中圖分類號：TQ320.52 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)23-0058-04

Abstract:Aimingattheimpactofmoldcoolingsystemonproductqualityduring injectionmolding，systematicoptimization researchwascariedoutoncoling channeldesign，cooling mediumselectionandtemperaturecontrolsystem.Amethod combiningnumericalsimulationandexperimentalverificationwasusedtocompareandanalyzethecolingefectsbeforeand afteroptimization.Researchshowsthattheoptimizedcolingsystemreducesthemaximum temperaturediferenceonthemold surface from 15^qC to 5‰ ，and shortens the product cooling time from 15 seconds to 12 seconds.Product quality has ben comprehensively improved，with key size deviations reduced by 65 % ，surface roughness reduced from 1.6 μm to 0.8μm ，and internal stress reduced by 30.6% . Theeconomic benefits are significant， with the production cycle shortened by 20% ，the defective rate reduced by 75% ，and energy consumption reduced by 23.5% . The research results provide important reference for the design and optimization of mold cooling systems.

Keywords:moldcolingsystem;coolingchanneldesign;temperaturefielddistribution;formingquality;processoptimization

模具冷卻系統(tǒng)是注塑成型過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能直接影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品成型過程中常出現(xiàn)溫度場不均勻、冷卻效率低等問題，導(dǎo)致產(chǎn)品變形、內(nèi)應(yīng)力集中等缺陷。隨著制造業(yè)對產(chǎn)品精度和效率要求的提高，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計已成為提升注塑成型工藝水平的重要途徑。基于熱傳導(dǎo)理論和流體力學(xué)原理，從冷卻通道布局、冷卻介質(zhì)選擇和溫控策略等方面開展系統(tǒng)研究，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義。

1模具冷卻系統(tǒng)的工作原理與類型

1.1冷卻系統(tǒng)的基本構(gòu)成與工作原理

模具冷卻系統(tǒng)的工作原理建立在熱量傳遞的基礎(chǔ)之上，通過在模具型腔周圍設(shè)置冷卻通道，利用流動的冷卻介質(zhì)帶走熱量，實現(xiàn)對成型產(chǎn)品的快速冷卻。完整的冷卻系統(tǒng)由冷卻通道、水路接頭、溫控裝置和冷卻介質(zhì)4個核心部分組成，其中冷卻通道是實現(xiàn)熱交換的關(guān)鍵部件，水路接頭確保冷卻介質(zhì)的輸入輸出暢通，溫控裝置負責(zé)調(diào)節(jié)冷卻介質(zhì)的溫度，冷卻介質(zhì)則作為傳熱載體運輸熱量。在注塑成型過程中，熔融狀態(tài)的塑料在高溫高壓下被注入模具型腔，隨后進入保壓階段。保壓結(jié)束后，塑料開始冷卻固化，冷卻系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)計的冷卻通道，使冷卻介質(zhì)與模具壁發(fā)生對流換熱。模具壁吸收的熱量通過導(dǎo)熱方式傳遞給流動的冷卻介質(zhì)，從而降低模具溫度。模具材料的導(dǎo)熱系數(shù)、冷卻介質(zhì)的流速和溫度、冷卻通道的設(shè)計參數(shù)等因素共同決定了熱量傳遞效率。

1.2常見冷卻系統(tǒng)類型與特點

注塑模具冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻通道的布置形式分為多種類型。直線型冷卻通道采用平行于型腔表面的直線水道布置方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低的特點，但存在冷卻不均勻的缺陷。螺旋型冷卻通道沿型腔表面螺旋布置，通過增加冷卻介質(zhì)流動路徑提高換熱效率，在圓柱形產(chǎn)品冷卻中應(yīng)用廣泛，但加工難度較大。型腔隨形冷卻通道的水道形狀與產(chǎn)品型面輪廓相似，通道與產(chǎn)品表面保持等距分布，顯著提升了換熱均勻性。斜插式冷卻通道通過在模具中斜向鉆孔形成冷卻水路，適用于深腔產(chǎn)品的冷卻。組合式冷卻系統(tǒng)將多種冷卻方式結(jié)合使用，針對不同部位采用相應(yīng)的冷卻方式，實現(xiàn)局部溫度的精確控制。

1.3冷卻系統(tǒng)設(shè)計對成型過程的影響

冷卻系統(tǒng)設(shè)計在注塑成型過程中扮演關(guān)鍵角色，其設(shè)計質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的成型周期和質(zhì)量控制。不合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)致模具溫度場分布不均勻，引起產(chǎn)品局部冷卻速率差異過大，造成內(nèi)應(yīng)力集中，最終出現(xiàn)翹曲變形等缺陷。冷卻通道布局不當(dāng)會影響產(chǎn)品的尺寸精度，使產(chǎn)品收縮率不均勻。模具溫度場分布受冷卻通道的位置、尺寸和間距等參數(shù)影響。冷卻通道與型腔表面距離過大會降低換熱效率；距離過小則會造成局部過冷，產(chǎn)生應(yīng)力集中。冷卻介質(zhì)的流動狀態(tài)也是影響成型過程的重要因素，流速過低導(dǎo)致冷卻效率下降，流速過高則會產(chǎn)生水壓沖擊，影響模具壽命。

2模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的研究方法

2.1冷卻通道設(shè)計優(yōu)化

冷卻通道設(shè)計優(yōu)化著重于改善通道布局、尺寸參數(shù)和冷卻均勻性。通道間距的設(shè)計基于熱傳導(dǎo)理論，遵循間距計算公式

式中： P 為通道間距， D 為通道直徑， W 為型腔到冷卻通道的距離。模具型腔到冷卻通道的距離 W 需根據(jù)模具強度和換熱效率確定，通常取值為2.5~4倍通道直徑。通道直徑的選擇需權(quán)衡流動阻力與換熱效率，一般選擇 8～12mm ，較大直徑有利于降低壓力損失，但會限制布局靈活性。優(yōu)化冷卻通道布局時，采用數(shù)值模擬方法評估溫度場分布。溫度場均勻性通過標(biāo)準(zhǔn)差進行量化評價

式中： T_i 為各測點溫度， T 為平均溫度， n 為測點數(shù)。針對復(fù)雜型腔部位，采用變截面通道設(shè)計，通過調(diào)整通道彎曲角度和布局密度實現(xiàn)局部溫度場的精確控制。對于深腔或細長結(jié)構(gòu)，結(jié)合斜插式與隨形布局方式，在保證強度的前提下縮短傳熱距離4。優(yōu)化設(shè)計過程中，還需考慮冷卻通道的加工工藝性，避免死水區(qū)和氣穴的產(chǎn)生。通道轉(zhuǎn)彎處采用圓弧過渡，彎曲半徑不小于通道直徑的3倍，確保冷卻介質(zhì)流動順暢。對于局部熱點區(qū)域，適當(dāng)加密冷卻通道或設(shè)置串聯(lián)回路，提高換熱效率。

2.2冷卻介質(zhì)的選擇與流動性優(yōu)化

冷卻介質(zhì)的選擇與流動性優(yōu)化重點關(guān)注熱傳遞 效率和流動特性。冷卻介質(zhì)的換熱性能通過努謝爾特 準(zhǔn)則方程進行評估

Nu=0.023Re^0.8Pr^0.4，

式中：雷諾數(shù) Re 反映流動狀態(tài)，普朗特數(shù) Pr 表征介質(zhì)物性。針對不同溫度要求，選擇導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容較高的冷卻介質(zhì)，如在 80^°C 以下使用添加防銹劑的軟化水， 80～120^°C 采用導(dǎo)熱油， 120^qC 以上選用高溫導(dǎo)熱油。流動性優(yōu)化主要通過調(diào)控流速和壓力損失實現(xiàn)，壓力損失計算采用達西公式

式中 ?f 為摩擦系數(shù)， L 為通道長度 Δ，ρΔ 為密度， V 為流速， D 為通道直徑。通過調(diào)節(jié)流速使雷諾數(shù)維持在4000～10000 ，既確保湍流換熱又避免過大的壓力損失。對于復(fù)雜通道系統(tǒng)，設(shè)置并聯(lián)回路平衡各區(qū)段壓力，使流量分配比例與熱負荷相匹配

2.3溫控系統(tǒng)與控制策略的優(yōu)化

溫控系統(tǒng)與控制策略的優(yōu)化主要圍繞溫度響應(yīng)特性和控制精度展開。系統(tǒng)溫度響應(yīng)時間通過下式計算

式中： m 為模具質(zhì)量， c 為比熱容， h 為換熱系數(shù)，A為換熱面積。針對不同區(qū)域的熱負荷特性，采用多回路分區(qū)控制方案，每個控制回路配置獨立的溫度傳感器和調(diào)節(jié)閥門，實現(xiàn)局部溫度的精確調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)采用PID算法進行溫度調(diào)節(jié)，控制方程為

式中： K_p 為比例系數(shù)， T_i 為積分時間， T_d 為微分時間。通過在線參數(shù)整定技術(shù)，根據(jù)不同工況下的溫度動態(tài)響應(yīng)特性，自適應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)，提高系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。溫度控制精度達到 ±0.5C ，消除了溫度波動對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。在模具各關(guān)鍵部位布置溫度傳感器，構(gòu)建溫度場實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

3優(yōu)化冷卻系統(tǒng)對成型質(zhì)量的影響分析

3.1 成型周期與冷卻均勻性

模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化對成型周期和冷卻均勻性產(chǎn)生顯著影響。成型周期主要由注射時間 t_i 保壓時間t_p 和冷卻時間 t_c 構(gòu)成，其中冷卻時間占總周期的 50% ～70% 。冷卻時間通過以下公式計算

式中： s 為產(chǎn)品壁厚， α 為熱擴散系數(shù)， T_i 為初始溫度，T_m 為模具溫度， T_e 為脫模溫度。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)通過改善熱量傳遞效率，顯著縮短了冷卻時間。

冷卻均勻性直接影響產(chǎn)品的內(nèi)部應(yīng)力分布和變形程度。通過實時監(jiān)測型腔表面溫度場發(fā)現(xiàn)，溫度分布曲線呈現(xiàn)明顯的時空演變特征(圖1)。圖1描繪了優(yōu)化前后不同位置的溫度變化曲線，橫坐標(biāo)為冷卻時間 χ_t ，縱坐標(biāo)為溫度 T 優(yōu)化前的溫度曲線(虛線)在不同位置存在明顯偏差，最大溫差達到 15^°C ；優(yōu)化后的溫度曲線(實線)趨于集中，溫差降至 5% 以內(nèi)，表明冷卻均勻性得到顯著改善。

圖1優(yōu)化前后的溫度-時間曲線對比

通過分析冷卻曲線的變化趨勢，量化了冷卻速率對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。在冷卻初期(0~4s)，溫度快速下降；中期(4~8s)呈現(xiàn)穩(wěn)定的指數(shù)衰減特性；后期（ 8～ 12s)逐漸趨于平緩。優(yōu)化系統(tǒng)通過合理控制各階段的冷卻速率，既保證了快速降溫又避免了過大的溫度梯度，實現(xiàn)了冷卻效率與產(chǎn)品質(zhì)量的統(tǒng)一。

3.2成型產(chǎn)品的尺寸精度與表面質(zhì)量

冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化對產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量產(chǎn)生深遠影響。產(chǎn)品尺寸變化率通過以下公式計算

式中： α 為線膨脹系數(shù)， ΔT 為溫度變化量。優(yōu)化后的冷

卻系統(tǒng)通過控制局部溫差，使產(chǎn)品各部位收縮率趨于一致，顯著提高了尺寸精度。表面質(zhì)量則與冷卻速率密切相關(guān)，冷卻速率為

式中： dT 為溫度變化量， dt 為時間間隔。不同冷卻條件下產(chǎn)品表面質(zhì)量和尺寸精度的變化趨勢如圖2所示。圖2橫坐標(biāo)為冷卻速率（ ?C/s? ，左縱坐標(biāo)為表面粗糙度 Ra(μm) ，右縱坐標(biāo)為尺寸偏差量 δ(mm) 。從曲線可見，冷卻速率在 ，表面粗糙度和尺寸偏差均達到最優(yōu)值。當(dāng)冷卻速率過快( >15^°C/s. 時，表面容易產(chǎn)生銀紋、流痕等缺陷；冷卻速率過慢( <5°C/s 時，成型周期延長，且易造成翹曲變形。

圖2冷卻速率與產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系曲線

3.3材料性能與產(chǎn)品力學(xué)性質(zhì)

冷卻系統(tǒng)優(yōu)化顯著影響材料的結(jié)晶行為和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。材料的結(jié)晶度通過以下公式計算

式中： _ρ 為樣品密度； ρ_c 為結(jié)晶相密度， ?ρ_a 為非晶相密度。結(jié)晶度直接影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，結(jié)晶度每提高10% ，拉伸強度增加約 15MPa 。冷卻速率對結(jié)晶度的影響遵循Avrami方程

式中： X_t 為 χ_t 時刻的相對結(jié)晶度， n 為Avrami指數(shù)， K 為結(jié)晶速率常數(shù)。產(chǎn)品內(nèi)部應(yīng)力 σ 與溫度梯度和冷卻速率密切相關(guān)，通過熱-力耦合方程計算

σ=E[α(α-T₀)+ε_p]，

式中： E 為彈性模量， α 為線膨脹系數(shù)， ε_p 為塑性應(yīng)變。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)通過控制溫度梯度，使內(nèi)應(yīng)力分布更加均勻，產(chǎn)品的抗沖擊強度提高 20% ，彎曲模量提升15% 。在厚壁部位采用分段冷卻策略，使外表面和心部冷卻速率比控制在1.5:1以內(nèi)，有效避免了分層現(xiàn)象。

材料的取向度也受冷卻條件影響，快速冷卻導(dǎo)致分子鏈來不及排列，產(chǎn)生取向凍結(jié)，降低產(chǎn)品韌性。優(yōu)化系統(tǒng)采用溫度階梯控制方案，在結(jié)晶溫度區(qū)間內(nèi)保持適當(dāng)?shù)睦鋮s速率，使分子鏈獲得充分運動時間，形成規(guī)整的球晶結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的綜合力學(xué)性能。

4實驗分析與結(jié)果驗證

4.1 實驗方案與測試方法

實驗采用標(biāo)準(zhǔn)注塑機和優(yōu)化設(shè)計的模具系統(tǒng)進行驗證。測試用料選用PA66工程塑料，熔體溫度控制在 280±5)^°C ，模具表面溫度維持在 80±2)^°C 。通過紅外熱像儀FLIR-T640實時監(jiān)測模具表面溫度場分布，采樣頻率設(shè)置為 10Hz ，測量精度 ±0.5C 。在模具型腔表面布置8個測溫點，分別位于產(chǎn)品的關(guān)鍵部位和熱點區(qū)域。冷卻系統(tǒng)性能評價采用多參數(shù)測試方法。使用超聲波流量計測量各冷卻回路的流量，工作壓力通過壓力傳感器監(jiān)測。產(chǎn)品尺寸精度采用三坐標(biāo)測量儀Hexagon檢測，取樣頻率為每批次3件，連續(xù)測量10批次。表面質(zhì)量評價采用表面粗糙度儀TR200測量，取樣長度為 0.8mm ，測量速度為 0.5mm/s 。力學(xué)性能測試按照GB/T1040—2025《塑料拉伸性能的測定》標(biāo)準(zhǔn)進行，在萬能試驗機上進行拉伸、彎曲和沖擊試驗。試樣尺寸嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)要求，測試環(huán)境溫度( 23± 2)% ，相對濕度（ 50±5)% 。所有測試數(shù)據(jù)通過計算機采集系統(tǒng)記錄并進行統(tǒng)計分析。

4.2 優(yōu)化前后的成型質(zhì)量比較

冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計顯著改善了產(chǎn)品的整體成型質(zhì)量。熱像儀監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后模具表面溫度場分布更加均勻，最大溫差從 15‰ 降低至 5^qC ，實現(xiàn)了產(chǎn)品各部位的協(xié)調(diào)冷卻。產(chǎn)品的外觀和尺寸質(zhì)量得到明顯提升，關(guān)鍵尺寸偏差量降低 65% ，表面粗糙度從1.6μm 降至 0.8μm ，有效消除了銀紋和流痕等表面缺陷。通過改進冷卻通道布局和溫控策略，產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于完整均勻。由表1可知，產(chǎn)品的力學(xué)性能獲得全面提升，特別是沖擊強度的顯著提高反映了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善。維卡軟化點的提升表明結(jié)晶度得到優(yōu)化，這歸因于合理的冷卻速率控制。內(nèi)應(yīng)力的大幅降低驗證了分區(qū)控制策略的有效性，為厚壁產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供了重要參考。

4.3實驗結(jié)果的討論與優(yōu)化效果總結(jié)

冷卻系統(tǒng)優(yōu)化效果的驗證表明，改進方案在工藝參數(shù)和經(jīng)濟效益方面均取得顯著成效。溫度場測試顯示，優(yōu)化后模具表面最大溫差降低 67% ，體現(xiàn)出冷卻通道設(shè)計的合理性。通過在不同區(qū)域?qū)嵤┎町惢鋮s策略，實現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)部位的精確溫控，產(chǎn)品尺寸精度提高65% ，有效解決了變形控制難題。生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2，通過優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，顯著提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。特別是在厚壁產(chǎn)品生產(chǎn)中，優(yōu)化后的不良品率降低 75% ，每年可節(jié)省原材料成本約35萬元。工藝穩(wěn)定性的提高使設(shè)備故障率降低 50% ，減少了維護成本。

表1優(yōu)化前后產(chǎn)品力學(xué)性能對比

注：測試環(huán)境溫度 23±2)90 ，相對濕度（ 50±5)% ，數(shù)據(jù)為10組樣品的平均值。

表2冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的綜合效益分析

5結(jié)束語

通過對模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化研究及實驗驗證表明，合理的冷卻通道設(shè)計和溫控系統(tǒng)優(yōu)化能顯著提升產(chǎn)品成型質(zhì)量。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)不僅改善了溫度場分布，還提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。研究成果在工程應(yīng)用中取得顯著的經(jīng)濟效益，為模具設(shè)計和工藝優(yōu)化提供了重要參考。未來研究應(yīng)著重于智能化溫控系統(tǒng)開發(fā)、新型冷卻介質(zhì)應(yīng)用以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的精確控溫策略，進一步提升模具冷卻系統(tǒng)的性能

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