注塑模具型腔大約70%到80%的循環時間都處於冷卻狀態。對於典型的20秒循環來說，如果冷卻系統設計不佳，則意味著浪費了14到16秒。在年產量500,000萬件的情況下，循環時間縮短1秒相當於節省了約7,000小時的機器工時。冷卻系統並非簡單地用螺栓固定在模具上的管道配件——它是影響注塑生產效率的最關鍵因素。
儘管如此，許多模具設計仍將冷卻通道視為次要因素。在型腔板上鑽出直線、型芯周圍間距不均勻以及水流不受控制等常見的簡化做法，都會延長生產週期、導致翹曲變形並造成零件報廢。本文針對生產模具，提供了冷卻通道幾何、佈局和模擬的定量指導原則。
冷卻通道尺寸：直徑、間距和到腔體的距離
冷卻通道佈局由三個參數決定：通道直徑 (d)、中心距 (p) 和通道中心線到型腔壁的距離 (h)。這些參數決定了傳熱速率和模具表面溫度的均勻性。
對於加工工程熱塑性塑膠的鋼模，建議的起始參數為：直徑 d = 10–12 mm，間距 p = 25–35 mm，高度 h = 15–20 mm。間距與直徑之比 (p/d) 應保持在 2.5 至 3.0 之間。當 p/d = 2.5 時（例如，p = 25 mm，d = 10 mm），模具表面的溫度變化為 ±3°C。當 p/d = 4.0 時，溫度變化增加至 ±8°C，足以在 A 級表面造成可見的縮痕。
距離 h 是最常被違反的參數。通道距離型腔壁 25 mm 而非 15 mm，會使熱通量降低約 40%。對於芯銷和頂桿爭奪空間的深型腔，最小可行的 h 值為 8 mm——低於此值，在 1000 bar 以上的注射壓力下，通道與型腔之間鋼材的結構完整性會受到影響。
這些關係適用於 P20 和 H13 工具鋼。對於鋁製模具鑲件（有時用於原型製作或小批量生產），其導熱係數約為鋼的 5 倍，因此允許更大的間距——但為了充分利用其導熱優勢，通道到型腔的距離仍應保持在 12 毫米以內。
流動狀態和冷卻通道迴路設計
任何通道的冷卻效率都取決於其內部的流動狀態。湍流（雷諾數 Re ≥ 4000）的傳熱效率比層流高 3-5 倍。對於直徑 10 mm 的通道，若要使用 20°C 的水達到 Re = 4000，則需要約 0.4 m/s 的流速，或每個迴路約 1.9 L/min 的體積流量。
實際上，大多數模具溫度控制器的總流量為 5–15 公升/分鐘。如果一個模具有八個獨立的迴路，則每個迴路的流量僅為 0.6–1.9 公升/分鐘——這僅夠一兩個迴路維持湍流。其餘迴路則以層流或過渡流運行，白白浪費了其熱傳潛力。泵浦容量與迴路數量之間的這種不匹配是導致生產模具冷卻性能不佳的最常見原因。
電路佈局策略遵循簡單的層級結構：將通道以串並聯組合的方式連接，使每個電路的壓降平衡在±10%以內。長度超過2公尺（模具內的總流路長度）的電路，在0.5公尺/秒的流速下，每公尺會損失0.5-1.0巴的壓力，如果與其他限制條件疊加，這可能會超過泵浦的可用壓力。
| 參數 | 最佳範圍 | 偏差的影響 |
|---|---|---|
| 通道直徑（d） | 10–12毫米 | < d = 高壓降；> d = 減少鋼支撐 |
| 間距 (p) | 2.5–3.0 × d | > 3×d = 冷卻不均勻（±8°C） |
| 距空腔的距離（h） | 15–20毫米 | > 25 毫米 = 熱通量降低 40%。 |
| 流動速度 | ≥ 0.4 公尺/秒 | < 0.4 m/s = 層流，低傳熱 |
| 電路長度 | 每迴路≤2米 | > 2 公尺 = 壓力降過大 |
| 雷諾數 | ≥4000 | < 4000 = 傳熱係數降低 3–5 倍 |
| 每個迴路的壓力降 | ≤ 1.5 巴 | > 1.5 bar = 迴路間流量不平衡 |
保形冷卻：當直線鑽孔通道不足以滿足需求時
直線鑽孔通道無法貼合複雜型芯的輪廓。通道與不同型腔表面之間的距離 h 會發生變化，產生溫度梯度，導致收縮和翹曲程度不同。而隨形冷卻——即通道與型腔表面保持恆定距離——則可以消除這種變化。
積層製造（雷射粉末床熔融或黏結劑噴射）技術使得保形冷卻嵌件成為生產模具的可行方案。發表在《材料加工技術雜誌》（Journal of Materials Processing Technology，Park et al., 2022）上的一項研究表明，與傳統的直孔模具相比，採用保形冷卻的汽車連接器模具的加工週期縮短了35%。保形嵌件的成本約為機械加工同類產品的2.5倍，在全天候生產模式下，其投資回收期為3-4個月。
在以下情況下，採用隨形冷卻最為合理：（1）零件具有深型芯、肋或凸台，會產生具有直通道的熱熱點；（2）年產量超過 20 萬件；（3）零件材料的加工窗口較窄（例如，聚碳酸酯或 LCP）；以及（4）模具鋼氏與增材製造不銹鋼（馬氏體時兼容鋼或 316L 316L）。
冷卻通道畫廊
常見問題
生產模具的最小冷卻通道直徑是多少？
8 毫米是實際可行的最小尺寸。小於 8 毫米時，壓力降會急劇增加——在相同流速下，6 毫米通道的壓力降約為 8 毫米通道的 4 倍，而且冷卻水中的顆粒物（水垢、鐵鏽、碎屑）更容易堵塞 6 毫米通道。
如何檢查我的冷卻通道是湍流還是層流？
使用公式 Re = (ρ × v × d) / μ 計算雷諾數，其中 ρ 為水的密度（20°C 時為 998 kg/m³），v 為流速（單位：m/s），d 為通道直徑（單位：m），μ 為動力黏度（單位：1.002 × 10⁻）。在供水管路中安裝流量計和溫度計。如果 Re < 4000，則提高泵速或減少並聯迴路的數量以提高每個迴路的流速。
保形冷卻總是比直孔冷卻更好嗎？
不。只有當模具型芯幾何形狀複雜，直線冷卻通道無法在型腔表面20毫米範圍內覆蓋時，才適合使用隨形冷卻。對於矩形盒或平板等扁平簡單的幾何形狀，採用間距合適的傳統冷卻通道即可達到相同的性能，且成本更低。隨形冷卻在深拉成型零件、複雜型芯幾何形狀以及尺寸公差要求嚴格（CT3或更嚴格）的零件上表現尤為出色。
ABS、聚碳酸酯和尼龍應該使用什麼溫度的冷卻液？
ABS：模具表面溫度 40–60°C → 使用 30–50°C 的冷卻液。聚碳酸酯：模具表面溫度 80–100°C → 使用 70–90°C 的冷卻液（通常需要油基溫度控制器）。尼龍（PA6/PA66）：模具表面溫度 60–90°C → 使用 50–80°C 的冷卻液。使用低於建議溫度範圍的冷卻液會導致澆口處過早凍結和保壓不全，尤其是在薄壁型材上。
模具應該有多少個冷卻迴路？
一般來說，每300-400毫米的型腔投影長度需要一個冷卻迴路。對於一個400×300毫米的矩形型腔，這意味著每個模具半模需要2-3個獨立的冷卻迴路。每個迴路應服務於冷卻需求相似的區域——例如，澆口區域通常需要一個單獨的迴路，並使用溫度更高的冷卻液，以防止澆口過早凍結。
我可以用鋁代替鋼來改善散熱嗎？
鋁製嵌件（7075-T6 或 QC-10）的導熱係數比 P20 鋼高 3-5 倍，但其表面硬度和耐磨性較低。它們適用於原型製作或小批量生產（循環次數低於 50,000 次），並能顯著縮短冷卻時間。對於大批量生產，應使用精心設計的導熱槽的鋼材，而不是鋁材——如果導熱槽位置不佳，鋁材的優勢將蕩然無存。
造成腔體和芯體兩部分冷卻不均勻的原因是什麼？
由於核心部件三面都被熔融金屬包圍，因此其運作溫度通常較高，而型腔則有鋼製背板起到散熱作用。這種冷卻差異會導致部件向較冷的一側彎曲。解決方法是分別調節核心零件和型腔的冷卻液流量和溫度－核心零件的冷卻液溫度應比型腔低 5-10°C，和/或流量應比型腔高 15-20%。
如需更全面地了解射出成型模具設計原理，請參閱我們的《射出成型模具設計指南》。如需選擇適合冷卻通道佈局的模具鋼材，請參閱《模具鋼材選擇指南》。
業界標準冷卻設計參考包括塑膠工程師協會 (SPE) 模具製造和模具設計分會以及VDI 2006 模具溫度控制標準。