注塑模具冷却系统设计原则与Moldflow
注塑模冷却系统设计原则及结构形式
注塑模冷却系统设计原则及结构形式⼀、模具冷却系统设计原则为了提⾼⽣产率，保证制品质量，模具冷却系统设计以保证塑件均匀冷却为基本原则。
具体设计时注意以下⼏点：①冷却⽔孔数量尽量多、尺⼨尽量⼤型腔表⾯的温度与冷却⽔孔的⼤⼩、疏密关系密切。
冷却⽔孔孔径⼤、孔间距⼩，型腔表⾯温度均匀，如图3-9-3所⽰。
②冷却⽔孔⾄型腔表⾯距离要适宜孔壁离型腔的距离要适宜，⼀般⼤于10mm，常⽤12~15mm。
太近，型腔表⾯温度不均匀，参见图3-9-3d ；太远，热阻⼤，冷却效率低。
当塑件壁厚均匀时，各处冷却⽔孔与型腔表⾯的距离最好相同，如图3-9-4，a⽐b好。
当塑件壁厚不均匀时，厚壁处冷却⽔通道要适当靠近型腔，如图3-9-4，c⽐d好。
③⽔料并⾏，强化浇⼝处的冷却成型时⾼温的塑料熔体由浇⼝充⼊型腔，浇⼝附近模温较⾼、料流末端温度较低。
将冷却⽔⼊⼝设在浇⼝附近，使冷却⽔总体流向与型腔内物料流向趋于相同（⽔料并⾏），冷却⽐较均匀。
④⼊⽔与出⽔的温差不可过⼤如果⼊⽔温度和出⽔温度差别太⼤，会使模具的温度分布不均。
为取得整个制品⼤致相同的冷却速度，需合理设置冷却⽔通道的排列形式，减⼩⼊出⽔温差。
如图3-9-6，a形式会使⼊⽔与出⽔的温差⼤，b形式相对较好。
⑤冷却⽔孔布置要合理冷却⽔通道尽可能按照型腔形状布置，塑件的形状不同，冷却⽔道位置也不同，例如：图3-9-9：扁平塑件，侧⾯进浇。
动定模均距型腔等距离钻孔。
图3-9-10 ：浅壳类塑件定模钻孔、动模组合型芯铣槽。
图3-9-11：中等深度壳类塑件。
凹模距型腔等距离钻孔，凸模钻斜孔得到和塑件形状类似的回路。
图3.9 1：深腔制品。
凸凹模均采⽤组合式，车螺旋槽冷却，从中⼼进⽔，在端⾯（浇⼝处）冷却后沿环绕成型零件的螺旋形⽔道顺序流出模具。
⑥冷却⽔道要便于加⼯装配冷却⽔道结构设计必须注意其加⼯⼯艺性，要易于加⼯制造，尽量采⽤钻孔等简单加⼯⼯艺。
对于镶装组合式冷却⽔道还要注意⽔路密封，防⽌冷却⽔漏⼊型腔造成型腔锈蚀。
Moldflow与注射模具冷却系统设计
2010-11-9
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冷却理论分析
从水管壁到冷却介质的热传导
影响冷却系统性能的参数
– 冷却液紊乱程度
• 确信达到紊流状态，但亦不宜过大
– 冷却液进口温度 – 冷却液的性质 – 冷却液的流速
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冷却理论分析
冷却液流动率与热量流动率
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冷却理论分析
散热能力
层流 紊流 实际散热 热交换
传导
交换
对流 流动率
冷却系统的构成
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的类型
串联水路
优点 –流速均匀 –排热均匀 缺点 –压降高
并联水路
优点 –适用于入子四周 –低压下可达高流速 缺点 –各分支流速不一样 –各分支冷却效果不佳 –易产生污垢
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冷却系统的构成及类型
当塑料接触到模具时，一边是冷的，另一边是热的，不同的冷却便 发生了。热的一边要比较长的时间冷却和收缩（收缩大），而导致 热的一边象弓一样弯曲。
注塑模冷却系统设计PPT课件
❖ 表面光洁度：许多材料需要相对高的模具表面温度，在生产中以获得良
好的表面光洁度，如果某些区域与另一些区域的模穴温度不同，那么在成
品表面就会看到不同的表面光泽。
❖ 残余应力：残余应力是在充填或保压过程中剪切应力的结果。除了流动
导致应力外，由于产品表面温度不同，各个部分以不同的速率冷却时也会 产生残余应力。这些残余应力可能是产品在使用过程中过早损坏或者产品 翘曲和扭曲的原因。为了减小这些应力，就需要均匀的冷却。
冷却系统的构成及类型
冷却系统的构成
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的类型
❖串联水路
优点 –流速均匀 –排热均匀 缺点 –压降高
❖ 并联水路
优点 –适用于入子四周 –低压下可达高流速 缺点 –各分支流速不一样 –各分支冷却效果不 佳 –易产生污垢
小冷却时间会显著减小循环时间和生产成
本。
注射时间
保压时间
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冷却时间
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开模时间
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冷却系统的构成及类型
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冷却系统设计的重要性
冷却的影响
❖产品品质
▪ 表面光洁度 ▪ 残余应力 ▪ 结晶度 ▪ 热弯曲
❖生产成本
第4章 基于Moldflow的冷却系统设计
第4章基于Moldflow的冷却系统设计冷却系统由冷却介质、进水口和冷却管道组成[54]。
冷却系统设计的原则[55]：(1) 塑件壁厚基本均匀时，冷却水道与型腔表面距离最好相等。
一般水孔到型腔表面距离应大于10mm，常用12-15mm。
(2) 浇口处应加强冷却。
一般浇口处温度最高，常将冷却水道入口处设置在浇口附近。
(3) 冷却水道出入口温差应尽量小。
如果出入口温差较大，这样就会使模具温度分布不均匀。
(4) 冷却水道布置应避开塑件容易产生熔接痕的部位。
熔接痕处本身温度就低，如果再开设冷管，就会更促使熔接痕产生。
4.1 冷却介质选定[56]冷却介质有水、压缩空气和冷凝水。
水冷最为普遍，因为水的热容量大，传热系数大，成本低廉。
零件冷却介质采用水冷却。
水温度一般采用环境温度25℃。
4.2 冷却方式选定如图4-1所示，常用的冷却方式有四种：直通式、循环式、喷流式和隔板式[57]。
直通式和循环式冷却水道结构简单，加工方便，但模具冷却不均匀，适用于成型面积较大的浅型塑件；喷流式适用于塑件矩形内孔长度较大，宽度较窄的塑件，这种水道结构简单，成本较低，冷却效果较好；隔板式冷却管道加工麻烦，隔板与孔配合要求高，适用于大型特深型腔的塑件，冷却效果特别好[58]。
零件属于浅型型腔，采用直通式或循环式，这样管道加工简单，节省成本。
a b图4-1 四种冷却方式[58] (a) 直通式 (b) 循环式(c) 喷流式(d) 隔板式4.3 冷却管道设计4.3.1 管道直径和长度确定[59]对于无论多大模具，水孔直径不能大于14mm ，否则冷却水难以成湍流，降低热交换效率。
一般水孔直径可根据塑件平均厚度确定。
均厚2mm ，水孔直径可取8-10mm ；均厚2-4mm ，水孔直径可取10-12mm ；均厚4-6mm ，水孔直径可取10-14mm 。
零件均厚为2mm ，取水孔直径为10mm 。
管道长度由动定模板宽度决定，在前面的模架选择中选定的模板宽度为800mm ，所以管道长度为800mm 。
Moldflow设计原则
注塑成型流动行为设计原则注塑成型流动行为设计原则注射成型注射成型注塑成型机注塑成型机锁模单元液压单元Hopper 漏斗Screw (Ram)螺杆Barrel 料筒Heaterbands电热器来自外部单元的模具冷却在料筒和模具之间的喷嘴Nozzle (不显示)冷却时间开模时间充填时间保压时间注塑成型周期注塑成型周期周期时间充填时间保压时间冷却时间开模时间22秒19102注塑成型周期注塑成型周期充填Filling–模具闭合，螺杆快速向前移动，在模穴壁形成凝固塑料皮层保压Packing(保持Holding)–模穴填满，保压开始，冷却开始漏斗料筒螺杆模具螺杆对熔融塑料施加一定的压力使更多的塑料进入模穴内，这也称为“补偿阶段”。
注塑成型过程注塑成型过程冷却Cooling–保压完成，浇口凝固关闭，冷却继续–螺杆快速后移，开始为下一次注射塑炼树脂 开模Mold Open –冷却完成，模具打开注塑成型过程注塑成型过程注塑模具注塑模具固定侧可动侧流动行为流动行为在注塑模具中一个塑料分子会做些什么?充填阶段加压阶段补偿阶段Filling ，计量的充填模穴Pressurization ，建立模穴压力Compensation ，挤入额外的塑料以减少收缩成型各阶段成型各阶段喷泉流动喷泉流动描述塑料在一个模具中的流动现象首先进入的材料出现在浇口附近的表面最后进入模穴的材料，在中心层的熔融塑料下游出现对分子和在产品表面的纤维配向有直接的影响分子配向由剪切流动引起。
在凝固层剪切量高，因此导致最高的配向。
流动截面/分子配向流动截面/分子配向剪切率最小最大张力张力低配向高配向由剪切流动产生的热输入和进入模具的热损失之间应该是平衡的。
冷的模具热的熔融塑料热损失进入模具高剪切率热输入塑料流凝固层较快的注射速率较慢的注射速率对比流动截面/热交换流动截面/热交换注射时间/凝固层厚度注射时间/凝固层厚度较短的注射时间将会生产较薄的凝固层及较大的流动通道。
注塑模冷却系统设计
注塑模冷却系统设计一、冷却系统原理冷却系统的设计原则包括以下几点：1.均匀冷却：冷却通道应布置得均匀，确保注塑模腔内的温度分布均匀，避免产生缺陷。
2.高效冷却：冷却通道应尽可能靠近模具表面，并减小冷却通道的截面积，以增加冷却介质对模具的冷却效果，提高生产效率。
3.多角度冷却：在模具中设置多个冷却通道，使冷却介质能够从不同的角度覆盖模具表面，提高冷却效果。
4.控制温度：通过合理设置冷却通道的长度、截面积和数量等参数，控制注塑模的冷却速度，确保产品达到理想的尺寸和性能。
二、冷却系统设计流程1.模具结构分析：根据产品的形状和尺寸，对模具进行结构分析，确定冷却通道的位置和数量。
2.冷却通道设计：根据模具结构，设计冷却通道的形状、截面积和长度等参数。
一般来说，冷却通道应尽量靠近模具表面，避免过于接近模腔导致冷却效果不佳。
3.冷却通道布置：根据模具结构和产品的需求，合理布置冷却通道的位置和数量。
通常情况下，冷却通道应均匀分布在模具的各个部位，并且覆盖整个模具表面。
4.冷却介质选型：选择合适的冷却介质，通常是冷水。
冷却介质的选择应考虑到模具材料的热导率、流动性以及生产环境等因素。
5.防止冷却死角：在冷却系统设计中，应尽量避免冷却死角的产生。
冷却死角是指冷却介质在注塑模内积聚，无法很好地冷却模具的局部区域。
为了避免冷却死角，可以设置细小的冷却通道或者采用多角度冷却。
三、冷却系统优化方面为了进一步提高冷却系统的效果，可以从以下几个方面进行优化：1.模腔温度分析：利用模具流动分析软件，对模腔的温度分布进行分析，找出温度较高或较低的区域，并针对性地调整冷却通道的布置。
2.冷却介质控制：通过对冷却介质的输送速度、温度和压力等参数进行控制，进一步提高冷却效果。
3.冷却材料选择：选择具有较好导热性能的冷却材料，如铜合金等，以提高冷却效果。
4.模具表面处理：在模具表面进行特殊处理，如磨削、喷砂等，增加表面的热传导性，提高冷却效果。
模具设计中的冷却系统设计与优化分析
模具设计中的冷却系统设计与优化分析在模具设计中，冷却系统的设计和优化是非常重要的一部分。
冷却系统的设计直接影响着模具的使用寿命、生产效率和产品质量。
本文将从冷却系统的设计原则、优化方法和实际案例分析三个方面来探讨模具设计中的冷却系统设计与优化分析。
一、冷却系统的设计原则冷却系统的设计原则主要包括以下几个方面：1. 冷却系统的位置和布局：冷却系统应该尽可能地靠近模具的加热部位，以提高冷却效果。
同时，冷却系统的布局应该合理，避免冷却死角，确保冷却水能够充分覆盖模具表面。
2. 冷却水的流速和温度：冷却水的流速应该适中，过大会浪费资源，过小则无法有效降温。
冷却水的温度也需要控制在合适的范围内，过高会导致冷却效果不佳，过低则可能引起冷凝水等问题。
3. 冷却系统的材料选择：冷却系统的材料应该具有良好的导热性和耐腐蚀性。
常见的冷却系统材料有铜、铝、不锈钢等。
在选择材料时，需要考虑模具的工作环境和使用寿命。
4. 冷却系统的管道设计：冷却系统的管道设计应该尽量简洁明了，避免过多的弯曲和分支，以减少流阻和压力损失。
同时，管道的直径和厚度也需要合理选择，以保证冷却水的流量和压力。
二、冷却系统的优化方法在模具设计中，冷却系统的优化方法主要包括以下几个方面：1. 流场模拟分析：通过流场模拟分析，可以预测冷却水的流动情况和温度分布，帮助设计师找出冷却死角和热点位置，并进行合理的优化设计。
2. 冷却系统的分区设计：根据模具的不同部位和工艺要求，将冷却系统划分为不同的区域，以便针对性地进行优化设计。
例如，在需要加热的部位增加冷却水的流量和温度，以提高冷却效果。
3. 冷却系统的循环方式：冷却系统的循环方式有单循环和双循环两种。
单循环适用于冷却要求相对较低的模具，而双循环适用于冷却要求较高的模具。
在选择循环方式时，需要考虑冷却效果和成本之间的平衡。
三、实际案例分析为了更好地理解模具设计中的冷却系统设计与优化分析，下面将以一个注塑模具为例进行实际案例分析。
Moldflow设计指南——冷却及收缩翘曲
收缩与翘曲
收缩与翘曲的主要原因
收缩起因
线收缩与体积收缩的关系
应力松弛 熔体流动平面内的两个线收缩值比体积收缩的1/3小， 因其收缩收模腔结构限制；壁厚方向的收缩是自由的 材料在流动平面内收缩时，由于模腔结构限制而诱发 应力。应力松弛的快慢取决于被约束制件所经历的温 度变化过程和制件材料的松弛特性 制件在模腔中的冷却时间越长，其收缩作用越小 相对体积收缩而言，提高模温或延长冷却时间可以减 小线收缩率，其根源就是材料的应力松弛（在此忽略 了因降低冷却速率而带来的额外结晶） 在同样的体积收缩率下，应力松弛缓慢的材料制件将 表现出较高的线收缩率
相对料温，冷却液温度（控 制模温）对成型周期的影响 大得多
冷却系统设计
Moldflow在冷却系统设计中的应用示例
实验结论
降低顶出温度/提高冷却液温度都将致成型周期延长 模具热传导系数增加，成型周期缩短。铜基模具比
不锈钢模具的成型周期要缩短很多
冷却系统设计
Moldflow在冷却系统设计中的应用示例
冷却系统设计
冷却系统设计准则
冷却液的流速与传热
制件温差
保持制件内外温差最小 要求紧配合公差，模腔壁各区域温差控制在10℃内
冷却液温差
通常比要求的模腔表面温度低10 ℃ -20℃ 普通模具，进出口温差控制在5℃内 精密模具，控制在3℃内 大型模具，采用多组水道来保证较小的冷却液温差
冷却系统设计
冷却系统概述
模具冷却系统组件
冷却系统设计
冷却水道布局
并联式冷却水道
各水道阻力不同，造成流速差异，模具冷却不均
串联式冷却水道
最常用，保证冷却水道截面尺寸一致，即可获得一 致的湍流，可有效导热
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状弓形翘曲。
Cavity 冷 Core 热 热集中在公模的角落
热的角落 (相对于凝固部分的 收缩，引起翘曲)
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冷却理论分析
冷却时间与模温
增加模温，冷却时间延长
厚2mm、长200mm的产品，以推荐的料温及1秒时间注射
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冷却理论分析
冷却与翘曲
当塑料接触到模具时，一边是冷的，另一边是热的，不同的冷却便
发生了。热的一边要比较长的时间冷却和收缩（收缩大），而导致 热的一边象弓一样弯曲。
热的一边
热的一边
凝固和收缩
张应力
冷的一边
冷的一边
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冷却理论分析
热量聚积
流动类型 紊流 瞬变流 层流 停滞流
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冷却理论分析
冷却液流动率与热交换
冷却液／金属界面
冷却液 塑料／金属界面
塑料
温度梯度
63 °C
43 °C 23 °C 20 °C
层流的温度梯度 雷诺数 < 2300
紊流的温度梯度 雷诺数 > 2300
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冷却理论分析
冷却时间的方程式
冷却时间：
理论上，冷却时间与最大产品厚度的平方或最大流道直径的幂的 1.6次成正比，也就是——
或
这里熔融塑料的热扩散系数(thermal diffusivity)定义为：
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冷却理论分析
冷却液流动率与热量流动率
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冷却理论分析
散热能力
层流 紊流 实际散热流动率
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的基本形式
直线式圆管
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直线式方管
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的基本形式
圆形弯管
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方形弯管
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的基本形式
挡板(Baffle)
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注射模具冷却系统设计 原则与Moldflow
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课程内容
冷却系统设计的重要性 冷却系统的构成及类型 冷却理论分析 冷却水路设计要点 结合Moldflow分析的设计案例
冷却系统的构成及类型
冷却系统的构成
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的类型
串联水路
优点 –流速均匀 –排热均匀 缺点 –压降高
并联水路
优点 –适用于入子四周 –低压下可达高流速 缺点 –各分支流速不一样 –各分支冷却效果不佳 –易产生污垢
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冷却水路设计要点
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冷却水路设计要点
冷却系统设计目标
冷却系统的设计经常受到模穴的几何形状、分模线、滑块和顶针的
限制，因此不能僵硬地给出理想分布的设计指南。
模具设计者的目标应该是综合考虑各方面因素，设计一个良好的冷
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冷却理论分析
差动结晶
不平均的壁厚将导致不同的冷却速率。需更长时间冷却的区域将有
更高的结晶度，这叫做差动结晶(Differential Crystallinity)。
慢速冷却，高结晶度， 高收缩率
快速冷却，低结晶度， 低收缩率
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冷却系统设计的重要性
冷却影响生产成本
顶出温度：产品从模具中顶出的温度会受很多因素的影响。产品的强度
必须足够大，以抵抗由于体积收缩的变化和残余应力而产生的翘曲，和顶 出系统对产品施加的局部应力。顶出力受产品的几何形状、模具的表面光 洁度和在充填与保压过程中模穴的填充度的影响。 循环时间 : 通常，循环时间是产品的温 度降到能安全顶出的温度所花的时间。如 果充填和保压过程都是优化的，改善冷却 and Packing 行为可以显着地减小冷却时间。因为冷却 时间通常包括80%的循环时间，所以减小 冷却时间会显着减小循环时间和生产成本 。
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喷泉(Bubbler)
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冷却系统的构成及类型
冷却水路的基本形式
吸热管(Thermal Pin)
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冷却理论分析
冷却液流动与雷诺数
雷诺数定义：
这里， 为冷却液密度，U 为冷却液平均流速，d 为冷却水管直径， 为冷却液动态 粘度。
雷诺数 (Re) 10,000 < Re 2,300 < Re < 10,000 100 < Re < 2,300 Re < 100
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冷却系统设计的重要性
冷却的影响
产品品质
表面光洁度 残余应力 结晶度 热弯曲
生产成本
顶出温度 循环时间
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冷却系统设计的重要性
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Specific Heat J/kg/degK 920 460 460 420 401.7 454.7 380 380 404
Density 3 Kg/m 2699 7800 7833 8415 7750 7750 8350 8820 8580
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注射时间 保压时间 冷却时间 开模时间
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冷却系统的构成及类型
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冷却理论分析
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冷却理论分析
热量在注射成型中的传递
辐射散热 对流散热
热量散失到模板上
热量由熔融塑料带入
热量从冷却水路传入或传出
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冷却影响产品品质
表面光洁度：许多材料需要相对高的模具表面温度，在生产中以获得良