模具高效冷却的11个因素-平衡速度和质量以减少循环时间

模具高效冷却的11个因素-平衡速度和质量以减少循环时间

在注塑成型过程中，模具冷却占据了总循环时间的三分之二以上。一个高效的冷却系统不仅能缩短循环时间，还能提高零件质量。本文将从11个关键因素出发，探讨如何优化模具冷却系统的设计，以实现速度与质量的完美平衡。

冷却目标

冷却系统性能的提升取决于模具设计师平衡温度和压力（冷却液液压）的能力。理想的注塑场景是：螺杆向前移动，塑料在聚合物的玻璃化转变温度下流入模具，模具达到一定的压力并填充，热聚合物以均匀的方式瞬间冷却到适当的顶出温度。然而，实际情况往往更为复杂。

来自注射机炮筒的熔体温度总是有一些变化。复杂的零件具有厚薄不均的截面、型腔、型芯不对称性，所有这些都使其难以确保一致的热传递和均匀的冷却。冷却液压力会影响流速和湍流，从而产生热点。模具材料对热交换有着深远的影响。即使六周前一切都很顺利，但由于新一批材料、不同的冷却器、腐蚀、水垢或模具本身的泄漏，冷却系统的性能可能会有所不同。

高效的冷却系统有助于克服这些现实，使模具设计师能够在温度、压力和时间之间取得平衡，以实现最终目标：降低循环时间。设计中有三个因素需要考虑。

因素1： 温度均匀

循环时间受模具温度变化的影响最大，这就是为什么保持均匀的温度对模具设计者如此重要的原因。在这方面的一个挑战是型芯和型腔之间的温差。

当聚合物熔体冷却时，它倾向于向型芯侧收缩。因为与型芯侧接触的材料更多，通过型芯散出的热量就会比空腔多，这就是为什么型芯侧需要更高效的冷却。如果温差太高，翘曲是不可避免的结果。

模具设计应努力使型芯和型腔之间的温差不超过5ºC。这取决于许多因素，但材料选择是最重要的。当模具的导热系数发生变化时，温度均匀性和温差也会发生变化。

工程师必须考虑的两个因素是速度和一致性。使用H13和420级不锈钢等价格较低的模具材料，循环时间较短会增加零件翘曲（见图2）。更长的循环时间减少了翘曲，但增加了总制造成本。

图2：在冷却的前10秒内，型芯材料对零件翘曲有显著影响。

因素2：均匀压力

与温度一样，冷却管路内的压力应尽可能保持一致。理想情况下，模具设计者的目标应该是整个模具冷却循环最大压降为5psi。由于冷却系统所有分支的压力均匀，冷却液将以足够的湍流流动，堵塞将更容易检测。如果压力下降超过5psi，雷诺数将降至所需水平以下，从而产生影响热平衡的热点。

湍流对于高效冷却至关重要。与仅通过传导传热的层流不同，湍流通过传导和对流传热，从而显著提高了效率。

要达到的临界点是雷诺数大于10000。一旦达到这种湍流水平，冷却剂流量的增加对于热传递的影响将不明显，因此不需要花费更多的能量来超过现有冷却液的流量。换言之，传热的任何微小改善都将被冷却通道上更高的压降以及更多的泵送费用所抵消。（换言之，冷却通道里流体的流量、压力达到湍流后，无需更进一步提高，进而用更多的电费。）

对于3/8“NPT管道，雷诺数大于10000需要2.35 GPM的流速。请注意，对于50%的乙二醇混合物，该流速需要加倍。当然，任何应用中所需的流速都取决于冷却液温度和管道尺寸。

进气口的尺寸应与冷却管路一致，以保持压力均匀。在复杂的零件几何形状中，可以使用水井和喷淋管来实现模具中的均匀温度。这些还需要与冷却管路具有相同的直径，因为过小的替代冷却装置通道会导致压降并影响流速。

因素3： 模具温度

填充模具的热聚合物和模具本身之间的温差是设计高效冷却系统时需要考虑的另一个因素。

理想情况下，模具设计师应该计划不超过25%的差异。模具的温度越接近熔体，零件的表面质量就越好，而差异大于25%通常会导致不可接受的表面质量。

然而，这个范围确实为模具设计者在设计模具以实现高效冷却时提供了另一个杠杆。如果零件不需要尽可能好的表面光洁度，从稍微低的模温开始可能有助于加快整个冷却过程。

冷却基础策略

高效冷却系统始于几个模具设计原理
实现均匀的温度和压力从基本原理开始。以下三点对许多工程师来说都很熟悉，但它们对于优化冷却性能至关重要，从而为您的应用提供速度、质量和成本的正确组合。

因素4： 冷却通道放置

在模具中放置冷却通道的目的是使模具表面温度均匀，这是由冷却通道的深度和间距决定的。考虑以下P20型钢冷却通道配置示例，水管直径（D）为11.1mm（7/16“），冷却液温度为30ºC，循环时间为17秒（见图3）。

深度为1.0D，间距为2.5D，模具表面温度相当均匀，温差约为1ºC。平均温度略低于40ºC，或比冷却液温度高10ºC。当节距显著增加（到10D）但深度保持不变时，模具表面温差增加到25ºC，平均为56ºC。相距更远的通道冷却效率较低。

当深度和节距相等于2.5D时，模具表面温差几乎均匀，但冷却剂温度和平均模具表面温度之间的差异增加到略高于20ºC。较深的通道，即使间隔正确，也会影响效率

如果深度增加到5D，节距增加到10D，模具表面温度在2ºC内是均匀的，但平均温度比冷却剂高46ºC。同样，均匀性是目标，但目标是不显著高于冷却剂温度的均匀温度。

图3：冷却通道的尺寸和位置对模具和冷却液温度之间的差异有明显且可预测的影响。

水管距离零件的距离，水管间的距离影响平均温度和温度均匀性，实际中很多模具设计师为了后续修模等因素水路距离模具表面2D以上，考虑到顶针和镶件的排布水路件的间距也要5D以上，对于冷却极为不利。KK一般建议模具供应商水路距离模具表面的距离1-1.5D，水路间距3D-5D。

因素5： 循环设计

模具设计师有两种电路设计选择：并联或串联。并联冷却通道从进水孔管直接钻到收集管。并行通道中的流速各不相同，因为每个通道的流动阻力略有不同。这种变化会导致传热效率的差异，从而产生热点并使冷却不均匀。串联冷却通道连接在从冷却剂入口到出口的单个回路中，因此更常用。通过设计，尺寸均匀的单个冷却通道在其整个长度上保持优选的流速。

图4：串联和并联回路中的流速和雷诺数差异很大。

对于直通式水路很少设计成并联式，一般在喷淋管、冷却棒等为了简化水路设计才会用并联式，个人不建议采用并联式，尤其喷淋管通道狭小极易造成冷却不均匀。

因素6：水井、喷淋管和散热针

冷却型芯侧可能特别具有挑战性，因为突起、延伸、型芯和其他特征是传统冷却通路难以或不可能达到的。水井、喷淋管和散热针都是在这种情况下可以提供帮助的冷却设计。

水井是垂直于主冷却管的冷却通道，带有将通道分隔成两个半圆通道的叶片。冷却液从主冷却管路流入叶片一侧，绕过叶尖后流回。最好的挡板设计的直径略大于主通道的直径，以确保叶片完全堵塞通道。

喷淋管类似于挡板，只是挡板被一个小管代替。冷却液流入管的底部，从顶部“冒出气泡”，就像喷泉一样，然后在管的外部向下流动。喷淋管对冷却细长型芯特别有效，对冷却不能配备钻孔或铣削通道的平面模具部分也很有用。

散热针是第三种选择，它允许模具设计者在不影响冷却液压力的情况下冷却型芯和其他特征。散热针是一个充满流体的密封圆柱体。流体从模具中吸收热量时蒸发，然后在将热量释放到冷却剂中时冷凝（见图5）。散热针的热传递效率几乎是铜管的10倍。为了获得良好的热传导，应避免热引脚和模具之间存在气隙，或用高传性导密封剂填充。

图5：散热针提供了一种简单、直接的方式来冷却型芯功能，而不会影响冷却剂压力。

散热针各大标准件厂商均有，可根据需求选择，散热针安装和使用时需要高热传导的密封剂。

大家知道喷淋管的头部为什么要切一个斜角？

先进的冷却策略

一旦基本原理合理，这些策略可以帮助减少冷却时间
如果你已经掌握了基本知识，如何进一步减少冷却时间？通过重新审视模具设计和模具加工中的细微差别。以下因素提供了有趣的设计备选方案。请记住虽然它们往往会增加模具的成本，但实际上可能会降低总的运营成本，这取决于您的实际情况。

因素7： 随形冷却

随形冷却使用弯曲的冷却通道来跟随零件的几何形状，或“符合”其独特的形状（见图6）。虽然随形冷却的概念已经被理解多年，但由于激光烧结等模具制造技术的出现，创建弯曲通道直到最近才在经济上可行。随形冷却需要一个比铜或铝导电性更低的工具钢模具，但结果令人印象深刻。

最新接触随行水路是采用堆焊，价格极其昂贵，但给模具水路设计提供更多空间，随着3D打印普及，随行水路的应用进一步增长，KK曾经改进一套模具，模仁部分用3D打印做随行水路，成型周期从45S降到25S，这套模具由于随行水管距离型腔太近，生产中短时停机处理异常，模具上容易出现冷凝水。

图6：随形冷却通道紧密遵循零件的几何形状，无需使用型芯和其他突出特征的替代设备。

因素8： 高热传导的镶件

为了冷却细长的型芯特征（直径5毫米），模具设计师可以使用由高导热材料制成的镶件。这些镶件件通常压入型芯。它们延伸到模架中，并具有穿过或接触镶件的冷却通道。对于较大的型芯直径（40mm及以上），模具设计者需要确保冷却剂与镶件的正向传输，使冷却剂通过中心孔到达型芯尖端，然后通过螺旋流到其圆周，然后在型芯和插入件之间螺旋流到出口。

镶件件最受欢迎的两种选择是铜合金和铝。这种权衡与成本有关。铜更耐用，使用寿命更长，但更贵。铝的成本低于铜合金，并且具有相似的导热性，但它要软得多，更容易磨损，而且通常寿命更短。

文中介绍采用高传导材料制作镶件或者插入件进行散热，之前一般采用铍铜进行制作镶件，进几年有高导热的模钢材，虽然热传导效率可达1.2344 的4-5被，不如铍铜，但其热处理后的硬度可达50HRC以上，且价格便宜，有应用前景。

因素9：快速加热

快速加热试图在每个零件顶出后快速预热模具，使其更接近聚合物的玻璃化转变温度或更高。这种技术有助于实现高光泽的表面光洁度、更强的焊缝、更少的美观表面缺陷和更低的注射压力。根据您选择的方法，快速加热可以减少循环时间。加热筒放置在模具块中，加热整个模具，是最简单、最便宜的选择，但也是最慢的选择。

将加压高温蒸汽注入冷却通道，然后在冷却剂流过之前用压缩空气将其去除，效率更高。感应加热是第三种选择，它只加热模具的表面，而不是整个模具。通过这种技术，加热是通过感应线圈施加高频交流电来实现的，感应线圈产生磁场，在周围的金属物体上感应涡电流。这些电流以圆形路径流动，导致焦耳加热，或通过导体（通常是模具表面上非常薄（<1mm）的金属层）流动的电流产生热量。

生产中的冷却因素

车间的现实可能会以意想不到的方式影响冷却。模具设计师需要考虑几个生产特定因素，以实现最佳冷却。

即使您的模具设计完全适合，为零件质量、表面光洁度和总成本提供最佳冷却时间，但当注塑机开始运行时，情况就不同了。记住最后三个因素，以确保您的设计发挥其潜力。

冷却效率随时间的降低

图7：即使是冷却管道中的少量水垢也会对循环时间产生重大影响。

从上图库看出，水路没有水垢时热传导33.5，冷却时间需要10.1，当有1mm 水垢时，热传导13.5，冷却时间需要16.1，当有2mm 水垢时，热传导8.5，冷却时间需要28.8.，因此生产中对于水路的清理维护特别重要

因素10：腐蚀和水垢

机器操作员知道，注塑设备的微小变化会对性能产生显著的累积影响。在设定冷却系统的预期值时，模具设计师需要注意腐蚀和水垢这两个因素。

随着材料与环境的相互作用和氧化的发生，冷却管道的腐蚀会随着时间的推移而自然发生。水垢也同样常见，随着冷却管道暴露在供水中的微量矿物中而发展。

冷却系统中腐蚀或水垢的存在会严重影响热扩散率，并从根本上降低效率，导致循环时间超过预期（见图7）。为了避免这种情况，请确保为所有水路指定耐腐蚀材料，如铜、420型不锈钢或化学镀镍铝。

模具设计师还可以与机器操作员合作，确保采取适当步骤处理（过滤）冷却水并定期清洁冷却管路。

因素11： 一致的安装

并不是每个模具都有一个有限的运行。许多产品完成了一次生产运行，被搁置，几周或几个月后重新安装，以进行另一次运行。即使这一差距是一天，安装过程也需要在每次运行之间保持一致，以获得冷却时间，从而满足预期。

例如，入口和出口的位置应保持不变。这在具有十几个进出口的更复杂的冷却系统中尤为重要。改变入口和出口的位置可能会导致压力的轻微偏差，从而影响模具温度的均匀性。模具设计者无法控制的其他因素，如特定运行中使用的特定泵或冷却器，也会影响冷却剂温度。理想情况下，从冷却液进入模具到离开模具，冷却液的温度不应上升超过5ºC。

确保一致性的最佳实践是在安装过程中绘制表面温度图。使用表面温度计测量模具各个位置的温度。这为未来的运行建立了一个基准，可以帮助您快速发现不一致之处。

总结

高效冷却并不总是模具设计师首先想到的。但是，即使是开发出值得信赖的冷却系统的工程师，也可以从重新考虑设计和生产中的几个关键因素中受益。重新审视您当前的冷却系统方法可能会激发新的想法，从而缩短循环时间，提高盈利能力。

更快地生成这些见解的一种方法是通过模拟。Moldflow®塑料注塑模拟软件是专门为帮助模具和零件设计师可视化冷却系统和许多其他功能而设计的，因此您可以更准确地了解权衡，评估设计决策的影响并优化循环时间。