高產能包裝模具冷卻設計實踐案例及理論探究

周濤

摘要：高腔高產能熱流道注塑模具的特點使得模具冷卻設計凸顯更加重要的作用和地位。筆者歸納在工作中積累的此方面的案例和學習借鑒國外相關技術資料和文獻的心得，力圖將理論和實踐相聯系，并努力從主觀經驗主導向科學客觀和數據支撐主導的設計思路方法進步。

關鍵詞：高產能? 熱流道? 冷卻效率? 雷諾系數

引言：

塑料在包裝行業應用非常廣泛，占比很高，特別是消費品市場的應用日益增長。國內模具企業通過引進、學習和借鑒國外先進水平的模具技術和使用先進制造工程工具，其市場占有率隨著技術水平的長足進步日益提高，筆者在大型包裝產品注塑及模具制造公司工作二十余年，主要從事精密高產能塑料成型及模具設計制造，在業內國際知名公司的技術項目合作中的工作經歷中積累了較多的案例和經驗值得分享。

一、包裝產品模具的特點

1.模具注塑周期短;

2.模具腔數高;

3.模仁互換性要求高;

4.產品外觀，尺寸都要求嚴格;

5.模具的維修，保養有講究;

6.薄壁類產品較多;

7.疊層模具是發展趨勢;

8.漢堡拼鑲式比較常見

9.模具細節設計很關鍵;

10.薄壁包裝產品的IML貼模要求很常見。

二、包裝產品模具的設計制造要求

1.注塑周期短對模具的冷卻要求較高，對于包裝模具來說，模具的冷卻做好了，模具成功了一半.;

2.模具的動作要簡單可靠，平穩順暢，模具動作越簡單，注塑周期就越短.

3.模具材料的選擇對模具的可靠性和注塑周期影響也有很大的影響;.

4.零件的熱處理及表面涂層處理對模具可靠性和注塑周期也有很大的影響;

5.熱流道的選擇、相關冷卻設計和平衡性對工藝窗口和模具效率影響較大。

6.充分的排氣系統設計，有利于充型，縮短成型周期和保證產品質量。

三、包裝產品模具的冷卻設計方法和案例

包裝模具主要包括食品/飲料、日化/家居用品、醫療類包裝產品。因為一般產量較大，出于提高效率和降低成本考慮，能采用熱流道的一般均采用熱流道。模具的熱模和冷模的冷卻都提出了更高的要求，通常在熱流道噴嘴部分有較復雜的冷卻水路設計，復雜到無法通過普通機加工工藝完成或者需要使水路盡量接近成型面而使用隨型水路的時候，需要用到3D打印制作模仁。但3D打印的水路對冷卻水的潔凈度要求較高，在注塑車間的水質不能保證的情況下，實踐上盡量避免使用3D水路，這時候我們可能需要采用非標的熱流道設計。

1.關于冷卻水路的計算

包裝模具的冷卻設計有以下幾點原則：

A.通常型芯的冷卻比型腔的冷卻對總體的冷卻效果有更重要的影響，應予以更多的關注;

B.熱流道噴嘴部分是冷卻設計關注的重點，應有充分的冷卻設計和單獨的水路，這是保證熱模和冷模之間保持界限分明的溫度，保證熱流道正常運作和降低澆口的關鍵;

C.水孔應盡量接近型芯的底部更接近成型面的部分;

D.避免通道中急轉、尖銳、突變、狹窄等阻礙水流的水道設計，會顯著降低水流的流速和較大壓力降;

E.湍流比層流的熱傳導效率更高，應優化水道設計達到湍流效果。

達成湍流效果是模具冷卻設計中最有效和關鍵的一個技術方法。這是因為如果冷卻水是層流，則各層之間的熱傳導會比較低，來自模具的熱量傳導會只被外層的水流帶走，所以整個熱傳導效率較低。

當雷諾系數在4000以上時，流體的流動被認為是湍流。有試驗數據說明，當雷諾系數在4000-5500時，流體有最好的熱傳遞效果。當雷諾系數低于2000時流動屬于層流，此時的冷卻效果僅是湍流的1/3。

雷諾系數的計算公式為：

N=（990*V*D）/n 或（21391*Q）/（D*n）

V=流體流速 （米/秒）

D=水道直徑 （毫米）

Q=流體流量 （升/分鐘）

n=運動粘度 （厘司）

經驗算式：流道直徑至少大于流體流量數值 （升/分鐘）的0.3倍才能獲得湍流冷卻效果。

2.模具冷卻的其他重要關注點

A.從實踐經驗來講，我們運行高產能模具的車間通常須配置3.5Bar以上的水壓和12升/分鐘的流量的冷卻水。使模具冷卻水進口和出口的溫差不大于3 攝氏度。如果這個溫差較大，通常說明模具的冷卻不足。

B.保持冷卻介質的潔凈度的工程方法：

?乙二醇添加劑（但注意乙二醇添加劑可能增加介質的粘度使介質熱傳導率降低）

?抗氧化劑

?使用不銹鋼制作模仁（但注意不銹鋼的熱傳導效率較低）

?冷卻介質去離子化處理

?增加過濾裝置

?模具冷卻水道的定期清理

C.增加冷卻水道尺寸而不保持水流速度反而會降低冷卻效率，根據經驗算式，同樣是湍流，保持流量不變而將水孔直徑增加一倍，熱流傳導效率反而降低40%，雖然水孔的表面積增大了。

D.保持湍流的情況下，保持水流速度的前提下將冷卻水道增大一倍，冷卻效率會增加80%。

但需要注意的是，并不能說明水道越大越好，因為受模具結構空間限制，模具的冷卻水道越大，水道的數量可能相應減少。

3.包裝模具冷卻設計的細節要求

A.模具設計要充分考慮密封圈的預壓及安裝等問題，工件上面的倒角有講究。

B.包裝模具冷卻水道的典型結構

C.冷卻進出水口盡量設計在非操作側，并避開注塑機的哥林柱和模具壓塊。

D.產品的拐角處的冷卻應特別關注。

上圖可以看出，產品的外部的鋼材料體積達到內部的3倍，有更多得空間布置冷卻水，所以外部的熱量傳遞會比內部好得多，這個概念也說明了為什么型芯通常比型腔更難以冷卻，特別在型芯尺寸比較小的時候，型芯的冷卻需要更多的關注也更大程度影響模具的冷卻效果。更由于包緊力的作用下，在產品角部的內表面通常先冷卻，這會造成角部出現塌陷和翹曲變形。

所以，我們通常會在角部專門增加冷卻水路，以保證角部內側的冷卻，會顯著降低角部的塌陷和翹曲變形。

參考文獻：

[1]Eastman Chemical Company，Processing and mold design guidelines

[2]Bayer Material Science，Engineering Polymer Part and Mold Design