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浙江工业大学硕士学位论文 基于c a e 环境下大型注射模冷却系统优化设计 摘要 注塑成型是现代塑料工业中极为重要的一种加工技术，适于大批量生产形状复杂、尺 寸要求精确的塑料制品。在注塑过程中塑料熔体从注塑机喷嘴到模具型腔的状态变化实质 就是塑料熔体冷却的过程，因此冷却状态的变化直接影响到产品的质量和生产效率。注塑 成型周期包括填充时间、保压时间与冷却时间。而其中用于冷却塑件的时间大约占成型周 期的7 0 ，因此冷却时间的长短直接影响到产品的成型周期，冷却时间太长，会降低生产 效率；冷却时间太短，脱模温度过高，会引起塑件变形和翘曲，从而影响产品质量，因此 冷却时间的确定对提高生产效率，保证产品质量是十分必要的。合理的冷却系统设计不仅 能保证产品的质量，也能有效地缩短产品所需的冷却时间，并减少成型周期，从而提高产 品的生产效率。以往由于技术与设备限制，人们只能依靠经验进行冷却系统的设计，对冷却 系统与成型周期的关系认识不够，往往无谓地加长了成型周期并且出现大量的产品质量问 题。但是随着模具生产周期的缩短以及产品质量、效率的提高，早期的经验方法已经不能 满足模具行业的要求，c a e 的出现可以满足这种要求。 本文利用c a e 分析软件m p l 6 1 ( m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t 4 o ) 对托盘和大型储物箱的冷 却系统进行了优化设计并分析了冷却系统与成型周期之间的关系，并在保证产品质量的前 提下有效缩短了成型周期。文中概述了注塑模具的基础知识；c a e 技术在模具技术中的应 用；冷却系统设计与产品成型周期的基本知识；m o l d f l o w 软件的用途，以及应用此软件进 行冷却系统及产品成型周期进行分析的过程；最后利用m o l d f l o w x 寸大型托盘和大型储物箱 进行了冷却优化分析，分析了冷却系统设计与产品成型周期的关系，其中对大型储物箱进 行了重点研究，共设计了三个冷却方案，通过分析对比选择了一套最佳冷却系统设计方案， 在保证产品质量前提下有效地缩短了产品成型周期，并通过试模最终取得了满意的质量效 果，原来的冷却不均现象基本消除，并有效地降低了翘曲量，缩短了产品生产周期，提高 了产品质量。 通过这三次试验证明应用c a e 技术的优点在于不需要通过直接试模可以预先分析模 具冷却系统设计的合理性，并根据分析问题可以随时修改设计方案，有效地减少试模、修 浙江工业大学硕士学位论文 模次数，缩短模具设计制造周期，提高生产效率和产品质量，增加经济效益。 关键词：注射模，c a e ，冷却系统设计，m o l d f l o w ，储物箱，塑料托盘 浙江工业大学硕士学位论文 o p t i m i z 钔【i o nd e s i g n i n go ft h e l a r g e s c a l ei n j e c t i o nm o l d sc o o l i n g s y s t e mo nt h eb a s i s0 fc a e a b s t r a c t i n j e c t i o nm o l d i n gi sa ni m p r o t a n tp r o c e s st e c h n o l o g yf o rt h em a n u f a c t u r i n go fp l a s t i c s i n d u s t r y i t i ss u i t a b l ef o rp r o d u c i n gp l a s t i cp r o d u c t s 、析t l lc o m p l e xs h a p ea n da c c u r a t e d i m e n s i o n a lr e q u e s t i nf a c tt h et r a n s f o r m a t i o no fp l a s t i c sf l u x f l o wf r o mi n j e e t i o nm a c h i n et o m o l dc a v i t yi sp l a s t i c sf l u x sc o o l i n gp r o c e s s t h et r a n s f o r m a t i o no fm o l dc o o l i n gs t a t u sh a v ea n i m p o r t a n te f f e c to nt h eq u a l i t yo fp r o d u c ta n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y p r o d u c tc y c l et i m ei n c l u d e i n j e c t i o nt i m e ，h o l d i n gt i m ea n dc o o l i n gt i m ew h i c ha c c o u n tf o r8 0p e r c e n to ft h ec y c l et i m e a s ar e s u l tt h ec o o l i n gt i m eh a v ea ne f f e c to nt h ep r o d u c t sc y c l et i m e t h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y w i l lb ec o m ed o w ni fc o o l i n gt i m ei st o ol o n g l i t t l ec o o l i n gt i m ew i l lb r i n gt h ep r o d u c t s d i s t o r t i o na n dw a r pa n dt h u sw o r ko np r o d u c tq u a l i t y t h e r e f o r ear i g h tc o o l i n gs y s t e mi s n e c e s s a r yf o rt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y si m p r o v e m e n t a nr e a s o n a b l ec o o l i n gs y s t e mc a nn o t o n l yi m p r o v ep r o d u c tq u a l i t yb u ta l s os h o r t e nc y c l et i m ee f f e c t i v e l ya n dc y c l et i m e i nt h ep a s t t i m ep e o p l ed e s i g n e dc o o l i n gs y s t e mb a s eo nt h ee x p e r i e n c ef o rt h er e a s o no ft h ee q u i p m e n ta n d m a c h i n e a sar e s u l tt h ec y c l et i m eg e tl o n g e ru n n e c e s s a r ya n dv a r i o u sq u a l i t yp r o b l e me m e r g e h o w e r e v e r 、析t l lt h es h o r t e no ft h em o l dp r o d u c t i o np e r i o da n dt h ei m p r o v e m e n to ft h ep r o d u c t q u a l i t y , t h ep a s td e s i g nt e c h n i q u ea l r e a d yc a l l tm e e tt h er e q u i r e m e n to fm o d e mm o l di n d u s t r y t h ee m e r g e n c eo ft h et e c h n o l o g y c a e ”c a nm e e tt h er e q u i r e m e n t i nt h i st h e s i siu s et h es o f t w a r em p l 6 1 ( m o l d f o wp l a s t i c si n s i g h t6 1 ) o fc a et oo p t i m i z e t h ed e s i g no ft h ec o o l i n gs y s t e mo ft r a ya n dl a r g e - s c a l es t o r i n gb o xa n da n a l y s et h er e l a t i o n b e t w e e nt h ec o o l i n gs y s t e ma n dc y c l et i m e t h eo u t l i n eo ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ：t h eb a s i c k n o w l e d g eo fi n j e c t i o nm o l d ；t h eu s e l e s so ft h es o f t w a r e “m o l d f l o w ；t h eb a s i ck n o w l e d g eo f t h ec o o l i n gs y s t e m sd e s i g na n dp r o d u c tc y c l et i m e ；t h ec o o l i n gs y s t e ma n a l y s i sp r o c e s sw i t ht h i s s o l , r a r e ；t h eo p t i m i z i n gc o o l i n ga n a l y s i so ft h et r a ya n dl a r g e s c a l es t o r i n gb o xa n da n a l y s i so n 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e l a t i o nb e t w e e nc o o l i n gs y s t e ma n dp r o d u c tc y c l et i m e ，e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ho ft h e l a r g e s c a l es t o r i n gb o x ih a v ed e s i g n e dt h r e ec o o l i n gp r o j e c t sa n ds e l e c t e dt h eb e s to n e ，f i n a l l y t h ec o o l i n gs y s t e ms h o r t e nt h ep r o d u c tc y c l et i m ei ne f f e c to nt h ep r e m i s eo fp r o d u c t s i m p r o v e m e n t t h ed e s i g np r o j e c to ft h ec o o l i n gs y s t e mg a i nt h ef a v o r a b l eo u t c o m ew h i c ht h e p r o d u c tw a r p i sr e d u c e da n dt h ec y c l et i m ei ss h o r t e n e dt h r o u g ht h et r y m o l d i n g t l l i st h r e ee x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h ea d v a n t a g eo fa p p l y i n gc a et e c h n o l o g yi st oa n a l y s e t h er a t i o n a l i t yo ft h em o l dc o o l i n gs y s t e md e s i g ni na d v a n c ea n dt om o d i f y i n gt h em o u l da ta n y t i m e ，s h o r t e nt h em o l dd e s i g np e r i o d ，i n c r e a s ep r o d u c t i o ne f f i c e n c ya n dq u a l i t y , r e d u c ew a s t e r s ， e n h a n c et h ee c o n o m i cb e n e f i ta n dc u td o w nc o s t k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o u l d ，c a e ，c o o l i n gs y s t e md e s i g n ，m o l d f l o w , s t o r i n gb o x ，p l a s t i c s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者魏1 锄站 嗍叩年川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密d ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：o 橘她 导师签名： 游哆 1 日日 闩玎 月月r 厂年年 1 唧 乙 刃 期期 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 注塑成型技术概述 塑料是以高分子聚合物为主要成分的有机化合物，其突出特点是具有非常高的分子 量，一般都大于1 万，有的甚至可达百万级。在一定的加工温度和压力下，塑料在模具内 成型为符合要求的几何形状和尺寸精度的塑料制品。塑料制品之所以能够在各行各业得到 大规模的应用，是由于它们本身具有的一系列优良的特点。塑料相对于金属，密度小，但 是比强度高，绝缘性能优良，具有非常优良的抗化学腐蚀性等，在机械、化工、汽车、航 空航天等领域，塑料已经大规模的取代了金属。目前塑料制件几乎在工业、日常生活的各 个领域里无处不在。作为一种新的工程材料，其还在不断被开发与应用，并且随着成型工 艺的不断成熟与发展，大大促进了塑料成型模具的开发与制造。在塑料成型工艺方法中最 有效率的就是注塑成型，它可以快速成型各种结构复杂、尺寸精密的塑料制件，成型周期 短，生产效率非常高，特别是大批量生产时成本更加低廉，容易进行自动化生产，因此在 塑料加工行业占有非常重要的地位。对此有关中英文文献均给与了相关报道【l 5 】。 随着新产品的不断开发，产品的更新换代不断加快，从而也带动塑料工业飞速发展， 而塑料工业的发展也同时带动塑料模具行业迅速发展。近年来，中国模具工业以年均增长速 度都达到了2 0 。截止2 0 0 6 年年底，中国模具销售额达7 2 0 亿元，跃居世界第三。塑料工业 发展同时促进了塑料模具的快速发展，在模具总量所占的比例也在不断地提高。据统计 2 0 0 0 年中国塑料模具产值约1 0 0 亿元人民币，而在2 0 0 6 年已发展到3 0 0 多亿元人民币，年均 增长率超过2 1 ，高于模具行业总体发展速度。随着国内汽车、航空航天、通讯、电器等行 业的发展，塑料模具的市场潜力是非常巨大的，但同时对产品质量的要求越来越高。塑料模 具的发展将朝着大型化、高精密度、多功能复合型的技术方向发展。以汽车工业为例，由于 国内汽车市场的需求非常大，汽车的产量、销量每年都在高速地增长，因此需要大量的汽车 模具与之配套。譬如生产一款轿车大概需要2 0 0 多件内饰件模具，而制造保险杠、仪表盘、 油箱、方向盘等所需的大中型塑料模具，从国内模具企业的生产能力看，仅仅能满足5 0 。 在建筑领域，塑料建材正在大规模地取代传统的建筑材料，预计2 0 1 0 年全国塑料门窗和塑管 普及率将达到3 0 - 5 0 ，塑料排水管市场占有率将超过5 0 ，而这些塑料产品的生产同样 需要大量的模具与之配套。由此可见，市场对塑料模具的需求是非常巨大的，塑料模具的 1 浙江工业大学硕士学位论文 发展潜力是不可低估的。对此，刘少达阐明了塑料模具工业的现状与发展趋势【6 】。 1 2 注塑模具冷却系统设计的研究现状及存在问题 冷却时间在整个塑件生产周期所占的比例最高，而冷却系统设计的合理性直接关系到 制件能否充分冷却以及能否缩短冷却时间，以提高生产的效率。因此冷却系统的设计合理 性显然至关重要，如何使模具冷却系统设计处于最优化，人们一直进行探索，目前国内模 具企业对注塑模具冷却系统的设计绝大部分仍旧停留依靠制模者的经验上，由于塑胶件的 形状以及塑料在模腔内的温度分布状态非常复杂，单凭经验来设计冷却系统经常会造成塑 件出现局部温度过高、翘曲变形、冷却时间过长、生产效率低下等问题。这些问题一直困 扰着模具企业，并影响到企业的竞争力。 要提高模具的品质，就必须对模具型腔中塑料熔体的流动状况及问题作出正确的评 价，模具企业迫切需要一种手段能在模具制造之前就可以预测出塑料熔体在模具中的流动 状态和热力学状态，从而对目前模具设计中的浇注系统、冷却系统的合理性作出评价，这 样在模具图纸阶段就可以及时作出修改，从而避免了反复的试模和修模，节省大量的模具 制造时间。注塑c a e 的出现显然可以满足这种要求：通过对目前模具型腔内塑料熔体的 流动模拟分析，可以分析出在当前的工艺条件( 浇注系统、冷却系统) 之下塑料熔体在型 腔内的流动状态( 流动时间、流动速度、型腔压力、应力分布、分子取向等) ，进而分析 塑料制件在这样的流动状态下会产生的质量问题和缺陷，通过对这些信息的反馈，设计者 可以对模具的设计方案( 浇注系统、冷却系统) 作出相应的修改，并反映到模具的制造中。 从而可以提高一次试模的成功率，避免了反复试模和修模。c a e 技术对模具工业发展前景 所起的作用，已经引起了诸多的关注，四川大学的张杰、申开智等人分析c a e 技术在塑 料模具中的应用【7 1 。华南理工大学聚合物新型成型装备国家工程研究中心的欧荔苹，刘斌， 文劲松论述了塑料成型过程中注射成型流动模拟技术的三个发展阶段圆。诺维特机械科学 技术发展中心的王继宏论述了c a e 技术是塑料模具设计发展的必然趋势【9 】。常州机电职业 技术学院的陆建军概述了注塑模c a e 流动模拟技术的发展【l o 】。对于c a e 技术在模具工业 中的发展和作用，其他中英文文献也给予了相关报道【l 卜1 7 】。 注塑c a e 中的注塑模冷却分析模块则可以模拟分析出在现行的冷却条件下模具内熔 体的温度场变化以及冷却介质的最佳流动状态，分析出产品在目前的注塑条件下的顶出温 度分布以及在目前的冷却系统下制件内部冷冻层厚度比例的分布，从而对目前的冷却系统 作出评价，经过优化后的冷却系统即能满足冷却的充分，又能大大缩短冷却时间，从而节 浙江工业大学硕士学位论文 省了模具制造时间，提高了生产效率。对此，相关文献也给予了一些报道，如郑州工业大 学的申长雨、陈静波，刘春太等介绍了注塑模冷却过程c a e 技术的基本原理及在冷却系 统设计中的应用【1 8 】。广东机电职业技术学院的余蔚荔，余冠洲等人对于光盘注塑模具的冷 却系统的设计进行了研究【1 9 】。另外运用c a e 技术辅助进行模具冷却系统设计，也是c a e 发展的方向，相关中英文文献也进行了报道t 2 0 4 0 】。 注射模冷却过程比较复杂，为此国内相关文献对于冷却过程的机理也作了一些研究， 如华南理工大学的耿铁等人对玻壳模具型腔内的流动传热进行了数值模拟【3 l 】。山东工程学 院的刘元义从传热学出发，建立了冷却分析的一种数学模型，推导出冷却时间的计算公式 【3 2 1 。青岛化工学院和青岛大学的尹清珍，宗殿瑞，宋国君介绍了冷却时间和浇口封闭时间 的计算方法幽j 。西南农业大学工程技术学院和重庆大学机械学院的代荣，邹茂华对注塑模 具中零件冷却时间的计算方法作了一些研究【3 4 1 。其他文献也给予了报道【3 5 伽。 但是冷却分析在注塑c a e 中属于深层次的分析，目前国内大部分企业对充填、保压 有一定的需求。但是冷却分析由于分析过程比较麻烦，分析时间比较长，国内企业对之重 视不够。但是某些出口模具，由于国外客商比较重视冷却分析，要求在模具制造之前要求 必须做冷却分析，以检验冷却系统的设计合理性。本课题的分析案例托盘和储物箱均系出 口模具，对冷却系统设计的要求比较高，因此通过对这些案例的冷却系统与成型周期关系 的分析，以优化冷却系统设计，为c a e 在注塑分析的推广提供有效的实用依据。 1 3c a e 技术概述及在注塑成型中的应用 c a e ( c o m p e e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术即计算机辅助工程技术，它是一种正在迅速 发展的信息技术。而注塑成型c a e 技术是以高分子热力学、高分子流变学、弹性力学、 计算机技术为基石，并采用有限元计算方法来模拟整个注塑过程及深入分析这一过程对注 塑制件质量的影响。它可以模拟塑料制品在注塑成型过程中的充填、保压和冷却过程以及 预测制品中的压力分布、分子流动取向、应力分布、制件体积收缩和翘曲变形等，使模具 设计人员在模具制造之前及时发现问题，并随时修改模具设计，从而提高一次试模成功率， 帮助模具企业缩短模具的制造周期，帮助产品企业缩短产品的上市周期，增强市场竞争能 力【3 引。 同传统的模具设计相比，c a e 技术无论在保证产品质量还是缩短产品制造周期等方 面都具有非常明显的优越性。对于注塑c a e 技术具体应用，相关文献也给予了报道， 如浙江大学的单岩等人对c a e 软件m o l d f l o w 的具体分析进行了论述 3 9 1 ，哈尔滨理工大学 浙江工业大学硕士学位论文 的乔立鹏进行了基于m o l d f l o w 注塑模具c a e 技术的研究【柏】。 注塑成型模拟c a e 技术的作用在于： ( 1 ) 塑料制件设计优化： 在塑料制件的设计过程中，设计人员必须全方面考虑塑件的浇口数量及类型、壁厚分 布、以及流道系统设计。如果单凭制品设计人员的经验来设计，往往费力、费时，设计出 来的产品也往往不尽合理。但是利用注塑c a e 技术，可以帮助设计人员快速地设计出经 过优化的塑料制件。 ( 2 ) 塑料模具设计优化： 由于塑料制品具有多样性、成型复杂性等特点，导致人们凭经验很难对型腔尺寸、浇 口尺寸及位置分布、流道尺寸、冷却回路分布等技术问题作出精确的解决方案，传统的模 具设计只能经过反复试模、修模才能获得一定的效果。但是如果利用c a e 软件，人们就 可以对浇口位置及尺寸、流道尺寸、冷却回路分布等进行优化设计，在模具制造之前就可 以在计算机上进行模拟真实条件下的试模并随时可以进行修改，这样就可以大大缩短模具 的制造周期、减少试模次数，从而提高模具质量。 ( 3 ) 注塑工艺参数的优化： 塑料熔体在注塑过程的变化非常复杂。需要技术人员能够合理地选择合适的塑料原料 和设定最佳的注塑工艺方案。但过去由于没有更好的技术，技术人员只能依靠经验来解决， 因此导致出现较多的产品缺陷。c a e 软件可以帮助工程技术人员确定最佳的注塑工艺方案 ( 注射速度、注射压力、锁模力、模具温度、注射时间、保压压力和保压时间、冷却时间 等) ，从而成型出较高质量的塑料制品。 目前注塑c a e 技术的研究现状： 注射过程中的流动分析在国外已得到了普遍的应用。塑料流动模拟软件一经问世便得 到了塑料行业和模具界的好评，应用范围与日俱增。塑料工业与计算机技术的飞速发展又 推动着注射成型流动模拟技术不断的改进和发展。对于模拟技术的具体发展，相关的文献 也给予了报道【4 h 6 】。概括起来，模拟技术大致经历了从中面网格模型到表面网格模型再到 3 d 实体模型技术这三个具有重大意义的发展阶段。 ( 1 ) 中性面网格模型( m i d p l a n e ) 中性面网格模型的应用开始于2 0 世纪8 0 年代。基于中性面网格模型的注射流动模拟 软件应用的历史最早、时间最长、应用范围也最广，其典型代表有美国m o l d f l o w 公司的 m p i 软件，原a c - - t e c h 公司( 现已被m o l d f l o w 公司并购) 的c - - m o l d 软件等。 浙江工业大学硕士学位论文 中性面( m i d p l a n e ) 就是系统提取位于塑料产品外表面和内表面中间的层面来表达产 品的三维形状，中性面对3 d 模型作了简化，适用于分析壁厚均匀的薄壳类塑料制件。它 提取实体的中性面并进行网格化处理，并可以赋予它制件实际的壁厚值，由于中性面只有 单面，网格数目比较少，系统的分析速度非常快，分析结果也比较精确。其数值分析方法 主要采用基于中性面的有限元法、有限差分法和控制体积法。 基于中性面网格模型在应用中具有很大的局限性，具体表现为：( 1 ) 首先必须构建出中 性面网格模型。专业的注射模c a e 软件建模功能都较差，采用手工构建中面网格模型更 加困难，而且构建过程往往要花费大量的时间，专业的有限元软件h y p e r m e s h 可以提供强 大的中性面提取功能，但也仅仅适合于壁厚较均匀的塑料制件；( 2 ) 由c a e 软件根据产品 三维模型自动生成的中性面网格模型效果通常非常差，这样往往导致后续的网格修补工作 量大，从而导致分析的效率下降。 ( 2 ) 表面网格模型( f u s i o n ) 由于中性面积是具有一定的局限性，随着技术的不断发展流动模拟软件引入型腔的表 面模型来取代其中面网格模型，这一创新使得由模具设计c a d 软件产生的产品模型不再 需要抽取中性面，塑料制件的双面模型可以直接应用于c a e 软件，这样突破了原有软件 的建模瓶颈。采用f u s i o n 网格的优点在于降低网格处理时间，能快速对注塑制件进行充 填、保压、冷却、翘曲等分析，对于中小制件它的网格处理速度会比较快，网格质量非常 优良和分析结果也比较准确。但对于形状比较复杂的大型产品，由于表面网格模型必须对 产品的双面都进行网格化和模拟计算，往往导致网格数量非常巨大、计算机的计算量过大 以及计算时间太长。 表面网格模型所应用的原理与方法与中面网格模型在本质上并无差别，所不同的是双 面网格模型将沿中面网格模型的单层料流演变为沿上下表面协调流动的双层料流。由于上 下表面处的网格无法一一对应，且网格形状、方位与大小也不可能完全对称，因此，如何 将上下对应表面的熔体流动前沿所存在的差别控制在工程上所允许的范围内是实施双面 网格模型技术的难点所在，在很多流动模拟软件里都对表面网格模型提出了匹配率的要 求，要求产品模型网格化后的网格单元匹配率不能低于允许的范围，否则会影响最终的分 析结果。 在模拟过程中，表面网格模型虽然计算了每一流动前沿沿厚度方向的物理量，但并不 能详细地记录下来。造成了流动模拟与冷却分析、应力分析和翘曲分析的困难。而且表面 浙江工业大学硕士学位论文 网格模型只能显示制品表面塑料熔体的流动过程，并不能显示模具型腔内真实的流动过 程，对厚度方向的流动变化未作任何处理，因此分析结果的精确度有所影响。 ( 3 ) 3 d 实体模型( s o l i d ) 表面网格模型( f u s i o n ) 只是一种从二维半( 中性面网格模型) 数值分析向三维( 3 d 实体模型) 数值分析过渡的手段。要实现塑料注射制品的虚拟制造，必须依靠3 d 实体模 型。三维流动模拟技术就是直接利用塑料制品的三维实体生成三维立体网格，并进行有限 元模拟分析。 3 d 实体模型的有限元网格不同于中面网格模型和表面网格模型所采用的二维三角面 单元，而采用三维四面体单元，所以比较真实地反映出熔体的真实流动状态，分析结果更 加接近于真实。在厚壁的制品中，塑料熔体在各个方向上的流动状况都是不同的。通过使 用基于实体四面体的有限元单元网格，能对非常厚的实体进行真正的、三维的模拟分析。 但是3 d 模型流动技术也存在着缺陷。与中性面流动或表面层流动相比，3 d 实体流动 模拟技术目前所存在的最大问题是计算量大、计算时间长。如何缩短3 d 模型实体流动技 术的运行时间就成为当前注射成型模拟技术领域的研究热点。 1 4 课题研究背景和研究内容 1 4 1 课题研究背景 对于模具设计与制造者来说，模具制造的最终结果就是能够快速生产出质量优良的制 件。这就要求使用者能对塑料在成型加工过程中的流动状况、热力学状况以及这些情况下 出现的物理和化学变化有相当的认识。注塑c a e 技术能够实现注塑过程的动态仿真过程， 帮助使用者了解塑件内部发生的物理和化学变化，从而为模具设计优化和实现较理想的成 型过程提供科学依据。c a e 技术可以是避免模具设计人员在浇注系统、冷却系统设计方面 的盲目性，为注塑加工人员提供优化好的注塑工艺参数并预测出注塑产品可能存在的缺 陷。特别是冷却系统方面的分析，通过对冷却系统进行优化设计，不但可以促进模具充分 冷却，而且可以大大减少模具的冷却时间，即在较短的时间之内就可以使制件的温度达到 可以脱模的转变温度，从而使整个成型周期大大缩短。 1 4 2 课题研究内容 本课题以m o l d f l o w 公司的注塑模模拟软件m p i ( m o l d f l o wp l a s t i c si n s i g h t ) 为研究平 台，进行了应用研究。对诸多的注塑制件进行冷却系统模拟，并分析冷却系统设计与制件 - 6 浙江工业大学硕士学位论文 成型周期的关系，利用分析结果，对模具的冷却系统进行优化，并取得了满意的效果，从 而在保证制件质量的前提下缩短了模具的成型周期。本课题的研究内容主要包括： 1 模具冷却系统在注塑成型过程中起着至关重要的作用：冷却系统是否合理，直接关系到 模具型腔内能否保持相对恒定的模具温度，而模具温度是否合适、均匀与稳定，对塑料熔 体的流动填充、固化定型及塑件的形状、外观和尺寸精度都有重要的影响。本课题将对冷 却系统对产品质量的影响进行分析与研究，对冷却系统进行优化后必须首先保证产品的质 旦 亘。 2 模具冷却系统对产品成型周期的影响：由于在塑件的注塑成型周期内，冷却时间所占的 比例为最高，控制好冷却时间就能控制整个成型周期，因此要缩短塑件的成型周期，提高 塑件的生产效率，就必须对冷却系统与产品成型周期的关系进行深入的分析。本课题将对 这个问题进行深入分析和研究，探讨冷却系统设计与产品成型周期的关系，以指导实际生 产。 3 典型塑件进行冷却系统实例研究：本课题对托盘和大型储物箱探讨利用m o l d f l o w 软件进 行冷却系统分析的过程与步骤，并对冷却系统进行深入分析，在保证产品质量的前提下对 冷却系统进行优化以缩短产品的冷却时间，从而减少了产品整个成型周期。 1 5 本章小结 本课题在阅读了大量文献的基础上综述了塑料模具工业的发展现状与发展趋势、c a e 技术在注塑成型中的应用、c a e 技术的国内外研究现状与发展趋势，阐述了c a e 技术在 注塑成型特别是冷却系统设计中应用的重要意义，最后介绍了本课题的研究背景和主要研 究内容。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章注塑模冷却分析起因及相关系统 2 1 注塑模冷却系统的重要性 2 1 1 注塑模冷却系统与塑件质量的关系 注塑模具的冷却系统设计主要就是影响模具温度，合理的冷却系统能够保持模具型腔 和型芯的表面恒温状态，而模具温度是否合适、均匀与稳定，不但对塑料熔体的充模流动、 固化定型产生较大的影响，而且对制件的质量( 形状、外观、尺寸精度) 都产生重要的影 响。模具温度对塑料制件的质量产生的影响有以下几方面： 1 制件表面质量( 光泽度、流纹、熔接痕、充填不足等) 对于某些粘流温度较高及熔点较低的塑料，例如聚碳酸酯、聚甲醛等，由于成型工艺 要求，通常要求有相对较高的模具温度，以获得表面质量较高的制品，特别是具有光泽的 表面。因此对于此类产品通常要保持较高的模具温度。 喷射流纹是塑料熔体从浇口沿着流动方向产生喷射，在制件表面上出现弯曲如蛇行一 样的痕迹。出现这种现象的原因是由于塑料熔体由浇口流入的注射速度过高所导致。因此， 扩大烧口横截面积或调低注射速度都是可行的措施。另外，提高模具温度，也能减缓与型 腔表面接触的树脂的冷却速率，可以防止在熔体充填初期形成表面硬化皮，也具有良好的 效果。 熔接痕的产生是由于来自不同方向的塑料熔融前端部分温度相对较低，汇合处被冷 却以至于在结合处未能完全融合而产生的。一般情况下熔接痕问题主要影响制件外观，并 对涂装、电镀产生影响。由于汇合处熔体未能完全融合，严重时将对制品强度产生影响( 特 别是在纤维增强树脂时，尤为严重) 。熔接痕问题一般靠以下几项办法予以改善： 1 ) 增设排气槽，在熔接痕的产生处设置推出杆也有利于排气。 2 ) 设置工艺溢料块，将熔接痕引入溢料块，成型后再予以切断去除。 3 ) 若考虑不影响外观，则可改变浇口位置，以改变熔接痕的位置，不影响外观。 4 ) 调整注塑成型条件，提高塑料熔体在汇合处的温度。如提高塑料熔融温度、提高模具 温度、提高注射压力及速度等。 2 残余内应力 注塑制件中的残余内应力是在模具充填和保压过程中由熔体间的剪切应力造成的。另 新江i 业 学硕学位论立 外除了由熔体充填流动导致的应力外，残余应力也是由零件不同区域的冷却速率不均造 成的，冷却速率的不均导致了塑料熔体的各个部分的固化速率的不均，从而也引发了制件 内部的应力。因此为了减小这些应力必须保证注塑制件冷却速率的一致。这些残余应力 的存在可能会造成塑料制件在今后的使用过程中出现龟裂或者造成制件的变形和翘曲。 3 结晶度 塑料品种中有些塑料属于高度结晶，比如聚乙烯，有些塑料属于半结晶，比如聚丙烯， 有些塑料属于不结晶，比如聚苯乙烯。对于半结晶材料和高度结晶材料，在注塑过程中会 不会 现晶形结构很大程度上需由成型时的冷却速率来决定。至于出现晶形结构后其结 晶度有多大，各部分的结晶情况是否一致，在很多程度上取决于对冷却条件的控制。而冷 却条件的控制主要由注塑模具内的冷却系统来决定。因此在注塑过程中的结晶度依赖于塑 料融体的冷却速率。结晶度的变化将会直接影响塑料制件的收缩情况，因此注塑模具的冷 却系统设计将直接影响塑料制件的结晶情况，并对保证精密制件的尺寸公差起到至关重要 的作用。 4 翘曲变形 晒一 图2 一l 产品变形示意嚼图2 - 2 产品变形示意图 注射制品的翘曲变形对于注塑生产者来说是非常棘手的问题，如图2 1 、2 2 所示。造 成翘曲变形的原凼有很多，但主要有以下几种： 1 ) 成型工艺条件采用不当而引起 残余应力造成变形时。这种问题可通过降低注射压力、使模具温度均匀以及提高塑料熔融 温度或采用退火方法予以消除应力。 2 ) 由于制件脱模不良引起应力变形。此时可通过增加顶杆数量或改进项出方式以增加顶 出面积、加大脱模斜度等方法加以解决。 3 ) 由于塑料制件设计不当而引起成型收缩所引起的变形。此时就必须修正塑件的设计了。 主要从产品设计以及原材料选择方断进行考虑，其中最主要的是通过改进使制品壁厚一 浙江工业大学硕士学位论文 致。有时，在不得已的情况下，只好通过测量制品的变形，并按相反的方向修整模具，加 以校正。收缩率较大的树脂，一般是结晶性树脂( 如聚甲醛、尼龙、聚丙烯、聚乙烯及p e t 树脂等) 比非结晶性树脂( 如p m m a 树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯、a b s 树脂及a s 树脂 等) 的变形大。另外，由于玻璃纤维增强树脂具有纤维配向性，变形也大。 4 ) 注塑模具内部的冷却系统设计不当导致塑件冷却速率不均。此时就应修改注塑模具的 冷却系统，改进冷却回路的结构和尺寸，采用适合的进水温度，使冷却系统能够充分地吸 收塑料熔体散发出的热量，使塑料制件各部分的冷却更加均匀，如果冷却时间不足时，可 调整冷却时间。 在上述四种情况中，经过多年实践表明注塑工艺调整及顶出机构设计对产品翘曲变形 的影响不是很大，产品设计问题实质就是制件的壁厚不均匀导致塑料熔体的冷却速率不 均。所以综合起来，主要影响因素就是模具本身的冷却问题，即冷却系统的设计是否合理。 2 1 2 注塑模冷却系统与产品成型周期的关系 在注塑模成型过程中，完成一次注射成型过程所需的时间称为成型周期，它包括注射 时间、保压时间、冷却时间、开合模时间。成型周期直接影响到注塑产品的生产率和注塑 机使用率，因此要提高产品的生产效率，应在保证质量的前提下尽量缩短成型周期各个阶 段的有关时间。而在整个成型周期中，以注射时间、保压时间和冷却时间最重要，对塑件 的质量也有决定性影响。 在生产中，注射时间很短，一般为3 5 s ( 特厚塑件可达5 一 1 0 s ) 。在熔料的浇口冻结 之前，保压时间的多少，将对塑件密度和尺寸精度产生影响。 冷却时间主要决定于塑件的厚度、塑料的热性能和结晶性能以及模具温度等。冷却时 间的长短应以脱模时塑件不引起变形为原则，即塑件必须达到脱模温度时才可以脱模。冷 却时间一般在3 0 1 2 0 s 之间，占整个成型周期的7 0 。因此冷却时间的长短直接决定了成 型周期的长短。较好的冷却设计样式可缩短2 0 - - , 3 0 或更短的循环生产时间，并提高劳 动生产率。能否在保证质量前提下有效的缩短冷却时间，就成为冷却系统优化设计的重要 问题。 注塑产品的成型周期包括注射时间、保压时间、冷却时间等组成，由于注射时间和保 压时间相对比较短，占成型周期的比例不高，而冷却时间占成型周期大约7 0 ，因此要提 高生产效率，必须要缩短冷却时间。因此正确地确定塑件的冷却时间是注塑模冷却系统设 计的关键。计算冷却时间的公式有很多，下面讨论一种比较实用的冷却时间计算方法： 浙江工业大学硕士学位论文 首先进行以下假设： ( 1 ) 忽略从成型塑件侧面进行的冷却，将塑件近似看成是一半无限小的平板，热流方 向沿其厚度方向简化为一维非稳态的热传导问题。 ( 2 ) 熔料被注入两平行平面所包含的模腔，完全依赖模具传热冷却。 ( 3 ) 注入模具内的熔料温度均一 ( 4 ) 模具表面的热传导系数为常数，并假设塑件收缩也不能与模具脱开。 依据上述假设得到的数学模型为： 塑：口堡t 0 ，0 x s ( i a酣 i 初始条件t = 0 ，t = t o i 边界条件x = 0 ，o r o x = 0 i x = s ，k ( o t o x ) = 办( t w - t ) 式中t - 川意时间和空间的温度， 卜埘却时间，s 卜塑件厚度的一半，r l l n l 口材料的导温系数，m 2 厶 瓦塑料的注射温度， m 型腔壁的温度， 对上述数学模型进行方程求解，得到以下方程： 箍= 驴0 0 l 赤c o s t ( 2 n - 1 ) m e e 学 p ， 但是由于冷却时间的定义方法不同，即顶出温度的选取不同，所以推导出的冷却时间 计算公式也不同。目前国内外顶出温度点的选取有以下两种： ( 1 ) 以成型制件最大壁厚中心部分达到顶出温度( t o ) 计算冷却时间。得到公式： t = ( 4 s 2 万2 口) 1 n 4 x ( t o t w ) ( r c 一) 】 ( 2 2 ) ( 2 ) 取模腔壁与塑件中心的平均温度作为顶出温度，得到公式为： f ：( 4 s 2 x 2 a ) 1 n 2 彤( t o r w ) ( r c 一乃) 】( 2 - 3 ) 以第一种方法选取制件最大壁厚中心部分达到顶出温度作为制件整体的顶出温度，此 浙江工业大学硕士学位论文 时塑件内外面的温度都达到固化温度以下，塑件变形量很少，但是计算出的冷却时间相对 较长，不符合实际情况。第二种方法认为塑件在模具中的冷却温度分布是线性的，但是实 验表明，冷却温度分布并非线性，用此方法计算出的冷却时间偏短，脱模后塑件容易产生 较大的变形。比较合理的方法是根据模具在模腔内冷却时的温度分布图，选取塑件每个表 面l 3 厚度达到顶出温度作为开模依据，得到下列式子： f = ( 4 j 2 7 2 口) l n 2 a , r ( t o 一) ( 一) j ( 2 - 4 ) 利用该公式经试验证明，利用该公式得出的冷却时间比较符合实际情况，即能保证塑 件的质量，又能缩短成型周期，提供生产率。 2 2 注塑模冷却系统的工艺因素 1 塑料的热性能和模具材料的传热性能 不同塑料制件的热含量以及不同类型模具材料( 如钢材、合金等) 的传热率有着很大 的差别，同样都会造成对冷却时间的影响，因此必须加以考虑。 每一种塑料在进行注塑加工时都要求注塑机能够提供特定的热能以塑化固体状树脂 颗粒。而在冷却固化时，从注塑机传入的等量热能必须被模具冷却系统吸收。从理论上讲， 输出的能量必须与输入的能量相等。从分子结构区分，塑料可分为无定形材料( 如p v c 、 p s 、p c 等) 和结晶材料( 如p e 、p p 、p o m 等) ，而几乎所有结晶材料的塑化要求的热能 几乎是无定形树脂的一倍。这个要求在塑料成型加工时是没有问题的，因为注塑机能够给 予充足的热能。但是对于结晶材料而言在冷却固化阶段，其高于无定形材料两倍的热量必 须被冷却系统充分