第七至十一讲注射模具总体结构之模具温度调节系统脱模机构等

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1、注射模具总体结构设计,大连理工大学材料学院 陈国清,2. 塑料模具,2.1 注射成型模具 2.1.3 注射模具的结构设计 2.2 压塑/传递成型模具 2.3塑料中空成型、真空成型模具 2.4 挤出成型模具,5 模具温度调节系统设计 5.1 模具温度调节的意义 5.2 模具的加热与冷却分析 5.3 模具冷却系统的计算 5.4 模具冷却系统的设计原则 5.5 冷却系统的结构形式 5.6 模具的加热,5.1 模具温度调节的意义 （1） 模温对塑件质量的影响 1）成形性能 每种塑料在成形加工中若能始终维持适宜的模温，则可使其成 形性能得到改善。模温过低，会降低熔体流动性，可能发生欠 注；模温过高，会使

2、熔 体发生分解，制品收缩率增大，影响尺 寸精度。 2）塑件变形 模温稳定，冷却均衡，可以减小塑件变形。模具温差过大，会 使塑件冷却不均匀，收缩不一致，由此产生应力而引起塑件变 形，尤其壁厚不均和形状 复杂的塑件更为突出。合理的温度调 节，可消除塑件变形。,3）尺寸稳定性 模温恒定，可减少成型收缩率的波动，提高尺寸稳定性。 结晶性塑料， 模温高些有利于结晶过程的进行，充分结晶 的塑件，在存放或使用中不 会发生尺寸变化；但结晶度高 收缩大。对较柔软的塑料，成形中宜用低 模温，有利于其 尺寸稳定。任何一种材料，模温恒定，收缩一致，均有 利 于提高尺寸精度。 4）力学性能 模温低，会使塑件熔接痕明显，

3、降低强度；结晶型塑料， 结晶度越高， 塑件应力开裂倾向越大，从减小应力考虑， 模温不宜过高。 但对PC一类高粘度的非结晶型塑料，其应力开裂与塑件 的内应力大小 有关，升高模温有利于减小内应力，也就减 小了应力开裂倾向。 5）外观质量 一般塑件，适当提高模温能有效改善塑件外观质量，使塑 件表观光 泽，轮廓清晰，降低粗糙度。,（2） 模温对生产效率的影响 模具工作时的温度是周期性变化的，如图所示。注射熔体时，模 温高，脱模时模温低。其热量的传递要靠对流、辐射和传导等方式完 成。因此，注射成型中的模具可看成为一个热交换器。塑料熔体以200 左右的温度注入模具，冷却到制品脱模时约60左右的温度。其间所

4、释 放的 热量约有5%左右以辐射、对流的方式散发到大气中，其余95%左 右将由冷却介质带走。因此，模具的生产效率主要取决于冷却介质的热 交换效果。,注射成形中的模具温度变化,一般冷却时间约占整个注射成型周期的2/34/5，由此可 见，缩短冷却时间是提高生产效率的关键因素。成形周期中 冷却时间所占的比例如图所示。,成形周期中的时间比例,若要缩短冷却时间以提高生产效率，可从以下几方面着手。 1）提高模板对冷却介质的传热系数ha 与冷却介质溫度有关的系数； 冷却介质在该溫度下的密度 g/ ; v 冷却介质的流速m/s； d 冷却管路的直径mm。 传热系数与冷却介质在模具冷却通道内的流动速度有关。研

5、究表明紊流状态下的传热系数可比层流高1020倍。层流是 流体在层与层之间仅以热传导方式传热；紊流时水道管壁和中 心的流体发生无规则的快速对流，使传热效果大大增加。如图 所示。,层流与紊流示意图,冷却介质在通道中是否产生湍流，可用雷诺数（Re）来判 断。即 Re d 圆形水道直径或非圆形通道的当量直径，m； 水的流速，m/s; 水的运动粘度，/s. 雷诺数达到4000以上时，一般可视为紊流，为使冷却介质 处于稳定紊流状态，希望雷诺数达到600010000以上。冷 却剂流动型态与雷诺数的关系如表8-1。,表8-1 冷却剂流动型态与对应的雷诺数范围,2）提高模具与冷却介质之间的温度差 注射模具一般采

6、用常温水进行冷却，若改用低温水，便可 提高模具与冷却介质之间的温度差，从而提高生产效率。但 温差过大，会使大气中的水分在型腔表面凝聚，影响成形质 量。 3）增大冷却介质的传热面积 增大冷却介质的传热面积，需在模具中开设尺寸尽可能大 和数量尽可能多的冷却通道。但由于模具中推杆、型芯和镶 块等结构的影响，冷却水道的尺寸和数量会受到一定限制。 因此，在考虑模具总体结构时，应先考虑冷却水道的布置， 而不是等结构确定之后再进行冷却系统设计。 传热面积： AM = n d L L模具上一根冷却水管的長度（mm） d 冷却水管直徑 n 模具上冷却水管的数量 但是，水管的直径不能过大；过大的直径会使流速减慢，

7、 雷诺数降 低，传热系数降低。,5.2 模具的加热与冷却分析 1）对粘度低，流动性好的塑料（PE、PP、PA、PS 等），成型工艺条件要求的模具温度一般不高（60左 右），通常可对模具进行冷却，通过调节冷却水的流量大小 控制模温。如果要求提高生产效率，可采用降低冷却水温度 （常温以下）的方法来达到。 2）对于粘度高，流动性差的塑料（PC、PPO、PSF 等），为降低塑料熔体粘度，改善充模流动性，成形时需要 较高的模具温度（80120），此时需对模具进行加热。 3）对于高粘流温度的塑料，一般需采用温水控制模温， 这不仅可对制品发挥冷却作用，而且比常温水和冷水更有利 于促使模温分布趋于均匀。常用材

8、料的模具温度如表8-2。 4）对热固性塑料，模具温度一般要求在120220，需 对模具进行加热。常用电加热方式。 5）由于制品几何形状的影响，制品在模具内各处的温度 不一定相等，因此常因温度分布不均导致成型质量出问题。 为此，可对模具采用局部加热或局部冷却的方法，以改善 模具温度分布，达到均匀冷却的效果。,表5-2 常用塑料材料的注射温度和模具温度,6）对于流程长，壁厚较大的制品，或者用粘流温度不高 的材料，成型面积比较大的制品时，为保证塑料熔体在充模 过程中不因温度下降而产生流动困难，亦可对模具进行加热 来控制模温。 7）对于某些工作温度要求高于室温的大型模具，可在模 内设置加热装置，以保证

9、生产之前能使模具迅速达到工作温 度要求。 8）为了准确实时地调节与控制模具温度，可在模具内同 时设置加热和冷却装置。 9）对于小型薄壁制品，且成型工艺要求的模温不太高 时，模内可不设冷却装置，直接靠自然冷却。 模具温度调节系统设计时，还应注意以下问题： 一是当采用冷水调节与控制模温时，由于水与模壁间温差 大，大气中的水分容易凝聚在模腔表面，从而影响制品表面 质量。 二是当采用加热措施控制模温时，模温升高后，会使原来 采用间隙配合的滑动零件的配合间隙发生变化，从而导致滑 动零件的运动产生故障。,5.3 模具冷却系统的设计原则 模具冷却系统设计的合理与否，对塑件的成形质量与生产效率至关重要，除通过

10、上述计算确定相关参数以外，对于冷却回路的布局及结构设计还应考虑如下原则： （1）冷却水路的布局应先于推出机构设计，以便得到合理的冷却水路布局和模具温度的均匀分布，确保塑件成形质量。如图8-10所示。,图8- 10 冷却水路与推出机构布局,（2） 冷却水道数量应尽量多、截面尺寸应尽量大。模腔表壁的温度与水道数量、截面大小及冷却水温度有关。水道数量多，分布的越密，冷却越均匀，制品各处温差小，变形与应力也小，尺寸精度提高。水路布置与温度分布如图所示。同时也提高冷却效率（传热效率）。,模具水路布局与温度分布,传热 路径,温度分布,（3） 冷却水道与型腔表面 各处距离应尽量相等，水道 的排列尽量与型腔形

11、状一 致，否则，冷却不均，塑件 产生应力变形。如图所 示。通常，这一距离越小，即模壁温度越低。但 这一距离也不能过小，距离 太小，有可能影响模腔的强 度与刚度，或因温度过低而 影响熔体成型流动。一般这 一距离不应小于10,通常 为1215。,冷却水路流动路径,围绕塑件的冷却水道布局,d冷却水管直径1014mm D冷却水管距型腔距离d2d P冷却水管间距35d,冷却水管距型腔壁及水管之间的距离应合理，常用尺寸数据 如图所示。,冷却水管直径与塑件壁厚的经验数据如表8-6所示。,表8- 6 冷却水管直径与塑件壁厚的参考值,冷却水道距型腔壁 及水道之间的距离,塑 件,水道布局不合理，导致模具温度不均，

12、致使塑件产生翘曲变形。如图所示。不合理的水道布局，还导致较长的冷却时间。,冷却水道布局对制品冷却的影响比较,（4） 对塑件壁厚不均匀者，在厚壁处应加强冷却。可 使水道离模腔壁距离近些，水道数量亦可增加。薄壁部位水 道之间距离可稍大些。如图所示。,（5） 大型或薄壁塑件成型时，熔料的流程长，熔体温度越流越低，若要使塑件冷却速度相同，可改变冷却水道的排列密度。即在料流末端水道可以稀疏些。,不均匀塑件的模具冷却水道布局,（6） 冷却水道的出、入口水的温差应尽量小。冷却水路 总长较长时，则水流在出、入口的温差会比较大，易造成 模具温度分布不均，制品在冷定型过程中各处的收缩会产 生较大差异，脱模后塑件容

13、易发生翘曲变形。设计时应尽 量采取有效措施减小水道出、入口水的温差，以使模温分 布均匀。如图所示。,水路长，温差大,水路短，温差小,水道长度对模具温度的影响,模具进出、口处水的温差往往是根据制品成形要求来设定 的。在许多情况下，温差为35时是最理想的，但有时也需 要温差在12。温差越小，意味着把同样的热量带出去，需 要的冷却水流量就越大，反之需要的流量就小。比如：温差为 5时，流量需要60L，而温差为2时，流量则需要150L。 一副模具所需的冷却水流量直接与模具要带走的热量和冷却 水进、出模具的温差有关。例如：要将6480 kcalh的热量从 模具上带走，若温差为3，那么至少需要冷却水的流量为

14、 Q=6480 3 60=36（Lmin）。 一般注塑成型模具冷却水的压力选择在0.10.2MPa即可满 足要求。 普通模具冷却水进出、口的温差，一般应控制在5以内。 精密模具因一般不多于四腔，各模腔可单独设计冷却水道， 各型腔冷却水的出、入口温差不应超过1。,（ 7） 冷却水道要避免接近熔接痕的部位，以免熔接不 牢，降低塑件强度。 （8） 冷却水道应尽量设在与塑料熔体接触的模具零件 中，不应设在相邻的模板中。若为镶块或镶芯结构，应注意 镶块与模板间水道的密封，不允许有渗漏。 （9） 模具定模和动模的冷却水道应分别自成循环回路， 且应保持动、定模的温度分布均匀，两半模的温差不应过 大，以免引起

15、导向、定位件的过度磨损。 （10）局部热量集中部位，如直浇道（主流道）部位，可 单独加强冷却。如图所示。,水路入口,水路出口,水路出口,水路入口,浇口,浇口部位热量大，应加强冷却。,单侧浇口附近的冷却水道布局,薄膜式浇口附近的冷却水道布局,多点浇口模具，浇口附近加强冷却。,多点浇口附近的冷却水道布局,（11）冷却水道不宜太长，转弯不宜太多。总长度一般不 宜超过12001500mm，否则压力损失增大，影响冷却效 果。转弯过多，水流动阻力增大，降低流速，影响传热效 率。如图所示。,一进一出，水路较长,三进三出，水路较短,较长水道布局的改进,（12）冷却水进出模具的水嘴，应设在模具同一侧为好，最好设

16、在操作者的对面，不影响成型操作。如图8-24所示。,水管接头应设在模具的一侧,5.5 冷却系统的结构形式 （1）并联水路设置 并联水路中，水是从单一的水源或分流板进入到多个平行分支的。这种分流板可能在模外，也可装在模内。理想的情况就是水以相同的温度和速度分配到各分支中去。其主要优点是这种布置方式的水路流动长度较短，管路中的压力降较小。从系统流出的水流速可以得到充分保证，流率较高。其水温也比串联的更均匀。 并联水路的主要问题是： 各分支的流速不均匀，水流优先向阻力小的管路流动。 各分支的冷却效率较低，支管的流动速率只是整个流量的一部分，使紊流程度降低，冷却效率下降。 水路容易积垢。水中的矿物质和生锈产生。矿物质的传热能力约为模具钢的2%，1 mm厚的矿物质沉淀层其传热阻力和50 mm的模具钢相同。采用不锈钢可以减少积垢，尽管其热传导性低，但却可长时间保持冷却性能。