橡胶与塑料模具设计教案(九)

橡胶与塑料模具设计教案(九)

　　第七节 冷却系统设计 　　一、概述 　　在注射过程中，模具温度直接影响到塑件的质量和生产效率。由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具温度也不同，冷却系统的设计就是保证塑件质量，减小塑件变形，缩短工艺时间。特别是在大型模具中尤为重要，它已成为大型模具设计的三大核心内容之一。 　　冷却系统对制品质量的影响。 　　1． 模具温度波动会导致制品收缩率变化，从而降低制品尺寸精度； 　　2． 模具型腔、型芯温度差过大，制品收缩不均，导致制品弯曲、变形； 　　3． 模具温度过高，导致制品脱出后发生变形，并使其形状、尺寸精度降低； 　　4． 模具温度过低，导致塑料熔体的流动性降低，使制品轮廓不清，甚至冲模不满，或在冲模过程中产生明显的熔接痕，使制品的力学性能下降； 　　5． 低温冲模时，如果流体速度不高，则制品的内应力增大，容易引起制品的翘曲变形或应力开裂，特别是一些高粘度的塑料； 　　6． 一般来说，对于柔性塑料（如聚稀烃等）应使用低的模具温度，以降低其成型时的收缩率，提高制品尺寸精度，并缩短成型周期； 　　7． 对于某些结晶性塑料，使用高模温有利于结晶过程的进行，避免在存放或使用过程中尺寸发生变化； 　　8． 对于粘度大的刚性塑料（如聚碳酸脂等），使用高模温有利于冲模，并使其应力开裂大大降低。 　　二、冷却系统设计原则 　　1．成型件各部位温度均衡； 　　2．冷却水孔数量尽量多，尺寸尽量大，设计中常取水孔直径为8～12毫米； 　　3．各冷却水孔至型腔表面的距离相等，一般保持15～20毫米； 　　4．降低出入水孔的温差，冷却水道并联比串联好； 　　5．浇注系统加强冷却； 　　6．水道通过镶件时，要设计密封装置，防止漏水； 　　7．冷却管路一般不宜设计在成型熔料在型腔内熔接部位，以免影响塑件质量； 　　8．水管接头（冷却水嘴）应设在不影响操作的一侧。 　　三、冷却系统的计算 　　实验证明，塑料带给模具的热量，约5%由辐射、对流扩散到大气中，95%由冷却介质带走。冷却系统的计算就是计算冷却系统的管路直径和管路长度等。现在由于CAE的应用，使得冷却系统的设计更加简便和直观。 　　1．冷却时间 ( s） 　　冷却时间按经验公式 　　t = (5-1) 　　式中：a—温度传导系数，m ／s，见表7-1； 　　d—制品厚度，m； 　　t —开模时制品壁部中心区的温度（采用比t 大8～25℃；小值用于软质塑料；大值用于其他硬质塑料；玻璃增强塑料可采用 t ＞t 值20～30℃）； 　　t —成型表面在注塑周期内的平均温度，℃，见表7-1； 　　t —制品初始温度，等于熔融料注射入模具中的温度，℃，见表7-1。 　　表7-1 材料的部分物理和工艺参数（计算温度调节系统时用） 　　材 料 密度 r×10 kg/m 热导率 　　l 　　W/(m ℃) 比热容 　　c×10 　　J/（kg℃) 温度传 　　导系数 　　a×10 　　m /s 温度线膨胀系数a×10 1/ ℃ 注射模 　　温度 　　℃ 熔融料 　　温度 　　℃ 嵌段聚苯乙烯 乳液聚苯乙烯 1.03～1.07 0.09～0.16 1.33 0.88 8 60～70 200～220 聚 耐冲击聚苯乙烯 1.1～1.15 0.14 1.8 0.75 6～10 50～70 220～250 ABS 1.05～1.1 0.16～0.21 1.33 1.3 8 50～80 200～240 低压聚乙烯 0.94～0.96 0.25～0.31 2.9 1.22 20 30～70 240～270 合 高压聚乙烯 0.85～0.92 0.3 2.5 1.38 28 30～60 190～220 聚丙烯 0.95 0.14～0.175 1.92 0.86 16 30～90 260～280 聚甲基丙烯酸甲脂 1.18～1.20 0.187～0.21 1.8～1.97 0.93 8 60～80 200～230 材 聚乙内酰胺 1.14～1.15 0.254 2.5 0.9 10～11 — — 聚酰胺610 1.1 0.268 1.97～2.5 1.08 11～12 40～60 200～230 聚碳酸脂 1.2 0.198 1.25 1.32 6.75 80～130 280～310 料 聚甲醛 1.425 0.31 1.17～1.46 1.5 8.1 — — 聚甲醛共聚物 1.41 0.21 1.25 1.2 8～10 50～110 180～210 聚氯乙烯 1.35 0.16 1.5 0.8 6～7 20～60 160～180 冷 水 1.0 0.65 4.18 1.58 — — — 却 矿物油 0.88～0.92 1.28 1.67～1.88 0.8 — — — 液 甘油 1.26 2.77～2.96 2.42 0.91～0.98 — — — 低碳钢 7.8 81 0.46 227 120 — — 30钢 7.8 75.5 0.46 212 115 — — 工具钢 7.8 36 0.46 100 100～120 — — 铬镍钢（12CrNi3A 　　30CrNi3A) 7.8 33.7 0.46～0.5 87.5 112 — — 耐蚀钢 7.8 19.7 0.46 55 100～115 — — 铝（99.75%) 2.7～2.8 20.7 0.9 838 231 — — 金 黄铜(Cu90%Zn10%) 8.5～8.6 117～133.5 0.368 398 170～220 — — 青铜 8.8 47.6 0.368 147 170～210 — — 属 镍铜(Cu90%Ni10%) 8.9 58～75 0.397 189 164 — — 铍（99.5%) 1.8 180～215 2.17 515 120 — — 纯铜（99.98%) 8.93 390 0.384 1140 165 — — 铍青铜（QBe2) 8.23 83.5 0.148 244 170 — — 铬 7.9 256 0.437～0.472 716 66～81 — — 2．由塑料带入的热量 (J) 　　由塑料带入的热量可按下式计算 　　Q = m·c·(t －t ) 　　式中：m—注射塑料的重量（包括浇注系统），kg； 　　c—注射材料的热比容，J／（kg ℃)，见表5-2； 　　t —开模时制品的平均温度，℃。t = t +2（t －t ）／π； 　　3．冷却剂带走的热量 　　设塑料带入的热量全部由冷却剂带走，且模具生产周围温度比模具温度低。冷却液温度亦比较低。 　　4．冷却剂的消耗量（kg） 　　冷却剂的消耗量可按下式计算 　　G = Q／（c ·Δt） 　　式中：c—冷却剂的比热容，J／（kg ℃)，见表5-2； 　　Δt—冷却剂在管路出入口的温差（为了消除冷却的不均匀，采用不大于2～4℃)。 　　5．管路的截面积（m） 　　管路的截面积可按下式计算 　　F = G ／2（ρ·τ·ω） 　　式中：ρ—冷却剂密度，kg／m ，见表5-2； 　　τ—成型周期，s；τ = t +t +t ； 　　t —冷却时间，s； 　　t —辅助时间（包括脱模、涂脱模剂、安装嵌件和闭模时间），s； 　　t —注射时间，s； 　　ω—冷却剂流动速度，m／s，取0.5～1.0 m／s。 　　6．管路直径或矩形管路的边长（m） 　　管路直径或矩形管路的边长可按下式计算 　　d = 1.13 　　如果计算的结果不理想，如管路直径过小，那么应使冷却剂的消耗量增大，减少4内容中的Δt值或采用比热容c小的冷却剂，然后重新计算。 　　如果计算的管路直径过大，影响到模具结构设计，那就减少冷却剂的消耗量，重新选用大值的比热容或Δt，也可增大冷却剂的流动速度。应当注意，过分的增大Δt值会使模具温度不均匀，影响到制品的质量（如产生变形、尺寸变化等）。 　　7．确定管路长度 　　确定管路直径后，再确定管路的长度。设冷却管路的有效表面积不小于制品成型表面积。 　　圆形截面的管路长度： 　　L≥M／（π·d） 　　式中：M—制品成型表面积，m。 　　四、型腔型芯冷却型式 　　型腔型芯的冷却型式要根据具体的塑件形状及工艺需要而定，在满足产品成型的条件下，尽量使冷却形式机构简单，加工容易。 　　型腔型芯的冷却型式见表5-1。 　　表5-1 型腔型芯的冷却型式 　　型式 简 图 说 明 直 流 式 制造简单，适于成型浅而面积大的制品 　　直 流 循 环 式 直流式的改进形式 　　循 环 式 圆孔循环或矩形槽循环，对型腔型芯的冷却效果好 　　喷 流 型芯中装一喷水管，冷却水从喷水管喷出，分流向周围冷却型芯璧，适用于深型腔 　　式 型芯中装一特殊的隔板，冷却水从隔板的管道中喷出，由隔板槽流向周围，扩大型芯顶部的冷却面积 　　用 导 热 性 好 的 合 金 冷 却 型芯上装有导热性好的铍铜合金，冷却水接在型芯固定部分，铍铜合金以大面积一端接触冷却水，提高冷却效率。但必须注意铍铜合金的配合一定要严格 　　喷 流 循 环 式 冷却水从型芯镶件的中间水孔向周围旋转喷出，结构复杂，但效果好。主要用于冷却深腔的圆筒型芯 　　压 缩 空 气 冷 却 对于特别细长的型芯，由于水道孔径非常小，用冷却水时容易堵塞，或不能设计冷却水的型芯，可用从外部吹入压缩空气冷却 　　用 导 热 性 好 的 合 金 直 接 冷 却 当型芯非常细不能开孔时，可用导热性好的铍铜合金作型芯材料，型芯底部通冷却水冷却 　　第八节 模具设计说明 　　塑料注射模具是现在所有塑料模具中使用最广的模具，能够成型复杂的高精度的塑料制品。本文只是粗略介绍一下。 　　设计塑料注射模具首先要对塑料有一定的了解，塑料的主要成分是聚合物。如我们常说的ABS 塑料便是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体采用乳液、本体或悬浮聚合法生产，使其具有三种单体的优越性能和可模塑性，在一定的温度和压力下注射到模具型腔，产生流动变形，获得型腔形状，保压冷却后顶出成塑料产品。聚合物的分子一般呈链状结构，线型分子链和支链型分子认为是热塑性塑料，可反复加热冷却加工，而经过加热多个分子发生交联反应，连结成网状的体型分子结构的塑料通常是一此次性的，不能重复注射加工，也就是所说的热固性塑料。 　　既然是链状结构，那塑料的在加工时收缩的方向也是跟聚合物的分子链在应力作用下取向性及冷却收缩有关，在流动方向上的收缩要比其垂直方向上的收缩多。产品收缩也同制品的形状、浇口、热胀冷缩、温度、保压时间及内应力等因素有关。通常书上提供的收缩率范围较广，在实际应用中所考虑的是产品的壁厚、结构及确定注塑时温度压力的大小和取向性。 一般产品如果没有芯子支撑，收缩相应要大些。 塑料注塑模具基本分为静模和动模。 　　在注塑机的注射头一边的带浇口套的为定模，定模一般有浇口套、模板组成，简单模具（特别是定模没有芯子的模具）也可以不使用垫板，直接用厚一点的模板就可以了。浇口套一般为标准件，除非特殊原因，不建议取消。浇口套的使用有利于安装模具、更换方便，不用自己抛光。有些特殊模具浇口套可用钻出来或用锥度线割割成。部分模具必须静模脱模时，还得加上静模脱模机构。动模的结构一般为动模板、动模靠板、脱模机构以及模脚和装机

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