CAE技术在塑料制品注射成型冷却系统中的应用并进行模拟分析

于都人

在注塑成型中，模具温度直接影响到塑件的质量（例如：翘曲变形、收缩率、耐应力开裂性）、熔体的充模能力、熔体的温度以及注塑成型的生产率。通过温度调节，保持适当的模具温度，可减小制品的变形、增强制品力学性能、改善制品的表面质量、提高制品尺寸精度；同时，缩短占整个注射循环周期约80％的冷却时间，这将有利于提高注塑成型的生产率。因此，分析并优化设计注塑成型模具的冷却系统，在一定程度上有利于塑件质量的提高和生产成本的降低。
1  影响冷却系统的因素
8 I/ H1 U( R6 c8 H, m$ c) p7 Z影响注塑模冷却系统的因素很多。如塑件的结构形状和分型面的设计，冷却介质的种类、温度、流速，冷却管道的几何参数及空间布置，模具材料，熔体温度，塑件要求的顶出温度，模具温度，塑件和模具问的热循环交互作用，冷却时间等。例如，提高模具温度会增加制件的冷却时间、增大制件收缩率和脱模后的翘曲，制件成型周期也会因为冷却时间的增加而延长，降低生产率；另一方面，降低模具温度，虽然能够缩短冷却时间、提高生产率，但是，这将会降低熔体在模腔内的流动能力，并导致制件产生较大的内应力或者形成明显的熔接线痕等制件缺陷。冷却时间的长短决定了制件脱模时的温度和成型周期的长短，直接影响产品成本及质量的高低。
0 c# u0 A3 ?1 ^  J( T( B( l基于以上多方面因素的分析，并考虑MPI/Cool提供了对冷却管道（包括隔板管、喷流管、连接软管）、镶块、多种模具材料、冷流道和热流道、分型面及模具边界对模具和制品温度的冷却模拟分析的功能，这些都为优化设计冷却系统提供了可靠的依据。
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" c; I  z8 O! p% W2  注塑模的冷却分析
6 y3 U$ L7 I) `& @8 v) ?2.1模型的建立及成型工艺参数的预置
8 N# i0 w6 @9 O( i- u& U碗橱上盖大小为500mm×480mm×250mm，整个产品的厚度均为3mm。     首先应用PROE获得碗橱上盖产品的三维模型，并以*.stl的文件格式导入Moldflow中。然后对制件以Fusion的格式进行网格划分并利用有限元方法的相关软件进行有限元修复，最终获得的参数如下：面单元数=11185，节点数=5680，单元的匹配率=79.0％。
冷却分析的预置工艺参数如下：成型材料选择Polyflam Rpp1058-295（PP），模具温度50℃，熔体温度230℃，开模时间5秒，注塑保压冷却时问总和为30秒，填充控制、速度/压力控制转换为自动控制，保压控制为填充压力与时间关系，采用默认值。
冷却系统中，预置冷却管道的布局，依据塑件结构预置3根冷却管道，冷却管道的直径为10mm；冷却介质为水，其温度为25℃，流率2.54L/min；人口雷诺系数为10000；模拟分析流程为Cool模式。
2.2冷却分析
3 N% s! {/ e  @冷却分析是用来分析模具内的热传递，主要包含塑件和模具的温度、冷却时间等。决定冷却系统性能优劣的因素如下：树脂熔体对模具的热传导速率；整个模具中从塑料熔体/金属界面到金属/冷却剂界面的热传导速率；从金属/冷却剂界面到冷却剂的传导速率。即热传递性能决定了冷却系统的性能，其中影响塑料熔体到模具壁的热传递速率的因素有：熔体的材料性能，如比热、热传导能力；熔体与模壁之间的温度梯度；熔体和模具之间的接触性能。
MPI/Cool通过对模具、制品、冷却系统的传热分析，为用户提供了丰富的模拟分析结果：
（1）冷却时间。为保证制品在脱模时有足够的强度，以防止脱模后发生变形，要确定合适的冷却时间；MPI/cool能够计算制品完全固化或用户设定的固化百分比所需要的冷却时间。
% x6 A" |: `  ?1 i9 N" S（2）型腔表面的温度分布。型腔表面温度对制品质量具有重要影响。MPI/Cool能够模拟注射周期的型腔表面温度分布，帮助工艺人员确定模具温度的均匀程度及是否达到材料所要求的模具温度。对于中性面模型，MPI/Cool还可以计算制品两个侧面的温度落差。
（3）制品厚度方向的温度分布。制品在顶出时刻的温度是确定冷却时间是否合理的重要因素。如果温度过高，则需加强冷却或适当延长冷却时间；而温度过低，说明冷却时间太长。MPI／Cool能够预测制品在顶出时刻沿厚度方向不同位置的温度分布，最高温度在厚度方向的位置，沿厚度方向的平均温度以及某一单元温度沿厚度方向的变化。
* O( a5 _) {) X! x2 e（4）制品的固化时间。依据模具表面的温度预测制品完全固化所需要的时间。
) k* m. V7 H; D" s（5）冷却介质的温度分布及冷却管道表面的温度分布。冷却介质的温度变化、冷却管道表面与冷却介质间的温度差是决定冷却是否有效的重要依据。
图1是第一次冷却模拟分析的部分结果。其中（a）显示了制件的表面温度分布状态；图（b）显示了制件的表面温度分布状态；图（c）显示了制件固化所需的总时间；图（d）显示了冷却管分布状态――即冷却剂的温度。
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图1 冷却模拟分析结果
3  冷却模拟分析结果及其改进的结果
根据上面的模拟分析结果，如图1中（a）所示，可以看出冷却管道并没有实现期待的冷却效果，仅在冷却管道的周围区域冷却效果比较理想，其余的区域温度比较高，并且在模型个别的边角温度过高．所以预置的冷却管的参数及其布局对其进行冷却的效果不理想。从图1中的（b）图可以看出制件的平均温度的结果略好于制件表面温度结果。但是同样反映出了冷却力度不够的缺陷；从图1的（d）图中可以看出冷却剂的入口与出口温度的落差差达到了6℃，说明冷却管道不能满足制件冷却需要，冷却系统的冷却能力有待提高。
, t2 Q% x1 p2 \* e1 O& [/ r# Q( n5 _根据初步分析结果对冷却管道的数目和布局进行了修改。通过多次类似的反复分析、比较、修改之后：冷却管道的数目由第一次的3个管道增加为9个。在温度较高的区域增加了冷却管道，并优化了管道布局。同时，将冷却管道的直径由原来的10mm增大到12mm，冷却剂的人口温度从原来的25℃降低到23℃。修改后的设置，见图2所示，再进行MPI/Cool的流程模拟分析。改进后的结果达到了预期的效果，如图2所示。其中，图（a）显示制件的表面温度有所改善，图 （d）显示冷却剂的入口与出口温度的落差差异有所减小。
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图2 改进后冷却模拟分析的结果
" c$ U0 _- O4 l) X, k4  结论
# v3 t' I3 ^/ m& A本文通过实例具体模拟分析了影响注射成型冷却系统的各种因素，并根据动态模拟分析的各种结果提出了相应的改进方案。结果表明：优化后的注射模的冷却系统达到了预期的冷却效果，同时缩短了模具的设计周期并给合作厂家带来了明显的经济效益。

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