却管道与型腔的距离、塑料种类和塑件厚度、开模温度、模具热传导率、冷却介质初始温度及流动状态等。根据实验，塑料带给模具的热量约5%由辐射、对流传到大气中，其余95%由冷却介质带走，其中主要影响因素是冷却介质的流量，其次是冷却水管距型腔的距离。缩短冷却时间，可通过增大冷却介质流速、增大传热面积和调节塑料与模具的温差来实现。此外，冷却管道距型腔表面越近，则冷却效果越好。,特别要注意的是成型开始前模具的预热问题，现举例计算如下。为了把重1吨的模具从室温20提高到50，假设型腔的比热为0.1kcal/kg，,假若这3000千卡的热量不是预热供给，而是由注射到型腔的塑料传给，并假设比热为0.4的塑料每小时成型塑件总重量20kg，塑料的温度从200冷却到70，放出的热量为(假设忽略熔解潜热),如上所述，模具预热需要的热量，相当于成型时3小时所放出的热量，因此在间断操作，更换模具等情况下，模具的预热必须予以考虑。,4,3.8 注射模具温度调节系统,(二)温度调节对塑件质量的影响,1变形 模具温度稳定，冷却速度均衡，可减小塑件的变形。对壁厚不一致和形状复杂的塑件，经常会出现因收缩不均匀而产生翘曲变形的情况。故须采用合适的冷却系统，使模具凹模与型芯的各个部位的温度基本保持一致，以便型腔内的塑料熔体能同时凝固。2尺寸精度 保持模温恒定，能减少制件成型收缩率的波动，提高塑件尺寸精度的稳定性。在可能的情况下采用较低的模温有助于减小塑件的成型收缩率。例如，对于结晶形塑料，因为模温较低，制件的结晶度低，可以降低收缩率。但结晶度低又不利于制件尺寸的稳定性，引起力学性能变化，从尺寸的稳定性出发，又需要适当提高模具温度，使塑件结晶均匀。,5,3.8 注射模具温度调节系统,3力学性能 结晶形塑料，结晶度越高，塑件的应力开裂倾向越大，故从减小应力开裂的角度出发，降低模温是有利的。但对于聚碳酸酯一类高黏度无定形塑料，其应力开裂倾向与塑件中的内应力的大小有关，提高模温有利于减小制件中的内应力，也就减小了其应力开裂倾向。4 表面质量 提高模温能改善制件表面质量，过低的模温会使制件轮廓不清晰并产生明显的熔接痕，导致制件表面粗糙度提高。上述几点要求有互相矛盾的地方，在选用时应根据使用情况偏重于满足塑件的主要要求。因此，必须合理控制模具温度，才能确保塑件的质量。,6,3.8 注射模具温度调节系统,(三)对温度调节系统的要求,模温不均：型芯型腔温差过大，塑件收缩不均、内应力增大、塑件变形、尺寸不稳定,模温过高：易造成溢料粘模，塑件脱模困难，变形大；热固性塑料则过熟,模温过低：塑料流动性差，塑件轮廓不清晰，表面无光泽,在设计温度调节系统时希望能满足下面要求：(1)根据塑料的品种，确定温度调节系统是采用加热方式还是冷却方式。(2)希望模温均一，塑件各部同时冷却，以提高生产率和提高塑件质量。(3)采用低的模温，快速、大流量通水冷却一般效果比较好。(4)温度调节系统要尽量做到结构简单、加工容易、成本低廉。,常见热塑性塑料建议模温,7,3.8 注射模具温度调节系统,二、模具冷却系统的设计计算,1.冷却时间的确定,冷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。注射模具中冷却系统的作用是：带走高温塑料熔体所放出的热量；将模具温度控制在设定的范围内。,塑件在模具内的冷却时间，是指塑料熔体从充满型腔时起到可以开模取出塑件时为止这一段时间。,1）利用简化公式进行计算,S塑件壁厚Tc塑料注塑温度Tm模具型腔温度T塑件脱模时平均温度塑料热扩散系数塑料导热系数塑料密度Cp塑料比热容,8,3.8 注射模具温度调节系统,2）根据塑件厚度大致确定所需的冷却时间，见表,9,3.8 注射模具温度调节系统,目的：为了设计冷却回路，求得恰当的冷却管道直径与长度，满足冷却要求。模具上热传导的三种基本方式：热辐射、对流传热、热传导(向模板的传热、和喷嘴接触的传热等)。假设塑料熔体在模内释放的热量，经模具传导全部由冷却水带走，并忽略熔解潜热，则模具冷却时所需冷却水的体积流量 qv(m3/min)由下式计算：,2.传热面积的计算,W单位时间内注入模具中的塑料熔体质量，kg/minq单位质量塑料熔体在成型过程中放出的热量，kJ/kgC水冷却水的比热容T1冷却水的出口温度T2冷却水的进口温度,10,3.8 注射模具温度调节系统,当液体在圆形断面直管中流动时，为了使冷却水处于湍流状态，根据流速v与管道直径d和流量的关系(见下表)，确定冷却管道的直径d。,冷却管道总传热面积A的计算：,T模具与冷却水之间的平均温差h 冷却管道孔壁与冷却水之间的传热系数，对于长径比L/d50的细长冷却管道,f 与冷却水温度有关的物理系数,11,3.8 注射模具温度调节系统,不同水温下的 f 值,3.冷却水在圆管中的平均流速,4.冷却水孔总长度,5.冷却水孔数计算,l 因受模具尺寸限制，每一根水管的长度A冷却管道总传热面积,12,3.8 注射模具温度调节系统,6.冷却水流动状态校核,7.冷却水进口处与出口处温差校核,Re雷诺数冷却水的运动粘度,冷却水出入口温差小，有利于模具型腔表面温度分布，一般应控制在5以内，精密模具应控制在2左右。,应使冷却水道中的水呈湍流状态流动,13,3.8 注射模具温度调节系统,液体层流,液体湍流,14,3.8 注射模具温度调节系统,三、模具冷却系统设计原则,1.模具结构允许，冷却水孔数量尽量多，尺寸尽量大,设计冷却系统需要考虑模具的具体结构、塑件的尺寸和壁厚、镶块的位置、熔接痕的产生位置等。,不均匀的冷却会使制品表面光泽不一，出模后产生热变形。由于模具上各种孔(顶杆孔、型芯孔、镶块接缝等)的限制，只能在满足结构设计的情况下开设冷却水通道。,15,3.8 注射模具温度调节系统,2.冷却水孔至型腔表面距离相等,当塑件壁厚均匀时，冷却水孔与型腔表面各处最好有相同的距离，如图3-8-3a所示，冷却通道的排列与型腔的形状相吻合；当塑件厚度不均匀时，图3-8-3b所示，塑件壁厚处冷却通道应靠近型腔，间距要小，以加强冷却。一般冷却通道与型腔表面的距离大于10mm，常用1215mm。,16,3.8 注射模具温度调节系统,3.浇口处加强冷却,普通熔融的塑料充填型腔的时候，浇口附近温度最高，距浇口越远温度越低，因此浇口附近要加强冷却，通入冷水，而在温度低的外侧使用经过热交换了的温水通过即可。一般将冷却回路的入口设在浇口处。图a所示为两型腔侧浇口冷却回路布置，图b为薄膜浇口冷却回路布置，图c为多点浇口的冷却水管分布图。,17,3.8 注射模具温度调节系统,对于收缩大的塑料(如聚乙烯)应沿其收缩方向设冷却水通道，如图所示是四方形塑件中心浇口的情况，从浇口的放射线及与其垂直的方向上均会引起收缩。此时应在和收缩相对应的中心部通冷却水，外侧通经漩涡状冷却回路热交换过的温水。,4.冷却水道应沿着塑料收缩方向设置,18,3.8 注射模具温度调节系统,5.降低入水与出水的温度差,如果入水温度和出水温度差别太大时，使模具的温度分布不均，特别是对流动距离很长的大型制品，料温愈流愈低。设计时应根据塑件的结构特点、塑料特性及塑件壁厚合理确定水道的排列形式，使得塑件的冷却速度大致相同。如图3-8-7所示，对于大型塑件，型腔比较长时，图中b的形式会使入水与出水的温差大，塑件冷却不均匀；图中a的形式可使入水与出水温差小，冷却效果好。,6.冷却系统设计应先于推出机构，这样才能得到较好的冷却效果,19,3.8 注射模具温度调节系统,7.凹模与型芯要分别冷却，保证冷却平衡,一般应采用两条冷却回路分别冷却凹模与型芯。有些塑件的形状能使塑料散发的热量等量地被凹模和型芯所吸收。但是极大多数塑件的模具都有一定高度的型芯以及包围型芯的凹模，对于这类模具，凹模和型芯所吸收的热量是不同的。这是因为塑件在固化时因收缩包紧在型芯上，塑件与凹模之间会形成空隙，这时绝大部分的热量将依靠型芯的冷却回路传递，加上型芯布置冷却回路的空间小，还有推出系统的干扰，使型芯的传热变得更加困难。因此，在冷却系统设计中，要把主要注意力放在型芯的冷却上。,9.注意水管的密封，以免漏水,为防止漏水，镶块与镶块的拼接处不应设置冷却管道，否则在接缝处漏水，必须设置时，应加设套管密封。此外，应注意水道穿过型芯、型腔与模板接缝处时的密封以及水管与水嘴连接处的密封，同时水管接头部位设置在不影响操作的方向，通常在注射机的背面。,8.便于加工和清理：一般孔径设计为812mm,20,3.8 注射模具温度调节系统,四、常见的各种冷却系统结构,由于塑件的形状多样，必须根据型腔内的温度分布、浇口位置等设计不同的冷却系统。,(一)凹模冷却系统结构,如图所示为最简单的外接直流循环式冷却回路，其方法是在型腔附近钻冷却水孔，用水管接头和塑料管将模内管道连接成单路或多路并行循环。这种回路结构简单、制造方便，但外连接太多，容易碰坏，因此只用于较浅的矩形型腔,21,3.8 注射模具温度调节系统,为避免外部设置接头，可在型腔外周钻直通水道，用堵头或隔板使冷却水沿指定方向流动，这种钻孔的方法比较容易加工。(a)用堵头控制冷却水流向，该回路适合各种较浅的，特别是圆形的型腔。(b)为左右对称式冷却回路，采用隔板控制冷却水流向，适合长宽比很大的矩形型腔。,冷却回路的结构,22,3.8 注射模具温度调节系统,对于侧壁较高的型腔，冷却回路通常分层设置，如图所示。可以是环形冷却水路，也可以是螺旋形冷却水路。,23,3.8 注射模具温度调节系统,对于嵌入式型腔，可在其嵌入界面开设环形冷却水槽，如图。,环形冷却水槽,24,3.8 注射模具温度调节系统,凹模通常是以镶块的形式镶入模板中的。对于矩形镶块，可在模板或镶块上用钻孔的方法得到矩形冷却回路。对于圆形镶块，一般不宜在镶块上钻出冷却孔道，此时可在圆形镶块的外圆上开设环形冷却水沟槽。(a)结构比(b)好，(a)中冷却水与三个传热表面相接触，而(b)中冷却水只与一个传热表面接触。,圆形镶块上的冷却沟槽,25,3.8 注射模具温度调节系统,冷却水通道的开设应该尽可能按照型腔的形状，对于不同形状的塑件，冷却水道位置也不同。(1)薄壁、扁平塑件 侧面浇口的情况，如左图所示，型芯和凹模都是距型腔等距离钻孔。(2)中等深度壳形塑件 右图为侧浇口的塑件，凹模距型腔等距离钻孔，型芯开设一排矩形冷却沟槽构成冷却回路，用单层冷却回路已不能使冷却水迅速地冷却型芯的表面，应设法使冷却水在型芯内循环流动。,浅型芯冷却水路,中等高度型芯冷却水路,(二)型芯冷却系统结构,26,3.8 注射模具温度调节系统,(3)深型腔塑件 深的塑件最困难的是型芯的冷却，对于中等高度的型芯可采用斜交叉管道构成的冷却回路，使冷却水在型芯内循环流动，如左图所示。对于宽度较大的型芯还可以采用几组斜交叉冷却管道并将它们串联在一起，如右图。,斜交叉式管道冷却回路,27,3.8 注射模具温度调节系统,对于深腔的大型制品，为使整个型芯都得到冷却，可在型芯内钻多个孔，在每个水孔内插入纵向隔板，水从右侧流入，由于水堵使水上流，在上侧通过隔板流入左侧而完成冷却过程。,直孔隔板式冷却回路,28,3.8 注射模具温度调节系统,下图是为了较好的进行型芯冷却，从型芯中心进入水，在端面(浇口处)冷却后沿型芯顺序流出模具，凹模也是这样冷却。此法用于非常深的塑件冷却。,非常深的塑件冷却水路,29,3.8 注射模具温度调节系统,对于高而细的型芯可采用喷流式冷却，如图，型芯中间装有一个喷水管，冷却水从型芯下部进入喷向型芯顶部，当制件的浇口开设在顶部中心，此处为温度最高区域，冷却水分流后向四周流动以冷却型芯壁。对于中心浇口的单腔模具，这种方式冷却效果很好。,喷流式冷却水路,30,3.8 注射模具温度调节系统,对于高而粗的型芯，可在型芯内开大圆孔，嵌入开有沟槽的衬套，冷却水从型芯衬套的中间水道喷出，首先冷却温度较高的型芯顶部，然后沿侧壁的环形沟槽流动，冷却型芯四周，最后沿型芯的底部流出。这种冷却方式效果好，但模具结构比较复杂。,衬套式冷却水路,31,3.8 注射模具温度调节系统,(4)狭窄的、薄的、细小型的型芯 对细小型芯，不可能在型芯内直接设置冷却水路，不采用其他冷却方法会使型芯过热。下图为一种细小型芯的间接冷却方法，即在型芯中心压入热传导性能好的软铜或铍铜芯棒，并将芯棒的一端伸人到冷却水孔中冷却。,细小型芯的间接冷却,芯棒,32,3.8 注射模具温度调节系统,(三)局部加热和冷却,在模具的温度控制上，有时会遇到局部冷却或加热的情况，这时可使用图3-8-24那样的冷却单件或图3-8-25那样的插入式加热棒。,33,3.8 注射模具温度调节系统,(四)冷却系统的组合形式炉中钎焊,沿着制品形状开设冷却水回路一般多以钻孔的方法加工，但有时由于结构不允许钻更多的孔，而把铜管放进槽中，以低熔点合金固定的冷却方式，但成本高，喷流式又存在密封问题等，补足以上缺点的办法就是采用炉中钎焊这个方法，如图3-8-26所示。在冷却芯轴上加工出冷却水槽，分别与型腔和型芯在热处理时进行钎焊，可以在靠近型腔表面处按照要求设置冷却水槽，结构紧凑，冷却效果好。,重要的是钎焊温度和热处理的温度要相同，按照模具热处理温度的不同，选择适合这个温度的钎焊材料，使用这种方法还要注意，冷却用的芯轴与型腔或型芯的接合面，加工精度要高，壁厚均匀，因为反复的加热、冷却，可能产生高的应力而出现裂纹，因此钎焊材料的选择，接合面的加工精度，表面平度、间隙、炉温的调整等许多问题都要注意。这是新的加工方法，有待进一步研究、总结，目前在国内很少应用。,34,3.8 注射模具温度调节系统,五、加热装置的设计,当要求模具温度在80以上时，就要设加热装置。根据热源不同，模具加热的方式分为电加热（包括电阻加热和感应加热，后者应用较少）、油加热、蒸汽加热、热水或过热水加热等。目前电阻加热应用比较广泛。用热水、热油或水蒸汽加热的方法其装置与水冷却装置基本相同。电阻加热的优点是结构简单、制造容易、使用、安装方便、温度调节范围较大、没有污染等；缺点是：耗电量较大。电阻加热装置有三种：电阻丝加热、电热套或电热板加热、电热棒加热。加热模具所需要的总功率P可用下式计算：,m模具质量Cp模具材料的比热容T1模具的初始温度T2模具要求的加热温度加热元件的效率t加热升温时间,35,3.9 低发泡塑料注射成型模具,一、概述,低发泡塑料又称硬质发泡体、结构泡沫塑料或合成木材。所谓低发泡塑件就是指发泡倍数在12倍左右，在塑料中加入发泡剂，采用特殊要求的注射机、模具和成形工艺获得的内部低发泡，表面不发泡的塑件。使用的塑料主要有聚苯乙烯、ABS、聚乙烯和聚丙烯等。低发泡塑件的优点：(1)表面平整无凹陷和挠曲，无内应力。(2)具有一定的刚度和强度，外观近似木材，与木材相比具有耐潮湿，成形加工简便等优点。(3)比重小，比一般塑料的重量减少1550%。因此在国外低发泡塑件广泛地应用于家俱、汽车、电器部件、建材、仪表外壳、工艺品框架、乐器和包装箱等方面。低发泡塑件的缺点：(1)表面粗糙。(2)颜色不鲜艳。为了得到理想的低发泡塑件常须进行表面处理如涂漆等。,36,3.9 低发泡塑料注射成型模具,二、低发泡成型方法,将塑料完全充满型腔，发泡率极低，一般为1.11.2。用一般的注射机稍加改进即可，模具设计和工艺要求比较复杂，如配合不当，不能得到良好的木质纹理塑件。,(一)高压法,1.木纹化模塑法,要求注射机设有二次移动模板的机构，当熔融塑料注满型腔后，瞬时移动模板，模具开模一段距离，使芯层发泡，得到低发泡塑件，发泡率可调节。图3-9-1所示是最简单的低发泡成型法，模具由动定模组成，动模随注射机移动一段距离使塑件发泡，由于是型芯的移动，所以在塑件的侧面有线状的条纹。图3-9-2所示的结构增加了一块板，发泡时使分型面不分开，因此消除了塑件侧面的条纹，使表层得到光滑的表面。,2.二次开模法,37,3.9 低发泡塑料注射成型模具,二次开模法成型,简单的二次开模低发泡成型法,38,3.10 注射成型模具设计程序,1.了解塑件的技术要求,2.根据塑件形状尺寸，估算塑件体积和重量,计算重量的目的是选择设备，提高设备利用率或提高生产率。当设备比较少，限定在某台设备上成型时，计算重量后可确定型腔数，塑件精度要求高，生产批量少时选用单型腔；生产批量大时，选用多型腔，有时也可以在一套模具上成形几个不同形状的塑件，这种情况多用于大设备上生产批量不大的成套组件，一模可以成型形状不同的一套零件。,首先了解塑件的用途，使用情况及工作要求，对于塑件图上提出的塑件形状，尺寸精度，光洁度等进行工艺分析，即从成形工艺，塑料制作的设计原则、模具结构合理性等方面进行综合分析，对其不够合理的部分提出改进意见，并与使用单位商榷修改。,成型方案的确定包括选择成型位置，确定分型面、脱模形式、侧孔侧凹的成型方法，浇注系统形式、浇口开设位置及模具的加工方法。,3.分析塑件，确定成形方案,39,3.10 注射成型模具设计程序,4.绘制方案草图,5.计算,根据塑件尺寸精度要求，对成型零件的成形尺寸进行必要的计算，对主要受力的零部件，根据需要进行强度和刚度校验，必要时进行冷却面积的计算，以便决定冷却形式及冷却水孔的直径与长度。,初步绘出模具的完整结构，并校验所选注射机的能力(注射量、注射面积、模板间距等)。在初步方案确定以后，设计人员应深入车间，虚心听取模具制造工人和使用操作工人的意见，在确定有关成形工艺问题时，应与有关工艺人员密切配合，以便将丰富的生产实践经验反映到设计中去。,装配图应包括必要尺寸，如外形尺寸、特征尺寸(定位圈直径)、配合尺寸、装配尺寸(按装在注射机上的螺钉孔中心距)、极限尺寸(活动零件移动的起止点)及技术条件，编写明细表。,6.绘制模具设计装配工作图,40,3.10 注射成型模具设计程序,7.绘制零件工作图,8.经过全面审核后投产加工,作为一个设计人员，必须了解模具的加工制造过程，所以完成图纸设计只能说是个开端，对于初学模具设计的人员，应力求做到参加模具加工的全过程，直到组装、试模、投产才算最后完成任务。,画好图形、注出尺寸、精度、光洁度要求，确定零件材料及热处理要求以及必要的技术条件。,