注塑機集成的模具冷卻系統的發展

張益波，金敬明，汪科迪

(德馬格塑料機械寧波有限公司，浙江 寧波 315800)

0 背景

注塑成型是一種極為有效、極少浪費材料的塑料加工方法。此加工方法能加工外形復雜、尺寸精確或帶嵌件的制品，生產效率高，易實現自動化生產。注塑成型主要的生產設備為注塑機，注塑機完成一個的注塑成型周期大致依次可分為以下幾個步驟：合模、塑化、注塑、保壓、冷卻、開模、頂出，如此往復。

（1）模具冷卻對注塑成型循環周期的影響

物理的冷卻時間開始于注射開始，結束于模具打開。機器的冷卻時間開始于保壓階段之后，結束于模具打開。在注塑成型的每個循環周期內，冷卻時間往往占整個周期的1/2以上。而注塑成型循環周期的長短直接影響生產效率和設備利用率。因此，要想提高效率，首先考慮的應該是占整個周期大比例的冷卻時間。研究表明，良好的冷卻系統設計和控制可降低大約20%的冷卻時間。

（2）模具冷卻對注塑成型質量的影響

模具冷卻除了對成型循環周期的影響，更重要的是對注塑制品品質的影響。對塑料制品的評價主要有三個方面，第一是外觀質量，包括完整性、顏色、光澤等；第二是尺寸和相對位置間的準確性；第三是與用途相應的物理性能、化學性能、電性能等。而這三個性能，與成型過程中的模具溫度都有直接的關系。

a.表面質量。過低的模具溫度會使制品輪廓不清晰并產生明顯的融合紋，導致制品表面粗糙度提高。

b.尺寸精度。保持模具溫度的恒定，能減少制品成型收縮的波動，提高制品尺寸精度的穩定性。

c.力學性能。如果冷卻系統溫度設置合理，那么其內部的溫度場就會得到有效的改善，在降低塑件內應力的同時，力學性能得以增強。

1 注塑機模具冷卻的現狀

可以看出模具冷卻在注塑成型加工中占有至關重要的位置，注塑機作為成型生產的核心設備，應該對這個重要的環節做詳細的過程監控。但是與成型加工過程的其他參數相比，模具冷卻的過程監控往往被忽視。目前，注塑機生產過程參數（噁如：注射速度、保壓壓噁、料筒溫度等）都有精準的檢測、及時的反饋和過程數據的存儲，然而模具冷卻的過程還處在無監控或人為監控狀態。

目前，多數注塑機裝備的模具冷卻一般有兩種方式。

（1）在注塑機的模板上安裝分水塊，如圖1所示。

圖1 分水塊

（2）在注塑機外圍的安裝機械式的水流調節器，如圖2所示。

圖2 水流調節器

1.1 在注塑機的模板上安裝的分水塊

注塑機模板邊上的分水塊優點在于管路布置簡潔，只需將模具冷卻的總進水和總回水管接到分水塊上，然后由分水塊的各個支路球閥與模具冷卻水接口相連。這種方式支路管路短，壓力損失小。

但是這種方式的水流量和溫度都沒法測量，無法知曉模具冷卻水是否正常接入、水路是否堵塞等。 而且在生產過程中如果出現模溫機故障或者供水管路上的閥門被誤操作等情況，注塑機都無法感知。另外隨著長時間的生產，模具內的冷卻管路會產生水垢、水銹等，不僅影響水流量，也形成一種隔熱層，影響換熱效率。此時，就會造成制品有缺陷，而且可能已經生產了不少次品，造成了損失。

1.2 在注塑機外圍安裝機械式的水流調節器

水流調節器集成了浮子式的流量指示和指針式的溫度表。模具冷卻的總進水和總回水連接到水流調節器上，水流調節器的每個支路都帶有流量指示和溫度表。有了流量和溫度指示可以有效避免模具安裝初期的水路錯誤，可以及時發現成型生產過程中的水路故障。

但是由于這種水流調節器的儀表是機械的，為了設備管理員查看方便，所以這種水流調節器只能安裝在機器的四周人容易看到的地方。水流調節器的支路越多，其所需的安裝空間就越大。實際上隨著模具設計越來越精細，模具上的冷卻支路正在不斷的增多。水流調節器需要較長的支路管道，將在注塑機外圍的支路進、出水口連接到模具上。特別是到動模板側的模具上，連接的長度會非常長。由于注塑機動模板是運動的，連接到動模板上的支路管路須使用拖鏈，這樣才能保證支路水管能往復折彎運動。如果支路水管數量較多，相應使用的拖鏈也要不斷加大。所以，不管是水流分配器本身的安裝，還是支路管路的布置，都給設計和安裝人員帶來了巨大的麻煩。

水流分配器的流量指示和溫度表是機械式的，存在讀數誤差。溫度和流量只有在有較大變化的時候才能被察覺。而且只能靠人工讀取和記錄，人工讀取的頻次不好把握。

2 獨立的電子溫度流量檢測儀

對品質要求高的塑料制品，特別用于汽車功能件的塑料制品，上述兩種模具冷卻的配置已經不能滿足其對品質控制的要求。為滿足高品質的質量要求，生產廠商開始在注塑機旁裝備獨立的電子溫度流量檢測儀（如圖3），這種獨立的電子溫度流量檢測儀作為注塑生產的輔助生產設備，安裝在注塑機旁。模具冷卻水的總進、出水管先接到此設備上，再由此設備分成各個支路與模具相連。這種獨立的電子溫度流量檢測儀一般由控制器、操作屏和安裝在每個支路上的溫度、流量等傳感器組成。這種電子溫度流量檢測儀可將模具冷卻水的狀態數據化，并顯示到自帶的操作屏上。操作屏上可設置冷卻水狀態的范圍值，超出設定的范圍值會立刻報警，并將警報狀態通過開關量的形式告知注塑機，讓注塑機立馬做停機動作，以減少不良品產生。這種設備還帶有數據存儲功能，可將歷史的冷卻數據存儲。

圖3 獨立的電子溫度流量檢測儀

總體上，獨立的電子溫度流量檢測儀是對機械式的水流調節器的電子化升級。解決了讀數不精準、需人工巡視等問題。但是它也遺留了一些問題，支路水管的安裝問題、溫度測量點與模具距離遠的問題。而且，電子溫度流量檢測儀，作為可獨立運行的設備必須有自己的操作屏和控制器及防護鈑金，所以價格較高，初期投入較大。

3 注塑機集成的模具冷卻控制系統

針對獨立的電子溫度流量檢測儀遺留的問題，已經有注塑機生產商開始設計和推廣注塑機集成的模具冷卻控制系統。如圖4所示。

圖4 注塑機集成的模具冷卻控制系統

從安裝空間角度講。注塑機集成的模具冷卻控制系統在注塑機設計時，就已經充分考慮了安裝空間，將傳感器和匯流水塊安裝在距離模具最近的位置，這樣只需較短的支路水管就可以實現連接。模具冷卻水匯流后只需在注塑機機身上布置總進水管和總回水管即可，大大減少了水管排布所需的空間。注塑機整體設計也可以更加緊湊。而且有些對水管有保溫或者防冷凝水的要求，實現起來也更加容易。

從成本角度講。注塑機已經是一套完整系統，當注塑機集成模具冷卻控制系統時，原有的注塑機硬件完全可以共用。如主機的屏幕、控制器、以及防護鈑金等。冷卻控制系統省掉了專用的操作屏，控制器和一些防護后，可大幅降低成本。另外操作統一到注塑機屏幕后，用戶的操作也會更加便捷。

注塑機對冷卻系統的傳感器直接采集，可以得到更加直接，更加準確的模具冷卻數據。注塑機得到數據后可由此更多的干預動作。如設置多級的預警和報警，設置多級的干預動作等。隨著集成開發的深入，模具冷卻系統可以和模具熱流道加熱系統聯動，以達到更好的控制模具內溫度的目的。

隨著工業4.0和注塑機數字化的發展，注塑過程的重要數據包括冷卻環節的數據被要求存儲。注塑機集成的模具冷卻系統可將模具冷卻環節的過程數據與注塑機的成型過程數據統一存儲，統一存儲的數據更加方便管理和追溯。如果配置的是電子溫度流量檢測儀，它雖然也有數據存儲的功能，但是其存儲的格式，傳輸的方式都可能和注塑機的數據不同，這就給后面數據的管理使用帶來了許多不便。

4 總結

表格1中比較了四種在注塑機上配置的模具冷卻裝置，注塑機集成的模具冷卻系統的優點一目了然。隨著模具技術的發展，模具冷卻的重要性正在被不斷的提高。隨著工業4.0的發展，無人工廠和熄燈工廠的概念不斷深入，注塑過程的數字化是其中必需條件。注塑機集成的模具冷卻系統將會是未來高端注塑機的必要配置。

表1 四種模具冷卻裝置的比較