浅谈挤出模具冷却系统的设计
[内容提要]
一、前言
二、挤出模具技术实现的条件
三、挤出模具冷却系统的定型方法
四、挤出模具冷却系统的结构设计
五、利用计算机技术进行冷却分析
六、结束语
一、前言
塑料异型材由于庞大的市场需要和广阔的发展前景，近几年在我国得到了飞速的发展。
目前，国外模具普遍生产率较高，牵引速度一般在3~5米/分钟以上，有的甚至达到6米/分钟以上。而国内模具主型材的情况也只能3米/分钟左右，与国外模具相比还存在一定的差距。
影响挤出速度的因素很多，当设备和生产工艺一定时，模具中冷却水流通道的设计是否合理，将是能否提高挤出速度的关键。本文就模具冷却系统的设计问题进行一些技术性的探讨，欢迎同行们提出意见和批评。
二、挤出模具技术实现的条件
塑料挤出模具技术的实现是通过挤出机、辅机、型材模具、PVC配方、挤出生产工艺在内的一系列系统工程。
1、一个性能稳定、质量可靠的挤出机；
2、塑化性能稳定的配方体系；
3、良好的挤出生产工艺；
4、辅机定型台长度不小于4米，水温保证在10℃以上，20℃以下，具有2sK-3水环式真空泵2~4台的真空抽气量（≥0.09）；
5、辅机牵引机需20KN以上的牵引力，牵引速度应达到4米/分钟以上；
6、高性能的挤出模具：
a、高产量的模头；
b、定型套高效化；
塑料异型材加工过程中的产品质量、稳定性及生产率很大程度上取决于定型和冷却技术，要使得型材降低至玻璃化温度以下，冷却过程依赖诸多因素，如熔体温度、定型套长度和温度、真空度的大小等；而采用干式定型套和直接水冷却法相配合使型材内筋更快冷却是高速挤出的关键；
c、减少阻力：
在干式定型套冷却之后，增加了强力冷却定型板及水套，实现高速挤出生产，定型套阻力小于20KN，消除阵车现象。
下表一是将高速挤出模具与普通模具作一对比，可见其高速挤出模具结构复杂，制造难度大，对挤出机、挤出工艺及配方要求更高。表一
类别项目 高速模具 普通模具 备 注
口模平直段（L） 较短 较长 高速模具平直段较短主要是为了减少物料的摩擦和阻力，一般L=25t，t是产品壁厚
机头流道形式 单独供料流线型流道 整体供料流线型流道 由于整体供料，物料易产生牵连流动，连界效应较大，但加工简单，适合普通模具，而单独供料，物料不易产生牵连流动，适合高速挤出。
模具与挤出机连接形式 采用过渡套不采用多孔板 多采用多孔板 高速模具高速挤出时不用多孔板，主要是为了减少挤出压力
分流锥扩张角的确定 ≤25° ≤40° 扩张角过大，则料流阻力增大，易造成物料分解
压缩角 ≤15° ≤20° 在高速挤出状态下，压缩角值不宜过大，否则会造成料流阻力增大，挤出压力变大
定型模真空度 ≥0.09 ≥0.07 高速模具要求定型模有更高的真空度
定型模冷却系统 强冷 冷却充分 高速模具挤出速度较快，要求冷却系统更强、更均匀
定型模结构 三节380长定型模+2-4米水箱 三节380长定型模 高速模具由于牵引速度较快，须配套4米的水箱，进一步加强对型材的冷却。水箱冷却有两个突出的优点：①水的润滑作用降低了摩擦阻力，极大地降低了牵引功率；②冷却水直接和型材表面接触，有更高的冷却效率，定型块的作用主要是用来定型。
三、挤出模具冷却系统的定型方法
异型材的尺寸公差有愈来愈小的趋势。因此，提高尺寸精度已成为异型材挤出面临的重要课题。生产实践证明，异型材挤出的难易程度及其尺寸的精度，主要取决于定型和冷却装置的设计完善程度。
1、多板式定型
将一块至数块定型板排列于水中，挤出物从块定型板进入，并沿顺次的定型板（孔）依次通过，而达到逐级定型之目的。考虑到离开定型冷却水槽后。型材还进一步收缩，最后一块或几块的定型板（孔）的尺寸，必须比型材截面大2%~3%。
2、组合式定型，是用于开放式异型材定型的主要方法。有以下几种形式：
（1）、上下对合组合式定型。
定型模要制造成与型材外部轮廓一致。对于具有内凹的复杂型材，须将定型模分成几段，经组装而成。在设计定型装置时，必须使型材沿牵引方向保持笔直，截面形状不得变化，且冷却速度保持恒定。且冷却水须与挤出方向呈对流进行冷却。
（2）、串连级阶组合式定型。
与上下对合组合式定型相比，串连级阶组合式定型模在结构设计上比较复杂，一般采用前后串连的形式，型腔级阶式变化，需用专业的设备进行拆装。定型模同轴度好，冷却速率高，冷却水与型材挤出方向呈并错流或逆错流进行冷却。
（3）、波纹板组合式定型。
（4）、折弯型材组合式定型。
3、压空定型
压空定型，亦称压缩空气外定型，通常仅适用于当量直径大于25mm以上的中空异型材。定型模与挤出物之间的接触，是由空气压力（0.02~0.1MPa）所造成的。采用此种定型方法时，定型模与成型模间应有良好的对中性，用法兰直接联接，并有绝热措施。
4、真空定型
真空定型，亦称真空外定型。在此法中，型材与定型模间的紧密接触，是靠给定型模周围壁上的细孔或缝口抽真空来达到。此法的主要优点是在型材内无浮塞，只需维持大气压力即可。对于闭式空心型材，通常串联几个定型装置，例如窗用异型材定型装置就分3段，每段约长400~500mm。当型材引入段中，由于受到拉挤压力而发生塑性变形，并沿壁贴合、形成与定型模截面相一致的型材外形。若想在型材上形成沟槽、突缘或凸起部，就留在定型模后一段进行，以减少卡塞的危险。
5、内芯定型
内芯定型，顾名思义，是固定空芯型材内部尺寸的一种方法。机头芯模与可冷却的定型芯棒相连接，所挤出的管坯环绕此定型芯棒周围被拉出的同时，即被定型和冷却。此法可用于管材机头。
四、挤出模具冷却系统的结构设计
在生产异型材时，如果机头设计是合理的，则异型材截面的几何形状及尺寸精度，主要取决于定型模设计的合理性。一副成功的定型模，对提高生产效率及产品质量具有决定性影响。以中空异型材定型模设计，有典型性和代表性，在此予以详述。
1、结构设计
当异型材型坯进入定型模后，在真空吸附力作用下，与定型模型腔呈精密接触，并依靠冷却回路中介质的传热效应，从而确定异型材截面形状及尺寸精度。为此，异型材定型模结构设计，考虑以下诸因素：
（1）、引入异型材型坯容易，且操作方便，易于拆卸与清理；
（2）、选择导热性良好的材料制造，并使之具有尽可能大的散热面积；
（3）、锁紧可靠，密闭性好，无论是真空回路，还是冷却回路，均应如此；
（4）、真空室应无死角，且易于清理、保持真空孔常通；
通常定型模长度，均在1000~1600mm以上，虽然要分段制造，但其冷却水通道及真空孔的加工工艺，仍需慎重考虑。
嵌条异型材（属中空型材）真空定型模的上、下定型模由铰链联接，并可自由张开，闭合后由螺栓锁紧。上下盖板由铝合金制成，其具有良好的散热性能。在盖板与定型模间用尼龙密封层密封。盖板内设有真空室，各段真空度可任意调节，以适应定型的需要。在定型板内的冷却回路，视需要可分成3段或4段。每一段的冷却水留量可任意调整，以适应型材均匀散热的需要。
2、长度确定
根据加工工艺要求，异型材定型模长度，须由冷却传热所需面积和真空吸附所需面积来确定。
（1）、冷却传热面积计算
在定型模中异型材与冷却水流向，通常可分为"并错流"和"逆错流"两种类型，如图1所示。冷却回路分为3段，上下型板总共为6个回路。冷却水孔直径通常在Ф10~Ф20mm范围内选取，在可能条件下以尽可能选用较大直径的流道为好，以利于提高冷却效果。冷却水流动状态，以保持紊流为佳，即Re＞10000以上。水温以10℃~18℃为宜。
异型材定型走向与冷却水流向
（1）并错流；（2）逆错流
根据传热学及牛顿冷却定律，定型模冷却介质所需传热面积应为：
F=[G Cp(T2-T1)] /α△tm
其中： G--异型材型坯质量流量，kg/h；
Cp--塑料比热容，kj / () ；
T2--型坯入口温度，℃；
T1--型坯出口温度,℃；
△tm--定型模与冷却水平均温差，℃；
α--传热系数，与水温、管径及水的流速有关，可用下式计算：
α=A0[（ρυ）0.8] / d0.2 （W/(m2·℃)）
且υ和ρ，分别为水的流速及管径；A0仅为水温的函数，由表二查找。
ρ--水在该温度下密度（kg/m3）。
表二 A0与水温的关系
平均水温 ℃ 0 5 10 15 20 25 30 35
A0 值 5.71 6.16 6.60 7.06 7.50 7.95 8.40 8.84
平均水温 ℃ 40 45 50 55 60 65 70 75
A0 值 9.28 9.66 10.05 10.43 10.82 11.16 11.51 11.86
于是，冷却水通道长度应为：
Lw=F / (π·d) （m）
式中 d--冷却水通道直径，取Ф10~Ф20mm。
（2）、真空吸附面积计算
异型材型坯进入定型模后，在真空吸附力作用下，才能与型腔壁紧密接触，达到异型材最终定型的目的。为此，真空吸附面积可用下式进行计算：
FR =0.76fR(G/MR) (cm2)
式中
fR--与壁厚有关的系数，通常取fR=16~30，壁厚取大值，反之取小值；
G --异型材质量，kg/m；
MR--定型装置真空度，一般取53~66kPa。
如果真空孔径为d0已知，则真空孔数应为：
n=4FR/(πd02)=(3 fR G)/(πd2MR)
式中
d0--真空孔径，一般在取Ф0.4~Ф0.8mm范围内选取，常用值取Ф0.8~Ф1.2mm为佳。
（3）、冷却回路布置
在上下及左右型板内，所设置的冷却水回路，应确保完全对称，以使异型材冷却均匀，各向收缩趋于一致，内应力为最小。冷却水通道的间距布置，从定型模入口至出口，应由窄逐渐变宽；各段回路的长度，应由短逐渐变长，以使各段冷却水进、出口温差保持相同。如果定型模冷却水回路分为两段，则其回路长度比取1:1.5；3段可取为1:1.5:2.4；4段取为1:1.5:2:2.5等为宜。
（4）、水道之间的间距及离型腔表面的深度
一般水道之间的距离为水道直径的2~3倍。或以水道的中心作始点，达到能在45°范围内覆盖型面就可以满足冷却的要求。
水道离型腔表面近时，需增加其数量。离型腔表面远时冷却效率差，应有可流动足量的流量的水道数量，覆盖全部型腔面。
（5）、真空孔布置
定型模上下及左右型面上的真空面积，应一一对应；但从定型模入口至出口，不可均布。为其有效吸附，达到定型之目的，从定型模入口至出口，真空吸附面积分布，应由大逐渐变小，真空孔分布由密变疏。
（6）、定型模长度
通常由冷却水孔总长度Lw和定型模上的真空数及其布局来确定。但由于冷却水量和真空度均可调节，故定型模总长度的确定，并非十分严格。实践表明，当异型材壁厚达2.5~3.5mm范围时，定型模总长度在1600~2600mm左右，这将给加工带来极大困难。为此，常将长定型模分成多段制造，然后组装使用。其分段依据可参考表三。
表三、异型材定型模分段参考依据
异型材截面尺寸，mm 定型模总长度mm 可分段数段
壁 厚 高 X 宽
1.5以下 40X200以下 500~1300 1~2
1.5~3.0 80X300以下 1200~2200 2~3
3.0以上 80X300以下 2000以上 3以上
（7）、定型模型腔尺寸
由于异型材型坯在定型过程中，要经历冷却收缩和牵引拉长的物理变化，致使定型后异型材的截面尺寸缩小，故定型模径向尺寸必须适当放大。尺寸放大的依据，是异型材定型收缩率。表四中的数据可供参考。
表四、异型材定型收缩率
塑料名称 ABS CA PA610 PA66 PE PP RPVC SPVC
收缩率，% 1~2 1.5~2 1.5~2.5 1.5~2.5 4~6 3~5 0.8~1.3 3.5~5.5
五、利用计算机技术进行冷却分析
最适宜的冷却系统设计应该是流动的冷却介质（水或其它）可以充分吸收PVC树脂在加工过程中释放的热能，即必须达到模具表面温度均匀并且稳定。为此，最理想的方法是通过计算机技术对模具进行冷却分析。
1、输入数据
（1）、冷却回路的形状、尺寸数据
对已设计成的模具（定型模），按图面输入数据。对新设计的模具，以额定冷却回路输入数据，利用仿真技术进行不断修正。
（2）、输入树脂数据
从系统中的树脂数据库探索输入树脂数据。或把其粘度、热传导率、比热、固化温度等数据，输入计算机即可。
（3）、输入模具材料
在系统的数据库内基本上备齐了目前采用的模具材料，检索所需要的数据。
（4）、输入成型工艺条件
输入塑化温度、模具温度等数据，如果对冷却水出入口温度、冷却时间有要求的话，也可输入相应的数据。
2、输出与分析结果
（1）温度的分布
（2）数据的输出
在已额定冷却回路系统中，输出冷却水的出口温度、冷却时间以及冷却水道的直径与数量，取得适宜的水道设计和压力损失，同时亦可修正某一参数，重新输入进行分析计算，实现使制品质量更高，成型周期更短，更理想的水道设计和高速挤出模具。
六、结束语
1、异型材挤出模具冷却系统设计的合理性，对提高生产效率及产品质量具有决定性影响。
2、提高计算机辅助分析技术在定型模设计中的应用，必将会大力推动高速挤出模具的发展。