如何设计高效的冷却系统？

为了提高冷却效率和争取型腔表面温度的均匀与稳定，在系统的综合设计中应遵守生产中的约定准则。在管道回路布置时，还需进一步考虑型腔的形状和尺寸，并使加工方便和密封效果良好。

1.设计准则

1）优先考虑冷却管道的位置，而后综合处理脱模机构零件布置和镶块结构，并要首先保证型芯的冷却；通常对凹模和型芯采用两条回路；减小型芯壁和型腔壁之间的温度差是很重要的，特别是大型模具，使用模温调节装置，可有效保证模温控制质量。在通常注射成型生产中，模温波动不超过±2.5℃；精密注射时模温误差在±1℃之内；并采用缓冷方法，保证制品尺寸精度和质量。

2）保证实现管道冷却水湍流状态的流速和流量，还要保证足够的水压。冷却管道总长总在1.5m以下；弯头数目不要超过15个。出水温度与进水温度相差越大，说明模具内温度越不均匀，精密注射的模具，此两者温度差限制在5℃之内，一般模具也应在8℃左右。管道作串联布置，特别是从模具外用管接头和水管连接，加工维修方便。但由于流程长使冷却水的压力降和进出温差大。多路并联冷却，冷却效果好，但需控制好各路的流量和水温的一致性。

3）管道直径经湍流计算确定，一般取d=8～25mm。管道过细，加工和清理困难。水垢和铁锈会使冷却效率变坏一个数量级，因此需定期清理；或用软水也可对孔壁作磷化处理。较大管道孔径和根数能增加有效冷却面积，只要不妨碍模具总体结构，越大越多为好。水管接头孔径应与管道孔径一致。进水和出水接头尽可能在模具一侧，并置于不妨碍注射操作的方向。

图11-1 冷却孔的分布

a）冷却孔径与位置 b）局部强化冷却

4）冷却管道布置应以均匀为前提。如图11-1所示，水孔壁与型腔壁通常的间距h=1.5～3d，孔之间间距b=2.5～4d。均匀布置后，按需要作局部调整。过大间距会使模温不均匀。间距过小，孔壁承受型腔高压后，由于弯曲应力和剪切应力及其综合变形作用，在孔的中央部位会产生型腔壁的压塌现象。如图11-2所示，矩形管道孔上壁厚h为架空梁，其梁跨度l固定端的最大正应力

由于梁的跨度很短，在梁的中性层上最大剪切应力

由于弯曲变形和剪切变形，在两孔间中点处的型腔下陷量

式中 P_c——型腔压力，视实际注射条件，大致为20～60N/mm²；

h——冷却孔模具壁厚（mm）；

l——矩形孔的宽度（mm）。

图11-2 中碳钢模具矩形冷却水孔至型腔壁面的最小距离h

注：圆孔h′=0.8h。

55钢弹性模量E=2.1×10⁵ N/mm²，剪切模量G=0.8×10⁵ N/mm²，许用弯曲应力[σ]=150N/mm²，许用剪切应力[τ]=95N/mm²，允许的下陷量[f]=0.003mm。从以上三式可得到图11-2的应用曲线。在孔间间距b≥0.7l的条件下，从该图曲线可查得中碳钢模具上，矩形孔宽l的对应型腔壁厚的最小h值。若用圆孔直径代入，直径d=l时，计算结果偏安全，应将查得的壁厚h乘上0.8。

5）注射模的浇注系统，例如主流道的末端等处，需加强冷却，可利用较冷的进水；塑料制品局部的厚壁及转角等处，需减小间距h和b，采用如图11-1b所示的强化冷却；在塑料熔流末端，特别是熔合缝的汇合处，冷却孔道应远离。

6）从冷却效果来选取模具材料。表11-4中所列常用模具钢的热导率均较低。含碳量和含铬量越高的钢种导热性越差。不锈钢相比之下可视为绝热材料。普通钢传热性差，且热稳定性不好，还会导致型腔表面硬度下降。铍铜合金导热性和热稳定性好，且可获得较高硬度。例如：国产铍铜QBe2（铍1.9%～2.2%，镍0.2%～0.5%，其余为铜）经固溶时效处理后，硬度可达49HRC。铍铜比热容是1.89kJ/（kg·℃）。

表11-4 一些模具材料的热导率

注：1 W/（m·℃）=3.6kJ/（m·h·℃）

2.管道回路的布置

（1）凹模管道回路 在型腔模板上的冷却管道加工方便，冷却效率不及型芯管道回路。

图11-3 外接直通式回路

1）外接直通式。图11-3是最简单的外部连接的直通管道布置。用水管接头和橡胶管将模内管道连接成单路或多路循环，管道加工方便，适合于浅的矩形型腔。但是外接部分容易损坏。

2）平面回路式。图11-4所示是凹模板的内平面上的管道整体布置。管道加工后必须用孔塞和挡板来控制冷却液流动。它适合各种较浅的，特别是圆形的型腔，见图11-4a。对长宽比很大的矩形型腔，也可采用如图11-4b所示左右两回路的平衡布置。挡板的安装应便于从模外直接拆卸，修理更换方便。(www.xing528.com)

图11-4 模板内平面回路

a）单回路 b）两回路

3）多层回路式。如图11-5所示，对深腔的凹模，冷却管道应采用多层的立体布置。布置成曲折的Y形，是为了对主流道和型腔底部进行冷却。型腔四周可采用各平面的单独整体回路。但这样会使模具外管接头多，各回路冷却参量平衡较难。若将各层回路在深度方向连成一体，对大型模具会造成流程过长而冷却不均匀。还有一种带有密封环的冷却板，板上铣有冷却槽，用四块冷却板紧固于模具侧面，每板均有一对出入口，检修很方便，但成本较高。

图11-5 多层回路

4）凹模嵌入式。有矩形块和圆柱嵌入两种。需要注意嵌入凹模与模板间回路的冷却水泄漏和管道加工的难度。

矩形块嵌入凹模，先对嵌入凹模作单层或多层回路布置，尽可能只有一对出入口，如图11-6a所示。然后设计水源的连接。图11-6b是用延伸式管接头，穿过模板直接连接在嵌入凹模上。该嵌入凹模倘若拆卸，会损伤接头。图11-6c是在分型面上开沟槽来容纳延伸式接头。注射中如果有溢料，去除较麻烦。图11-6d是用冷却孔直接从嵌件底部对接，但必须有O形圈密封。也有将圆铜管埋在嵌件与模板之间，为保证嵌件凹模与铜管间有效接触面积，可用低熔点合金把铜管四周空隙填满。

图11-6 矩形块嵌入凹模的冷却回路

a）单回路嵌入 b）延伸管接头在孔中 c）延伸管接头在槽中 d）底部引入管道

圆柱嵌入凹模，如图11-7a所示，可利用圆柱体上开出的环形沟槽，嵌入模板后形成矩形冷却管道，必须在沟槽的上下方装入O形圈密封。在一模多腔的模具中，直线布置的型腔可通过设在模板上的孔道相连如图11-7b所示，多个嵌件上的冷却槽相连有困难时，可在模板上开沟槽，如图11-7c所示，但其冷却效果不如前者。周向串接应注意沟槽之间的连接和间隔x，见图11-7d。要在节圆中计入间隔x，并需加强模板的刚性，必要时在嵌入凹模和模板之间再增设开沟槽的冷却套。

图11-7 圆柱嵌入凹模的冷却回路

a）嵌件上开环形沟槽 b）单向串接 c）模板上开环形沟槽 d）周向串接

（2）型芯管道回路 对于很浅的型芯，可直接将平面回路开设在型芯下部；对于中等高度型芯，可在型芯的底端面上开设矩形冷却水槽回路如图11-8所示；对圆柱型芯回路环形布置，再加工横沟，安上挡板和防漏橡胶圈。对矩形型芯则要铣出相通的矩形布置沟槽。

对于较高的型芯，倘若沿型芯深度方向开设管道，就不得不在型芯的侧表面打孔以相互沟通。虽然用孔塞封住，但型芯侧表面质量难以保证。因此对于高型芯，常用以下三种内循环管道布置方法。

1）隔板式。如图11-9a所示方法用于单个圆柱高型芯，在型芯的直管道中设置隔板，进水和出水与模内横向管道形成冷却回路；此方法也可用于多个小直径的圆柱型芯，见图11-9b；串接管路方法，适用于窄长的矩形高型芯，见图11-9c；也有用于大直径的高型芯，如图11-9d所示。

图11-8 中等高度型芯的冷却水槽回路

图11-9 隔板式冷却回路

a）单型芯隔板 b）多型芯串接 c）型芯中串接 d）型芯中周向串接

图11-10 喷流式冷却回路

图11-11 螺旋式冷却回路

2）喷流式。在型芯中间装一个喷水管，进水从管中喷出后再向四周冲刷型芯内壁，如图11-10所示。低温的进水直接作用于型芯的最高部位。对于位于中心的浇口，冷却效果好。喷流式可用于单个小直径型芯，也可用于多个小直径型芯的并联冷却。此时底部进水和出水管应相互错开。

3）螺旋式。如图11-11所示，大直径的圆柱高型芯，在芯柱表面车制螺旋沟槽，压入型芯的内孔中。冷却水从中心孔引向芯柱顶端，经螺旋回路从底部流出。芯柱使型芯有较好刚性；较薄的型芯壁厚改善了冷却效果，只是加工较复杂。

对于直径5mm左右的细长型芯，可用紫铜或铍铜芯棒压配在型芯的中央小孔中，用冷却水冲冷导热芯棒的根部。如今，用铍铜制造小型芯改善型芯导热，已经常采用。