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注射模冷却系统的优化设计对于塑件的质量和生产效率有着重要的影响，由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，对注射模温度的要求也不尽相同，阐述了注射模温度对塑件的影响、模具温度的确定、注射模冷却系统设计原则和优化分析的方法，并采用MPI/Cool系统对具体的产品作了详细地分析。
【关键词】注射模；冷却系统；模具湿度；优化分析
在注射成型过程中，模具温度直接影响到塑件的质量如收缩率、翘曲变形、耐应力开裂性和表面质量等，并且对生产效率起到决定性的作用，在注射过程中，冷却时间占注射成型周期的约80％，然而，由于各种塑料的性能和成型工艺要求不同，模具温度的要求也不尽相同。因此，对模具冷却系统的设计及优化分析在一定程度上也决定了塑件的质量和生产成本。
1 模具湿度对塑件的影响
影响注射模冷却的因素很多，如塑件的形状和分型面的设计，冷却介质的种类、温度、流速，冷却管道的几何参数及空间布置，模具材料，熔体温度，塑件要求的顶出温度和模具温度、塑件和模具间的热循环交互作用等。
(1) 低的模具温度可降低塑件的成型收缩率。
(2) 模具温度均匀、冷却时间短、注射速度快可以减小塑件的翘曲变形。
(3) 对于结晶性聚合物，提高模具温度可使塑件尺寸稳定，避免后结晶现象，但是将导致成型周期延长和塑件发脆的缺陷。
(4) 随着结晶型聚合物的结晶度的提高，塑料的耐应力开裂性降低，因此降低模具温度是有利的。但对于高粘度的无定型聚合物，由于其耐力开裂性与塑件的内应力直接相关，因此提高模具温度和充模速度，减少补料时间有利的。
(5) 提高模具温度可以改善塑件的表面质量。
2 模具温度的确定
注射成型工艺过程中，模具温度直接影响到塑料的充模、塑件的定型、模塑周期和塑件质量。而模具温度的高低取决于塑料结晶性、塑件尺寸与结构、性能要求以及其它工艺条件如熔料温度、注射速度、注射压力和模塑周期等。
对于无定型聚合物，其熔体在注入模腔后随着温度的降低而固化，但并不发生相的转变，模温主要影响熔体的粘度，即充模速率。因此，对于熔融粘度较低和中等的无定型塑料如聚苯乙烯、醋酸纤维素等，采用较低的模具温度可以缩短冷却时间。对于熔融粘度高的塑料如聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜等，则必须采取较高的模具温度以避免产生冷流痕、注不满等缺陷，同时由于其软化温度较高，提高模具温度可以调整塑件的冷却速率，使之均匀一致，以防止塑件因温度差过大而产生凹痕、内应力和裂纹等问题。
结晶性聚合物在注入模腔后，当温度降低到熔点以下即开始结晶，结晶的速率受冷却速率并最终由模具温度控制。高的模具温度将导致大的结晶速率，有利于分子的松驰过程，因此尺寸稳定但是塑件发脆，适用于结晶速率很小的塑料如聚对苯二甲酸乙二酯。低的模具温度将导致塑件中的分子结晶度的降低，对于玻璃化温度低于室温的塑料如聚烯烃类将出现后结晶现象，从而引起尺寸和力学性能的变化。适宜的模具温度区域，冷却速率适中，分子的结晶和定向也都是适中的。
3 注射模冷却系统的设计及分析
3.1注射模冷却系统设计的原则
设计冷却系统需要考虑模具的结构、塑件的尺寸和壁厚、镶块的位置、熔接痕的产生位置等。
(1) 塑件厚度均匀，冷却通道至型腔表面的距离相等，亦即冷却通道的排列与型腔的形状相吻合，塑件壁厚处冷却通道应靠近型腔，间距要小以加强冷却。一般冷却通道与型腔表面的距离大于10mm，为冷却通道直径的1～２倍。
(2) 在模具结构允许的前提下，冷却通道的孔径尽量大，冷却回路的数量尽量多，以保证冷却均匀。
(3) 为防止漏水，镶块与镶块的拼接处不应设置冷却通道，并注意水道穿过型芯、型腔与模板接缝处时的密封以及水管与水嘴连接处的密封，同时水管接头部位设置在不影响操作的方向，通常在注射机的北面。
(4) 浇口处应加强冷却。由于浇口附近温度最高，通常可使冷却水先流经浇口附近，再流向浇口远端。
(5)降低入水与出水的温度差，避免模具表面冷却不均匀。
(6)冷却通道要避免接近塑件熔接痕的生产位置，以免降低塑件的强度。
(7)冷却通道内不应有存水和产生回流的部位，应避免过大的压力降。冷却通道直径的选择要易于加工清理，一般为φ6～φ12mm。
3.2 注射模的冷却分析
由于实际塑件的形状往往十分复杂，因此借助于一些简化公式或经验公式来分析冷却系统的可行性存在着很大的局限性。MPI/Cool应用边界元的方法分析模具冷却系统对模具和塑件温度场的影响，优化冷却系统的布局，以达到使塑件快速、均衡冷却的目的，从而缩短注射成型的冷却时间，提高生产效率。其流程图如图1所示。
3.2.1 建模及准备阶段
图1 典型的冷却分析步骤
图2 塑件模型、冷却系统和浇注系统
3.2.2 工艺条件
塑件材料选用Polylac PA-737，其工艺参数为：熔体温度230℃,型腔温度40℃，由于塑件尺寸较小，采用冷却管道的直径为φ6mm,冷却介质为水，温度为25℃，流率为2.54L/min，入口雷诺数为10000。注射、保压及冷却时间为30s，用于开模顶出的时间为5s。
3.3.3 冷却模拟
根据上述工艺条件，对塑件的冷过程进行模拟分析，得到的部分模拟结果如图3、图4所示。
3.3.4模拟结果分析
从图3、图4可见，模具最高温度为70.2℃，模具最低温度为25.0℃，模具平均温度为45.8℃，模具平均温度偏差为20.5℃,冷却循环时间为35s。冷却介质的出口温度与入口温度的温度差为2～3℃,冷却水先流过浇口附近，最后才流过熔接痕产生的位置，其冷却管道的布置是合理的。
图3 冷却过程模拟得到的结果
a——型腔表面的温度分布 b——塑件沿厚度方向的温度变化
c——塑件完全固化所需时间 d——熔接痕的产生位置
图4 冷却介质的温度变化
4 结束语
注射模冷却系统的设计和分析对于塑件的质量和生产效率有重要的影响，通过定性地分析冷却系统的设计原理和实践中的设计要点以及应用MPI/Cool优化分析软件模拟分析其冷却过程，优化出合理的冷却系统，对生产实践中提高塑件的生产效率和质量具有一定的指导作用。
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