吹塑模具冷卻系統優化設計

黃智峰，盧鑫

（東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西柳州545005）

吹塑模具冷卻系統優化設計

黃智峰，盧鑫

（東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，廣西柳州545005）

在吹塑成型中，模具的冷卻系統結構布置影響和決定產品的生產效率和產品質量，合理的冷卻系統是保證產品質量的關鍵。通過對失效產品的模具冷卻系統結構進行分析，結合CAE分析了現冷卻系統的冷卻性能及產品失效部位溫度分布，根據模具溫度優化了冷卻系統，提升了產品質量。

吹塑模具；冷卻系統；產品質量；模具溫度CAE

近年來，隨著社會對節能、環保以及輕量化要求越來越高，塑料制品以其重量輕、加工靈活、可回收利用等特點被廣泛應用于各行各業，在機械、化工等行業上可替代部分金屬件來達到輕量化目的。在吹塑加工過程中，制品冷卻定型的時間占整個制品加工周期的2/3以上[1]，甚至更高。因此，提高吹塑模具的冷卻系統的冷卻效率，設定合理的模溫，可縮短制品成型周期，降低能耗，提高生產率。模具的溫度分布均勻性是保證制品的質量和尺寸穩定一個關鍵因素。本文以一個塑料桶為例來分析因模具冷卻系統設計不合理導致模溫分布不均勻對產品性能的影響，并利用CAE優化冷卻系統，解決制品質量問題。

1 問題描述

某款用于液態化工原料的塑料桶底部變形，如圖1所示，在外力作用下易開裂，經多次修改原料、成型溫度和成型壓力并試驗，收效甚微。用排除法篩選，最終懷疑是模具的冷卻系統設計不合理，散熱不均勻，導致開裂。

圖1 桶底變形狀態

2 數值分析

2.1 建立模具模型

為了使得仿真結果與實際相符合，本文建立1∶1尺寸的桶底模具模型（如圖2所示）進行數值計算，因模具是對稱結構，為減小計算量，提升計算速度，選四分之一桶底模具模型，透視冷卻水道（如圖3所示），進行計算分析。

圖2 桶底模具模型

圖3 四分之一桶底模具模型

2.2 理論基礎

模具冷卻問題實際就是熱傳導問題，根據傳熱定律和能量守恒定律，可以建立傳熱問題的控制方程，即物體的瞬態溫度場應滿足以下方程[2]：

其中ρ為材料密度（kg/m3）；cT為材料比熱（J/（kg. K））；Kx，Ky，Kz分別為沿x、y、z方向的熱傳導系數（W/kg）.

模具的冷卻水溫度恒定，塑料桶在成型過程中保溫和冷卻可以看作是穩態傳熱問題，對于穩態傳熱問題，溫度不隨時間變化，有

應用有限元分析方法，將物體離散為單元體，將單元的溫度場Te（x，y，z）表示為節點溫度的差值關系，并求變分極值，得單元傳熱方程

2.3 有限元分析

模具型腔內表面溫度分布均勻，塑料桶合模后需要在模具內保溫一段時間并冷卻定型，此過程可應用穩態傳熱模型分析。對模具模型進行網格劃分如圖4.模具型腔內初始溫度為160℃，冷卻水溫度為10℃，模具材料為45#鋼。查設計手冊[3]，密度為7.9×103kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，熱膨脹系數為1.0×10-5/℃，導熱率為73 W/(m·℃)，傳熱系數為40/(m2·℃).加載上述屬性參數，最終分析結果顯示合模部位溫度較高如圖5，冷卻效果不好。

圖4 網格劃分

圖5 分析結果

2.4 模具優化設計

從分析結果上看，與初始猜想是冷卻不均勻導致產品變形相吻合，需要對模具的冷卻水道進行優化設計。原桶底模具的冷卻水道距離合模位置距離較大，合模部位的冷卻效果差。現對模具底部位增加一個冷卻水道，即由兩個改為三個（如圖6所示的橢圓圈內），根據分析結果優化水道分布位置，使冷卻水道盡量靠近合模位置，再進行有限元分析（如圖7所示），優化后整個底部溫度分布較均勻，滿足設計要求。根據設計圖紙對模具進行修改，最終經生產驗證優化效果良好，塑料桶底盤平整（如圖8所示），沒有變形現象，合模部位強度也有明顯提示，滿足質量要求。

圖6 優化冷卻水道布置

圖7 優化后的分析結果

圖8 優化后的制品狀態

3 結束語

（1）本文通過對故障件進行分析，最終發現模具冷卻系統散熱不良是導致塑料桶底變形的直接因素，找到了解決問題的方向；應用CAE分析模具冷卻的傳熱性能，得到模具的溫度分布狀態圖，發現合模部位的冷卻效果欠佳，找到了解決問題的途徑；根據分析結果對模具的冷卻系統進行優化設計后，再次應用CAE分析模具的冷卻性能，找到了解決問題的方法。采用“發現問題——分析問題——解決問題”的步驟，結合CAE分析手段成功處理了模具冷卻系統問題，具有一定的參考價值。

（2）模具溫度分布不均勻，會導致制品各部位的收縮率不同，引起制品翹曲、變形、尺寸不穩定等現象，因此模具冷卻系統設計的合理性是保證制品質量的一個關鍵因素。

[1]邱建成，陸文正，朱義華.塑料擠出中空吹塑成型技術[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

Optimization and Design for Blow Mold Cooling System

HUANG Zhi-feng，LU Xin
（R&D Center of Commercial Vehicle，Dongfeng Liuzhou Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545005，China）

In blow molding，the structure of mold cooling system impact and determine the product’s production efficiency and quality，reasonable cooling system is the key to ensure product quality.In this paper，based on the analysis results of the mold cooling system of the failed product，the cooling performance of cooling system and the temperature distribution of failed product by CAE method，optimize the cooling system according to the mold temperature，improve product quality.

blow mold；cooling system；product quality；mold temperature；CAE

TQ320.5

A

1672-545X（2017）03-0045-02

2016-12-23

黃智峰（1982-），男，廣西柳州人，助理工程師，本科，研究方向：進氣系統阻力、傳熱；盧鑫（1986-），男，廣西柳州人，助理工程師，本科，研究方向：進氣系統阻力，排放。