基于Moldflow的肥皂盒蓋隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)與分析

薄少軍，戴良振

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 前言

在進(jìn)行塑件注塑成型時(shí)，注塑模具冷卻系統(tǒng)的核心部分是開(kāi)設(shè)在型腔周?chē)睦鋮s系統(tǒng)。從整個(gè)注塑成型的周期來(lái)看，模內(nèi)冷卻時(shí)間占整個(gè)注塑周期的 3/4 以上[1]，因此要提高生產(chǎn)效率，就要盡可能的減少冷卻時(shí)間。合理的冷卻水道布局設(shè)計(jì)是提高冷卻效率的一個(gè)有效的切入點(diǎn)。傳統(tǒng)線性冷卻水道(traditional linear cooling channel，TLCC)通過(guò)鉆孔手段只能加工成簡(jiǎn)單的直孔，當(dāng)注塑件形狀復(fù)雜時(shí)，因加工受限，導(dǎo)致冷卻效果不理想，并由于冷卻不均勻而產(chǎn)生翹曲變形等缺陷，降低了塑件尺寸精度。隨形冷卻水道(conformal cooling channels，CCC)是指隨著注塑模型腔變化而改變的冷卻水道[2]，水道與型腔壁的距離始終保持一致。隨行冷卻水道不受傳統(tǒng)加工方法的限制，避免了由于冷卻水道距離型腔表面距離不一致導(dǎo)致的冷卻不均勻的問(wèn)題。本文在MPI/Cool環(huán)境下對(duì)曲面體零件肥皂盒蓋進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比隨形冷卻水道與傳統(tǒng)冷卻水道這兩種不同的冷卻方案，得出隨形冷卻水道有著更高的冷卻效率，顯著地縮短了注塑件的制造周期。

1 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵守以下原則。

(1)要優(yōu)先考慮冷卻管道的位置，冷卻系統(tǒng)的布置要先于脫模機(jī)構(gòu)。同時(shí)在確定冷卻管道密度時(shí)，還要考慮到模具的強(qiáng)度和變形問(wèn)題，便于后期的校核。

(2)供以足夠的水壓以保證管道冷卻水湍流狀態(tài)的流速和流量，即Re>2 300，Re最好能在104以上，這時(shí)散熱效果最好。

(3)冷卻管道直徑太小其加工困難，直徑過(guò)大又會(huì)造成冷卻水成層流狀態(tài)，降低冷卻性能。一般取直徑d=8～25 mm[3]。

(4)為保證冷卻效果的均勻度，冷卻水道與模具型腔表面的距離應(yīng)盡量保持一致。一般冷卻管道中心線與型腔壁的距離應(yīng)為冷卻管道直徑的1～2倍。冷卻管道中心距約為管道直徑的3～5倍[4]。

(5)冷卻水路出入口溫差應(yīng)盡量小。因?yàn)槔鋮s液在出入口處的溫差越小越有利于保證冷卻的均勻性。一般情況下溫差應(yīng)控制在5 ℃以下。

2 冷卻模擬前的處理

2.1 零件分析

以圖1所示的曲面塑件產(chǎn)品肥皂盒蓋為例進(jìn)行分析。該曲面塑件長(zhǎng)度約164 mm，寬度80 mm，壁厚2.2 mm。總體積為75.029 cm3。注塑材料為PC/ABS。采用一模二腔的模具結(jié)構(gòu)，使用側(cè)澆口式的澆注系統(tǒng)。

2.2 網(wǎng)格劃分處理

該塑件的壁厚為2.2 mm，屬于薄壁實(shí)體類(lèi)零件。選取劃分網(wǎng)格的類(lèi)型為雙層面網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格邊長(zhǎng)為制品厚度的1.5倍，以保證分析精度。在劃分網(wǎng)格后，需進(jìn)行網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)分析，利用網(wǎng)格處理工具進(jìn)行修正，降低網(wǎng)格中的最大縱橫比，使之最大縱橫比不超過(guò)6[5]。處理之后的上、下表面的網(wǎng)格匹配百分比達(dá)到95.4%，符合Moldflow軟件分析的前處理要求。

圖1 塑件立體模型

2.3 工藝參數(shù)

此實(shí)例其主要的注射成型工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要工藝參數(shù)設(shè)置

3 冷卻系統(tǒng)的分析

3.1 提出冷卻回路方案

為了研究不同冷卻水道形式對(duì)冷卻效果和模擬結(jié)果的影響，利用Pro/E軟件建立三種不同冷卻水道布局的模型。

方案一：X方向循環(huán)式冷卻管道布置，管道直徑為8 mm，平行布置8根，冷卻管道中心線間距離為30 mm，距離型腔表面距離為15 mm。如圖2(a)所示。

方案二：Y方向循環(huán)式冷卻管道布置，平行布置6根，其余參數(shù)與方案一相同, 如圖2(b)所示。

方案三：隨形冷卻管道布置是根據(jù)塑件自身的形狀特點(diǎn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)，以管道中心到塑件表面的距離相等為基本原則[6]，參數(shù)與方案一相同。如圖2(c)所示。

(a) X方向冷卻水道

(b) Y方向冷卻水道

(c) 隨形冷卻水道

3.2 模擬結(jié)果及分析

從圖3中可以看出，傳統(tǒng)X方向冷卻水道和Y方向的最高溫度幾乎一樣，為64.16 ℃和64.37 ℃，而隨形冷卻水道的最高溫度為52.99 ℃。由此可見(jiàn)，隨形冷卻水道的冷卻效果最好。

(a) X方向

(c) 隨形冷卻

眾所周知，減少冷卻時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的主要方式。從圖4中可以看出，傳統(tǒng)X方向冷卻水道的制品成型周期為28.34 s；傳統(tǒng)Y方向冷卻水道的制品成型周期為28.09 s；隨形冷卻水道的制品成型周期為27.60 s；由此可以看出隨形冷卻水道的比傳統(tǒng)水道的冷卻時(shí)間要少，生產(chǎn)效率得到提高。

(a) X方向

(b) Y方向

(c) 隨形冷卻

由圖5可以看出，傳統(tǒng)X方向冷卻水道的冷卻結(jié)果，其制品的翹曲變形量為0.683 8 mm；傳統(tǒng)Y方向冷卻水道的冷卻結(jié)果，其制品的翹曲變形量為0.690 0 mm；隨行冷卻水道的冷卻結(jié)果，其制品的翹曲變形為0.560 2 mm。由此可知，在隨行冷卻水道的排列方式下，制品的翹曲變形量最小，即制品在隨形冷卻方案中的冷卻效果最好，提高了塑件的質(zhì)量。

(a) X方向

(b) Y方向

(c) 隨形冷卻

對(duì)于上述曲面體制品，由于隨形冷卻水道以均勻的距離依附在型腔型芯的表面，解決了傳統(tǒng)直通式冷卻水道型腔表面各部分與冷卻管道的距離不相等的問(wèn)題。根據(jù)以上的分析，可知隨形冷卻水道不僅縮短了制品的成型周期，提高了生產(chǎn)效率，而且對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量還有影響，通過(guò)對(duì)翹曲變形的分析，制品的尺寸精度也得到了提高。

4 成型窗口分析

4.1 質(zhì)量(成型窗口)分析

為確定合理的注塑成型工藝參數(shù)，可根據(jù)質(zhì)量(成型窗口)分析最佳參數(shù)組合，并重新進(jìn)行注塑模擬分析[7]。在質(zhì)量(成型窗口)分析完成之后，在分析日志中可查到，最大設(shè)計(jì)注射壓力為180 MPa，推薦的模具溫度89.89 ℃，推薦的熔體溫度為271.85 ℃，推薦的注射時(shí)間為1.086 s。如圖6所示，橫軸X代表注射時(shí)間，縱軸Y代表制品可達(dá)到的最高成型質(zhì)量。

圖6 質(zhì)量(成型窗口)XY圖

根據(jù)其結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)，設(shè)置模具溫度為89.89 ℃，熔體溫度為271.85 ℃，控制注射壓力在150 MPa；采用冷卻介質(zhì)為水(純)#2，溫度為25 ℃，其余的參數(shù)均采用默認(rèn)值。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

初步模擬結(jié)果和優(yōu)化模擬結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 初步模擬結(jié)果和優(yōu)化模擬結(jié)果

在優(yōu)化分析結(jié)果中，從氣穴來(lái)看，氣穴的數(shù)量比初步的模擬相對(duì)來(lái)說(shuō)有所減少，這是因?yàn)槲挥诜中兔嫔系臍馀莺苋菀淄ㄟ^(guò)分型面排出；熔接痕的數(shù)量也有所下降。引起翹曲變形的主要原因是冷卻不均，通過(guò)參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)翹曲變形量也有所減少，說(shuō)明冷卻效果得到了提高，更趨于均勻。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)曲面體塑件肥皂盒蓋的冷卻進(jìn)行分析，根據(jù)其形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于其形狀而變化的隨行冷卻水道，并且與傳統(tǒng)線性X型冷卻水道和Y型冷卻水道進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)于傳統(tǒng)線性冷卻水道而言，型腔壁與冷卻管道的距離不相等，致使塑件的各部位冷卻不均勻，不僅導(dǎo)致冷卻時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，而且產(chǎn)生翹曲變形，降低了塑件尺寸精度。由于隨行冷卻水道的管道中心到塑件表面的距離相等，因而形成了對(duì)制品的熱包絡(luò)區(qū)，所以對(duì)制品的冷卻均勻度具有一定的控制力，對(duì)傳統(tǒng)線性冷卻水道所顯現(xiàn)出的問(wèn)題有所改善和提高。最后通過(guò)Moldflow軟件進(jìn)行質(zhì)量(成型窗口)分析，得到最佳的參數(shù)組合，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化工藝參數(shù)，使得制品的質(zhì)量得到部分提高。

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