基于CAE技術(shù)注塑模冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陳沖

（福建技師學(xué)院，福建福州 350101）

基于CAE技術(shù)注塑模冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

陳沖

（福建技師學(xué)院，福建福州 350101）

在塑料注塑成型過(guò)程中，冷卻系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的成型質(zhì)量、成型周期以及生產(chǎn)效率起到了關(guān)鍵性作用。基于注塑成型冷卻理論，運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)汽車輪軸蓋注塑件進(jìn)行數(shù)值模擬成型分析，以成型過(guò)程中模具溫度、塑件頂出溫度時(shí)間和塑件翹曲變形分布為性能指標(biāo)，獲取冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足之處，進(jìn)行方案改進(jìn)優(yōu)化。實(shí)踐證明，冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方法可靠有效，產(chǎn)品質(zhì)量符合要求，對(duì)注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

CAE技術(shù)；注塑模具；Moldflow；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

在二十世紀(jì)之前大部份的工業(yè)材料還是以金屬材料為主，但隨著高分子材料與工程技術(shù)的發(fā)展，塑膠材料制品隨處可見(jiàn)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛，由于塑膠產(chǎn)品重量輕、成本低、成型性質(zhì)佳、易于大量生產(chǎn)、且可回收再利，一直收到消費(fèi)者的喜愛(ài)。塑料成型最具代表性的方法是注塑成型，可以應(yīng)用于形狀復(fù)雜、高精度要求的塑膠產(chǎn)品，注塑成型包括三個(gè)重要階段：充填、保壓、冷卻，在實(shí)際生產(chǎn)上冷卻階段所占的時(shí)間是全部周期的三分之二以上，因此冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，合適的冷卻系統(tǒng)使塑膠產(chǎn)品各個(gè)區(qū)域能均勻散熱，進(jìn)一步縮小由于產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)不同帶來(lái)的溫度差，更重要的是可以有效地降低不均勻散熱所導(dǎo)致的翹曲現(xiàn)象，其次是減少成型周期及提高生產(chǎn)率[1～5]。因此如何獲得最佳的注塑成型模具冷卻系統(tǒng)，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在此以汽車輪軸蓋注塑產(chǎn)品為例，通過(guò)運(yùn)用CAE技術(shù)軟件Moldflow進(jìn)行數(shù)值模擬流動(dòng)成型分析，獲取不同的冷卻系統(tǒng)配置對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，尋求最佳的注塑成型模具冷卻系統(tǒng)，并為設(shè)計(jì)者提供理論參考。

1 產(chǎn)品造型和材料分析

圖1為汽車輪軸蓋塑件的3D模型，幾何尺寸為：52.4 mm×52.4 mm×19.15 mm，產(chǎn)品比較薄，壁厚約為2 mm，屬于短小薄件，在模具設(shè)計(jì)上可以采用一模多腔。使用的注塑原料為美國(guó)通用公司生產(chǎn)的PPE+PA6，比重約為1.1，在UL 94測(cè)試方法下阻燃性為1.6 mm，拉伸屈服點(diǎn)為59 MPa，斷裂點(diǎn)為60 MPa，彎曲強(qiáng)度為96 MPa，該料不但具有較好的物理和機(jī)械性能，而且熱性能表現(xiàn)也不錯(cuò)，如材料熱變形強(qiáng)度為193℃，熱變形溫度143℃，維卡軟化點(diǎn)232℃[6～7]。另外，產(chǎn)品需要與汽車輪轂配合，因此對(duì)產(chǎn)品的卡扣質(zhì)量要求較高，尤其是其翹曲變形量。

圖1 塑件3D模型

圖2 最佳澆口位置模擬分析

圖3 創(chuàng)建澆注系統(tǒng)

2 基于CAE技術(shù)創(chuàng)建分析模型

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展壯大，許多國(guó)家在塑膠模具設(shè)計(jì)與制造生產(chǎn)上開(kāi)始大量應(yīng)用CAE技術(shù)，在塑料成型流動(dòng)分析領(lǐng)域最常用的是Mold?low，在此把三維模型導(dǎo)入軟件系統(tǒng)，再利用Fu?sion對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行網(wǎng)格劃分，必要時(shí)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行修補(bǔ)，創(chuàng)建產(chǎn)品網(wǎng)格分析模型，然后通過(guò)Moldflow的Gate Location獲取最佳的澆口位置[8]，分析結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以獲知澆口最好選擇在產(chǎn)品的中心，其次是外緣，最好不要選擇在卡扣部分。一般情況下輪軸蓋外表面需要用來(lái)標(biāo)識(shí)其汽車銘牌或者車標(biāo)，自然表面質(zhì)量要求高，不允許出現(xiàn)澆口痕跡，反之內(nèi)表面中心若作為進(jìn)澆口，不但會(huì)使模具設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，而且產(chǎn)品型芯不好開(kāi)設(shè)冷卻水道，對(duì)產(chǎn)品的冷卻定型以及翹曲影響非常大，還會(huì)增加澆注系統(tǒng)的凝料取出難度，直接帶來(lái)成本提高。綜合考慮，取輪軸蓋內(nèi)表面外緣作為進(jìn)澆位置，由于輪軸蓋屬于短小薄件，在模具設(shè)計(jì)上可以采用一模多腔，為了保證成型精度，決定采用一模四腔及平衡式流道布局，如圖3所示。從圖3中可以看出，為了防止在開(kāi)模時(shí)澆注部分留在澆口套內(nèi)，采用了香蕉型有錐度的圓弧形點(diǎn)澆口，倒錐形的典型點(diǎn)澆口結(jié)構(gòu)在開(kāi)模時(shí)候，很容易與產(chǎn)品分開(kāi)，然后再用設(shè)置在澆口下面的推出機(jī)構(gòu)完成脫模。

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

注塑模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒(méi)有固定的模式和規(guī)則，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括模具冷卻方式、冷卻介質(zhì)流道尺寸大小和位置等[9]。大多數(shù)塑膠產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，為了提高生產(chǎn)率和降低成本，一般注塑模采用冷卻方式為水冷，常用的冷卻介質(zhì)為常溫水，但是如何確定冷卻水道大小數(shù)量與位置，并能提供良好的均勻散熱效果，是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果設(shè)計(jì)的冷卻水道太小，或者冷卻水道間隔太小，冷卻水道的散熱功能就不能很好發(fā)揮，就可能造成產(chǎn)品產(chǎn)生局部性不良缺陷，但是水管的直徑也不能過(guò)大，過(guò)大的直徑會(huì)使流速減慢，雷諾數(shù)降低，熱傳系數(shù)降低；如果設(shè)計(jì)的冷卻水道太多，不僅會(huì)增加模具制造成本，而且給其他模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造帶來(lái)困難；如果設(shè)計(jì)的冷卻水道位置分布不恰當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致模具型腔表面溫度分布狀態(tài)不均勻。對(duì)于此類問(wèn)題，部分設(shè)計(jì)者采用平均對(duì)稱分配冷卻水道的方法來(lái)解決問(wèn)題，但是如此做法必然給模具制造增加了許多費(fèi)用，有時(shí)候還會(huì)忽略產(chǎn)品本身熱負(fù)荷集中區(qū)域的加強(qiáng)冷卻問(wèn)題，導(dǎo)致事倍功半。

3.1 初始方案設(shè)計(jì)分析

在此根據(jù)汽車輪軸蓋塑件形狀及相關(guān)成型部件結(jié)構(gòu)的考慮，初步設(shè)定冷卻系統(tǒng)如圖4所示。從圖4中可以看出，冷卻水道在產(chǎn)品成型型腔上下各開(kāi)通直通式水道4條，分別冷卻定模型腔和動(dòng)模型芯，外部用冷卻軟管連接，冷卻水道直徑為8 mm，冷卻水道與產(chǎn)品成型表面距離為15mm，冷卻水道間距為40 mm，并均勻的分布在注塑模具橫截面上。Moldflow在注射成型分析的形式有Fill、Flow、Cool、Warp、Stress等，對(duì)于注塑工藝參數(shù)的設(shè)定，有模具溫度、熔體溫度、注射速度、冷卻時(shí)間、保壓壓力及保壓時(shí)間等[10]。為了獲取產(chǎn)品成型質(zhì)量的信息，在此進(jìn)行MPI/ Fill-Flow-Cool-Warp模流分析，并采用Moldflow軟件內(nèi)建數(shù)據(jù)庫(kù)與美國(guó)通用公司所提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建議值來(lái)選取注塑工藝參數(shù)，如選用熔體溫度260℃，模具溫度60℃，保壓壓力70 MPa，冷卻時(shí)間20 S，冷卻介質(zhì)為水，溫度為20℃，入口冷卻水雷諾數(shù)為10 000，即紊流態(tài)?，F(xiàn)根據(jù)影響冷卻系統(tǒng)的主要因素，列出部分重要模擬結(jié)果進(jìn)行分析。

圖4 初始冷卻水道設(shè)計(jì)方案

圖5為初始冷卻方案模具溫度分布，由圖5中可知輪軸蓋卡扣部位的溫度冷卻較快，平均不到50℃，但是輪軸蓋端面內(nèi)部的溫度偏高，即定模大端凹處溫度偏高，與模具平均溫度相比相差約12℃，也可以說(shuō)明該區(qū)域凍結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)。另外模具溫度分布范圍較寬，從40.81℃～64.10℃，最高模具溫度超出了設(shè)置的60℃，高出目標(biāo)模具溫度，則需要更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，由此可以看出，該冷卻系統(tǒng)對(duì)局部厚壁處的冷卻不足。

從料筒開(kāi)始射出到型腔每個(gè)產(chǎn)品完成凝固所經(jīng)歷的時(shí)間為頂出溫度的時(shí)間，圖6為初始方案塑件頂出溫度時(shí)間分布，最長(zhǎng)約為21 s，從圖中可以看出，只有輪軸蓋端面臺(tái)階凸緣部分需要達(dá)到20 s后才可以頂出，而大部分區(qū)域不到10 s就可以進(jìn)行頂出脫模，因此對(duì)于頂出溫度分布狀況來(lái)說(shuō)，初始設(shè)計(jì)方案還是可行的。

由于產(chǎn)品需要與汽車輪轂配合，卡扣的翹曲變形量越小產(chǎn)品質(zhì)量就越高，圖7為初始方案塑件翹曲變形分布狀況。從圖7中獲知產(chǎn)品最大翹曲變形量為0.248 3 mm，分布在卡扣的卡腳部位，最小翹曲變形量為0.029 3 mm，分布在輪軸蓋端面中心部分，變形量的變化幅度約為0.22 mm，雖然此變形量在產(chǎn)品誤差允許范圍內(nèi)，但如果能進(jìn)一步減小最大變形量，或者縮小變化范圍，則更有利于提高產(chǎn)品精度。

圖5 初始方案模具溫度

圖6 初始方案塑件頂出溫度時(shí)間

圖7 初始方案塑件翹曲變形分布

3.2 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)分析

鑒于對(duì)初始方案設(shè)計(jì)分析，需要對(duì)冷卻系統(tǒng)作進(jìn)一步改進(jìn)，由于初始冷卻方案在定模型腔冷卻能力較差，定模大端凹處不僅是熱負(fù)荷重的地方，而且是產(chǎn)品壁厚最大的地方，因此需要加強(qiáng)冷卻，把直通式的冷卻水道改成部分下沉式冷卻水道，如圖8所示，圖8中冷卻水經(jīng)過(guò)定模型腔時(shí)候更加接近輪軸蓋端面部位，解決冷卻系統(tǒng)對(duì)厚壁處的冷卻不足的問(wèn)題。另外為了成型輪軸蓋的卡扣以及方便產(chǎn)品脫模，動(dòng)模的成型結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)側(cè)抽或者斜頂機(jī)構(gòu)，初始冷卻方案冷卻水路直接從產(chǎn)品底下通過(guò)，雖然有利于產(chǎn)品的冷卻，有利于水路的開(kāi)設(shè)制造，但是增加了模具成型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，增加了成型零件與冷卻水道相互隔離密封問(wèn)題。從圖5、圖6、圖7可以看出動(dòng)模部分的冷卻對(duì)象主要是輪軸蓋的卡扣部分，無(wú)論是冷卻速度還是冷卻能力都足夠滿足要求，因此提出把動(dòng)模部分的冷卻水路往外移，避開(kāi)動(dòng)模型芯、側(cè)抽機(jī)構(gòu)等成型零件，如圖8所示。

圖8 冷卻水道設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

改進(jìn)方案對(duì)注塑工藝參數(shù)設(shè)定不做改變，冷卻水道物理參數(shù)也不做變化，冷卻水道與產(chǎn)品成型表面距離仍為15 mm，直徑改為10 mm，定模外部用冷卻軟管連接，動(dòng)模冷卻水道直接開(kāi)設(shè)在動(dòng)模板上，再次進(jìn)行MPI/Fill-Flow-Cool-Warp模流分析，分析結(jié)果如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 改進(jìn)方案模具溫度

圖10 改進(jìn)方案塑件頂出溫度時(shí)間

圖9為改進(jìn)方案后模具溫度分布，模具溫度范圍為34.91℃～49.76℃，最高溫度由64.10℃下降到49.76℃，降幅約15℃，原來(lái)熱負(fù)荷較重的輪軸蓋端面區(qū)域的溫度大大降低，明顯低于設(shè)置的目標(biāo)模具溫度60℃，縮短了冷卻定型時(shí)間。從圖中還可以看出，模具最低溫度為34.91℃，比原始方案略有提高，卡扣部位的冷卻速度比原始方案略有下降，這是由于冷卻水道向模具型芯外部移動(dòng)的結(jié)果，但總體上模具溫度分布范圍變小，有利于減小冷熱不均帶來(lái)的翹曲變形，因此改進(jìn)方案后的對(duì)產(chǎn)品的冷卻效果更佳。

圖10為改進(jìn)方案后的塑件頂出溫度時(shí)間，相對(duì)原方案頂出時(shí)間提早了約3 s，產(chǎn)品冷卻時(shí)間跨度范圍從18.99 s縮小到15.3 s，冷卻均勻性更佳。從圖中可以看出，只有輪軸蓋端面臺(tái)階凸緣部分需要達(dá)到18 s后才可以達(dá)到頂出溫度時(shí)間，而大部分區(qū)域不到10 s就可以進(jìn)行頂出脫模，與原方案類似。

圖11為改進(jìn)方案后塑件翹曲變形分布，最大變形量由原始方案的0.248 3 mm下降到0.219 6 mm，翹曲變形量減少0.027 8 mm，尤其是卡扣部位有了11.55%變化量，翹曲變形量下降比較明顯。由于改進(jìn)后的冷卻水道，靠近熱負(fù)荷重的地方，偏離熱負(fù)荷小的區(qū)域，依據(jù)不同的熱負(fù)荷狀態(tài)，彈性的調(diào)整冷卻水道的配置，使得模具表面溫度分布差值減小，并且產(chǎn)品的冷卻均勻性也優(yōu)于原始方案，因此由模具溫度不同和冷卻不均引起的翹曲得到了改善。

圖11 改進(jìn)方案塑件翹曲變形分布

4 結(jié)語(yǔ)

在此以汽車輪軸蓋塑件為例，運(yùn)用CAE技術(shù)構(gòu)建了數(shù)值分析模型，重點(diǎn)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行比較分析，并以注塑成型中模具溫度分布、塑件頂出溫度時(shí)間、塑件翹曲變形為特性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足之處，并依據(jù)不同的熱負(fù)荷狀態(tài)、成型結(jié)構(gòu)加工工藝特征、型腔表面溫度均勻性、頂出時(shí)間等方面需求，進(jìn)行彈性的調(diào)整冷卻水道配置，并篩選出適當(dāng)?shù)睦鋮s水道設(shè)計(jì)。最后應(yīng)用改進(jìn)優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行注塑生產(chǎn)，獲得的產(chǎn)品表面質(zhì)量好、形狀尺寸精度符合要求，因此利用CAE技術(shù)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的方法可靠有效，對(duì)注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，具備一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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Optimization of Cooling System for Injection Molding Product Based on CAE

CHEN Chong
（Fujian Technician College，F(xiàn)uzhou350101，China）

The design proposal for a cooling system is critical for molding quality，molding cycle and production efficiency of products in the course of plastic injection molding.Based on theory of cooling in injection molding，deficiencies of the design of the cooling system are obtained by analyzing numerical simulation of molding injection molded plastic part of automobile wheel hub cap by CAE technology，with temperature distribution of a mould，part temperature at ejection，ejection time and warping deformation of parts during plastic injection molding as indices of cooling performances，while the cooling systems are compared，improved and optimized.Practices prove that the product quality conforms to requirements，and the optimization method for a cooling system is reliable and effective，which has certain referential value for structural design of plastic injection moulds.

CAE technology；injection molding；Moldflow；cooling system；optimization design

TG76

：B

：1009－9492(2014)11－0065－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.018

陳 沖，男，1981年生，福建福州人，大學(xué)本科。研究領(lǐng)域：塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)。

(編輯：向 飛)

*福建省教育廳A類科技項(xiàng)目（編號(hào)：JA13323）

2014－05－09