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1、第十一章 温度调节系统设计,学习的目的和要求 理解模具温度调节系统的作用 了解塑料注射模具冷却系统的计算方法 掌握冷却系统时设计原则 掌握型芯、凹模冷却系统的结构设计 了解塑料注射模具加热系统设计,第一节 概 述 温度调节系统的目的: 通过控制模具温度，使注射成型具有良好的制品质量和较高的生产效率。 模具加热方法: 蒸汽加热、热油、热水加热及电加热等方法，最常用的是电阻加热法； 冷却方法: 常温水冷却、冷却水强力冷却或空气冷却等方法，而大部分采用常温水冷却方法。 温度调节系统的组成零件有: 堵头、快速接头、螺塞、密封圈、密封胶带（主要用来使螺塞或水管接头与冷却通道连接处不泄漏）、软管（主要作用
2、是连接并构制模外冷却回路）、喷管件（主要用在喷流式冷却系统上，最好用铜管）、隔片（用在隔片导流式冷却系统上，最好用黄铜片）和导热杆（用在导热式冷却系统）。,图11-1 温度调节系统的组成零件,返回,一、 温度调节系统的功用 1改善成型条件 2稳定制品的形位尺寸精度 3改善制品机械、物理性能 4提高制品表面质量,二 、模具的冷却与加热 注射模的温度调节系统必需有冷却和加热功能，必要时还要二者兼有。对于热塑性塑料来讲，无论是采用冷水和常温水对模具进行冷却，或者是采用温水、蒸汽、热油和电能对模具进行加热，其作用结果都是为了对模腔内的塑料制品进行合理的冷却。下面介绍一些确定冷却或加热措施的原则。,1对
3、于粘度低、流动性好的塑料，如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等，可采用常温水对模具进行冷却，并通过调节水的流量大小控制模具温度。有时为了进一步缩短在模内的冷却时间，亦可使用冷凝处理后的冷水进行冷却（尤其是在南方夏季）。 2对于粘度高、流动性差的塑料，如聚碳酸酯、聚砜、聚甲醛、聚苯醚和氟塑料等，成型工艺要求有较高的模具温度，经常需要对模具采用加热措施。,3对于粘流温度或熔点不太高的塑料，一般采用常温水或冷水对模具进行冷却；对于高粘流温度或高熔点塑料，可采用温水控制模温。 4对于热固性塑料，模具成型温度要求在150200，必须对模具采取加热措施。 5由于制品几何形状影响，制品在模具内各处的温度不一
4、定相等，可对模具采用局部加热或局部冷却方法，以改善制品分布情况。,6对于流程很长、壁厚又比较大的制品，或者是粘流温度或熔点虽然不高、但成型面积很大的制品，可对模具采取适当的加热措施；对于小型薄壁制品，且成型工艺要求的模温也不太高时，可直接依靠自然冷却。 7对于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。 8为了实时准确地调节和控制模温，必要时可在模具中同时设置加热和冷却装置。,需要指出，模具中设置温度调节系统后，会给注射成型生产带来一些问题。如采用冷水调节模温时，大气中水分易凝聚在模具型腔的表壁，影响塑件表面质量，而采用加热措施后，模内一些间隙配合的零件可能由于膨胀而使间隙减小或消失
5、，从而造成卡死或无法工作等，因此，在设计模具和温度调节系统时，均要想办法加以预防。,第二节 模具冷却系统的计算 塑料注射模具冷却系统的设计计算，不仅影响成型塑件的质量，还直接影响生产效率。 1 传热面积的计算 如果忽略模具因空气对流、热辐射与注射机接触所散失的热量，假设塑料熔体在模内释放的热量，全部由冷却水带走，则模具冷却时所需冷却水的体积流量可按下式计算：,式中：V冷却水的体积流量（m3/min）； G单位时间内注入模具内的塑料熔体的质量 （/h）；,i-塑料成型时在模具内释放的热焓量（J/）；,C 冷却水的比热容J/(K)；,-冷却水的密度（/m3）；,t1 -冷却水的出口温度（）；,t2
6、 -冷却水的进口温度（）。,（11-1）,求出冷却水的体积流量V后，可以根据冷却水处于湍流状态下的流速v通道直径d关系（见表11-1），确定模具冷却水孔的直径d。,注： 表中数据的测量条件为Re10000，10的条件下。,冷却水孔总传热面积A由下式计算：,（11-2）,式中 A冷却水孔总传热面积（）； G 单位时间内注入模具中的塑料质量（/h）； 塑料成型时在模内释放的热焓量（J/）； 模具温度（）； 冷却水的平均温度（）。,2 冷却水孔总长度计算 由于传热面积,代入式（11-3），化简得：,3冷却水孔数目的计算 设因模具尺寸之限制，每一根水孔的长度为，则模具内应开设水孔数由下式计算：,式中冷
7、却水孔总长度（m）。,（11-3）,（11-4）,4冷却水流动状态的校验 冷却水介质处于层流还是湍流，其冷却效果相差1020倍。因此在模具冷却系统设计完成后，尚须对冷却介质的流动状态进行校核。规定使用的雷诺准数为：,式中 v-冷却水的流速（m/s）； d - 冷却水孔直径，（mm）； -冷却水的运动粘度（m2/s），参考 图11-2进行选取。,600010000,（11-5）,返回,图11-2 冷却水道的位置与制品的关系,5冷却水入口与出口处温差校核 冷却水的进出口温差由下式进行校验：,（11-6）,温差小好，原则差值不允许超过5摄氏度 精密模具不允许超过2摄氏度,第三节 冷却系统设计,一、
8、冷却系统时设计原则 1冷却水道应围绕模具所成型的制品，且尽量排列均匀一致,图11-3 冷却水道的位置与制品的关系1,图11-4 冷却水道的位置与制品的关系2,返回,2保证模具材料有足够的机械强度的前提下，冷却水道尽可能设置在靠近型腔(型芯)表面,图11-5 冷却水道的孔径与位置关系,3水道出入口的布置应该注意两个问题，即浇口处加强冷却和冷却水道的出入口温差应尽量小。 冷却水道的入口处要设置在浇口的附近。 从均匀冷却的方案考虑，对冷却液在出、入口处的温差，一般希望控制在5以下，而精密成型模具、多型腔模具的出、入口温差则要控制在23以下，冷却水道长度在1.21.5m以下。 对于中、大型模具，可将冷
9、却水道分成几个独立的回路来增大冷却液的流量，减少压力损失，提高传热效率。,图11-6 加强浇口冷却和减小出、入口温差的的冷却水道布置 （a）直浇口型芯冷却水道 (b) 超宽侧浇口冷却水道 (c) 侧浇口冷却水道 (d)中心点浇口型芯冷却水道,4冷却液在模具中的流速，以尽可能高一些为好，但就其流动状态来说以湍流为佳。在湍流下的热传递比层流高1020倍，因为在层流中冷却液作平行于冷却水道壁诸同心层的运动，每个同心层都好比一个绝热体，从而妨碍了模具向冷却液散发热过程的进行(然而一旦到达了湍流状态，再增加冷却液在冷却水道中的流速，其传热效率并无明显提高)。 5制品较厚的部位应特别加强冷却。 6充分考虑
10、所用的模具材料的热传导率。通常，从力学强度出发，选择钢材为模具材料如果只考虑材料的冷却效果时，则导热系数愈高，从熔融塑料上吸收热量愈迅速，冷却得愈快。因此，在模具中对于那些冷却液无法通到而又必须对其加强冷却的地方，可采用铍青铜材料进行拼镶。,二 、冷却系统的结构设计 1型芯冷却系统的结构设计 对于成型制品壁较薄，尺寸较小的型芯，可采用如图11-7所示的结构，但冷却效果不均匀。,对于尺寸较大的型芯，采用如图11-8所示是一种冷却效果均匀、制品散热很好的冷却水道排列方法。,在型芯尺寸、力学强度允许的前提下，在型芯中加入带有螺旋的水槽镶件，如图11-9所示的方式对其温度进行控制，可获得极佳的效果。但
11、镶件加工难度大。,图11-9 螺旋式型芯冷却水路,对于直径较小且尺寸较长的型芯，由于表面积小，使得热传导非常困难。采用图11-10（a）所示的在铍青铜材料制造型芯，让冷却水直接冷却其另一端；图11-10（b）所示是在型芯内部较粗的部分加入细铜棒，冷却细铜棒进行冷却；,图11-11 围绕型腔四周的冷却系统,2凹模冷却系统的结构设计,图11-12 一模多腔的的冷却系统,图11-13 型腔的螺旋形槽冷却系统,返回,3相交水道通常采用过盈配合方式插入镶件，使冷却液改变流向如图11-14和图11-15所示。,图11-14 冷却水道中的封堵,图11-15 冷却水道间的接通方法,返回,4一般情况下，模板中的
12、冷却水道常采用钻床加工。有些水道较长且横竖交错，在加工时，为了减小难度和使钻孔所要求的精度相对降低，一般规定两条相交错的水道在长度小于150mm时，最小间距为3mm，在长度大于150mm时，最小间距为5mm，如图11-16所示。,图11-16 环绕型腔（或型芯）的冷却水道,返回,第四节 加热系统设计,对于熔融粘度高，流动性差的塑料，如聚碳酸酯、聚甲醛、氯化聚醚、聚砜、聚苯醚等，则要求较高的模温才能注射成型，此时需要对模具进行加热。若模温过低，则会影响塑料的流动性，产生较大的流动剪切力，使塑件的内应力较大，甚至还会出现冷流痕、银丝、注不满等缺陷。尤其是当冷模刚刚开始注射时，这种情况更为明显。但是
13、，模温也不能过高，否则要延长冷却时间，且塑件脱模后易发生变形。当模温要求在80以下时，模具上无需设置加热装置，可利用熔融塑料的余热使模具升温，达到要求的工艺温度。若模温要求在80以上时，模具就要有加热装置。,一、电加热的方式 电加热为最常采用的加热方式，其优点是设备简单、紧凑、投资小，便于安装、维修、使用，温度容易调节，易于自动控制。其缺点是升温缓慢，并有加热后效现象，不能在模具中交替地加热和冷却。模具电加热有电阻丝加热和工频加热两类，后者因加热装置构造比较复杂，体积大，所以很少采用。,1电阻丝加热 将电阻丝绕制成螺旋弹簧状，再将它套上瓷管或带孔的陶瓷元件，安放在加热板或模具的加热孔中，如图1
14、1-17所示。该方法虽然简单，成本低廉，但由于电阻丝直接与空气接触，容易氧化损耗，因而使用寿命短，而且热量损耗较大，不利于节能。此外，赤热的电阻丝暴露在模外也不安全，电阻丝烧坏后也不便于维修。为安全起见，最好用云母及石棉垫片与加热板外壳绝缘。,图11-17电阻丝加热的加热板,返回,2电热棒加热 在电阻丝与金属管内填充以石英砂或氧化镁等耐热材料，在管内的两端垫有云母片或石棉垫片，在电阻丝出口处用瓷塞塞住，电阻丝两端头通过瓷塞上的两个小孔引出（如图11-18所示）这样组成的电加热元件俗称电热棒。由于电热棒加热方法的电阻丝与外界空气隔绝，因此不易氧化，使用寿命长，电热棒烧坏后也便于更换，使用比较安全
15、。 模具中电热棒的插孔位置，应考虑塑件的顶出位置，同时要求尽量对称、等距、靠边，顶杆的布置也需照顾电热棒插孔而作适当的调整。,图11-18 电热棒及其安装,返回,3电热套加热 电热套加热就是在模具型腔外围套上电热套（圈）或装上几块（24块）电热套，以补充模具上加热量的不足。电热套应与模具外形相吻合，最常见的有矩形和圆形两种,如图11-19所示。矩形电热套由四块电热片构成，用导线和螺钉连成一体。圆形电热套也是通过螺钉夹紧在模具上，它可以制成整体式和两半式，前者加热效率好，后者制造及安装方便。,图11-19 电热套的形式 (a) 矩形 (b) 圆形,返回,二、电加热装置的功率计算 模具电加热的基本
16、要求是：合理分布电热元件，使模具型腔表面的温度均匀一致，且不随时间改变而发生明显的波动。因此，电热元件的计算功率必须符合加热所需的功率。要达到模具加热均匀，保证符合成型温度条件，在设计电热装置时，必须综合考虑以下各点：采取加热模具的保温措施，以减少热量损失；正确合理地布置电热元件；加热板的中央和边缘部位，分别采用不同功率的电热元件；大型模具的加热板，可考虑安装两个调温器，以调节加热板中央和边缘部位的温度。,要准确地计算所需要的电加热功率，必须作模具的热平衡计算。塑料成型所消耗的热量包括：塑料升温所需的热量、模具侧表面向周围空气散失的热量、模具模板与注射机连接处所传走的热量、开模过程中分型面散失的热量以及模具在清理过程中用压缩空气吹模具所带走的热量等。分别算出以上各项热量，通过热平衡方程式即可计算出每小时所需的热量，进而算出所需的电加热功率。,上述各项计算是比较复杂的，实际上各项计算
