1、27.06.2020,a,1,Moldflow與 注射模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計,27.06.2020,a,2,課程內(nèi)容,冷卻系統(tǒng)設(shè)計的重要性 冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型 冷卻理論分析 冷卻水路設(shè)計要點 結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,冷卻系統(tǒng)設(shè)計的重要性,27.06.2020,a,4,冷卻的影響,產(chǎn)品品質(zhì) 表面光潔度 殘余應(yīng)力 結(jié)晶度 熱彎曲 生產(chǎn)成本 頂出溫度 循環(huán)時間,冷卻系統(tǒng)設(shè)計的重要性,27.06.2020,a,5,冷卻影響產(chǎn)品品質(zhì),表面光潔度：許多材料需要相對高的模具表面溫度，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看到不同的表面光澤。 殘余應(yīng)

2、力：殘余應(yīng)力是在充填或保壓過程中剪切應(yīng)力的結(jié)果。除了流動導(dǎo)致應(yīng)力外，由于產(chǎn)品表面溫度不同，各個部分以不同的速率冷卻時也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這些殘余應(yīng)力可能是產(chǎn)品在使用過程中過早損壞或者產(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)晶材料成型過程中呈現(xiàn)的結(jié)晶度受熔體冷卻的影響。產(chǎn)品冷卻過程中結(jié)晶度的不同會影響體積收縮，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)品會彎曲。,冷卻系統(tǒng)設(shè)計的重要性,27.06.2020,a,6,冷卻影

3、響生產(chǎn)成本,頂出溫度：產(chǎn)品從模具中頂出的溫度會受很多因素的影響。產(chǎn)品的強度必須足夠大，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程中模穴的填充度的影響。,循環(huán)時間: 通常，循環(huán)時間是產(chǎn)品的溫度降到能安全頂出的溫度所花的時間。如果充填和保壓過程都是最佳化的，改善冷卻行為可以顯著地減小冷卻時間。因為冷卻時間通常包括80%的循環(huán)時間，所以減小冷卻時間會顯著減小循環(huán)時間和生產(chǎn)成本。,and Packing,冷卻系統(tǒng)設(shè)計的重要性,冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型,27.06.2020,a,8,冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成,冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成

4、及類型,27.06.2020,a,9,冷卻水路的類型,串聯(lián)水路 優(yōu)點 流速均勻 排熱均勻 缺點 壓降高,并聯(lián)水路 優(yōu)點 適用于入子四周 低壓下可達高流速 缺點 各分支流速不一樣 各分支冷卻效果不佳 易產(chǎn)生污垢,冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型,27.06.2020,a,10,冷卻水路的基本形式,直線式圓管,直線式方管,冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型,27.06.2020,a,11,冷卻水路的基本形式,圓形彎管,方形彎管,冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型,27.06.2020,a,12,冷卻水路的基本形式,擋板(Baffle),噴泉(Bubbler),冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型,27.06.2020,a,13,冷卻水路的基本形式,吸熱

5、管(Thermal Pin),冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成及類型,冷卻理論分析,27.06.2020,a,15,熱量在注射成型中的傳遞,熱量由熔融塑料帶入,熱量從冷卻水路傳入或傳出,輻射散熱,對流散熱,熱量散失到模板上,冷卻理論分析,27.06.2020,a,16,從塑料到模穴壁的熱傳導(dǎo),影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù) 模具材料熱特性 比熱 導(dǎo)熱性 料溫和模溫之間的溫度梯度 塑料和模穴壁之間接觸的質(zhì)量 確信良好的接觸,冷卻理論分析,27.06.2020,a,17,從模穴壁到水管壁的熱傳導(dǎo),影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù) 模具材料熱特性 比熱 導(dǎo)熱性 冷卻水管和塑料表面的距離 均勻冷卻與快速冷卻的折中 料溫和水溫之間的溫度梯

6、度,冷卻理論分析,27.06.2020,a,18,從水管壁到冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo),影響冷卻系統(tǒng)性能的參數(shù) 冷卻液紊亂程度 確信達到紊流狀態(tài)，但亦不宜過大 冷卻液進口溫度 冷卻液的性質(zhì) 冷卻液的流速,冷卻理論分析,27.06.2020,a,19,典型模具材料的熱特性,冷卻理論分析,27.06.2020,a,20,冷卻液流動與雷諾數(shù),雷諾數(shù)定義：,這里， 為冷卻液密度，U 為冷卻液平均流速，d 為冷卻水管直徑， 為冷卻液動態(tài)粘度。,冷卻理論分析,27.06.2020,a,21,冷卻液流動率與熱交換,冷卻理論分析,27.06.2020,a,22,冷卻液流動率與熱量流動率,冷卻理論分析,27.06.202

7、0,a,23,散熱能力,冷卻理論分析,27.06.2020,a,24,冷卻時間的方程式,冷卻時間： 理論上，冷卻時間與最大產(chǎn)品厚度的平方或最大流道直徑的冪的1.6次成正比，也就是 這里熔融塑料的熱擴散系數(shù)(thermal diffusivity)定義為：,或,冷卻理論分析,27.06.2020,a,25,冷卻時間與模溫,增加模溫，冷卻時間延長,厚2mm、長200mm的產(chǎn)品，以推薦的料溫及1秒時間注射,冷卻理論分析,27.06.2020,a,26,冷卻與翹曲,當(dāng)塑料接觸到模具時，一邊是冷的，另一邊是熱的，不同的冷卻便發(fā)生了。熱的一邊要比較長的時間冷卻和收縮（收縮大），而導(dǎo)致熱的一邊象弓一樣彎曲。

8、,冷卻理論分析,27.06.2020,a,27,熱量聚積,熱量聚積在角落處，使得角落收縮變形而小于90度，造成典型的盒狀弓形翹曲。,熱集中在公模的角落,熱的角落 (相對于凝固部分的收縮，引起翹曲),Cavity 冷,Core 熱,冷卻理論分析,27.06.2020,a,28,差動結(jié)晶,不平均的壁厚將導(dǎo)致不同的冷卻速率。需更長時間冷卻的區(qū)域?qū)⒂懈叩慕Y(jié)晶度，這叫做差動結(jié)晶(Differential Crystallinity)。,冷卻理論分析,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,30,冷卻系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo),冷卻系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)常受到模穴的幾何形狀、分模線、滑塊和頂針的限制，因此不能僵硬地給出理想

9、分布的設(shè)計指南。 模具設(shè)計者的目標(biāo)應(yīng)該是綜合考慮各方面因素，設(shè)計一個良好的冷卻系統(tǒng)，它會： 均勻地冷卻產(chǎn)品 減少循環(huán)周期時間,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,31,冷卻水路設(shè)置要使冷卻效果均勻,靠近熱量較多處 遠離熱量較少處,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,32,水路尺寸及排放位置,冷卻水管的直徑優(yōu)先采用大于8mm，各個水管的直徑應(yīng)盡量一致，避免冷卻液的流速不均產(chǎn)生壓力損失。 無論多大的模具，水管的直徑都不能大于14mm，否則冷卻水流難以形成紊流狀況。,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,33,冷卻水路的長度,對于中大型模具，進出水口的溫差很大會影響冷卻效果。從

10、冷卻均勻性考慮，進出口溫差一般控制在5以下；對于精密成型模具，則要控制在2-3以下，每條水路長度在1.2-1.5m以下。 增加一條冷卻水管的長度會增加熱傳導(dǎo)的面積。在這個原則上圖B會比圖A好，然而長的水路可能會產(chǎn)生一些問題，例如壓力降增加，沿長度方向溫度升高過多。為了避免這些問題，很長的水路應(yīng)該分成兩條或更多短的水路，如圖C所示。,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,34,采用Baffle或Bubbler,在一個冷卻管道內(nèi)任何冷卻液的方向改變會增加紊亂度，因此在轉(zhuǎn)彎后熱傳導(dǎo)的能力會增加。擋板和噴泉都會增大紊亂度，是由于在流動系統(tǒng)中固有轉(zhuǎn)彎和它們的幾何形狀能夠在受限制區(qū)進行冷卻，因此加強

11、了冷卻效果。,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,35,采用串聯(lián)Baffle,在多型芯中采用串聯(lián)擋板水路時，散熱不佳：,冷卻水路設(shè)計要點,27.06.2020,a,36,采用串聯(lián)Bubbler,應(yīng)采用串聯(lián)噴泉水路，以助于散熱：,冷卻水路設(shè)計要點,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,38,一個方框形產(chǎn)品,對這種方框形產(chǎn)品，最大的品質(zhì)問題應(yīng)該是翹曲變形，而進澆位置與冷卻水路設(shè)計對產(chǎn)品品質(zhì)有著較大的影響。,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,39,產(chǎn)品的尺寸與所選用的塑料,塑膠材料： ABS/PC CYCOLOY C2950 GE USA,

12、最大外型尺寸,平均肉厚為1.6mm,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,40,MPA分析尋找合適進澆點,先以Moldflow Part Adviser快速充填分析尋找合適的進澆點。當(dāng)用兩點進澆時，充填壓力太大，且塑膠流動路徑太長，故不采用。,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,41,MPI分析尋找合適進澆形式,決定采用四點進澆，有以下兩種方案，以Moldflow Plastics Insight分析尋找合適的進澆位置及流道排布。,Case1,Case2,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,42,MPI快速充填分析結(jié)果

13、,MPI快速充填分析表明兩種方案均能達到流動平衡，Case2充填壓力較大，但還不知何種方案的翹曲變形量更小，故需用MPI進一步分析比較。,Case1,Case2,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,43,方案比較,兩種方案均采用潛伏式澆口，從扁銷上進澆。采用相同的水路設(shè)計，設(shè)定相同的冷卻條件進行分析比較。,潛伏式澆口,原始冷卻水路設(shè)計,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,44,Case1&Case2充填狀況比較,Fill Time(sec),0.89,1.01,Case1,Case2,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,

14、a,45,Case1&Case2充填壓力比較,Injection Pressure(MPa),120.9,129.2,Case1,Case2,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,46,Case1&Case2波前溫度比較,Flow Front Temperature(deg.C),266.2280.6,271.1279.7,Case1,Case2,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,47,Case1&Case2 X向變形比較,Deflection X(mm),0.43,0.43,0.86,0.53,0.53,1.06,Case1,Case2,結(jié)

15、合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,48,0.28,0.31,Case1&Case2 Z向變形比較,Deflection Z(mm),0.28,0.31,Case1,Case2,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,49,初步結(jié)論,相比較而言，Case1的翹曲變形較小，注射壓力也較小，因此我們采取Case1的進澆位置及流道排布進行模具設(shè)計。,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,50,水路設(shè)變,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? 我們變更了冷卻水路設(shè)計，再設(shè)定相同的冷卻條

16、件進行分析比較。設(shè)變的冷卻水路試圖使用母模水路矯正產(chǎn)品的變形。,設(shè)變冷卻水路(Case3),原始冷卻水路(Case1),結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,51,Case1&Case3冷卻水溫比較,Coolant Temperature(deg.C),6565.1,6565.4,Case1,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,52,Case1&Case3公母模溫差比較,Temperature Difference(deg.C),2.4-5.96,0.36-6.57,Case1,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.

17、06.2020,a,53,Case1&Case3充填狀況比較,Fill Time(sec),0.89,0.89,Case1,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,54,Case1&Case3充填壓力比較,Injection Pressure(MPa),120.9,120.9,Case1,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,55,Case1&Case3波前溫度比較,Flow Front Temperature(deg.C),266.2280.6,266.2280.6,Case1,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案

18、例,27.06.2020,a,56,0.43,0.43,0.32,0.32,Case1&Case3 X向變形比較,Deflection X(mm),0.86,0.64,Case1,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,57,0.28,0.24,Case1&Case3 Z向變形比較,Deflection Z(mm),0.28,Case1,0.24,Case3,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,58,翹曲變形狀況,將翹曲變形量放大10倍,X向(外張),Z向(上翹),結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,59,矯

19、正翹曲變形,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的作用。通過改變成型條件，特別是改變冷卻水溫來進一步減小翹曲變形。不過，該改變哪一條水路的水溫才好呢？,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,60,設(shè)變成型條件,Case4,冷卻水溫,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,61,Case3&Case4冷卻水溫比較,Coolant Temperature(deg.C),6565.4,5065.1,Case3,Case4,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,62,Case3&Case4公母模溫差比較,Temperature Difference(deg.C),0.36-6.8,0.77-12.4,Case3,Case4,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,63,Case3&Case4充填狀況比較,Fill Time(sec),0.89,0.89,Case3,Case4,結(jié)合Moldflow分析的設(shè)計案例,27.06.2020,a,64,Case3&Case4充填壓力比較,In