模具冷却优化

潘多拉

由谁负责模具冷却过程的优化？为什么不在设计和生产时给它倾注更多的精力？对于成型周期（80%是冷却时间）中如此重要的一步，在传统加工过程中却没有人直接负责。
+ q6 W% g. ~; T, M" x制模工程师认为好的冷却设计是工具车间的报价表中本来就有的。工具车间通常不优先考虑模具冷却，其设计者也不一定对热传输问题非常在行。他们的长处是切割钢铁并以尽可能经济的方法生产模具。每一方都认为另一方负责而实际上哪一方都没有负责，这个工业链中的断层导致的是一种潜在的成本。部件冷却不足会增加循环时间、废料和尺寸问题。
0 j6 V; r& e, s; {而且，对于尺寸相似的部件，每一个制造过程的冷却负载可以有很大的不同。比如，一个吹制部件只能在外表面冷却。该部件的内表面是一个空心腔体。因此，内表面无冷却的可能性极小。对于吹制模来说，部件的冷却全部在该部件外壁方向。把一个喷射成型部件和一个厚度完全相同的吹制部件相比，冷却发生在该部件的两侧。喷射成型部件会冷却的非常快，从而循环时间也更短。因此，对于每一工艺类型冷却部件所使用的技术必须很好地策划以保证竞争优势。
$ L; j0 j: G, K! U0 P( t1 f吹制模具制造还有一段使用“浸入加工”的历史。这种方法涉及使用有供水流通过的大开孔铸造模具。然而，这些系统把冷却水集中在部件的关键部位比如壁厚较大的部分或者尾部毛边。这种技术不能提供用于最大热量传送的水的湍流。切钢工具中一种钻制的水路系统允许最佳的流量通过水路并且允许选择在最需要冷却的位置布置水路。建议在要求高性能冷却和明确温度控制的所有系统中使用钻制水路系统。
模具冷却的重点可以概括为下列5个类别：
1、模制塑料的热性能和模具的建造材料。
2、 从熔体准备到冷却循环时间的能量平衡。
3、 冷却剂流速对传热效率的影响。
: w0 N$ w% H9 \* f$ _' ?, Q4、模具温度调节器的选择。
5、 最佳模具冷却的设计惯例。
第一位的是理解与传热有关的部件——从热塑料部件到工具钢——的热性能，最后才是对冷却介质的理解。不同塑料制品的热含量以及不同类型模具材料（钢材、合金，等等）的传热率有很大的差别，这一点没有得到普遍认识。
; v- i7 h7 ?( b4 C5 D0 Q( C塑料的热含量
在估计模具温度调节器大小以及设计塑料模具冷却系统时，塑料的热含量通常是一个不被考虑的参数。每一种塑料都要求有一个特定的能量（每磅）以塑化固体树脂颗粒。这样的例子包括：
; S, M1 i8 s: t同样，为了形成一个稳定的部件，这个等量的热能必须被除掉。根本上讲，输出的能量必须与输入的能量相等。注意所有晶体材料的塑化要求的热能几乎是非晶体树脂的一倍。这在熔体准备时通常没有问题，尽管给料螺杆结构会影响熔体的准备。但是，对于烯烃材料而言两倍的热量必须被除掉，而且就具有竞争性的非晶体树脂而言通常还是在同一个循环时间内，它确实含有这一层意思。因此，这种工具对烯烃树脂就要求较多的模具冷却以使循环时间保持竞争性。这些树脂的结晶度使这一点成为一个非常重要的问题，因为除热速度太慢会影响晶体增加并影响制成品的翘曲和尺寸的稳定性。
由于很多工业企业把ABS或者PC方面的工程师转到像PP类的树脂方面，这明显表示模具冷却变得比以往任何时候都重要了。
典型模具钢种的传导率
& h2 A: B, Q; O& W2 q# y! i从上表中可以看出，典型模具材料的热传导率（K）有很大的差异。K是热量能够在材料中行进（传输）的速度。这个值越高，热量的传输就更加有效。这个单位仅仅表示每单位时间可测量的热的数量，其他的特性保持不变。
铜是一种非常优秀的传热材料（是P20的10倍），铝也是。然而，两种材料都比较软，都不用于大批量的生产工具。钛是一种热传导率非常低的硬金属。这种较差的热传导特征使得它能有效地用作热转动系统中的绝缘板。如果在某关键区域要求的热传输量很大，铍铜合金是最好的，它结合了优秀传热性能和硬度两个特征。
  s2 F1 h. S0 o) G水与热量传输
, g  z9 ?' _9 x. {2 \# ?* K; I, Z4 e毫无疑问，模具冷却最重要的并且完全在我们控制之中的一点是冷却剂的流速。回忆一下热传导率图表，水（静止的）传热效率不及P20钢的1/50。因此，水在热传输问题上是一个限制因素。然而，流动着的水因为湍流有相当好的传热性能。湍流使得冷却剂能够混合并能把热量从冷却通道驱散。湍流可以从雷诺数计算而得。这是一个以通道直径、冷却剂速度和冷却介质粘度为基础的没有单位的值。大于5,000表示湍流和优秀的传热性能。湍流越多，传热效率越好。
该公式的研究表明，对于一个给定的现有工具，管子直径不能改变，冷却剂保持不变，因此，只有改变冷却剂流速来积极地影响雷诺数。速度是GMP。增加GMP既能极大地改善从钢到冷却剂的热传输效率，也能改善模具温度调节器两端的温度差（△T）。使GPM最大化是最佳冷却的极好方法。
# U8 }7 o) X/ C8 h- M. [6 l$ q最终结果是湍流改善了热传输的所有方面。因此，既然湍流要求的冷却剂流速较高，GMP应该总是尽可能地大。
- t- L, `! a! n强烈建议重要工作上使用的所有模具温度调节器安装一个内置流量计。
3 X7 W% \: n1 n7 g' l温度调节器的选择
. T& }2 S4 }' m' Z0 k3 M从模具上要消除的热量的多少因所加工树脂的不同而不同。此外，热量消除的速度也因模具建造材料的不同而有差异。因此，确定模具温度调节器必须考虑所有这些变量，否则可能造成选定的调节器偏小，从而导致循环次数过多。
输入的热量永远等于输出的热量。如果冷却系统或者模具冷却结构不充分，能量还会找到一种释放途径。然而，这一般是借助于工具两边的模具温度调节器，否则，部件会因过多的残留热量而脱模，或者必须延长循环时间以便有足够的时间消除热量。造成的困难是要在正常条件下使所有的能量释放出来。
冷却管线的布置
3 @8 z% {4 R5 A  K/ `7 n* d# [在模腔中布置冷却管线和型芯钢时请考虑实际的部件结构。司空见惯的作法是，管线的布置在所有其他的设计问题之后，并且通常没有通过好的管线布置使冷却达到最佳的这个选择余地。请在设计的早期阶段预先考虑这些问题。如果部件有较厚部分，那么请考虑把该管线布置得稍微靠近墙壁一点或者布置两个小直径管线代替一根管线。深型芯的冷却一直是一个难题。随着部件的冷却，它将向型芯上收缩并脱离模腔。因此，80%的冷却来自型芯钢。然而型芯的表面与体积比最小（与模腔比较而言），并且在这个狭窄的空间里获得充足的冷却水非常难。这可以解释为什么很多型芯运行时温度很高。
* p/ \8 L# x" L, _当简单通道的冷却变得困难时，还有其他方法选择。像型芯这样难以冷却的部位可以用隔板、起泡器和热管来冷却。但是需要注意的是，每种选择有很多不同的设计，很多设计只是代表工具车间在价格较低的竞标报价中提供的最低的成本标准条款。最好是规定设计结构而不是依赖于工具车间在冷却上的经验。很多工具车间对优化模具冷却知之甚少，而多数模具制造商想当然地以为工具车间提供的模具能够完美地冷却。对几家知名工具公司最近的调查证实，模具冷却是他们最后考虑的问题而且他们通常使用的仅仅是标准惯例。
隔板和起泡器在结构和目的上是非常相似的。两者都从局部的冷却通道中汲取冷却水并把它分配到像型芯这样难以抵达的部位。在隔板中，水流入钻制通道再流入型芯中心。通道被一个钢制隔板分成两半，这使水能从一侧流入并从另一侧返回。隔板没有抵达通道底端，从而允许水流通过。好的结构能保证半块隔板的横截面积最小。这可以使局部流速达到最大从而形成湍流。
- E' n- _0 O+ I( o- B9 `7 s* O- o安装管道时，使用较多的是用并流而不是串流。串流从一端进入，在出来之前通过整个工具。这种设计导致的压降最大并且工具两端的△T很大——部件两端的温度不均匀，存在潜在的变形可能。并流能使△T最小，从而保证了工具两端温度均匀。采用并流工具两端的压降也很低。
切实可行的模具设计
GPM——或者局部冷却剂壁流速度——是优化模具冷却最重要的因素，这一点是已经确认了的。那么，是什么阻碍着对GPM的优化？答案是压降。流道中任何不必要的限制都能降低GPM。每一个软管接头、弯管、扭接软管、软管过长等等，都能构成压力损失的因素，因此，降低了GPM。限制物和压降太多会使GPM接近于0。一旦流量达到如此地步，再也不会有湍流产生，热量传输会大幅度降低。要平衡输出、输入能量，回流冷却水温度要上升。由于部件两侧的温度变量过大，这个增量会引起部件尺寸不稳定。
. `2 `6 {" t) d; C1 b7 r压降越大，模具温度调节器中要求的泵的功率也越大，这样才能使流速保持一致。相反，如果现存系统中的限制物可以被消除，那么泵能提供的GPM就更多（这是自由热传输）。这就好比一辆获得了更大里程的气动汽车。
理解从模具温度调节器上可获得的GPM的一个最大误解是供货商只提供泵曲线。工具车间永远不会提供工具的系统曲线。比如，一台额定容量为25psi的40GPM泵并不表示它能产生40GPM。该工具的压降不知道，所有的软管接点也不知道。这个很容易判断，实际上，所有的工具车间都应该在向模具制造商发货时提供这个数据。泵是发动机而工具是车体。这两者之间必须相互匹配以便判断所得到的性能。大的重型车上配一个小的发动机将无法工作。同样地，过小的温度调节器泵在多限制物的大工具中不会产生湍流。工具特性曲线必须与泵的曲线相匹配。
/ g# ~3 d% U5 j  C' C既然限制物影响GPM，如果某天工具和好的模具调节器连接，另一天与不同直径的软管连接，再一天与不同长度的软管连接，那么，GPM每天都要变化。湍流变化、热传输变化、冷却效率变化——最终会慢慢地影响部件质量。
8 R; R8 ?5 }4 s) x0 _8 B5 c1 S而且，既然限制物应该保持为最少以保证GPM为最大，那么，应该把这些最小量的限制物只布置在腔体和型芯里，这是一条很好的规则。这些部位是湍流最大位置之所在，也是使用限制物最少的结果。在不需要热传输的部位比如联轴器、减压器等形成湍流是没有意义的而且这还会消耗泵的功率。
+ Q) D) E( m1 H" L5 b. l* O! P最佳的模具冷却设计建议
流速 (GPM) 的判定
最小 GPM = 3.5 x 管子内径 (以便获得好的雷诺数 #)。 还要考虑消除所有热负载需要的GPM。 必须能够从Thermolator上得到较大的值：
0 `/ g/ A! B/ w3 N4 X●  10根平行排列的1/2”管子
●  到公用集合管的长度相等
3 S. ^+ ]! ]6 W" {- y6 d/ a●  部件重量：3 磅； 循环时间：47 秒； 树脂： ABS,
) `- D; q" T3 B4 a" v! N●  Thermolator△T 目标为 3°F
要求的最小GPM是多少？
% R: }& ~& ^( z  }每一条管线要求1.75GPM以便获得好的雷诺数。
因此：10 根 x 1.75 = 17.5 GPM.
5 S0 X  u3 m, F/ b$ l% ^必须判定的还有热负载：
●  ABS = 150 BTU/lb. @ 3 lb. 的部件 每47秒
9 I  a# f# W+ ~, l* s/ x●   热负载 = 3 x 150 x 3,600/47 = 34,468 BTU/hr。
●  回想 thermolater 热负载 = M x Cp x (Tout - Tin)。
* d7 q, N1 }0 C' g●  因此， 34,468 = M x 0.98 BTU/lb. - F x (3°F)。
●  求出 M (每小时的质量流量) 11,724.
●  转换成 GPM (x 1/500) = 23.5 GPM.
●  采用这两个GPM之和中最大的一个。
- c7 p& Z8 c; @: y工具车间建议：
设计湍流的所有通道
7 z, |9 V- O( u$ ]0 Z●  3.5 x 管子直径 = 湍流
! j  Y, G! |- h$ c1 N( p在热传输区域使用最少量的限制物。
已知部件热负载。
向模具制造商提供最小的GPM
4 T1 v' U7 B( W6 t0 B" i) r& H●  保证工具的正确运行。
" ]$ p6 j  c9 f7 R* t5 F5 y4 o●  用于选择模具温度调节器。
在集合管两端使用低压降。
提供一条“工具特性”曲线。
小结
8 v6 ~- g0 N3 p( s/ _7 Y! e湍流是最重要的；
在腔体或型芯中使用最少量的通道开口；
使模具两端的△T最大为5°F；
以热负载或雷诺数为基础，采用最小的冷却剂流速；
预测热点——使用充分的冷却对策；
冷却时间由部件厚度和结构决定。