模具冷却系统优化设计原理.pdf

Autodesk Moldflow 模具冷却系统优化设计原理 作者 / 张秀元 摘要 近年来，产业对模具冷却系统的要求逐渐提升，应用技术也从传统的 水路设计到使用冷却水路专用材料和异形水路镶件，以及采用创新的模具 冷却元件设计。模具冷却系统在逐渐演变，冷却效率需要进一步提高。本 文对模具冷却系统的优化设计原理进行说明。 一 、高效模具冷却系统设计关键 除了传统的冷却水路设计思路， 在模具设计中根据产品和模具结构， 可采用适当的冷却元器件，以实现合 适的冷却设置 。可用的冷却元件包括 挡水板，喷水管,热针，冷针，螺旋形 冷却芯，标准化O型圈，分流接口等 以及异形水路镶件，特制的O型分流 器和可弯曲的水路 。这些元件的应用 成为高效冷却系统的设计重点 ，同时 也可应用铍铜等材料以促进水路的热 交换。（如图1 ） 冷却系统设计的三个关键点 ： 1.保持冷却系统与产品及分模线之间的恰当距离。 图1 2.确保冷却管路能充分实现融胶与周围模具钢材之间的热交换。 3.控制流动形式为湍流，以使冷却水路最大化带走模具金属的热量。 另外，当模具安装到注塑机上时，一个重要的安全措施是确保所有的接口和 管线保持在模具的底部和非操作侧。这是保护操作者，同时也是保持干燥和安全 的生产环境。 二 、先进的模板冷却技术 传统上，模具的冷却系统被设计 成通过模板的冷却水或其他冷却介质 的循环管路，通常不一定在模腔内部， 水路不一定在同一层。较新的技术创 建优化贯穿整个模板或型芯型腔的循 环系统。应用创新设计的分流器实现 水路在同一平面上彼此相交。 创新冷却分流器设计原理如图2 ： 这使得冷却水路可以包围一个型 芯或型腔的所有四个侧面（如一模多 穴产品每个产品四周得到均匀水路的 冷却，而不是局部包围），在不增加 额外加工成本的情况下，提供整个系 统的均匀温度分布。使得多型芯或型 腔周围以及模具元件或镶件周围通过 单层模板水路实现均匀冷却，而无需 使用多层水路或更厚的模板。 图2 三 、冷却水路的分布 通常模板水路钻孔加工为一层或多层水路。 水路之间距离为直径的3~5倍，水路离产品的距 离为水路直径的1~2倍。当然这种结果使传统水 路增加一层会增加额外的模板厚度以及整个模具 的高度和重量增加。如图（4,5 ） 图3 图4 分流器也可安装在不同水路层上，帮助冷却媒介通过模板和冷却系统移动到 特定的方向。模板内的模具水路直径通常可设计为为5 ，8,10,12mm 。 在传统水路排布的情况下，有使用冷却分流器的条件，尽可能使用分流元件 以简化水路设计。 另一个关键考虑因素是冷却水路和模具型芯或镶件外壁的直径不能小于 3.18mm(0.125inch) 。薄的间距会存在模具寿命问题。 四 、模具冷却系统热交换及计算 为克服温升过高，生产高品质的产品，冷却过程必须形成良好的从塑胶到模 具钢材，从模具钢材到冷却水路媒介之间良好的温度梯度和热转移。在模具的热 传递中存在重要的两个传热学因素：热传导，从融胶到模具金属的热传导；热对 流，从模具金属到冷却水路介质之间的热对流。两因素均可用英热单位或焦耳热 计算（1BTU=1.06KJ ，1 BTU 定为在 1 大气压下把 1 英磅 (0.454 公斤) 的水提高 温度 1 °F (0.556 °C) 所需的热量） 1. 模具冷却的热传导计算—傅里叶热传导计算方程: 其中: H = KAT(t2-t1)/L K =金属材料热传导系数 A =与融胶接触的型芯/型腔面积 T = 每一射的成型周期 t2 = 融胶温度 t1 =冷却介质温度 L =模具表面到冷却管路边缘距离 2. 模具冷却的热对流计算—牛顿冷却定律热对流计算方程 牛顿冷却定律： Newtons law of cooling ：温度高于周围环境的物体向周围媒质传递热量逐 渐冷却时所遵循的规律。当物体表面与周围存在温度差时，单位时间