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Moldflow冷卻分析技術(shù)

概述

注塑模冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞是模具設(shè)計(jì)成功與否的一個(gè)關(guān)鍵因素，它直接影響塑料制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。在注塑成型過程中，塑料制品在型腔中的冷卻時(shí)間要占整個(gè)成型周期的70%~80%，而且冷卻的速度和均勻性直接影響制品的性能。如果冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理的話，會(huì)造成生產(chǎn)周期過長(zhǎng)，成本過高，另一方面，不均勻的冷卻效果也會(huì)造成產(chǎn)品因熱應(yīng)力而產(chǎn)生翹曲變形，從而影響產(chǎn)品品質(zhì)。

一． 冷卻分析技術(shù)的作用

衡量模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)好壞的標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)：一是是制品冷卻時(shí)間最短；二是使制品的各個(gè)部位均勻冷卻。影響冷卻系統(tǒng)的因素很多，除了塑料制品的幾何形狀、冷卻介質(zhì)、流量、溫度、冷卻水路的布置、模具材料、塑料熔體溫度、模具溫度、塑料頂出溫度外，還涉及到塑料與模具之間的非穩(wěn)態(tài)熱循環(huán)交互作用。

用實(shí)驗(yàn)的方法來測(cè)試不同的冷卻系統(tǒng)對(duì)冷卻時(shí)間和制品質(zhì)量的影響是相當(dāng)困難的，也是不現(xiàn)實(shí)的。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)多以經(jīng)驗(yàn)為主，往往無法將冷卻系統(tǒng)優(yōu)化，以進(jìn)行均勻而有效的冷卻，結(jié)果造成成型周期過長(zhǎng)，并可能使產(chǎn)品冷卻不均而導(dǎo)致翹曲變形。計(jì)算機(jī)分析與模擬則是完成這種預(yù)測(cè)的最佳方法。Moldflow可以對(duì)冷卻系統(tǒng)作優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過分析冷卻系統(tǒng)對(duì)流動(dòng)過程的影響，優(yōu)化冷卻管道的布局和邊界條件，從而產(chǎn)生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本。

二． 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1． 注塑模的熱傳輸

在注塑成型過程中，存在四種基本的熱傳輸方式：強(qiáng)制對(duì)流、自然對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射。注塑模熱量的輸入和輸出如圖1所示。由塑料帶入注塑模的熱量，其中80%~95%通過模具金屬傳導(dǎo)至冷卻水管壁，然后遣散到冷卻水管中去。傳導(dǎo)至注塑機(jī)模板的熱量和從模具表面對(duì)流出去的熱量?jī)H占總量的5%~15%，并不重要。輻射到周圍空間的熱量，只有當(dāng)模具溫度達(dá)到85℃以上時(shí)才考慮。在采用熱流道的情況下，也會(huì)向模具輸入熱量。在有些情況下，冷卻液的溫度大大高于環(huán)境溫度，此時(shí)冷卻液不是從模具吸收熱量，而是向模具輸入熱量。

圖1.注塑模熱量的輸入和輸出

2． 熱積聚

注塑模具中存在著熱積聚，這些熱積聚點(diǎn)會(huì)引起模具成型面溫度的變化，使塑件冷卻不均而翹曲。產(chǎn)生熱積聚的原因有兩個(gè)：一個(gè)是注入模具的塑料的不規(guī)則流動(dòng)，引起熱負(fù)荷的變化，這往往是由于不適當(dāng)?shù)哪Σ翢峄蛘咚芗诤褚鸬淖兓硪粋€(gè)是模具的幾何形狀，如角落處等，在模具角落處區(qū)域冷卻得比較充分，而角落內(nèi)部冷卻不足，引起塑件冷卻不均。圖2 為模具角落熱積聚引起的變形。在這種情況下，模具型芯側(cè)會(huì)因?yàn)榻锹涞臒岱e聚而產(chǎn)生很陡的溫度梯度。

圖2 模具角落熱積聚及其變形

3． 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括冷卻水道的布置和冷卻參數(shù)（如冷卻液的溫度和壓力）的設(shè)置。

(1)物理尺寸及冷卻回路的

設(shè)置 冷卻系統(tǒng)的物理設(shè)計(jì)通常受到模具的幾何尺寸、分型面的位置、動(dòng)模及頂出桿等的限制，因此不可能給出嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則。對(duì)于等壁厚的簡(jiǎn)單制品，均勻的冷卻管道布置可獲得均勻的冷卻效果。然而大多數(shù)零件壁厚不一致，有的還設(shè)計(jì)了筋，常常會(huì)導(dǎo)致熱積聚，可使冷卻管道靠近壁較厚、有筋的區(qū)域，也可另加冷卻管道(Baffle 或bubbler 等)，如圖3 所示。

圖3 冷卻水管布置

冷卻水孔與型腔間的距離越遠(yuǎn)，模具成型面上的溫度越均勻，但冷卻水吸收的熱量越少，冷卻時(shí)間就越長(zhǎng)。一般情況下，冷卻水孔與型腔間的距離應(yīng)取冷卻水管直徑的2~3 倍。冷卻水從入口處流入冷卻水 管之后，沿途吸收模具熱量，水溫變得愈來愈高，這會(huì)逐漸降低冷卻能力，故冷卻管進(jìn)出口水的溫差越小越好，不超過3℃，如圖4 所示。

圖4 冷卻水管進(jìn)出口水的溫差

冷卻水管越長(zhǎng)，被冷卻的模具面積越大，因此，圖5 中(b)比(a)好，但冷卻水管越長(zhǎng)，管路上的壓力降越大，冷卻管進(jìn)出口水的溫差越大，可采用(c)。冷卻水管之間的最佳距離取決于冷卻水孔直徑和塑件的壁厚，如圖5 所示。

(2)特殊冷卻形式 某些特殊的冷卻形式，如圖6 所示，采用隔板式(Baffle)與噴管式(Bubbler)，可取得較好的冷卻效果。

圖6 隔板式與噴管式

(3)模具材料 采用高效傳導(dǎo)率的模具材料（如BeCu）可以增加熱傳輸量，特別是在無法布置冷卻管路的區(qū)域，采用這種材料可以改善冷卻效果。

(4)冷卻參數(shù) 冷卻參數(shù)主要包括冷卻液流量、冷卻管道的入口溫度、冷卻液在管路上的壓力降、冷卻液種類等。冷卻液流量應(yīng)大得使雷諾數(shù)大于10000，以保證產(chǎn)生紊流狀態(tài)。一般情況冷卻管道的入口溫度應(yīng)比所需模具溫度低10℃~30℃左右。冷卻液在管路上的壓力降取決于冷卻管道的長(zhǎng)度、直徑及流體流動(dòng)的速度。冷卻液種類自來水、冷卻機(jī)產(chǎn)生的冷水、加了防凍劑的水和油等。

(5)冷卻線路類型 冷卻線路類型通常分為并聯(lián)與串聯(lián)，如圖7 所示。

圖7 冷卻線路類型

三．Moldflow應(yīng)用實(shí)例

制品為一電腦面板，一模一腔，塑料為ABS，采用Moldflow 的Cool 模塊作冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)行均勻而有效的冷卻，縮短成型周期，降低翹曲變形。

1． 冷卻水管布置

冷卻水管布置如圖8 所示。

圖8 冷卻水管布置圖

2．輸入工藝條件

根據(jù)工藝要求選擇材料ABS，熔體溫度為240℃，模具溫度為60℃，注射時(shí)間為2.2s。

3. 分析計(jì)算

(1) 原始方案 圖9 顯示了型腔的冷卻效果。圓圈處區(qū)域的溫度較高，而上下的溫差也較大。

圖9 制品上下表面溫差分布

在制件的頂部會(huì)發(fā)生熱積聚，這是導(dǎo)致熱彎曲的主要原因，因此我們必須修改冷卻水管或模具結(jié)構(gòu)。在17s 內(nèi)，塑料已完全冷卻，但流道系統(tǒng)冷卻50s 后還不到45%。厚流道需要更多的時(shí)間才能達(dá)到超過60%的冷卻，為便于開模，我們必須減少流道的尺寸才能縮短冷卻時(shí)間。圖10 顯示了冷卻50s 是的凝固率。

圖10 制品50s 時(shí)凝固率分布

(2) 修改方案 如圖11 所示，在制件的頂部，增加一個(gè)冷卻鑲塊，其材料為Be-Cu，使該區(qū)溫度降低并均勻分布。這樣制品的頂部冷卻效果較好，溫度分布比原始方案均勻。圖案12 是修改后型腔的冷卻效果圖，較原方案有明顯改善。圖13 是修改方案在冷卻19.8s后的制品凝固率。結(jié)果顯示，冷卻19.8s制品已完全凝固，流道也凝固了60%，所以冷卻19.8s 即可開模，冷卻循序循環(huán)時(shí)間大大縮短了。

圖11 在制品頂部加一冷卻鑲塊

圖12 制品上下表面溫差分布

四．2012 新功能:瞬態(tài)冷卻分析(Transient Cool)

分析模具幾何的體網(wǎng)格（四面體），可用于才或穩(wěn)態(tài)模溫的計(jì)算

產(chǎn)品網(wǎng)格與模具網(wǎng)格必須是3D 網(wǎng)格

- 可模擬模具溫度在整個(gè)周期內(nèi)的變化
- 可獲得更準(zhǔn)確的充填樣式（壁厚差異較大的產(chǎn)品）
- 可得到更準(zhǔn)確地翹曲結(jié)果
- Cool(穩(wěn)態(tài))與Cool(瞬態(tài)FEM)分析比較

穩(wěn)態(tài)分析，整個(gè)成型周期模具溫度是一平均值，而瞬態(tài)分析模具溫度是變化的。

瞬態(tài)分析可以記錄從產(chǎn)品注塑開始到穩(wěn)定狀態(tài)的模具溫度分布以及一個(gè)穩(wěn)定成型周期內(nèi)的模溫瞬態(tài)變化。

- 瞬態(tài)模具溫度分布及瞬態(tài)冷卻液溫度

- 瞬態(tài)注件溫度和冷卻管道溫度結(jié)果也可得到

五．結(jié)論

通過Moldflow 冷卻分析模塊的分析，可以優(yōu)化模具設(shè)計(jì)方案的冷卻系統(tǒng)，包括：冷卻管道的數(shù)量、位置、尺寸大小以及冷卻過程中的各項(xiàng)參數(shù)等。優(yōu)化后的方案可以減少動(dòng)、定模溫差，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率。