注射模具冷卻系統優化分析

陳永兆 梁志偉

摘 要：注塑模具設計手冊中冷卻系統較少參考數據，缺乏相應參數和比對優化性。熔體保溫，充模固化時間，冷卻水流量，管網結構等都是影響因素，進行分析可獲得較高的生產效率，保證零件成品質量。

關鍵詞：冷卻流量；管網結構

冷卻系統是注塑模具的重要組成部分。模具溫度是熔塑流體進入型腔和型芯產生的溫度，對熱塑性還是熱固性的模具溫度變化都會影響到產品質量。對于大多數模具而言，模具冷卻的過程，通過冷卻水在冷卻管網中的流速來調節內部溫度產生變化的。溫度的波動會使產品的收縮率、尺寸精度、塑性變形、裂紋和表面質量的影響。尤其薄壁細小（注射針頭），左右不對稱厚度不一致，大型框架結構的塑件都非常重要。

圖中塑料由30度升溫到150度以上注射入到模具內，在流速冷卻或時效冷卻。圖中陰影部分就是研究內容，流速冷卻利用水泵控制水的速度快速降溫，整個過程時間可提高30%，但容易產生裂紋和表面粗糙；而時效冷卻最大就是耗時生產率低。模具在合模和開模這兩段時間里模具溫度平穩，只有（150度到200度）溶膠注入才有劇烈熱量變化，澆注口大小，溶膠流速，零件分布表面面積都會影響充模時間，熱量集聚型腔內，恒定流速冷卻水不能快速冷卻就必須延長開模時間。另外只能提高流速產生較大溫差冷卻型腔，這會使塑件有裂紋變形和表面粗糙。

注射模具的溫度對塑料熔體的充模流動、固化定型、生產效率、塑件的形狀和尺寸精度都有重要的影響。注射模具中設置溫度調節系統的目的，是通過控制模具溫度，使注射成型具有良好的產品質量和較高的生產力。模具溫度（模溫）是指模具型腔和型芯的表面溫度。不論是熱塑性塑料還是熱固性塑料的模塑成型，模具溫度對塑料制件的質量和生產率都有很大的影響。

冷卻管道的分析與計算是在管道數量及尺寸已定的基礎上，用來確定每個管段之間的流量與每個交點的壓力。管網分析具有兩方面的重要意義：其一，注塑模冷卻系統的設計會嚴重影響到產品的變形、耐應力開裂性 、精度、表面質量等，并且由于注射成型的整個生產周期中，冷卻時間占了生產周期的 80%左右，因此注塑模的冷卻系統設計的好壞也決定性地影響著塑料產品生產的效率和質量 。所以，優秀的冷卻系統設計，有效地調節模具溫度是至關重要的。然而，很多設計者經常將注塑模具的冷卻系統忽略不重視的，經常在整個模具結構設計時的最后一道工序才去設計冷卻系統，最終造成的結果就是，隨便找能利用的空間來設計水路建立冷卻系統，這是設計者對冷卻系統的重要性與結構沒有足夠的認知和重視。往往這樣設計出來的產品很難達到客戶的生產效率和質量。冷卻系統設計，說明在塑料注射模具冷卻系統設計方面的設計思想及原則 。

1 模體溫度對零件的影響

模體溫度變化會對零件的收縮率、尺寸大小、力學性能、外形變化、應力裂紋和表面質量等有影響。

模體溫度過低，熔體流動性差，零件外形不清晰，還有可能填充不全產生接縫空穴，零件表面粗糙，缺陷形成過多。對于熱固性塑料，模體溫度低容易使固化程度不穩定，降低零件的物理、化學和力學的性質；熱塑性塑料在注射成型過程中，模體溫度低并且充模流速低，零件會應力加大，引起彎曲變形或應力破裂。

模體溫度過高，成形收縮率就大，脫模后零件變形大，造成溢料和粘模的現象。模具溫度變動較大時，零件收縮程度不均勻，導致零件彎曲變形，影響零件的形狀及尺寸。

2 模體溫度對生產率的影響

縮短冷卻時間就是提高模塑生產效率。關鍵在于縮短塑料硬化時間，而縮短冷卻時間，可調節塑料和模體的溫差，因而在確保零件質量和成型工藝條件下，降低模體溫度可以縮短冷卻時間，從而提高生產效率。在模體內合理安置管路進行調節系統溫度，通過調節冷卻水的流量和流速，產生良好的產品質量和較高的生產率。模體溫度的調節是除了冷卻外也可以通過加設加熱管控制保溫系統。

3 冷卻系統的設計結構

模具內部冷卻系統在設計中要根據零件在模體內的結構進行考慮。管的直徑、長度、結構位置等，對于厚薄不均勻不對稱設置控溫系統，保證熱平衡穩定，注意不穩定會使塑件內部產生熱應力使產品變形或開裂，從而就無法保證模塑成型。因此，設置冷卻效果良好的冷卻水管路的模具是有效縮短成型周期、提高零件生產效率的方法。所以應根據零件的結構、壁厚變化及塑料材料，設計好不同適合的管路。

4 冷卻回路設置的基本原則

1）冷卻系統設計時必須早于頂出機構的設定。主要是活動部件尺寸會影響結構。

2）凹模和型芯的散熱穩定性，溫差變化較大有缺陷。

3）冷卻管道數量適合、冷卻通道孔徑大盡量靠近熔體距離5mm。

4）冷卻管道到型腔的表面距離應盡量相等。

5）澆口處必須加強冷卻效果。

6）冷卻管道出、入口溫度差必須盡量減少。

7）降溫流向應沿著塑料收縮的方向一致。

8）注意零件接痕部位冷卻的變化。

模具應除去的總熱量Q計算公式：

5 結語

首先根據熱成型模的具冷卻系統設計要求，結合經驗初步考慮對注射模具冷卻管道的參數、管道的直徑、管道的數目及管道分布形式進行設計； 考慮方便的加工工藝，根據計算合理安排管道，在保證質量前提下縮短生產周期。

參考文獻：

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基金項目：

本文是2015年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程-應用型人才培養示范基地【粵教高函[2015]97】“機械工程應用型本科人才培養示范基地”和2016年廣東省本科高校教育教學改革項目【粵教高函[2016]236】“全員、全程、全方位的創新創業課程體系建設”的研究成果。

作者簡介：

陳永兆（1976-），男，助理工程師，研究方向：金工實習、特種加工技術應用；

梁志偉（1990-），男，研究方向：金工實習，數控多軸加工，特種加工技術應用。