第 14 章：模具冷却

14.1  模具冷却的重要性

注塑成型的本质是一个热动力过程，非常依赖于热交换。模具的一个重要面貌就是，它是作为一个热交换器来移除 熔融塑料的热量。如果模具的热交换工作做得不好，那注塑成型周期不得不延长。

重要的一点是要知道，塑料的冷却速度，是受它能释放热量的速度控制的，而它能释放热量的速度，是受模具能从 塑料传递走热量的速度控制的。

模具必须尽可能均衡的冷却，如果模具的某个地方有热点，那它作为木桶的一个短板，会决定成型周期的快慢。

大多数的注塑成型，冷却时间占到总周期的 50%以上，经常还会高达 80%，参考图 14.1（记得，塑料一接触模具表 面，冷却就开始了）。这也意味着，如果我们能优化冷却效率，我们就有非常大的机会来优化成型周期。

14.2  水流量

优化冷却的一个重要因素就是，确保水流是在紊流状态的，紊流是比层流要高效的多的热交换方式。所以要确保模 温机能提供足够的水流量给模具；如果水流量不足，那水路就处于层流状态，冷却效率大打折扣。

变换模温机时要特别注意，注塑车间常常会有各种型号的模温机，不同的功率。比如，原本 7 匹的模温机坏了，用 一台 3 匹的模温机换上，那不可能会有原先那样大的水流量。如果只有 7 匹功率的模温机才能提供足够的水流量给 这付模具，那 3 匹的模温机肯定会导致各种成型问题。所以，清晰的标注车间所有模温机的功率，以确保模具使用 上正确的模温机，是很重要的。

检查水路是否在紊流状态，需要计算雷诺数。方程 14.1 是雷诺数的计算公式，当然，也有一系列的参考表，可以快 速方便的帮我们判断，是否达到了最小的水流量要求。水流量越高，冷却效果越好，但会渐渐的和我们投入的功率 不成正比。这个等式中可以看到的一个有趣地方是，水温越低，需要越大的水流量才能呈现紊流状态。另外，添加 了防冻剂的冷却水，需要将近 2 倍的水流量才能变成紊流。有时人们为了改善冷却效果而使用更低的水温，结果是 失去了紊流状态，冷却效果反而更差。

14.3  水路的记录归档

要保证注塑成型的冷却过程是可重复的，将一下内容归档起来非常重要：

  水路布局。模具的水路必须在每次生产时都同样的连接，否则会影响到模具的冷却效果。水路布局图必须清晰 的标注出进水和出水，以及短接头的位置和数量。对短接水路进行硬连接改造，是确保一致的水路连接的好办 法。

  水流量。每一组水路的回水流量必须要记录下来。记住， 水流量测试必须是在所有的水路都接好并打开的情况

下，不然会比实际值偏大。

  每一组水路的进水温度和回水温度。行业内的标准是，进水和回水的温度差异要在 2 度以内。如果回水的温度 变得过高，那就要拆分这组水路，减少短接。

  模具温度。在模具运行一段时间后，模具表面的实际温度要检测并记录下来。生产暂停下来并快速测量模具的 表面温度。同时要有模具照片，标记出测量的位置和实际温度。注意的是，模具上的产品外观面比如镜面和纹 面不能作为测量点，避免测量时损伤模具。

  产品顶出温度。测量产品刚脱模时的产品表面温度，这可以通过表面测温计，红外测温枪，最好的是红外相机。 如果是红外相机，产品的脱模温度能提供产品上热点分布的地图；如果产品的热点发生变化，那就是模具冷却 能力发生了变化。有的场合，热成像照片可以清晰的指明，哪一组水路有堵塞造成模具冷却不足。

  模温机的功率。记录好模温机的功率，可以在后期的问题处理时，方便的确认，模温机是否用错。

14.4  模具冷却技术

模具材料是模具冷却能力的一大影响要素。钢或合金可通过综合考量冷却能力和强度来做选择。铜基合金可以更快 的传递热量，但是在使用玻纤增强原料时需要有表面涂层的保护。另外，加硬的钢材导热性会比普通的钢材如 P20 差，加硬的 H13 对比 P20 有 20%的导热性能下降，所以在选择模具材料时要综合考虑。

在设计模芯和镶件时，材料的选择也很重要。记住，如果你能布置水路到模芯的细部，那高导热的合金就没什么必 要。喷泉设计是细小零件的非常高效的冷却方式，在模具设计时常常被忽视。当然这种场合也可以使用热管，但是 它的效果没有水那么好。要注意的一点是，如果工厂的水质不好，小喷泉水路会很轻易的堵住。如果喷泉会被堵住， 那你也可以想到，所有的模具水路也会被水垢/铁锈慢慢堵塞，导致冷却效果降低。当水质有问题时，应该继续追 查，找到真因。

喷泉水路设计常常被忽视的一点是，喷泉进水和回水的体积流量和喷管尺寸的关系。使用高流量的喷管会比传统的 铜喷管冷却效果更好。喷管的内孔直径和喷管直径之间的关系，常常没有得到模具设计人员的重视，这也是我常常 推荐大家使用不锈钢喷管的原因。例如，一个 0.125in 直径的喷管，高流量不锈钢喷管的内孔直径是 0.109in，而常 用的铜喷管的内孔直径只有 0.069in，可供冷却水流动的截面积差别是 250%，也就是说水流量是 250%的差别。这也 是我从来不要标准的铜喷管的原因。

你还要考虑喷泉孔和喷管直径之间的关系，选择好正确的喷管尺寸。比如，一个 0.25in 得分喷泉孔，你脑子的第一 反应是使用 0.125in 的喷管，这个孔径尺寸的一半。但是要牢记的是，你真正要考虑计算的是截面积。

有很多场合，创造性的水路设计会带来非常大的模具冷却能力改善。在实际的模具应用里，小至 0.06in 直径（1.5mm） 的水路已经成功的运用在冷却困难的区域，一个案例里，因为这个 1.5mm 的水路增加，成型周期时间从 40 秒降低 到 17 秒。所以，不要局限在你过去经验的小盒子里，而不去考虑新的可能。图 14.2 是一个小喷泉设计在一个细长 镶件的例子，要注意的是，喷管的外径只有 0.005in（0.13mm），它的内径只有 0.002in（0.05mm）。

译者注：喔，这个水路设计加工，真的是不可思议！！

14.5  冷却的其他考量

保证模具冷却能力的一个主要因素就是，确保模具水路不要有水垢/铁锈的层积。如果水垢在冷却水路里积累，那 它就像一个隔热板那样，会大大降低模具的冷却能力。工厂的冷却水要处理降低水垢生产的可能是很重要的，不然 随着时间的推移，模具水路肯定被水垢充满。使用弱酸性的清洗剂来循环冲刷，可以移除生成的水垢。图 14.3 是水 路被水垢堵塞的照片。

要确保工厂的冷却水是有效处理的，硬水通常含有钙离子和镁离子，两者都会堵塞水路，导致模具的冷却能力下降， 从而拖累周期（这就是钱呐！）