基于CAE技術注塑模冷卻系統優化設計*

陳沖

（福建技師學院，福建福州 350101）

基于CAE技術注塑模冷卻系統優化設計*

陳沖

（福建技師學院，福建福州 350101）

在塑料注塑成型過程中，冷卻系統的方案設計對產品的成型質量、成型周期以及生產效率起到了關鍵性作用。基于注塑成型冷卻理論，運用CAE技術對汽車輪軸蓋注塑件進行數值模擬成型分析，以成型過程中模具溫度、塑件頂出溫度時間和塑件翹曲變形分布為性能指標，獲取冷卻系統設計的不足之處，進行方案改進優化。實踐證明，冷卻系統優化方法可靠有效，產品質量符合要求，對注塑模具結構設計有一定的參考價值。

CAE技術；注塑模具；Moldflow；冷卻系統；優化設計

在二十世紀之前大部份的工業材料還是以金屬材料為主，但隨著高分子材料與工程技術的發展，塑膠材料制品隨處可見，應用相當廣泛，由于塑膠產品重量輕、成本低、成型性質佳、易于大量生產、且可回收再利，一直收到消費者的喜愛。塑料成型最具代表性的方法是注塑成型，可以應用于形狀復雜、高精度要求的塑膠產品，注塑成型包括三個重要階段：充填、保壓、冷卻，在實際生產上冷卻階段所占的時間是全部周期的三分之二以上，因此冷卻系統的設計非常關鍵，合適的冷卻系統使塑膠產品各個區域能均勻散熱，進一步縮小由于產品形狀結構不同帶來的溫度差，更重要的是可以有效地降低不均勻散熱所導致的翹曲現象，其次是減少成型周期及提高生產率[1～5]。因此如何獲得最佳的注塑成型模具冷卻系統，成為產品設計的重點，在此以汽車輪軸蓋注塑產品為例，通過運用CAE技術軟件Moldflow進行數值模擬流動成型分析，獲取不同的冷卻系統配置對產品質量的影響，尋求最佳的注塑成型模具冷卻系統，并為設計者提供理論參考。

1 產品造型和材料分析

圖1為汽車輪軸蓋塑件的3D模型，幾何尺寸為：52.4 mm×52.4 mm×19.15 mm，產品比較薄，壁厚約為2 mm，屬于短小薄件，在模具設計上可以采用一模多腔。使用的注塑原料為美國通用公司生產的PPE+PA6，比重約為1.1，在UL 94測試方法下阻燃性為1.6 mm，拉伸屈服點為59 MPa，斷裂點為60 MPa，彎曲強度為96 MPa，該料不但具有較好的物理和機械性能，而且熱性能表現也不錯，如材料熱變形強度為193℃，熱變形溫度143℃，維卡軟化點232℃[6～7]。另外，產品需要與汽車輪轂配合，因此對產品的卡扣質量要求較高，尤其是其翹曲變形量。

圖1 塑件3D模型

圖2 最佳澆口位置模擬分析

圖3 創建澆注系統

2 基于CAE技術創建分析模型

隨著計算機技術的不斷發展壯大，許多國家在塑膠模具設計與制造生產上開始大量應用CAE技術，在塑料成型流動分析領域最常用的是Mold?low，在此把三維模型導入軟件系統，再利用Fu?sion對產品進行網格劃分，必要時對網格進行修補，創建產品網格分析模型，然后通過Moldflow的Gate Location獲取最佳的澆口位置[8]，分析結果如圖2所示。從圖2中可以獲知澆口最好選擇在產品的中心，其次是外緣，最好不要選擇在卡扣部分。一般情況下輪軸蓋外表面需要用來標識其汽車銘牌或者車標，自然表面質量要求高，不允許出現澆口痕跡，反之內表面中心若作為進澆口，不但會使模具設計制造復雜，而且產品型芯不好開設冷卻水道，對產品的冷卻定型以及翹曲影響非常大，還會增加澆注系統的凝料取出難度，直接帶來成本提高。綜合考慮，取輪軸蓋內表面外緣作為進澆位置，由于輪軸蓋屬于短小薄件，在模具設計上可以采用一模多腔，為了保證成型精度，決定采用一模四腔及平衡式流道布局，如圖3所示。從圖3中可以看出，為了防止在開模時澆注部分留在澆口套內，采用了香蕉型有錐度的圓弧形點澆口，倒錐形的典型點澆口結構在開模時候，很容易與產品分開，然后再用設置在澆口下面的推出機構完成脫模。

3 冷卻系統優化設計

注塑模冷卻系統的設計沒有固定的模式和規則，冷卻系統設計主要包括模具冷卻方式、冷卻介質流道尺寸大小和位置等[9]。大多數塑膠產品生產企業，為了提高生產率和降低成本，一般注塑模采用冷卻方式為水冷，常用的冷卻介質為常溫水，但是如何確定冷卻水道大小數量與位置，并能提供良好的均勻散熱效果，是冷卻系統設計的關鍵。如果設計的冷卻水道太小，或者冷卻水道間隔太小，冷卻水道的散熱功能就不能很好發揮，就可能造成產品產生局部性不良缺陷，但是水管的直徑也不能過大，過大的直徑會使流速減慢，雷諾數降低，熱傳系數降低；如果設計的冷卻水道太多，不僅會增加模具制造成本，而且給其他模具結構設計制造帶來困難；如果設計的冷卻水道位置分布不恰當，就會導致模具型腔表面溫度分布狀態不均勻。對于此類問題，部分設計者采用平均對稱分配冷卻水道的方法來解決問題，但是如此做法必然給模具制造增加了許多費用，有時候還會忽略產品本身熱負荷集中區域的加強冷卻問題，導致事倍功半。

3.1 初始方案設計分析

在此根據汽車輪軸蓋塑件形狀及相關成型部件結構的考慮，初步設定冷卻系統如圖4所示。從圖4中可以看出，冷卻水道在產品成型型腔上下各開通直通式水道4條，分別冷卻定模型腔和動模型芯，外部用冷卻軟管連接，冷卻水道直徑為8 mm，冷卻水道與產品成型表面距離為15mm，冷卻水道間距為40 mm，并均勻的分布在注塑模具橫截面上。Moldflow在注射成型分析的形式有Fill、Flow、Cool、Warp、Stress等，對于注塑工藝參數的設定，有模具溫度、熔體溫度、注射速度、冷卻時間、保壓壓力及保壓時間等[10]。為了獲取產品成型質量的信息，在此進行MPI/ Fill-Flow-Cool-Warp模流分析，并采用Moldflow軟件內建數據庫與美國通用公司所提供的經驗數據建議值來選取注塑工藝參數，如選用熔體溫度260℃，模具溫度60℃，保壓壓力70 MPa，冷卻時間20 S，冷卻介質為水，溫度為20℃，入口冷卻水雷諾數為10 000，即紊流態。現根據影響冷卻系統的主要因素，列出部分重要模擬結果進行分析。

圖4 初始冷卻水道設計方案

圖5為初始冷卻方案模具溫度分布，由圖5中可知輪軸蓋卡扣部位的溫度冷卻較快，平均不到50℃，但是輪軸蓋端面內部的溫度偏高，即定模大端凹處溫度偏高，與模具平均溫度相比相差約12℃，也可以說明該區域凍結時間比較長。另外模具溫度分布范圍較寬，從40.81℃～64.10℃，最高模具溫度超出了設置的60℃，高出目標模具溫度，則需要更長的冷卻時間，由此可以看出，該冷卻系統對局部厚壁處的冷卻不足。

從料筒開始射出到型腔每個產品完成凝固所經歷的時間為頂出溫度的時間，圖6為初始方案塑件頂出溫度時間分布，最長約為21 s，從圖中可以看出，只有輪軸蓋端面臺階凸緣部分需要達到20 s后才可以頂出，而大部分區域不到10 s就可以進行頂出脫模，因此對于頂出溫度分布狀況來說，初始設計方案還是可行的。

由于產品需要與汽車輪轂配合，卡扣的翹曲變形量越小產品質量就越高，圖7為初始方案塑件翹曲變形分布狀況。從圖7中獲知產品最大翹曲變形量為0.248 3 mm，分布在卡扣的卡腳部位，最小翹曲變形量為0.029 3 mm，分布在輪軸蓋端面中心部分，變形量的變化幅度約為0.22 mm，雖然此變形量在產品誤差允許范圍內，但如果能進一步減小最大變形量，或者縮小變化范圍，則更有利于提高產品精度。

圖5 初始方案模具溫度

圖6 初始方案塑件頂出溫度時間

圖7 初始方案塑件翹曲變形分布

3.2 改進方案設計分析

鑒于對初始方案設計分析，需要對冷卻系統作進一步改進，由于初始冷卻方案在定模型腔冷卻能力較差，定模大端凹處不僅是熱負荷重的地方，而且是產品壁厚最大的地方，因此需要加強冷卻，把直通式的冷卻水道改成部分下沉式冷卻水道，如圖8所示，圖8中冷卻水經過定模型腔時候更加接近輪軸蓋端面部位，解決冷卻系統對厚壁處的冷卻不足的問題。另外為了成型輪軸蓋的卡扣以及方便產品脫模，動模的成型結構需要設計側抽或者斜頂機構，初始冷卻方案冷卻水路直接從產品底下通過，雖然有利于產品的冷卻，有利于水路的開設制造，但是增加了模具成型結構的設計難度，增加了成型零件與冷卻水道相互隔離密封問題。從圖5、圖6、圖7可以看出動模部分的冷卻對象主要是輪軸蓋的卡扣部分，無論是冷卻速度還是冷卻能力都足夠滿足要求，因此提出把動模部分的冷卻水路往外移，避開動模型芯、側抽機構等成型零件，如圖8所示。

圖8 冷卻水道設計改進方案

改進方案對注塑工藝參數設定不做改變，冷卻水道物理參數也不做變化，冷卻水道與產品成型表面距離仍為15 mm，直徑改為10 mm，定模外部用冷卻軟管連接，動模冷卻水道直接開設在動模板上，再次進行MPI/Fill-Flow-Cool-Warp模流分析，分析結果如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 改進方案模具溫度

圖10 改進方案塑件頂出溫度時間

圖9為改進方案后模具溫度分布，模具溫度范圍為34.91℃～49.76℃，最高溫度由64.10℃下降到49.76℃，降幅約15℃，原來熱負荷較重的輪軸蓋端面區域的溫度大大降低，明顯低于設置的目標模具溫度60℃，縮短了冷卻定型時間。從圖中還可以看出，模具最低溫度為34.91℃，比原始方案略有提高，卡扣部位的冷卻速度比原始方案略有下降，這是由于冷卻水道向模具型芯外部移動的結果，但總體上模具溫度分布范圍變小，有利于減小冷熱不均帶來的翹曲變形，因此改進方案后的對產品的冷卻效果更佳。

圖10為改進方案后的塑件頂出溫度時間，相對原方案頂出時間提早了約3 s，產品冷卻時間跨度范圍從18.99 s縮小到15.3 s，冷卻均勻性更佳。從圖中可以看出，只有輪軸蓋端面臺階凸緣部分需要達到18 s后才可以達到頂出溫度時間，而大部分區域不到10 s就可以進行頂出脫模，與原方案類似。

圖11為改進方案后塑件翹曲變形分布，最大變形量由原始方案的0.248 3 mm下降到0.219 6 mm，翹曲變形量減少0.027 8 mm，尤其是卡扣部位有了11.55%變化量，翹曲變形量下降比較明顯。由于改進后的冷卻水道，靠近熱負荷重的地方，偏離熱負荷小的區域，依據不同的熱負荷狀態，彈性的調整冷卻水道的配置，使得模具表面溫度分布差值減小，并且產品的冷卻均勻性也優于原始方案，因此由模具溫度不同和冷卻不均引起的翹曲得到了改善。

圖11 改進方案塑件翹曲變形分布

4 結語

在此以汽車輪軸蓋塑件為例，運用CAE技術構建了數值分析模型，重點對冷卻系統進行比較分析，并以注塑成型中模具溫度分布、塑件頂出溫度時間、塑件翹曲變形為特性指標，發現冷卻系統設計的不足之處，并依據不同的熱負荷狀態、成型結構加工工藝特征、型腔表面溫度均勻性、頂出時間等方面需求，進行彈性的調整冷卻水道配置，并篩選出適當的冷卻水道設計。最后應用改進優化后的冷卻系統進行注塑生產，獲得的產品表面質量好、形狀尺寸精度符合要求，因此利用CAE技術進行冷卻系統優化的方法可靠有效，對注塑模具結構設計有一定的參考價值，具備一定的經濟效益和社會效益。

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Optimization of Cooling System for Injection Molding Product Based on CAE

CHEN Chong
（Fujian Technician College，Fuzhou350101，China）

The design proposal for a cooling system is critical for molding quality，molding cycle and production efficiency of products in the course of plastic injection molding.Based on theory of cooling in injection molding，deficiencies of the design of the cooling system are obtained by analyzing numerical simulation of molding injection molded plastic part of automobile wheel hub cap by CAE technology，with temperature distribution of a mould，part temperature at ejection，ejection time and warping deformation of parts during plastic injection molding as indices of cooling performances，while the cooling systems are compared，improved and optimized.Practices prove that the product quality conforms to requirements，and the optimization method for a cooling system is reliable and effective，which has certain referential value for structural design of plastic injection moulds.

CAE technology；injection molding；Moldflow；cooling system；optimization design

TG76

：B

：1009－9492(2014)11－0065－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.018

陳 沖，男，1981年生，福建福州人，大學本科。研究領域：塑料成型工藝與模具設計。

(編輯：向 飛)

*福建省教育廳A類科技項目（編號：JA13323）

2014－05－09