模具設(shè)計(jì)-冷卻水路

1、冷卻水路設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響1開(kāi) 始 語(yǔ) 我們知道幾乎每一個(gè)注射成型模具中都有冷卻水路系統(tǒng)而模具設(shè)計(jì)同仁幾乎每天都涉及到冷卻水路設(shè)計(jì)。但冷卻的重要性何在呢? 又該如何設(shè)計(jì)冷卻水路呢? 2冷卻的重要性 冷卻速率和均勻度會(huì)影響產(chǎn)品最后的成型。這些影響包括兩個(gè)主要方面品質(zhì)和成本。n產(chǎn)品品質(zhì) 表面光潔度: 許多材料需要相對(duì)高的模具表面溫度在生產(chǎn)中以獲得良好的表面光潔度如果某些區(qū)域與另一些區(qū)域的模穴溫度不同那么在成品表面就會(huì)看到不同的表面光澤。 殘余應(yīng)力: 殘余應(yīng)力是在充填或保壓過(guò)程中剪切應(yīng)力的結(jié)果。除了流動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力外由于產(chǎn)品表面溫度不同各個(gè)部分以不同的速率冷卻時(shí)也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力可能是產(chǎn)品

2、在使用過(guò)程中過(guò)早損壞或者產(chǎn)品翹曲和扭曲的原因。為了減小這些應(yīng)力就需要均勻的冷卻。 結(jié)晶度: 半結(jié)晶材料成型過(guò)程中呈現(xiàn)的結(jié)晶度受熔體冷卻的影響。產(chǎn)品冷卻過(guò)程中結(jié)晶度的不同會(huì)影響體積收縮要保待所需要的尺寸公差是困難的。不同區(qū)域體積收縮的顯著變化通常是產(chǎn)品翹曲的一個(gè)原因。 熱彎曲: 如果模具的上表面和下表面的溫度不同一旦產(chǎn)品從模具中頂出由于在上下表面之間不同的熱收縮速率產(chǎn)品會(huì)彎曲。3n生產(chǎn)成本頂出溫度: 產(chǎn)品從模具中頂出的溫度會(huì)受很多因素的影響。產(chǎn)品的強(qiáng)度必須足夠大以抵抗由于體積收縮的變化和殘余應(yīng)力而產(chǎn)生的翹曲和頂出系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品施加的局部應(yīng)力。頂出力受產(chǎn)品的幾何形狀、模具的表面光潔度和在充填與保壓過(guò)程

3、中模穴的填充度的影響。 循環(huán)時(shí)間: 通常循環(huán)時(shí)間是產(chǎn)品的溫度降到能安全頂出的溫度所花的時(shí)間。如果充填和保壓過(guò)程都是最佳化的改善冷卻行為可以顯著地減小冷卻時(shí)間。因?yàn)槔鋮s時(shí)間通常包括80%的循環(huán)時(shí)間所以減小冷卻時(shí)間會(huì)顯著減小循環(huán)時(shí)間和生產(chǎn)成本。 根據(jù)產(chǎn)品的用途在均勻冷卻以保証產(chǎn)品的品質(zhì)和快速冷卻以減小產(chǎn)品的成本之間取一個(gè)折中。 注射時(shí)間保壓時(shí)間冷卻時(shí)間開(kāi)模時(shí)間相關(guān)時(shí)間4影響冷卻系統(tǒng)行為的因素 n 影響冷卻系統(tǒng)的因素 從塑料到模穴壁的熱傳導(dǎo): 冷卻系統(tǒng)的行為受從塑料中移走的熱量和轉(zhuǎn)移到模穴表面的溫度的影響。它會(huì)受到材料性質(zhì)、熔體溫度和模具表面溫度的差異以及冷卻中的塑料和模具材料之間接觸好壞的影響。

4、通過(guò)模穴壁的熱傳導(dǎo): 冷卻系統(tǒng)行為也受通過(guò)模具材料到達(dá)冷卻水管的熱傳導(dǎo)的影響。模具材料的性質(zhì)包括熱傳導(dǎo)率、冷卻水管和塑料表面的距離和塑料熔體與冷卻水管內(nèi)部溫度之差也影響冷卻系統(tǒng)行為。水管距離模穴越近熱量移走得越快然而把它們放置得離模穴過(guò)近會(huì)產(chǎn)生模穴表面溫度的局部變化除非增加額外的水管減小相鄰水管的距離。因此最優(yōu)化的水管放置是均勻冷卻與快速冷卻的折中。 從模穴到冷卻水管的熱傳導(dǎo): 冷卻系統(tǒng)行為也受從模具材料到冷卻介質(zhì)熱傳導(dǎo)的影響熱傳導(dǎo)受冷卻液流經(jīng)模具材料時(shí)的紊亂程度、冷卻液進(jìn)口溫度、冷卻液的性質(zhì)及冷卻液的流速的影響。冷卻液紊亂時(shí)混合作用的影響從水管外壁到冷卻液的熱傳導(dǎo)比層流有效得多。過(guò)大的紊亂會(huì)

5、浪費(fèi)泵功率而且沒(méi)有獲得更大的熱傳導(dǎo)能力。在考慮冷卻介質(zhì)時(shí)要確保成型廠(chǎng)有能力提供足夠多的冷卻液體積在足夠的壓力下達(dá)到所需的流速并在一個(gè)溫度和所需的速率下釋放熱。 5熱量在注射成型中的傳遞熱量由塑料帶入熱量從冷卻水管傳入或傳出熱輻射熱對(duì)流A熱量傳遞到模板6冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常受到模穴的幾何形狀、分模線(xiàn)、滑塊和頂針的限制因此不能僵硬地給出理想分布的設(shè)計(jì)指南。 模具設(shè)計(jì)者的目標(biāo)應(yīng)該是設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻系統(tǒng)它會(huì): 均勻地冷卻產(chǎn)品 減少循環(huán)時(shí)間7冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1 n 冷卻水路設(shè)置要使冷卻效果均勻 靠近熱量較多處 遠(yuǎn)離熱量較少處 8冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)2 n 尺寸及排放位置 水管中心與模穴表面的距離

6、 相鄰水管的距離 9冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)3 n 尺寸及排放位置 冷卻水管的長(zhǎng)度CInOutInOutAInOutBInOut 增加一條冷卻水管的長(zhǎng)度會(huì)增加熱傳導(dǎo)的面積。在這個(gè)原則上圖B會(huì)比圖A好然而長(zhǎng)的水路可能產(chǎn)生一些問(wèn)題例如壓力降增加沿長(zhǎng)度方向溫度升高過(guò)多。為了避免這些問(wèn)題和進(jìn)口溫度與出口溫度之差大于2C 很長(zhǎng)的水路應(yīng)該分成兩條或更多短的水路如圖C所示。 10冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)4 n 尺寸及排放位置 特殊特征 擋板 噴泉 在一個(gè)冷卻管道內(nèi)任何冷卻液的方向改變會(huì)增加紊亂度因此在轉(zhuǎn)彎后熱傳導(dǎo)的能力會(huì)增加。擋板和噴泉都會(huì)增大紊亂度是由于在流動(dòng)系統(tǒng)中固有轉(zhuǎn)彎和它們的幾何形狀能夠在受限制區(qū)進(jìn)行冷卻因此加強(qiáng)了

7、冷卻效果。 Bubbler(噴泉)Baffle(檔板)TM002P0711冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)5 n 冷卻系統(tǒng)類(lèi)型 串聯(lián)和并聯(lián) 串聯(lián)水路 優(yōu)點(diǎn) 流速均勻 排熱均勻 缺點(diǎn) 壓降高 並聯(lián)水路 優(yōu)點(diǎn) 適用于入子四周 底壓下可達(dá)高流速 缺點(diǎn) 各分支流速不一樣 各分支冷卻效果不佳 易產(chǎn)生污垢 TM002P08SeriesCircuitParallelCircuitTM002P08SeriesCircuitParallelCircuit12熱量集聚TM002P03母模公模熱量 (冷卻凝固時(shí)這一部分縮水,引起翹曲)熱量集聚在這個(gè)部分熔融塑料凝固塑料增加水路13冷卻與翹曲變形 T=50T=50T=50T=40q

8、Aq Bq Aq BBACK14 對(duì)這種方框形產(chǎn)品,最大的品質(zhì)問(wèn)題應(yīng)該是翹曲變形,而進(jìn)澆位置與冷卻水路設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)有著較大的影響。個(gè)案設(shè)計(jì)15下面以L(fǎng)089為例說(shuō)明進(jìn)澆位置與冷卻水路設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。塑膠材料: ABS/PC CYCOLOY C2950 GE USA 最大外型尺寸31425132平均肉厚為1.6mm16 在2D同仁進(jìn)行模具設(shè)計(jì)的同時(shí)我們CAE工程課也進(jìn)行相應(yīng)的模流分析。首先我們使用快速充填分析尋找最佳進(jìn)澆位置。 兩點(diǎn)進(jìn)澆壓力太大而且塑膠流動(dòng)路徑過(guò)長(zhǎng)(如上圖) 因此不採(cǎi)用。經(jīng)過(guò)內(nèi)部分析檢討我們決定採(cǎi)用四點(diǎn)進(jìn)澆(如右兩圖)。但哪一種四點(diǎn)進(jìn)澆位置使產(chǎn)品的翹曲變形較小呢? 還得使

9、用MPI進(jìn)一步分析比較。17 兩種方案均采用潛伏式澆口從扁銷(xiāo)上進(jìn)澆。我們采用相同的水路設(shè)計(jì)設(shè)定相同的冷卻條件進(jìn)行分析比較。Case1Case2潛伏式澆口原始冷卻水路設(shè)計(jì)18流動(dòng)分析結(jié)果比較:Fill Time(sec)Case 10.89Case 21.01Injection Pressure(MPa)Case 1120.9Case 2129.2Temperature(deg.C)Case 1266.2280.6Case 2271.1279.719翹曲分析結(jié)果比較:0.430.430.530.530.280.31Deflection X(mm)Case 10.86外張Case 21.06Def

10、lection Z(mm)Case 10.28上翹Case 20.3120結(jié)論: 相比較而言Case1的翹曲變形較小注射壓力也較小因此我們建議採(cǎi)取Case1的進(jìn)澆位置進(jìn)行模具設(shè)計(jì)。21 但從翹曲分析結(jié)果得知Case1的翹曲變形量仍較大其中X方向往外張可否將其再減小? 經(jīng)過(guò)大家的討論後，我們變更了冷卻水路設(shè)計(jì)再設(shè)定相同的冷卻條件進(jìn)行分析比較。設(shè)變的冷卻水路試圖使用母模水路矯正產(chǎn)品的變形。 兩種冷卻水路設(shè)計(jì)如下圖所示:設(shè)變冷卻水路(Case3)原始冷卻水路(Case1)22冷卻分析結(jié)果比較:Coolant Temperature(deg.C)Case 16565.06Case 36565.42Te

11、mperature Difference(deg.C)Case 12.4-5.96Case 30.36-6.5723流動(dòng)分析結(jié)果比較:Fill Time(sec)Case 10.89Case 30.89Injection Pressure(MPa)Case 1120.9Case 3120.9Temperature(deg.C)Case 1266.2280.6Case 3266.2280.624翹曲分析結(jié)果比較:0.430.430.320.320.280.24Deflection X(mm)Case 10.86外張Case 30.64Deflection Z(mm)Case 10.28上翹Cas

12、e 30.24BACK25將翹曲變形放大十倍:X向Z向1426 很明顯地變更了冷卻水路設(shè)計(jì)之後在相同的冷卻條件下翹曲變形減小了。 然而X向仍然外張Z向仍然上翹可否將其再進(jìn)一步減小以取得最佳產(chǎn)品品質(zhì)? 我們考慮到設(shè)變的冷卻水路除了起到均勻冷卻作用外還要起到矯正翹曲變形作用的。因此我們可以通過(guò)改變成型條件特別是改變冷卻水溫來(lái)達(dá)到目的。不過(guò)該改變哪一條水路的水溫才好呢? 2527冷卻水溫成型條件設(shè)變:保壓曲線(xiàn)T(sec)P(MPa)901.53.513.50Case428冷卻分析結(jié)果比較:Coolant Temperature(deg.C)Case 36565.4Case 45065.1Temper

13、ature Difference(deg.C)Case 30.36-6.8Case 40.77-12.429流動(dòng)分析結(jié)果比較:Fill Time(sec)Case 30.89Case 40.89Injection Pressure(MPa)Case 3120.9Case 4120.8Temperature(deg.C)Case 3266.2280.6Case 4266.2280.630翹曲分析結(jié)果比較:Deflection X(mm)Case 30.64外張Case 40.50Deflection Z(mm)Case 30.24上翹Case 40.180.320.320.250.250.240.183