基于Moldflow 的塑料模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳桂華，劉玉敏

（漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 漯河 462000）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，塑料產(chǎn)業(yè)也飛快發(fā)展起來。塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同時(shí)要求塑料模具也要跟上發(fā)展需求，塑料產(chǎn)品的種類越來越多，精度越來越高，所以，模具制造的要求也越來越高。傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法是憑借經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，通過反復(fù)試模反復(fù)加工的，這顯然不能滿足塑料產(chǎn)品飛速發(fā)展的需求。為了縮短模具制造周期，降低模具制造成本，提高模具精度，人們也在不斷尋求新的模具設(shè)計(jì)方法。用計(jì)算機(jī)模擬塑料產(chǎn)品成型過程，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)能夠解決當(dāng)前模具設(shè)計(jì)中的問題。目前，功能比較強(qiáng)大的注射成型CAE 軟件Moldflow 廣泛用于注射成型行業(yè)。利用Moldflow 對(duì)塑料成型過程及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，可以為模具設(shè)計(jì)人員修改成型參數(shù)、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

1 塑件分析

該產(chǎn)品為洗衣機(jī)下面外殼部分,如圖1 所示。由使用環(huán)境決定使用環(huán)境溫度為室溫狀態(tài)，外觀產(chǎn)品要求表面光澤度要好，并且為了能承受裝配時(shí)的緊固力，產(chǎn)品應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng)度。考慮前面的因素，首先選用PP、ABS、LDPE 為洗衣機(jī)服務(wù)板的備選材料，最后具體選擇什么材料，還有必要對(duì)這三種材料的成型以及使用性能進(jìn)行比較。根據(jù)服務(wù)板精度要求確定各個(gè)性能的重要程度系數(shù)并進(jìn)行比較，最總確定用ABS 材料成型洗衣機(jī)服務(wù)板。

圖1 洗衣機(jī)服務(wù)板

模具溫度調(diào)節(jié)部分是模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是否合理直接決定了能否將模具成型和塑件脫模時(shí)的溫度、調(diào)節(jié)、控制在最佳范圍內(nèi)。塑料產(chǎn)品在成型過程中，成型周期中冷卻時(shí)間占80%，而且冷卻效果直接決定了塑料產(chǎn)品的合格率。

2 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 冷卻系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品成型過程中，我們要考慮一些參數(shù)的變化對(duì)成型的影響，其中溫度的控制決定著材料成型過程中的不同的物理狀態(tài)，對(duì)于成型溫度要求低的材料，開模時(shí)，為了縮短成型周期，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要布置冷卻管道以實(shí)現(xiàn)控制溫度。在考慮冷卻管道時(shí)，我們要考慮加工成本，為了節(jié)約成本，先使用單循環(huán)冷卻系統(tǒng)，用水循環(huán)來降低溫度，在模具固定的一側(cè)和移動(dòng)的一側(cè)加工直徑為10mm 的冷卻管道，每個(gè)管道之間的距離設(shè)為為40mm，數(shù)量設(shè)為12 個(gè)。模具固定部分冷卻回路沿洗衣機(jī)服務(wù)板表面形狀設(shè)置。如圖2 所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)

2.2 冷卻系統(tǒng)模流分析

為了準(zhǔn)確地知道塑料溶體在模具內(nèi)的熱量傳遞情況，優(yōu)化模具冷卻回路設(shè)置，縮短模具成型周期，提高生產(chǎn)效率以及塑件的成型質(zhì)量。Moldfolw 分析可以模擬塑件成型過程，分析產(chǎn)品定處溫度以及由于各種因素引起的變形量，根據(jù)分析結(jié)果修改方案，優(yōu)化結(jié)構(gòu)。服務(wù)板為洗外形件，平整度要好，下面對(duì)服務(wù)板成型過程和變形量進(jìn)行分析。

初步設(shè)置冷卻回路：（如圖3 所示）冷卻回路直徑設(shè)置為10，回路數(shù)目為12，不同回路之間間隔48mm，回路到服務(wù)板壁之間空24mm；模具溫度初次設(shè)定60℃，塑料熔體溫度設(shè)為225℃，成型周期設(shè)為30S；分析結(jié)果：循環(huán)回路入口到出口的溫度相差1.4℃，而允許介質(zhì)溫差是3℃；產(chǎn)品開模時(shí)推出時(shí)溫度為93.5℃，而允許產(chǎn)品開模推出溫度是89℃；從分析結(jié)果看，產(chǎn)品的總變形量是2.2mm，產(chǎn)生所用變形的因素中冷卻效果不均勻引起變形量有1.9mm；從這里可以看出，此次的變形主要是由冷卻系統(tǒng)不合理引起的。

在前面的基礎(chǔ)上改進(jìn)：塑料溶體在澆口處溫度比較高，所以冷卻介質(zhì)從靠近澆口的位置進(jìn)入管道，加強(qiáng)澆口處的冷卻效果，回路的個(gè)數(shù)和回路之間的距離不變；設(shè)置開模時(shí)的模具溫度為60℃，塑料熔體溫度為225℃，一次成型所用的時(shí)間設(shè)為25S。進(jìn)行分析得到這樣的結(jié)果：出口和入口的介質(zhì)溫度差為1.1℃，頂出溫度為86.5℃，總變形量1.49mm，如圖4 所示。

圖3 方案一冷卻回路布置

第二次改進(jìn)冷卻系統(tǒng)：從前面的分析可知，冷卻效果有所改進(jìn)，而總的變形量還是比較大；不但要在澆口的位置設(shè)置冷卻液入口，加強(qiáng)冷卻效果，還要調(diào)整回路到制品表面的距離，這里調(diào)整管道離制品壁距離為18mm；讓管道沿產(chǎn)品表面的形狀布置，表面溫度為60℃，熔體溫度為225℃，成型周期設(shè)為35S；分析結(jié)果：從制品頂出溫度（如圖5 所示分析結(jié)果）從圖中發(fā)現(xiàn)，出口冷卻介質(zhì)與入口冷卻介質(zhì)的溫度差降為1.0℃，許可的范圍為3℃所以在允許的范圍內(nèi)；服務(wù)板開模時(shí)的最高溫度為73℃，而允許溫度值89℃；依據(jù)這次的分析結(jié)果，總的變形量降為0.53mm，在所有的變形因素中因?yàn)槔鋮s引起的變形降到0.007mm，因?yàn)槭湛s而產(chǎn)生的變形為0.50，收縮還是引起變形的主要因素。

圖4 方案二 產(chǎn)品頂出溫度

圖5 制品頂出溫度

根據(jù)前面的方案修改和結(jié)果分析：

按照第一次設(shè)置的回路產(chǎn)品開模時(shí)的頂出溫度為93.5℃，超出了許可范圍，并且最大變形量高達(dá)2.2mm，達(dá)不到塑件的精度要求；第一次修改后，冷卻效果明顯提高，塑料產(chǎn)品的開模頂出溫度為80℃，雖然這一項(xiàng)滿足要求，但最大變形量為1.49mm，變形量太大；第二次修改冷卻回路結(jié)構(gòu)和參數(shù)后，塑料產(chǎn)品的開模頂出溫度為73℃，滿足要求，最大變形量為0.5mm，而有冷卻不均引起的變形量僅僅為0.007，這足以證明這種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較合理。

從前面的幾種冷卻系統(tǒng)設(shè)置方案分析結(jié)果看，第三種方案比較合理，但從塑件總體考慮，由收縮引起的變形量還不小，所以可以考慮在變形大的地方布置加強(qiáng)筋以減小變形量，進(jìn)一步優(yōu)化塑件質(zhì)量，實(shí)際生產(chǎn)過程證實(shí)了這一點(diǎn)。

3 結(jié)語

通過對(duì)該零件的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模流分析，減少了服務(wù)板成型時(shí)的翹曲變形，保證了產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性；模擬分析可以看出，塑件頂出溫度值也得到了優(yōu)化；將Moldflow 分析結(jié)果與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行比較，成型工藝參數(shù)基本接近，證實(shí)了模流分析的準(zhǔn)確性，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，降低了生產(chǎn)成本。