基于Moldflow的臺面框注塑模冷卻系統(tǒng)分析*

韓艷艷，于智宏

（河南機電高等?？茖W(xué)校材料工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000）

1 前言

注射成型時，模具應(yīng)保持合適的溫度，模具溫度過高則不能滿足成型要求。對普通熱塑性塑料模具，模具常常需要冷卻。無論是采用冷水還是常溫水對模具進行冷卻，其作用結(jié)果都是為了對模腔內(nèi)的塑料制品進行合理的冷卻，以獲得良好的制品質(zhì)量。在注射過程中，冷卻時間占成型周期的70% ～80%，對生產(chǎn)效率的提高有至關(guān)重要的作用。因此需要設(shè)計冷卻系統(tǒng)。

Moldflow軟件是一款成熟的CAE分析軟件，能夠進行填充、保壓、冷卻、翹曲等多方面的塑件成型分析。Moldflow/Cool模塊可以分析冷卻系統(tǒng)對流動過程的影響，優(yōu)化冷卻水路的布局和工作條件。Moldflow/Cool和Moldflow/Flow相結(jié)合，可以得到動態(tài)的注塑過程分析，通過分析結(jié)果來改善冷卻水路的設(shè)計，從而獲得均勻的冷卻系統(tǒng)，改善塑件質(zhì)量，縮短成型周期。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計和作用

圖1所示為某家用電器臺面框，由圖可以看出，該制件結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，大面積薄壁，還有加強筋。這樣的大面積薄壁件很容易在注塑過程中產(chǎn)生冷卻不足以及收縮不均勻的問題，容易造成應(yīng)力集中，繼而引發(fā)翹曲失效，因此冷卻系統(tǒng)的設(shè)計尤為重要。

2.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則

設(shè)計冷卻系統(tǒng)的目的主要有兩個:一是均勻地冷卻制品，以獲得良好的制品質(zhì)量;二是縮短成型周期，以提高生產(chǎn)效率。就冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，需要注意以下原則:

1)冷卻水路應(yīng)設(shè)置在塑料向模具熱傳導(dǎo)困難的地方，應(yīng)圍繞模具所成型的制品，且盡量排列均勻一致。

2)冷卻水路的直徑應(yīng)優(yōu)先采用大于8mm，并且各個水路的直徑應(yīng)盡量相同，避免由于因水路直徑不同而造成的冷卻介質(zhì)流速不均［1］。

3)澆口處加強冷卻和冷卻水路的出入口溫差應(yīng)盡量小。從均勻冷卻的方案考慮，對冷卻液在出、入口處的溫差，一般希望控制在2～3℃范圍內(nèi)。

4)冷卻介質(zhì)在模具中的流速，以盡可能高一些為好，但就其流動狀態(tài)來說以湍流為佳。為使冷卻介質(zhì)處于湍流狀態(tài)，希望冷卻介質(zhì)的雷諾數(shù)達到6000以上，當水作為冷卻介質(zhì)時，一般入口的雷諾數(shù)缺省值為10000。

5)在一個冷卻管道內(nèi)任何冷卻液的方向改變會增加紊亂度，因此在轉(zhuǎn)彎后熱傳導(dǎo)的能力會增加。如圖2所示［2］，隔板和噴管都會增大紊亂度，加強冷卻效果。

圖1 臺面框

2.2 Moldflow/Cool的作用

Moldflow/Cool通過對模具、制品、冷卻系統(tǒng)的傳熱分析，能夠模擬冷卻水路(包括隔板管、噴流管、連接軟管)、鑲塊、冷流道和熱流道、分型面及模具邊界對模具和制品溫度的影響，提供豐富的模擬結(jié)果。通過這些結(jié)果，可以檢驗?zāi)＞叩睦鋮s效果是否合理，從而為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)提高可靠的依據(jù)。

1)回路冷卻介質(zhì)的溫度及冷卻水路管壁的溫度:冷卻介質(zhì)的溫度差、冷卻水路管壁溫度是決定冷卻是否有效的重要依據(jù)。Moldflow/Cool能夠模擬分析出冷卻介質(zhì)流經(jīng)冷卻水路時的溫度變化。一般來說，冷卻介質(zhì)的溫差不要超過3℃，冷卻水路的管壁溫度與模壁溫度差應(yīng)控制在5℃內(nèi)。

2)制品的溫度:制品在頂出時刻的溫度是確定冷卻時間是否合理的重要因素。如果溫度過高，則需加強冷卻或適當延長冷卻時間，而溫度過低，說明冷卻時間太長。Moldflow/Cool能夠模擬分析制品最高溫度在厚度方向的位置，沿厚度方向的平均溫度等［3］。

圖2 隔板式(Baffle)和噴管式(Bubbler)

3)冷卻時間:是塑料熔體從充滿模具型腔起到可以開模取出制品時的這段時間。Moldflow/Cool能夠計算出制品的冷卻時間以及制品完全固化或用戶設(shè)定的固化百分比所需要的冷卻時間。

3 臺面框冷卻系統(tǒng)分析

3.1 網(wǎng)格劃分

臺面框的三維模型由Pro/E軟件繪制，然后導(dǎo)入到Moldflow軟件中。模型導(dǎo)入Moldflow后需要進行網(wǎng)格劃分，對于臺面框用fusion(表面)網(wǎng)格進行劃分。網(wǎng)格劃分后，還要對網(wǎng)格的縱橫比、重疊單元、配向、連通性、自由邊等做一系列診斷修改，最終得到理想的網(wǎng)格。本臺面框零件共劃分為31934個單元，節(jié)點為15961個，最小縱橫比為1.155，最大縱橫比為9.592，平均縱橫比為2.489。一般要求最大縱橫比小于6，但對于復(fù)雜模型可以設(shè)定為10～20。

3.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)以及前面所述的冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則，對臺面框冷卻系統(tǒng)的創(chuàng)建有兩種方法:一種是Moldflow軟件自動創(chuàng)建的冷卻系統(tǒng);另一種是在Moldflow軟件中手動創(chuàng)建的冷卻系統(tǒng)。這里所采用的水路均為手動創(chuàng)建的冷卻系統(tǒng)。共設(shè)計了以下五種冷卻系統(tǒng)，如表1。

表1 五種冷卻系統(tǒng)方案

3.3 工藝條件設(shè)置

材料采用 Generic Default的Generic PP，該材料不含填充物。

模溫:40℃

熔體溫度:240℃

保壓壓力:45MPa

保壓時間:10s

開模時間:5s

冷卻介質(zhì):水(純)

冷卻介質(zhì)入口溫度:25℃

冷卻介質(zhì)雷諾數(shù):10000

3.4 冷卻結(jié)果比較分析

對上面五種冷卻系統(tǒng)方案進行分析，并比較對應(yīng)的結(jié)果，如表2。

表2 五種冷卻系統(tǒng)的冷卻結(jié)果分析

將以上各數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)若從回路冷卻介質(zhì)溫度、管壁溫度、制品最高溫度、制品平均溫度四個方面考慮，則方案三為最佳;但對于這個大面積的臺面框來說，其成型缺陷主要是翹曲變形造成的凹陷，因此冷卻所引起的變形這個因素尤為重要，同時從冷卻時間上來看，方案五為最佳。綜合各方面考慮，從提高制品質(zhì)量和縮短成型周期(即提高生產(chǎn)效率)考慮，在臺面框注射成型中選擇方案五的冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié)論

設(shè)計良好的冷卻水路，將可以縮短冷卻固化所需的時間，有效的增加生產(chǎn)效率，降低成本，并可使成品各部分均勻冷卻，防止產(chǎn)品因熱應(yīng)力所造成的收縮扭曲變形等不利因素發(fā)生。此外，在特定情況下，冷卻水路還起到矯正翹曲變形的作用。當然，要將翹曲變形完全消除是不實際的，只能將其控制在許可的范圍之內(nèi)。

［1］楊占堯.塑料注射模結(jié)構(gòu)與設(shè)計［M］.北京:高等教育出版社，2008.

［2］王義，劉泓濱，等.基于Moldflow的底座注塑模冷卻系統(tǒng)分析［J］.新技術(shù)新工藝，2009，(11):35 －38.

［3］賴鵬，彭響方，陳己明.Moldflow冷卻分析在注塑模中的應(yīng)用［J］.塑料工業(yè)，2007，(6):29 －31.

［4］陳樂平，祝金丹，唐磊.基于CAE的注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計［J］.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，(1):81－85.