前言

    在注塑成型中，模具溫度直接影響到塑件的質(zhì)量(例如：翹曲變形、收縮率、耐應(yīng)力開裂性)、熔體的充模能力、熔體的溫度以及注塑成型的生產(chǎn)率。通過(guò)溫度調(diào)節(jié)，保持適當(dāng)?shù)哪＞邷囟龋蓽p小制品的變形、增強(qiáng)制品力學(xué)性能、改善制品的表面質(zhì)量、提高制品尺寸精度；同時(shí)，縮短占整個(gè)注射循環(huán)周期約80％的冷卻時(shí)間，這將有利于提高注塑成型的生產(chǎn)率。因此，分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)注塑成型模具的冷卻系統(tǒng)，在一定程度上有利于塑件質(zhì)量的提高和生產(chǎn)成本的降低。

1  影響冷卻系統(tǒng)的因素

    影響注塑模冷卻系統(tǒng)的因素很多。如塑件的結(jié)構(gòu)形狀和分型面的設(shè)計(jì)，冷卻介質(zhì)的種類、溫度、流速，冷卻管道的幾何參數(shù)及空間布置，模具材料，熔體溫度，塑件要求的頂出溫度，模具溫度，塑件和模具問(wèn)的熱循環(huán)交互作用，冷卻時(shí)間等。例如，提高模具溫度會(huì)增加制件的冷卻時(shí)間、增大制件收縮率和脫模后的翹曲，制件成型周期也會(huì)因?yàn)槔鋮s時(shí)間的增加而延長(zhǎng)，降低生產(chǎn)率；另一方面，降低模具溫度，雖然能夠縮短冷卻時(shí)間、提高生產(chǎn)率，但是，這將會(huì)降低熔體在模腔內(nèi)的流動(dòng)能力，并導(dǎo)致制件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力或者形成明顯的熔接線痕等制件缺陷。冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短決定了制件脫模時(shí)的溫度和成型周期的長(zhǎng)短，直接影響產(chǎn)品成本及質(zhì)量的高低。

    基于以上多方面因素的分析，并考慮MPI/Cool提供了對(duì)冷卻管道(包括隔板管、噴流管、連接軟管)、鑲塊、多種模具材料、冷流道和熱流道、分型面及模具邊界對(duì)模具和制品溫度的冷卻模擬分析的功能，這些都為優(yōu)化設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)提供了可靠的依據(jù)。

2  注塑模的冷卻分析

2.1模型的建立及成型工藝參數(shù)的預(yù)置

    碗櫥上蓋大小為500mm×480mm×250mm，整個(gè)產(chǎn)品的厚度均為3mm。

    首先應(yīng)用PROE獲得碗櫥上蓋產(chǎn)品的三維模型，并以*.stl的文件格式導(dǎo)入Moldflow中。然后對(duì)制件以Fusion的格式進(jìn)行網(wǎng)格劃分并利用有限元方法的相關(guān)軟件進(jìn)行有限元修復(fù)，最終獲得的參數(shù)如下：面單元數(shù)=11185，節(jié)點(diǎn)數(shù)=5680，單元的匹配率=79.0％。

    冷卻分析的預(yù)置工藝參數(shù)如下：成型材料選擇Polyflam Rpp1058-295(PP)，模具溫度50℃，熔體溫度230℃，開模時(shí)間5秒，注塑保壓冷卻時(shí)問(wèn)總和為30秒，填充控制、速度/壓力控制轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制，保壓控制為填充壓力與時(shí)間關(guān)系，采用默認(rèn)值。

    冷卻系統(tǒng)中，預(yù)置冷卻管道的布局，依據(jù)塑件結(jié)構(gòu)預(yù)置3根冷卻管道，冷卻管道的直徑為10mm；冷卻介質(zhì)為水，其溫度為25℃，流率2.54L/min；人口雷諾系數(shù)為10000；模擬分析流程為Cool模式。

2.2冷卻分析

    冷卻分析是用來(lái)分析模具內(nèi)的熱傳遞，主要包含塑件和模具的溫度、冷卻時(shí)間等。決定冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的因素如下：樹脂熔體對(duì)模具的熱傳導(dǎo)速率；整個(gè)模具中從塑料熔體/金屬界面到金屬/冷卻劑界面的熱傳導(dǎo)速率；從金屬/冷卻劑界面到冷卻劑的傳導(dǎo)速率。即熱傳遞性能決定了冷卻系統(tǒng)的性能，其中影響塑料熔體到模具壁的熱傳遞速率的因素有：熔體的材料性能，如比熱、熱傳導(dǎo)能力；熔體與模壁之間的溫度梯度；熔體和模具之間的接觸性能。

    MPI/Cool通過(guò)對(duì)模具、制品、冷卻系統(tǒng)的傳熱分析，為用戶提供了豐富的模擬分析結(jié)果：

    (1)冷卻時(shí)間。為保證制品在脫模時(shí)有足夠的強(qiáng)度，以防止脫模后發(fā)生變形，要確定合適的冷卻時(shí)間；MPI/cool能夠計(jì)算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(shí)間。

    (2)型腔表面的溫度分布。型腔表面溫度對(duì)制品質(zhì)量具有重要影響。MPI/Cool能夠模擬注射周期的型腔表面溫度分布，幫助工藝人員確定模具溫度的均勻程度及是否達(dá)到材料所要求的模具溫度。對(duì)于中性面模型，MPI/Cool還可以計(jì)算制品兩個(gè)側(cè)面的溫度落差。

    (3)制品厚度方向的溫度分布。制品在頂出時(shí)刻的溫度是確定冷卻時(shí)間是否合理的重要因素。如果溫度過(guò)高，則需加強(qiáng)冷卻或適當(dāng)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間；而溫度過(guò)低，說(shuō)明冷卻時(shí)間太長(zhǎng)。MPI／Cool能夠預(yù)測(cè)制品在頂出時(shí)刻沿厚度方向不同位置的溫度分布，最高溫度在厚度方向的位置，沿厚度方向的平均溫度以及某一單元溫度沿厚度方向的變化。

    (4)制品的固化時(shí)間。依據(jù)模具表面的溫度預(yù)測(cè)制品完全固化所需要的時(shí)間。

    (5)冷卻介質(zhì)的溫度分布及冷卻管道表面的溫度分布。冷卻介質(zhì)的溫度變化、冷卻管道表面與冷卻介質(zhì)間的溫度差是決定冷卻是否有效的重要依據(jù)。

    圖1是第一次冷卻模擬分析的部分結(jié)果。其中(a)顯示了制件的表面溫度分布狀態(tài)；圖(b)顯示了制件的表面溫度分布狀態(tài)；圖(c)顯示了制件固化所需的總時(shí)間；圖(d)顯示了冷卻管分布狀態(tài)――即冷卻劑的溫度。

圖1 冷卻模擬分析結(jié)果

3  冷卻模擬分析結(jié)果及其改進(jìn)的結(jié)果

    根據(jù)上面的模擬分析結(jié)果，如圖1中(a)所示，可以看出冷卻管道并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)期待的冷卻效果，僅在冷卻管道的周圍區(qū)域冷卻效果比較理想，其余的區(qū)域溫度比較高，并且在模型個(gè)別的邊角溫度過(guò)高．所以預(yù)置的冷卻管的參數(shù)及其布局對(duì)其進(jìn)行冷卻的效果不理想。從圖1中的(b)圖可以看出制件的平均溫度的結(jié)果略好于制件表面溫度結(jié)果。但是同樣反映出了冷卻力度不夠的缺陷；從圖1的(d)圖中可以看出冷卻劑的入口與出口溫度的落差差達(dá)到了6℃，說(shuō)明冷卻管道不能滿足制件冷卻需要，冷卻系統(tǒng)的冷卻能力有待提高。

    根據(jù)初步分析結(jié)果對(duì)冷卻管道的數(shù)目和布局進(jìn)行了修改。通過(guò)多次類似的反復(fù)分析、比較、修改之后：冷卻管道的數(shù)目由第一次的3個(gè)管道增加為9個(gè)。在溫度較高的區(qū)域增加了冷卻管道，并優(yōu)化了管道布局。同時(shí)，將冷卻管道的直徑由原來(lái)的10mm增大到12mm，冷卻劑的人口溫度從原來(lái)的25℃降低到23℃。修改后的設(shè)置，見圖2所示，再進(jìn)行MPI/Cool的流程模擬分析。改進(jìn)后的結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果，如圖2所示。其中，圖(a)顯示制件的表面溫度有所改善，圖 (d)顯示冷卻劑的入口與出口溫度的落差差異有所減小。

圖2 改進(jìn)后冷卻模擬分析的結(jié)果

4  結(jié)論

    本文通過(guò)實(shí)例具體模擬分析了影響注射成型冷卻系統(tǒng)的各種因素，并根據(jù)動(dòng)態(tài)模擬分析的各種結(jié)果提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。結(jié)果表明：優(yōu)化后的注射模的冷卻系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的冷卻效果，同時(shí)縮短了模具的設(shè)計(jì)周期并給合作廠家?guī)?lái)了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。