冷却长型芯的设计方案与优化

即使使用高热导率材料，高长径比的模具型芯也会阻碍沿型芯长度进行有效的热量传导。因此，期望沿型芯轴有一冷却通道以传导型芯表面至型芯中心的热量。型芯中心更大的冷却通道通常需要更高的冷却介质流速和更高的热导率。但是，更大的冷却通道需要移除更多的材料，且会减小型芯结构的集中度。为了平衡这两者间的关系，人们开发了不同的冷却部件，以用于不同直径的型芯中。表9.3列出了一些不同的选择，以下将分别进行讨论。

1.冷却镶件

对于中等和大直径的长型芯（一般长于50mm），使用定制的冷却镶件可提供最有效的冷却。这种设计，需要加工去除一部分型芯中的材料。然后设计一个镶件以提供围绕周边至整个型芯长度的冷却通道。冷却介质沿设计在冷却镶件轴心处的冷却通道返回。可设计成如图9.20所示的形式。即使冷却镶件设计得非常复杂，在四轴铣床或车床上还是很容易加工的。

表9.3 长芯冷却的选择

这种特殊的设计有利于冷却高强度的型芯。由于熔体压力的影响，其在减小它们的宽度的同时可以保证冷却通道远离型腔表面。需要注意的是对型芯顶部垂直方向的熔体压力产生的应力的控制。冷却镶件可以紧密固定于型芯后面，使熔体压力直接传递到模板表面。与型芯相关的结构的分析参见12.3节。

图9.20 型芯冷却镶件

2.折流板

折流板可以使冷却介质沿型芯轴向流动，主要用于冷却长的型芯。折流板通常插入型芯内部的孔中。因为这些设备必须输送冷却介质在型芯中上下流动，因此其最小尺寸需要比孔径6.35mm（1/4in）稍大。螺旋折流板的设计如图9.21所示。图中，冷却介质通过主冷却通道上到折流板的直段，沿螺旋通道穿梭，然后返回折流板顶部。此设计的折流板直径为12mm，型芯直径为60mm。此设计足够有效，可使用更大的折流板以减小冷却通道与型腔表面的距离。

图9.21所示的折流板与图9.20所示的冷却镶件的设计与功能相比，本质上相同的两种设计仍有一些重要的不同。折流板不承担轴向载荷，且轴向（尤其是直段折流板）承受载荷的能力有限。因此，型芯的壁厚应当根据12章的分析进行适当设计。在应用方面，折流板是标准件，易于从供应商处获取，但是冷却镶件必须专门设计制造。从复杂度、费用和风险度方面分析，折流板总是明显优于定制的冷却镶件的。

3.扩散器

扩散器是比折流板稍小的替代品，具有与折流板非常相似的冷却效果，此种设计如图9.22所示，冷却介质围绕扩散器由外向内返回。扩散器与型芯没有接触，所以不会承载型芯的载荷。因此，扩散器设计有很小的壁厚，且尺寸小。直径小于2mm的扩散器可以用于直径为3mm的孔中。扩散器的主要缺陷是需要两条冷却通道——一条提供围绕扩散器的流体，另一条将流体从扩散器内部引返。应用更小孔径的扩散器会产生与其安装相关的更高的费用。

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图9.21 螺旋折流板

图9.22 扩散器

4.热管

热管是一个封闭的装置，有一个内腔，腔中有一种液体，这种液体会在熔体温度和冷却介质温度之间的温度沸腾。毛细管作用使冷却的内部液体爬出热管外壁。当将其设置在如图9.23所示的型芯中时，沿热管长度处的温度升高导致液体蒸发，然后气体冷却成液体而返回热管底部。热管中液体这种不间断的压缩和蒸发，可以获得相对高的冷却速率，而且不需要沿模具型芯轴线的冷却介质流动。

热管是一种可以由许多供应商提供的标准模具部件。其主要优点是：尺寸小、传热速率高、安装方便。但是，其冷却效率却没有扩散器和折流板高。原因是模具冷却介质的整体传递具有很高的热量和比熔体温度更低的温度，能提供比热管更高的热传导效率。热管也有与初始反应（因为它们需要适当的温度梯度以开始有效的压缩-蒸发循环）相关的潜在问题，且在不同冷却介质和熔体温度条件下的效果是不同的（与几何和材料性质相关）。

图9.23 热管

5.导热销

有非常小的直径的型芯（小于5mm）不可以利用前述的任何沿型芯轴线传热的设计。因此，唯一的选择是利用导热销实施传热，如图9.24所示。模具冷却介质围绕销背部流动，从导热销传递尽可能多的热量。但是，由于长径比高，型芯销阻碍了在长度上的热流，传热不是很有效。

6.有空气通道的内锁芯

当零件几何形状允许时，具有很小直径的细长的型芯可以同型腔联锁，如图9.25所示。这种设计有两个优点。其一，型芯同型腔的联锁为型芯提供了支撑，可减小12.3.3所分析的型芯弯曲。其二，联锁提供了一种方法，利用它可使冷却介质从动模一侧穿过型芯到达定模一侧。在这种设计中利用空气作冷却介质，因为这种冷却介质在开时会同制品和环境接触。当空气密度很低时，会降低冷却效果，这种设计可比实心型芯销提供更多的传热。