第9章：冷却系统设计
9.1 模具冷却系统概述
9.1.1 冷却系统设计的重要性
热塑性塑件注塑生产中，模具冷却可占总循环时间的三分之二以上。
图 9.1：模具冷却占总循环时间的三分之二以上。
高效的冷却回路能缩短冷却时间并提高总生产率。均匀冷却还能减少残余应力，保持尺寸精度和稳定性，从而改善零件质量。
图 9.2：正确且高效的冷却可改善零件质量和生产率。
9.1.2 模具冷却系统的组成
模具冷却系统通常由温度控制单元、泵、供水集管、软管、模具内冷却通道和回水集管组成。模具本身可看作换热器，循环冷却液带走高温聚合物熔体的热量。
图 9.3：注塑机的典型冷却系统。
图 9.4：连接至模具板的冷却通道组件。
9.2 冷却通道配置
9.2.1 冷却通道类型
冷却通道可采用并联或串联配置。
图 9.5：冷却通道配置。
9.2.1.1 并联冷却通道
并联通道从供水集管直通回水集管。由于各通道的流动阻力不同，流量也不同，进而导致各通道换热效率不同，因此冷却不均匀。一个含十个支路的实例中，在总流量为 25 L/min 时，各支路流量为 1.8 至 4.4 L/min，雷诺数为 4531 至 11280。若十个支路串联且流量降至 2.5 L/min，各支路雷诺数均为 6442。并联回路会造成很差的流量和雷诺数分布，导致模具冷却不均。通常型腔侧和型芯侧各有独立的并联冷却系统，通道数量取决于模具尺寸和复杂度。
9.2.1.2 串联冷却通道
从冷却液入口到出口以单一回路连接的通道称为串联冷却通道。这是最常推荐和使用的配置。若通道尺寸均匀，冷却液可在全程保持优选的湍流流态，换热效率较高。但须限制冷却液温升，因为它会收集整段通道上的热量。
图 9.6：串联和并联回路中的流量及雷诺数差异。
9.3 替代冷却装置
9.3.1 作用
隔板和鼓泡管可将冷却液引向正常冷却通道难以覆盖的区域。常规通道通常直穿型腔和型芯，但模具中有些区域无法采用这类通道，可借助隔板、鼓泡管或导热销使其与塑件其余部分均匀冷却。
图 9.7：(a) 隔板，(b) 鼓泡管，(c) 导热销。
9.3.2 隔板
隔板是在主冷却管路垂直方向钻出的冷却通道，其中叶片把一个流道分成两个半圆形通道。冷却液从主通道沿叶片一侧进入，在顶端转向后从另一侧返回主通道。最佳设计中，隔板直径大于供料通道直径，以确保叶片完全阻断通道，使全部流量通过隔板，并使隔板流通截面接近供料通道且不小于其一半。叶片两侧温度可能不同，可将形成隔板的黄铜或其他非铁磁金属叶片扭转来消除。螺旋隔板将冷却液以螺旋形式送至尖端再返回，适于直径 12 至 50 mm，可得到很均匀的温度分布。单头或双头螺旋型芯是隔板的进一步发展。
图 9.8：(a) 螺旋隔板，(b) 螺旋型芯。
9.3.3 鼓泡管
鼓泡管与隔板类似，但用小管代替叶片。冷却液流入管底，像喷泉一样从管顶冒出，再沿管外侧向下流动并继续通过冷却通道。细长型芯最有效的冷却方式是鼓泡管。内外直径应调整至两个截面的流阻相等：
鼓泡管可购得，通常旋入型芯。直径不超过 4 mm 时，管端应倒角以增大出口截面。它不仅可冷却型芯，也可冷却不能设置钻孔或铣削通道的平坦模具区域。
图 9.9：旋入型芯的鼓泡管。
隔板和鼓泡管可能有缩窄流通区，流阻会增加，因此必须谨慎确定其尺寸。Moldflow 冷却分析可方便地建模和分析两者的流动和换热行为。
9.3.4 导热销
导热销是隔板和鼓泡管的替代装置，是充满流体的密封圆筒。流体从模具钢吸热时汽化，向冷却液放热时凝结。导热销的传热效率约为铜管的十倍。为获得良好导热，应避免其与模具之间有气隙，或以高导热密封剂填充。
图 9.10：导热销的传热效率。
9.3.5 冷却细长型芯
直径或宽度很小，小于 3 mm 时，只有空气冷却可行。开模时从外部向型芯吹气，或使空气从中心孔穿过。
图 9.11：细长型芯的空气冷却。
这种方法不能维持精确模温，一般不推荐，只有在无其他冷却方法时才使用。对于小于 5 mm 的细长型芯，更好的方式是使用铜合金等高导热材料制成的嵌件。嵌件应压入型芯、延伸至模具底座，并让冷却通道穿过或接触嵌件。高导热嵌件接触冷却液时，传热效率很高。
图 9.12：采用高导热材料冷却细长型芯。
9.3.6 冷却大型型芯
对于直径 40 mm 以上的大型型芯，必须确保冷却液被强制输送。可使用带中心孔的嵌件，让冷却液到达型芯尖端后沿螺旋流向外周，再在型芯和嵌件之间螺旋流至出口。这种设计会显著削弱型芯。
图 9.13：使用螺旋隔板冷却大型型芯。
9.3.7 冷却圆柱型芯
圆柱型芯及其他圆形零件宜采用双螺旋冷却。冷却液沿一条螺旋到达型芯尖端，再沿另一条螺旋返回。出于设计考虑，此时型芯壁厚应至少为 3 mm。
图 9.14：带中心鼓泡管的双螺旋。
9.4 冷却系统方程
9.4.1 冷却时间
理论上，冷却时间与最厚零件壁厚的平方成正比，与最大流道直径的 1.6 次方成正比：
换言之，壁厚加倍，冷却时间增至四倍。
9.4.2 雷诺数和冷却液流动
冷却液是否湍流可由雷诺数 Re 判断：
其中
| 雷诺数 | 流动类型 |
|---|---|
| 湍流 | |
| 过渡流 | |
| 层流 | |
| 停滞流 |
9.5 设计规则
9.5.1 模具冷却设计注意事项
以下规则有助于实现正确高效的模具冷却。冷却通道应采用标准尺寸，以使用标准机加工工具、接头和快速接头。依据零件壁厚和体积，设计者须确定通道位置和尺寸、通道类型、通道布局和连接、冷却回路长度以及冷却液流量和换热量。
9.5.2 通道位置和尺寸
9.5.2.1 零件壁厚
为维持经济可接受的冷却时间，应避免过厚壁段。所需冷却时间随壁厚迅速增加，壁厚应尽可能均匀。
图 9.15：可采用替代设计以保持零件壁厚均匀。
9.5.2.2 冷却通道的位置和尺寸
冷却通道最佳位置是在包含型腔和型芯的模块内，置于型腔或型芯模块外会使冷却效果差。确定尺寸和位置的首要目标是模具表面温度均匀。通道深度、间距及模具材料导热系数都会显著影响温度分布。
图 9.16：冷却通道直径的典型尺寸。
以 P20 模具钢、直径 11.11 mm、冷却液 30 ℃、循环 17 s 为例，深度 1.0D、间距 2.5D 时，模面温差约 1 ℃，平均温度略低于 40 ℃。保持深度 1D 而将间距增至 10D，温差约增至 25 ℃，平均温度约 56 ℃。深度和间距的推荐起点均为 2.5D，此时模面较均匀，但冷却液与平均模面温度的差超过 20 ℃。深度 5D、间距 10D 时，温度在 2 ℃ 内均匀，但平均温度比冷却液高 46 ℃。钢的导热系数约为 10 至 40 W/(m·℃)，此范围内零件各处温差均匀性变化不大，但冷却液和零件的温差变化明显。铜合金导热系数约为 60 至 270 W/(m·℃)，可使模面更均匀，并降低冷却液与模面的温差。冷却系统设计和生产时都必须考虑这种温差。
图 9.17：采用 P20 模具钢时，不同水路深度与间距组合的模具表面温度变化。
图 9.18：红点表示温度测量位置，分别位于冷却液管线正上方和两条冷却液管线中间。
9.5.3 流量和换热
9.5.3.1 零件上的温差
应尽量减小零件相对两侧的温差。对于要求严格公差的零件，模面温差不应超过 10 ℃，即 18 ℉。
9.5.3.2 冷却液温差
一般模具的冷却液进出口温差应不超过 5 ℃，精密模具应不超过 3 ℃。大型模具可能需要多组冷却通道串联回路，以确保冷却液温度和模具冷却均匀。
9.5.3.3 冷却液流动的换热
冷却液从层流变为湍流时，换热作用增强。层流只能靠层间导热，而湍流的径向质量传递使导热和对流同时发生，效率显著提高。
图 9.19：层流与湍流。
达到湍流后，继续提高流量的换热增益会递减，因此雷诺数超过 10000 至 20000 时无需再提高流量，否则很小的换热改善会被更高压降和泵送成本抵消。
图 9.20：热流率与冷却液流量的关系。
必须确保整个冷却系统都达到湍流。Moldflow 冷却分析可识别和纠正停滞通道、旁路通道和部分回路压降过高等问题。
9.5.3.4 气隙
空气层会严重妨碍传热。因此应消除模具嵌件与模板之间的气隙，以及冷却通道中的气穴。
9.6 使用 Moldflow 进行冷却系统设计
本例采用 Moldflow 冷却分析考察工艺条件、模具材料和零件壁厚如何影响所需循环时间。
9.6.1 示例设置
目标是使塑件冷却到可顶出且不产生永久变形。Moldflow 将冷却时间计算为用户指定顶出温度下，90% 零件体积冷却所需的时间。
9.6.1.1 循环时间
总循环时间为接触时间与开模时间之和。接触时间包括充填时间、保压时间和冷却时间。
9.6.1.2 零件几何形状
本例塑件为
9.6.1.3 所用变量
变化参数为熔体温度、冷却液温度、顶出温度、模具材料和零件壁厚。
9.6.1.4 冷却通道
型腔下方的冷却回路与型腔上方镜像对称。通道直径为 10 mm，间距为 2.5D，即 25 mm，深度为 2.5D，即 25 mm。型芯通道配置相同，流量设定为使回路内冷却液温升远低于允许限值。
图 9.21：回路冷却液温度。
9.6.2 由设计和工艺参数决定的循环时间
图 9.22：循环时间变化图。
图 9.23：工况 2 的模壁温度分布。
9.6.2.1 熔体和冷却液温度
较高的熔体和冷却液温度都需要较长循环时间。熔体温度提高时循环增加 1.5 s，而冷却液温度提高 10 ℃ 时循环增加 8.3 s。循环时间最受模具温度变化影响。
9.6.2.2 热学性质
顶出温度代表零件足以承受顶出力的温度。冷却液温度与顶出温度的差越小，循环时间越长。模具材料导热系数提高时，材料内温度梯度减小，模面温度和循环时间均降低。所用不锈钢导热系数为 25 W/(m·℃)，铜合金为 250 W/(m·℃)。
9.6.2.3 零件壁厚
壁厚对冷却时间的影响可从基准 2.5 mm、2.0 mm 和 3.0 mm 工况看出。减小壁厚是缩短零件循环时间最有效的措施，说明设计中应去除厚壁区域。
9.6.2.4 温度分布
大部分零件可控制在 2 ℃ 内。对多数零件，温度分布应在标称模温的正负 10 ℃，即 18 ℉ 内。
| 工况 | 熔体温度 ℃ | 冷却液温度 ℃ | 顶出温度 ℃ | 壁厚 mm | 模具材料 | 预测循环时间 s |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 210 | 30 | 80 | 2.5 | P-20 | 20.5 |
| 2 | 230 | 30 | 80 | 2.5 | P-20 | 21.6 |
| 3 | 250 | 30 | 80 | 2.5 | P-20 | 23.1 |
| 4 | 230 | 20 | 80 | 2.5 | P-20 | 20.1 |
| 5 | 230 | 40 | 80 | 2.5 | P-20 | 29.9 |
| 6 | 230 | 30 | 60 | 2.5 | P-20 | 29.8 |
| 7 | 230 | 30 | 100 | 2.5 | P-20 | 17.3 |
| 8 | 230 | 30 | 80 | 2.0 | P-20 | 15.0 |
| 9 | 230 | 30 | 80 | 3.0 | P-20 | 29.4 |
| 10 | 230 | 30 | 80 | 2.5 | 420 不锈钢 | 22.3 |
| 11 | 230 | 30 | 80 | 2.5 | 高导热铜 | 18.4 |