橡膠與塑料模具設(shè)計(jì)教案(九)

　　第七節(jié) 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　一、概述 　　在注射過程中，模具溫度直接影響到塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。由于各種塑料的性能和成型工藝要求不同，模具溫度也不同，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是保證塑件質(zhì)量，減小塑件變形，縮短工藝時(shí)間。特別是在大型模具中尤為重要，它已成為大型模具設(shè)計(jì)的三大核心內(nèi)容之一。 　　冷卻系統(tǒng)對制品質(zhì)量的影響。 　　1． 模具溫度波動會導(dǎo)致制品收縮率變化，從而降低制品尺寸精度； 　　2． 模具型腔、型芯溫度差過大，制品收縮不均，導(dǎo)致制品彎曲、變形； 　　3． 模具溫度過高，導(dǎo)致制品脫出后發(fā)生變形，并使其形狀、尺寸精度降低； 　　4． 模具溫度過低，導(dǎo)致塑料熔體的流動性降低，使制品輪廓不清，甚至沖模不滿，或在沖模過程中產(chǎn)生明顯的熔接痕，使制品的力學(xué)性能下降； 　　5． 低溫沖模時(shí)，如果流體速度不高，則制品的內(nèi)應(yīng)力增大，容易引起制品的翹曲變形或應(yīng)力開裂，特別是一些高粘度的塑料； 　　6． 一般來說，對于柔性塑料（如聚稀烴等）應(yīng)使用低的模具溫度，以降低其成型時(shí)的收縮率，提高制品尺寸精度，并縮短成型周期； 　　7． 對于某些結(jié)晶性塑料，使用高模溫有利于結(jié)晶過程的進(jìn)行，避免在存放或使用過程中尺寸發(fā)生變化； 　　8． 對于粘度大的剛性塑料（如聚碳酸脂等），使用高模溫有利于沖模，并使其應(yīng)力開裂大大降低。 　　二、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 　　1．成型件各部位溫度均衡； 　　2．冷卻水孔數(shù)量盡量多，尺寸盡量大，設(shè)計(jì)中常取水孔直徑為8～12毫米； 　　3．各冷卻水孔至型腔表面的距離相等，一般保持15～20毫米； 　　4．降低出入水孔的溫差，冷卻水道并聯(lián)比串聯(lián)好； 　　5．澆注系統(tǒng)加強(qiáng)冷卻； 　　6．水道通過鑲件時(shí)，要設(shè)計(jì)密封裝置，防止漏水； 　　7．冷卻管路一般不宜設(shè)計(jì)在成型熔料在型腔內(nèi)熔接部位，以免影響塑件質(zhì)量； 　　8．水管接頭（冷卻水嘴）應(yīng)設(shè)在不影響操作的一側(cè)。 　　三、冷卻系統(tǒng)的計(jì)算 　　實(shí)驗(yàn)證明，塑料帶給模具的熱量，約5%由輻射、對流擴(kuò)散到大氣中，95%由冷卻介質(zhì)帶走。冷卻系統(tǒng)的計(jì)算就是計(jì)算冷卻系統(tǒng)的管路直徑和管路長度等�，F(xiàn)在由于CAE的應(yīng)用，使得冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡便和直觀。 　　1．冷卻時(shí)間 ( s） 　　冷卻時(shí)間按經(jīng)驗(yàn)公式 　　t = (5-1) 　　式中：a—溫度傳導(dǎo)系數(shù)，m ／s，見表7-1； 　　d—制品厚度，m； 　　t —開模時(shí)制品壁部中心區(qū)的溫度（采用比t 大8～25℃；小值用于軟質(zhì)塑料；大值用于其他硬質(zhì)塑料；玻璃增強(qiáng)塑料可采用 t ＞t 值20～30℃）； 　　t —成型表面在注塑周期內(nèi)的平均溫度，℃，見表7-1； 　　t —制品初始溫度，等于熔融料注射入模具中的溫度，℃，見表7-1。 　　表7-1 材料的部分物理和工藝參數(shù)（計(jì)算溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)用） 　　材 料 密度 r×10 kg/m 熱導(dǎo)率 　　l 　　W/(m ℃) 比熱容 　　c×10 　　J/（kg℃) 溫度傳 　　導(dǎo)系數(shù) 　　a×10 　　m /s 溫度線膨脹系數(shù)a×10 1/ ℃ 注射模 　　溫度 　　℃ 熔融料 　　溫度 　　℃ 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 耐沖擊聚苯乙烯 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 低壓聚乙烯 0.94～0.96 0.25～0.31 2.9 1.22 20 30～70 240～270 合 高壓聚乙烯 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 聚乙內(nèi)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 — — — 卻 礦物油 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 — — — 低碳鋼 7.8 81 0.46 227 120 — — 30鋼 7.8 75.5 0.46 212 115 — — 工具鋼 7.8 36 0.46 100 100～120 — — 鉻鎳鋼（12CrNi3A 　　30CrNi3A) 7.8 33.7 0.46～0.5 87.5 112 — — 耐蝕鋼 7.8 19.7 0.46 55 100～115 — — 鋁（99.75%) 2.7～2.8 20.7 0.9 838 231 — — 金 黃銅(Cu90%Zn10%) 8.5～8.6 117～133.5 0.368 398 170～220 — — 青銅 8.8 47.6 0.368 147 170～210 — — 屬 鎳銅(Cu90%Ni10%) 8.9 58～75 0.397 189 164 — — 鈹（99.5%) 1.8 180～215 2.17 515 120 — — 純銅（99.98%) 8.93 390 0.384 1140 165 — — 鈹青銅（QBe2) 8.23 83.5 0.148 244 170 — — 鉻 7.9 256 0.437～0.472 716 66～81 — — 2．由塑料帶入的熱量 (J) 　　由塑料帶入的熱量可按下式計(jì)算 　　Q = m·c·(t －t ) 　　式中：m—注射塑料的重量（包括澆注系統(tǒng)），kg； 　　c—注射材料的熱比容，J／（kg ℃)，見表5-2； 　　t —開模時(shí)制品的平均溫度，℃。t = t +2（t －t ）／π； 　　3．冷卻劑帶走的熱量 　　設(shè)塑料帶入的熱量全部由冷卻劑帶走，且模具生產(chǎn)周圍溫度比模具溫度低。冷卻液溫度亦比較低。 　　4．冷卻劑的消耗量（kg） 　　冷卻劑的消耗量可按下式計(jì)算 　　G = Q／（c ·Δt） 　　式中：c—冷卻劑的比熱容，J／（kg ℃)，見表5-2； 　　Δt—冷卻劑在管路出入口的溫差（為了消除冷卻的不均勻，采用不大于2～4℃)。 　　5．管路的截面積（m） 　　管路的截面積可按下式計(jì)算 　　F = G ／2（ρ·τ·ω） 　　式中：ρ—冷卻劑密度，kg／m ，見表5-2； 　　τ—成型周期，s；τ = t +t +t ； 　　t —冷卻時(shí)間，s； 　　t —輔助時(shí)間（包括脫模、涂脫模劑、安裝嵌件和閉模時(shí)間），s； 　　t —注射時(shí)間，s； 　　ω—冷卻劑流動速度，m／s，取0.5～1.0 m／s。 　　6．管路直徑或矩形管路的邊長（m） 　　管路直徑或矩形管路的邊長可按下式計(jì)算 　　d = 1.13 　　如果計(jì)算的結(jié)果不理想，如管路直徑過小，那么應(yīng)使冷卻劑的消耗量增大，減少4內(nèi)容中的Δt值或采用比熱容c小的冷卻劑，然后重新計(jì)算。 　　如果計(jì)算的管路直徑過大，影響到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，那就減少冷卻劑的消耗量，重新選用大值的比熱容或Δt，也可增大冷卻劑的流動速度。應(yīng)當(dāng)注意，過分的增大Δt值會使模具溫度不均勻，影響到制品的質(zhì)量（如產(chǎn)生變形、尺寸變化等）。 　　7．確定管路長度 　　確定管路直徑后，再確定管路的長度。設(shè)冷卻管路的有效表面積不小于制品成型表面積。 　　圓形截面的管路長度： 　　L≥M／（π·d） 　　式中：M—制品成型表面積，m。 　　四、型腔型芯冷卻型式 　　型腔型芯的冷卻型式要根據(jù)具體的塑件形狀及工藝需要而定，在滿足產(chǎn)品成型的條件下，盡量使冷卻形式機(jī)構(gòu)簡單，加工容易。 　　型腔型芯的冷卻型式見表5-1。 　　表5-1 型腔型芯的冷卻型式 　　型式 簡 圖 說 明 直 流 式 制造簡單，適于成型淺而面積大的制品 　　直 流 循 環(huán) 式 直流式的改進(jìn)形式 　　循 環(huán) 式 圓孔循環(huán)或矩形槽循環(huán)，對型腔型芯的冷卻效果好 　　噴 流 型芯中裝一噴水管，冷卻水從噴水管噴出，分流向周圍冷卻型芯璧，適用于深型腔 　　式 型芯中裝一特殊的隔板，冷卻水從隔板的管道中噴出，由隔板槽流向周圍，擴(kuò)大型芯頂部的冷卻面積 　　用 導(dǎo) 熱 性 好 的 合 金 冷 卻 型芯上裝有導(dǎo)熱性好的鈹銅合金，冷卻水接在型芯固定部分，鈹銅合金以大面積一端接觸冷卻水，提高冷卻效率。但必須注意鈹銅合金的配合一定要嚴(yán)格 　　噴 流 循 環(huán) 式 冷卻水從型芯鑲件的中間水孔向周圍旋轉(zhuǎn)噴出，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但效果好。主要用于冷卻深腔的圓筒型芯 　　壓 縮 空 氣 冷 卻 對于特別細(xì)長的型芯，由于水道孔徑非常小，用冷卻水時(shí)容易堵塞，或不能設(shè)計(jì)冷卻水的型芯，可用從外部吹入壓縮空氣冷卻 　　用 導(dǎo) 熱 性 好 的 合 金 直 接 冷 卻 當(dāng)型芯非常細(xì)不能開孔時(shí)，可用導(dǎo)熱性好的鈹銅合金作型芯材料，型芯底部通冷卻水冷卻 　　第八節(jié) 模具設(shè)計(jì)說明 　　塑料注射模具是現(xiàn)在所有塑料模具中使用最廣的模具，能夠成型復(fù)雜的高精度的塑料制品。本文只是粗略介紹一下。 　　設(shè)計(jì)塑料注射模具首先要對塑料有一定的了解，塑料的主要成分是聚合物。如我們常說的ABS 塑料便是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三種單體采用乳液、本體或懸浮聚合法生產(chǎn)，使其具有三種單體的優(yōu)越性能和可模塑性，在一定的溫度和壓力下注射到模具型腔，產(chǎn)生流動變形，獲得型腔形狀，保壓冷卻后頂出成塑料產(chǎn)品。聚合物的分子一般呈鏈狀結(jié)構(gòu)，線型分子鏈和支鏈型分子認(rèn)為是熱塑性塑料，可反復(fù)加熱冷卻加工，而經(jīng)過加熱多個(gè)分子發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，連結(jié)成網(wǎng)狀的體型分子結(jié)構(gòu)的塑料通常是一此次性的，不能重復(fù)注射加工，也就是所說的熱固性塑料。 　　既然是鏈狀結(jié)構(gòu)，那塑料的在加工時(shí)收縮的方向也是跟聚合物的分子鏈在應(yīng)力作用下取向性及冷卻收縮有關(guān)，在流動方向上的收縮要比其垂直方向上的收縮多。產(chǎn)品收縮也同制品的形狀、澆口、熱脹冷縮、溫度、保壓時(shí)間及內(nèi)應(yīng)力等因素有關(guān)。通常書上提供的收縮率范圍較廣，在實(shí)際應(yīng)用中所考慮的是產(chǎn)品的壁厚、結(jié)構(gòu)及確定注塑時(shí)溫度壓力的大小和取向性。 一般產(chǎn)品如果沒有芯子支撐，收縮相應(yīng)要大些。 塑料注塑模具基本分為靜模和動模。 　　在注塑機(jī)的注射頭一邊的帶澆口套的為定模，定模一般有澆口套、模板組成，簡單模具（特別是定模沒有芯子的模具）也可以不使用墊板，直接用厚一點(diǎn)的模板就可以了。澆口套一般為標(biāo)準(zhǔn)件，除非特殊原因，不建議取消。澆口套的使用有利于安裝模具、更換方便，不用自己拋光。有些特殊模具澆口套可用鉆出來或用錐度線割割成。部分模具必須靜模脫模時(shí)，還得加上靜模脫模機(jī)構(gòu)。動模的結(jié)構(gòu)一般為動模板、動�？堪濉⒚撃�機(jī)構(gòu)以及模腳和裝機(jī)

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