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南京理工大学硕士学位论文 注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 摘要 随着汽车工业、电子工业的迅猛发展，模具工业已成为国民经济中的重要基础 工业之一。而目前我国的模具设计与制造技术还比较落后，主要依赖设计人员的经验 和工艺人员的技巧尤其在塑料注塑模具的设计中，设计合理与否、制品有无缺陷只 有通过试模才知道，使得模具的设计与制造周期长、成本高。而采用计算机辅助工程 ( c a e ) ，可以提高塑料模具的设计制造水平及制品质量。特别是在注塑模具的冷却系 统分析中可以优化冷却回路布置和冷却参数，从而大大提高注塑生产效率。 本文以注塑模拟软件m o l d f l o w 为工具，运用传热学的基本原理，对注塑模 冷却系统的优化设计做了深入的研究，主要研究内容如下： 首先回顾了c a e 技术的发展历史和应用，介绍了简化条件下冷却分析的数学模 型，为进行c a e 冷却分析和优化设计提供了理论基础，讨论了冷却回路的设置原则 和冷却效果的影响因素。 其次研究了建立冷却分析模型的问题，c a e 模型建立的好坏、网格的生成是否 合理及其网格的密度对模拟的结果的准确性有着重要的影响，通过c a d 模型的建立 和网格的划分，以及网格纵横比和匹配比合理的选择，建立进行冷却分析所需有效的 有限元模型，保证了模拟结果的准确性 最后以注塑模拟软件m o l d f l o w 为工具，结合具体制件深入研究了冷却系统 的优化设计问题，提出了基于制品特征设置冷却回路的方法，通过冷却回路的优化和 冷却分析得到的模具温度场，避免制件冷却中的过热点，减少塑料件残余应力和翘曲 变形，并应用其分析结果来优化冷却回路的布置、大小和冷却工艺参数，提高冷却系 统设计效率，缩短冷却循环时间，以达到塑件快速均匀的冷却，提高制品的质量和生 产效率的目的，为最终选择合理冷却回路布置方式，确定合理的冷却介质的物理参数 提供依据，从而进一步指导生产实践。 关键词：注塑模具冷却系统优化分析模具温度计算机辅助工程 南京理工大学硕士学位论文洼塑模其冷却系统的c a e 分析与优化 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n de l e c t r o ni n d u s t r y ，m o u l d i n d u s t r yh a sb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tb a s i ci n d u s t r yi nt h en a t i o n a le c o n o m y i no u r c o u n t r y , t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h ep l a s t i cm o u l dc h i e f l ya r ed e p e n d i n go nt h e e x p e r i e n c eo ft h ed e s i g n e ra n dt e c h n i q u eo ft h et e c h n o l o g i s t o n l yp a s s i n gm o u l d t e s tc a n k n o wt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g na n dt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s a p p l y i n gc o m p u t e r d e s i g no ft h er e s u l t , i tm a k e sl o n g e rc i r c l ea n dh i 曲e rc o s t b u ta i d e de n g i n e e r ( c a e ) c a l l i m p r o v et h el e v e lo ft h ep l a s t i cm o u l da n dt h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t s t h ec a e t e c h n o l o g yc a ns e t t l et h e s ep r o b l e mt og e th i g hq u a l i t ym o l do n et i m e , d e c r e a s i n gt h ec o s t a n di n c r e a s i n gt h ep a r tp r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t y i nt h i sp a p e r , o p t i m i z a t i o nd e s i g no f c o o l i n gs y s t e mf o rp l a s t i ci n j e c t i o nm o l di sd e e p l y d e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e r m o - c o n d u e t i v i t yt h e o r yb ym e a n 5o ft h es i m u l a t i o ns o t t w a r e m o l d f l o w 1 1 1 em a i nc o n t e n t sa r el i s t e d 船f c i l l o w e d ： f i r s t ，t h ea r t i c l er e v i e w st h eh i s t o r ya n da p p l i c a t i o no fc a et e c h n o l o g ya n dc o n s t r u c t t h em a t h e m a t i cm o d e lf o rc o o l i n ga n a l y s i sc o n d i t i o n i n ga s s u m p t i o n i td i s c u s s e st h e p r i n c i p l eo f c o o l i n gc h a n n e ld e s i g na n de f f e c t i v ef a c t o rf o rc o o l i n g s e c o n d l y , i tm a k e sar e s e 盯c ho ff i n i t ee l e m e n tm o d e lf o rc o o l i n ga n a l y s i st h a tt a k e s g r e a ti n f l u e n c eo nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s s oi ti st h ei m p o r t a n tq u e s t i o nt ob u i l da n dm e s h f i t l i t ee l e m e mm o d e li na n a l y s i sw h i c hi sa s s o c i a t e d 诵t ht h ea c c u r a c yo f r e s u l t f i n a l l y , i tm a k e sad e e p l yr e s e a r c h o f o p t i m i z a t i o nc o o l i n gs y s t e mu s i n g t h e m o l d f l o wb yt h ep a r t t h ed e s i g nm e t h o di sb r o u g h to u tb a s e do nt h ep a r tc h a r a c t e r i t a v o i d st h eh e a tp o i md u r i n gc o o l i n ga n dd e c r e a s e sr e s i d u a ls t r e s sa n dw a r p a g eb yt h e c h a n n e lo p t i m i z a t i o na n dt e m p e r a t u r ef i e l d s i m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t sa l s op r o v i d et h e e v i d e n c e sw h i c hg u i d eu st oa c h i e v et h er a t i o n a lc o n f i g u r a t i o no fc o o l i n gs y s t e ma n d p r o c e s sp a r a m e t e r st h a tc a nr e d u c et h ec y c l et i m ea n di n c r e a s ec o o l i n ge f f i c i e n c y , p a r t q u a l i t ya n dc o n d u c t i v i t y k e yw o r d s ： i n j e e f i o nm o l d c o o l i n gs y s t e m o p t i m u ma n a l y s 缸 m o l dt e m p e r a t u r e c o m p u t e ra i de l l g i n e e r n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：垄基 洲年乒月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：生兰垒力内年乒月日 南京理工大学硕七学位论文 沣塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 我国模具工业的发展现状 现代模具工业有“不衰亡工业”之称世界模具市场总体上供不应求，市场需求 量维持在6 0 0 亿至6 5 0 亿美元。同时。我国的模具产业也迎来了新一轮的发展机遇。 近几年，我国模具产业总产值保持1 3 的年增长率( 据不完全统计，2 0 0 5 年模具产值 为8 0 0 亿元，模具及模具标准件出口为2 5 亿美元左右。2 0 0 5 年国内模具进口总值 达到6 0 0 多亿，同时，有近2 0 0 个亿的出口。) 单就汽车产业而言，一个型号的汽车 所需模具达几千副，价值上亿元，而当汽车更换车型时约有8 0 的模具需要更换。另 外，电子和通讯产品对模具的需求也非常大，在发达国家往往占到模具市场总量的 2 0 之多。发展模具工业的重要性与必要性主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 模具是工业生产的基础工艺装备，模具工业是机械工业的重要组成部分。 作为工业生产基础工艺装备的模具，已经越来越引起国民经济各产业部门的重 视。国外将模具比喻为“金钥匙”、“金属加工帝皇”、“进入富裕社会的原动力” 日、美等工业发达国家模具的产值早已超过了机床工业的产值。1 9 9 7 年开始，我国 模具工业产值也超过了机床工业的产值。目前，模具技术已成为衡量一个国家产品制 造水平的重要标志之一。机械工业是我国国民经济五大支柱产业之一，是十分重要的 装备工业。模具工业是其中的一个重要组成部分。 ( 2 ) 模具工业在国民经济中的重要地位 1 9 8 9 年3 月，国务院颁布的关于当前产业政策要点的决定中，把模具列为 机械工业技术改造序列的第一位，生产和基本建设序列的第二位。1 9 9 7 年和2 0 0 0 年 国家计委发布的当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录和1 9 9 9 年7 月 科技部发布的当前国家优先发展的高技术产业化重点领域指南( 目录) 中，部分 模具及与模具有关的多项高新技术及设备均被列入。模具还是国家鼓励外商投资的领 域。这些都说明了我国模具工业在国民经济中的重要地位。 ( 3 ) 模具工业已成为高新技术产业的重要组成部分 模具工业直接为高新技术产业化服务，模具工业自身又大量采用高新技术，如 c a d c a e c 删，新工艺、新材料，各类先进制造技术及装备等，模具工业已成为高新 技术产业的重要组成部分。高新技术的产业化离不开模具；模具生产技术水平的提高 也离不开高新技术的产业化。 ( 4 ) 模具工业的发展，充分体现了国家可持续发展的战略 模具加工是精密成形工艺的种，具有低耗能和省材等特点，充分体现了国家可 l 南京理工大学硕士学位论文 沣塑模其冷却系统的c a e 分析与优化 持续发展的战略。 ( 5 ) 模具工业是无与伦比的“效益放大器” 这不仅体现在模具所形成的最终商品的产值是模具自身产值的上百倍，更体现在 高附加值的产品离不歼高水平的模具，模具有巨大的技术经济效益。 ( 6 ) 模具工业的发展将使中小企业获得良性发展 知识经济时代是中小企业空耵活跃和迅猛发展的时代，而模具工业的发展是与此 相关的中小企业获得良性发展的一个必要条件，长江三角洲民营企业的发展就是一个 极具说服力的例证。国家提出“抓大放小”发展中小企业，为模具工业的发展提供了 良好的机遇。同时模具工业也是以中小企业为主，适合多种所有制共同发展的产业。 ( 7 ) 模具工业的发展将有利于扩大出口和提高我国制造业的国际竞争力 在进一步扩大开放的过程中，我国模具工业( 包括外资或中外合资模具企业) 的 发展，将有利于扩大出口和提高我国制造业的国际竞争力。 1 1 2 塑料模c a e 技术的研究意义 在注射成型生产实践中，成型过程非常复杂，塑料熔体的流动性能千差万别，制 品和模具的结构千变万化，工艺条件各不相同，成型缺陷各式各样、仅凭有限的经验 公式和简单的设计准则难以对这些因素作全面的理解和把握，同时，经验的积累和公 式的总结也无法跟上塑料材料的发展和制品复杂程度及精度要求的提高。因此近年来 科研人员致力于知识化、数字化、可视化的c a e 技术的研究。 塑料模c a e 技术的目的是对成型过程进行分析与仿真，使对塑料成型过程的认识 从宏观进入微观，从定性进入定量，从静态进入动态，为优化模具设计和控制产品成 型过程，以获得理想的最终产品提供科学依据和设计分析手段。塑料模c a e 技术的运 用是塑料成型加工及模具设计发展过程中的一个重要的里程碑。它可使设计人员避免 设计中的盲目性，使工程技术人员在模具加工前完成试模工作，也可使生产操作人 员预测工艺参数对制品外观和性能的影响。 总之，设计人员和生产人员可利用塑料模c a e 技术有目的地修正设计方案和工艺 条件，克服因经验少、工作疏漏而造成的不良后果，多快好省地进行新产品、新工艺 的研究，以适应日益激烈的竞争环境。因此，近年来模具及塑料加工领域发展最快的 是c e 技术，通过对成型加工过程进行数值模拟，研究加工条件的变化规律，预测制 品的结构和性能，选择制品设计、模具设计及工艺条件的最佳方案，实现了成型加工 与计算机辅助技术的完美结合。如果对塑料在加工过程中的流动、热传导以及在力场 和热场作用下所出现的物理、化学变化没有深入的、科学的认识，就不能生产出质量 优良的制品。所以，各国都非常重视塑料模c e 技术的研究。针对国内实际情况，开 发出实用的注射成型过程计算机模拟系统，对于促进我国塑料加工工业和模具制造业 2 南京理工大学硕士学位论文 注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 的发展有着重要的意义。嘲 1 1 3 塑料注塑模具冷却系统的研究意义 在注塑成型中，模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率通过温度调节系 统，保持适当的模具温度，可减小塑件的变形、增强塑件力学性能、改善塑件的表观 质量、提高塑件尺寸精度和稳定性。塑件的冷却时日】在一定程度上决定了成型周期， 因为注塑成型周期中5 的时间用于注射成型，1 5 的时日j 用于顶出塑件，而8 0 9 6 的时 间则用于塑件的冷却，注塑模冷却系统的设计直接影响到注塑制品的生产效率和质 量。m ”当塑件在模具中冷却时，如果不到开模温度就过早开模，若塑件受到外力( 顶 出力) 作用，就会产生变形；但如果冷却时间过长，一方面模温变得太低，影响充模 速度，导致成型不满或产生冷接缝；另一方面也会影响生产效率。所以缩短占整个注 射循环周期约8 0 的冷却时间是提高塑件生产效率的关键，设计合理的冷却系统，对 模具温度进行有效调节是十分必要的。“”“”通过分析模具冷却系统对模具和制品温度 场的影响，优化冷却回路的布局，以达到使塑件快速、均衡冷却的目的，从而缩短注 塑成型的冷却时间，提高生产效率，减少废品，增加经济效益。o 町 另外，在注塑模的设计过程中，模具设计人员往往把注意力集中在浇注系统和顶 出机构上，事先对冷却系统重视不够，往往导致冷却管道最后只能沿模具空隙布置， 有时甚至无法布置，虽然塑件顶出问题得到解决了，但造成冷却时间过长，生产效率 低能耗大，增大了塑件生产成本，因此冷却管道的合理布置也是影响冷却效果的重要 因素。1 ”1 ” 1 2 注塑c a e 技术的国内外研究状况 因为塑料成型c a e 技术具有重要的实际意义，很多国家的科研机构和高等院校与 企业集团投入大量人力物力进行研究，c a e 技术始于1 9 4 3 年，随着有限元理论的逐步 成熟和计算机硬件的迅速发展，使c a e 技术经历了6 0 年代的探索发展，7 0 到8 0 年代 的蓬勃发展以及9 0 年代的成熟壮大三个阶段。” 2 0 世纪6 0 年代，t o o r ，b a l l m a n 和c o p p e r 嘲1 最先用数值方法计算了塑料熔体的充 模过程，随后，许多研究者对一维流动进行了大量的研究，d u s i n b e r r e 建立了一维 非稳态传热计算模型随后，k e i n g 和k a u r a l 、d i e t c 9 1 等学者对一维冷却进行了模 拟7 0 年代中期到8 0 年代中期，充模流动模拟和冷却模拟采用二维模拟技术，在二 维流动分析中，除数值方法本身的难点外，另一个新的难点是对移动边界的处理，即 如何确定新时刻的熔体流动前沿位置。b o y e r ，g u t f i n g e r 和t a d m o r “”运用流动网格 分析法对二维等温流动进行了计算，并对保压、固化及分子取向问题进行了有益探索。 南京理t 大学硕士擘位论文 沣塑模其冷却系统的c a e 分折与优化 h i e h e r 和s h e n 将h e l e - s h a w “”流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况，得到了描 述二维充模流动的数学模型，并分别采用有限元差分法和有限元与有限差分混合法求 解。w a n gh p 和a u s t i nc “”等采用有限元分析冷却过程温度场的分布。b a r o n e 和 c a n c k “”“”首先采用边界元法对冷却过程进行二维分析，并对冷却装置设置、尺寸和 表面温度进行优化。8 0 年代后期，开展了三维流动和冷却模拟研究。三维流动模拟 主要采用流动路径法实现了对填充过程的三维流动分析；用有限元法与有限差分混合 法，求解模具型腔内的压力场、速度场和温度场，用控制体积法来确定熔体流动前沿 位置。在这一阶段，采用边界元法对冷却过程进行了三维模拟。进入2 0 世纪9 0 年代 后，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力应变及翘曲的全过程模拟的研究，将各 独立模块有机地结合起来，以提高模拟软件的分析精度和扩大适用范围，同时也开展 了c a e 与c a d c a m 集成化研究目前，各国研究人员正致力于三维流动的充填、保压、 冷却、翘曲的集成分析及人工智能在c a e 中的应用的研究。n 】 8 “嘲汹 从8 0 年代开始，注射模c a e 技术从实验室阶段进入实用化阶段，目前国际上具有 代表性的商业化软件有：美国a ct e c h 公司的注射模c a e 软件c m o l d ，它包含了三 维流动模拟、三维冷却分析、保压分析软件，并基于流动、保压和冷却的分析结果进 行了纤维定向分析、塑料制品的应力和翘曲分析；澳大利亚m o l d f l o w 公司重要的注 塑模具c a e 软件m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ( m p i ) ，可以进行流动，冷却，翘曲的全 模块分析，m o l d f l o w 公司的软件是现在注塑c a e 软件市场的主流软件，市场占有率 8 0 以上。此外。还有美国s d r c 公司的i d e a s 软件；德国i k v 研究所的c a d c a e 软件c a d m o u l d ；美国g r a f t e k 公司、p r i m - c v 公司、p r i m e - c a l m a 公司、意大利p g 公司和英国的d e l t ac a m 公司的注射模软件包。【7 】“” 国内开展注塑模c a e 研究起步较晚，但通过不懈的能力，以及对国外软件开发经 验与技术的吸收和研究，发展较快，并取得了一定的成果华中理工大学模具技术国 家重点实验室自行开发了注射模c a e 软件h s c a e ，其水平达到了国外9 0 年代初期的先 进水平，郑州工业大学的国家橡塑模具工程研究中心开发的注塑模分析软件z - m o l d ， 其他一些高等院校和研究所也在这些方面做了很多研究工作，如上海交通大学、四川 联合大学、郑州工业大学、浙江大学、大连理工大学、北京化工学院、合肥工业大学 等，另外北京华正模具研究所与美国a ct e c h 公司合作开发的面向注射模的中文辅助 分析软件c a x a - i p d ，采用了国际上c a e 技术的最新成果。通过科学的分析方法，简便 的操作，不仅可预测注塑工艺过程，确定优化的注塑工艺参数，还可整合塑料制品设 计、注塑工艺设计，注塑模具设计之间的关系，达到优化设计的目的，大幅度降低塑 料制品生产成本。口】【6 】“” 目前，c a e 技术已经在发达国家如美国，德国，日本得到普遍的应用，中国的香港， 台湾地区也得到较普遍的应用，国内应用和研究的还不是很普及，还需要大力推进c a e 4 南京理t 大学硕士学位论文 泞塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 技术。 i 3 注塑模具c a d c a e c a b 的发展趋势 为了对各种成型加工过程进行更精确的模拟，目前各国学者都在研究新模型，新 算法及新的成型模拟系统，并将模拟软件与制品设计、模具设计与制造紧密结合，研 究一体化的集成技术，与c a d 、c a m 、c a p p 、p d m 、e r p 技术与软件的渗透、协调能力 的加强，使计算机模拟技术呈现智能化、集成化的趋势。可以预见，塑料c a d c a e c a m 集成技术将被广泛采用，成为解决塑料成型加工和模具设计中各类问题的标准工具和 手段。随着科学技术的迅速发展、互联网技术的普及，塑料模c a e 技术功能进一步扩 充，性能也进一步提高，呈现出如下的发展趋势： ( 1 ) 数学模型、数值算法逐步完善 塑料模c a e 技术的实用性，取决于数学模型的准确性及数值算法的精确性。随着 相关领域的技术进步，数学模型对成型过程的描述更准确、真实。如聚合物在三维复 杂区域中的流动、传热过程的数值分析以及入口收敛效应和出模胀大效应，所用的本 构关系更加复杂，并应考虑粘弹性及非等温性。数值算法也由二维、二维半走向三维， 计算结果更为精确。另外，聚合物成型是属于多相态介质、多物理场耦合的情况。属 于非线性；而且从材料的组成与构造特征看，存在着从微观、细观到宏观的多尺寸现 象，由于不同的尺寸服从于不同的物理、力学模型，而微观、细观模型的无限迭加同 样无法得到宏观模型，存在多尺度模型的耦合问题。而该问题的研究尚处于基础研究 阶段，属于塑料模c a e 技术的研究热点、难点由于其强烈的工程背景，一旦基础研 究有任何突破，就会被迅速纳入塑料模c a e 技术，以支持产品设计、成型工艺的创新。 因此，多相态、多介质、多物理场、多尺度耦合分析是发展趋势之一 ( 2 ) 优化理论及算法，使c a e 技术“主动”地优化设计 现有的c a e 技术是建立在科学计算的基础上，但仅仅是校验设计方案的合理性， “优化”仅仅是反复的校验、试凑，最终的设计方案仍需设计者的经验和技巧。通过 对多个方案的反复计算、比较、分析和判断来确定，使设计和分析过程仍带有盲目性 和随机性利用现有的模拟结果，借助于优化理论构造有效的反问题算法，给出明确 的改进方向和尺度，对优化模具设计参数和成型工艺参数十分重要。这样，可从根本 上解决依赖经验和技巧的方法和手段 ( 3 ) 逐步提高c a d c a e 系统的智能化程度 人工智能是计算机的几大功能之一，将人工智能引入c a d c a e 系统，使其具有专 南京理工大学硕士学位论文 注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 家的经验和知识，具有学习、推理、联想和判断的能力，从而达到设计自动化的目的。 目前提高智能化程度的路径有两条：一是继续研究专家系统技术的应用；二是开展k b e ( 基于知识工程) 技术的研究，主要是开发基于k b e 的专用工具，如u g i i 中的k f ( k n o w l e d g ef u s i o n ) 。 ( 4 ) 协同创新设计将成为模具设计的主要方向 制造业垂直整合的模式使得世界范围内的产品销售、产品设计、产品生产和模具 制造分工更明确。模具企业间通过i n t e r n e t 网络进行异地协同设计和制造。根据企 业自身的信息化程度和企业间合作的层次不同，采用的技术手段和方案有很大不同。 ( 5 ) 基于网络的模具c a d c a e 集成化系统将深入发展 现代c a d c a e 系统已经实现了从单机到局域网的转变，目前正在与企业的 i n t r a n e t 整合。在企业行为国际化的大潮下，在i n t r a n e t 的大环境下建立c a d c a e 系统不久将成为现实。 1 4 本论文研究内容及研究意义 在国外模具行业，注射模c a e 技术研究起步较早，且技术成熟，并已广泛应用在 注塑模设计与制造中并起了重要的作用。随着计算机技术的高速发展，在我国，对注 射模c a e 技术的研究也逐步展开，但能行之有效地将之应用于模具制造的过程中还缺 乏经验，工程应用人员在正确理解c a e 的理论简化和正确解释其计算结果的技术水平 上还不熟练。本文对c a e 技术的工程化应用进行了较为系统的研究，并给出了c a e 技 术在解决工程问题的策略。利用流行的c a e 软件m o l d f l o wp l a s t i ci n s i g h t ( m p i ) 为工作平台对注塑模具冷却系统进行数值分析，对注塑模具冷却管道布置情况，冷却 介质的温度，流速，冷却管路的截面、冷却时间等进行了充分分析。最后给出了c a e 技术在具体生产中的应用实例以说明其工程应用价值。具体工作如下： 详细阐述了注塑成型过程中的温度调节系统的设计原则； 根据对热交换的研究建立简化条件下注塑模具腔体的温度场数学模型； 阐述了有限元分析前处理问题： 研究了m o l d f l o w 与p r o e 、u g 的软件的数据接口问题： 建立了c a e 分析的国内材料库； 采用c a e 软件对塑料注塑模具的冷却系统进行优化设计的应用研究： 6 南京理工大学顼十学位论文j 中塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 1 5 小结 本章简要介绍了模具工业在国民经济中的重要作用，塑料注塑模具冷却系统优化 的研究意义c a e 技术的发展状况和发展趋势，及目前国内外的应用状况，提出了本 课题的研究目的和主要研究内容。 南京理工大学硕士学位论文注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 2 注塑模冷却系统设计经典理论 注塑模具不仅是塑料熔体的成型设备，而且还是热交换器。模具温度调节系统直 接关系塑件的质量和生产效率，是注塑模具设计的核心内容之一。大型注塑模具的冷 却系统设计尤为重要，计算也较为复杂。对于大多数较低的模具温度的塑料，仅设置 模具冷却系统。但对于模具温度超过8 0 0 c 的塑料，以及大型模具需要设置加热装置。 2 1 注塑模具温度调节系统的功用 2 1 1 温度调节对制件质量 模温的波动及分布不均匀，和模具温度的不适合这两方面会使塑料制品的质量变 坏。其表现主要为以下四个方面： ( 1 ) 模具温度影响塑件变形 模具温度稳定，冷却速度均衡，可减小塑件的变形。对壁厚不一致和形状复杂的 塑件，经常会出现因收缩不均匀而产生翘曲变形的情况。故须采用合适的冷却系统， 使模具凹模与型芯的各个部位的温度基本保持一致，以便型腔内的塑料熔体能同时凝 固。” ( 2 ) 模具温度影响塑件力学性能 结晶形塑料，结晶度越高，塑件的应力开裂倾向越大，故从减小应力开裂的角度 出发，降低模温是有利的。但对于聚碳酸酯一类高黏度无定形塑料，其应力开裂倾向 与塑件中的内应力的大小有关。提高模温有利于减小制件中的内应力，也就减小了其 应力开裂倾向。 ( 3 ) 模具温度影响塑件的尺寸精度 保持模温恒定，能减少制件成型收缩率的波动，提高塑件尺寸精度的稳定性。在 可能的情况下采用较低的模温有助于减小塑件的成型收缩率。例如，对于结晶形塑料， 因为模温较低，制件的结晶度低，可以降低收缩率。但结晶度低不利于制件尺寸的稳 定性，从尺寸的稳定性出发，又需要适当提高模具温度，使塑件结晶均匀。1 3 1 1 ”u 2 3 j ( 4 3 模具温度影响塑件表面质量塑件表面质量缺陷主要包括表面质感差、凹凸 不平及出现阴暗相间条纹等，造成这些缺陷的主要原因都是由于模具温度控制不当 t q i 踟。表2 1 列出了不正常模具温度对塑件质量的影响。 南京理丁大学硕士学位论文 往塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 表2 - l 不正常模具温度对塑件质量的影响 模温 制品茹八 模温过低模温过高模温不均 充模不足 ， 尺寸不稳定 气泡 真空泡 凹痕 飞边 熔接不良 表面波纹 ， 银丝、斑纹 翘曲变形 裂纹 表面不光泽 塑件脆弱 ， 塑件粘模 塑件透明度低 脱模不良 2 1 2 温度调节对生产效率的影响 缩短注塑周期可使成型速度加快，提高塑件的生产效率。在一个注塑周期中，固 化和冷却时间在整个注塑周期中占5 0 - - 8 0 的时间( 见图2 一1 ) ，而对塑件固化与冷 却时间影响最大的是模具型腔温度，在保证塑件质量前提下，通过高的冷却效率的模 具温度调节系统来降低模具温度可使这一时间显著减少，从而能进一步提高生产效 率。m 胎1 缩短冷却时间途径有三个方面。“1 叫 ( 1 ) 让冷却水处于湍流状态 模具冷却管道中冷却水应处于高速湍流状态，流速v = 0 5 1 5 m s ，甚至更高。 雷诺数r e 4 0 0 0 。使冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热系数口提高。资料表明， 9 南京理工大学硕士学位论文泞塑模具冷却系统的c a e 分折与优化 无规则的湍流流体在r e 1 0 4 时，其传热能力比层流高1 0 2 0 倍。 ( 2 ) 扩大模具与冷却水的温差 在模温一定时，采用低温的冷却水。但倘若设计不当，会加剧模具温度分布的不 均匀。采用低于室温的冷却水时。有可能使型腔表面凝聚大气中的水分。 ( 3 ) 增大冷却介质的传热面积 也就是尽量增大管道孔径和和增加孔数。但受模具结构，如脱模零件、镶块接逢的限 制。要防止型腔压力过大时，型腔壁压塌的现象“”嘲 2 2 冷却系统的筒略计算 图2 1 注塑周期 对于大多数中小型注塑模具的水冷系统，必须计算冷却传热面积，确定冷却水温 度和流量以下是对计算作了一些处理的简略计算，由于遵循了模具注塑过程中热平 衡和冷却水湍流流动两大原则，此计算还是可行的。 2 2 1 热平衡计算 进行注射过程的热平衡计算，就是计算单位时间内熔体固化放出热量等于冷却水 所带走的热量。 函= 聊= a n g ( 式2 1 ) 其中：g k 塑料熔体每小时冷却固化所放出的热量( ，j 1 1 ) ： i 为每千克塑料熔体凝固时放出的热焓量( 材，堙) ，由表2 - 2 查得。 1 0 南京理t 大学硕十学位论文注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 疗为每小时注射次数； g 为每次注射的塑料用量( 姆) ； 聊为每小时注射的塑料量( 七g ) ； 表2 - 2 常用塑料熔体凝固时放出的热焓置 塑料品种& 叫i 堍)塑料品种 l ( 船) 塑料品种 i ( 七，堙) a b s3 0 0 - 4 0 0c a b2 7 0p p5 9 0 a s3 3 5p i a 6 66 5 0 7 5 0队65 0 0 - 6 0 0 p o m4 2 0丙烯酸塑料2 9 0p s2 7 0 p v a c2 9 0l d p e5 0 0 - - 6 9 0p t f e5 d o p m m a 2 1 0h d p e5 5 0 一刁5 0p v c 1 7 口v 3 6 0 c a2 9 0p c2 9 0s a n2 7 m 。3 6 0 q o u t = m w c w ( t o u t 一肠1 其中：q o 冷却水每小时从模具带走的热量( u ) ； m ，为冷却水每小时用量( k g h ) ； c w 为冷却水的比容热，4 1 8 7 k k g 。c ； 钿为模具的出水温度。c ； 如为模具的进水温度o c ； 由热平衡条件q o = 函可得： 撕= 南= 丽a m g ( 龀3 ) 撕。瓦瓦葫2 瓦面忑万 眠2 ” ( 式2 2 ) 南京理工大学硕士学位论文注塑横具冷却系统的c a e 分析与优化 2 2 2 湍流计算 经计算保证冷却水在管道中处于湍流状态。从而获得冷却水的体积流量v ，并确定相 应的管径d 。 由水的密度p 2 1 0 0 0 k g m 3 和每小时用水量帆，可以换算得冷却水的体积流量v ： y ：! 上：0 3 9 8 x 1 0 一，垒! ! 堡 6 0 p 一t b , ( 式2 4 ) 管中湍流的雷诺数r e 的计算式： r e ：型1 0 4( 式2 5 ) p 式中：v 为管中的最低流速； p 为冷却水黏度： 2 2 3 冷却时间的计算 随着模具的填充，冷却也就开始了，热量主要是在冷却时间内进行交换的。塑件 在模具内的冷却时间，通常是塑料熔体从充满模具型腔起到可以开模取出塑件为止的 这段时间。可以开模取出塑件的标准，常以塑件已充分凝固，具有一定强度和刚度， 在开模推出时不致变形开裂为准。目前对冷却时间的选取主要有以下三种准则： 埘【置】【廿】 制品最大壁厚中心部分的温度，冷却到该种塑料的热变形温度以下所需的时 间； 制品截面内的平均温度，冷却到所规定的某一温度以下所要的时间： 结晶性塑料制品最大壁厚的中心层温度，冷却到其熔点以下所要的时间，或 者结晶度达到某一指定值所要的时间。 针对不同的准则，冷却时间的计算有三种。 ( 1 ) 制品的最大壁厚中心温度达到该塑料热变形温度以下时，所需的冷却时间： 平板类塑件： 圆柱类塑件： 研= 尹t 2 翩1 凹一i 万i 一ii 伽m 斟触，翱 式中：0 i 为塑件中心温度达到规定值所需的冷却时间，单位s ； ( 2 6 ) ( 2 7 ) 南京理丁大学颀t 学位论文泮塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 t 为塑件厚度，单位i t l n l ； t 。为塑料熔体注射温度，单位； t 。为模具温度，单位； t i 为塑料的热变形温度，单位； r 为圆柱类制件的半径，单位m l n ； o r 为塑件的热扩散率，单位m m 2 s ，结晶型塑料的热扩散系数随着模壁的温度 变化 ( 2 ) 塑件截面内的平均温度达到规定的脱模温度时，所需冷却时间的简化公式 为： 平板类塑件： 圆柱类塑件： 磅h 端 删m 斗啪辎 式甲：0 2 为望件半均温厦达剑坝出温度时明冷却时j 日j ，早位s ； t 。为塑件脱模时截面内的平均温度，单位； 其余符号意义同前。 ( 3 ) 结晶性塑料制品的最大壁厚中心层温度达到规定温度时， 公式为： 专 聚乙烯：适用范围t 。= 1 9 3 3 2 4 8 9 c ，t w = 4 4 7 9 4 。 棒类：0 ；= 1 2 3 9 6 r 2 躐 眠0 ；= 7 9 9 8 t 2 赭 聚丙烯：适用范围t 。= 2 3 2 2 2 8 2 2 ，t w = 4 扣7 9 4 。 棒类：0 ；= 6 5 6 6 r 2 端 板类：0 3 = 3 7 8 5 t 2 裟 聚甲醛：适用范围t i p l 9 0 ，t - 1 2 5 。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 冷却时间的经验 ( 2 1o ) ( 2 1 1 ) ( 2 12 ) ( 2 13 ) 南京理亡大学碗 学位论文沣塑模其冷却系统的c a e 分析与优化 棒类： 板类： g 珊们彤铡等 o ；= 3 6 2 7 t 2 茜等 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式中：0 3 为塑件冷却所需的时日j ，单位s ； 其余符号意义同前。珏耵嘲剐删刎 2 2 4 冷却介质体积流量的计算 忽略模具因对流、热辐射、与注塑机接触所散失的热量，并假设塑料在模具内释 放的热量全部由冷却介质带走，则模具冷却时所需的冷却介质的体积流量q v 可按下 式计算：。帅1 1 f q 。= 丽丽c i q i ( 2 16 ) 式中，q ，为冷却介质的体积流，单位m 3 h ； g 为单位时间内注入模具中的塑料质量，单位k g h ： q l 为塑料制品在凝固时所放出的热量，单位j k g ： c p 冷却介质的比热容，单位j ( k 矿) ； p 为冷却介质的密度，单位k g m 3 ； t l 为冷却介质的出口温度。单位； t 2 为冷却介质的进口温度，单位。 求出冷却介质的体积流量后，可以根据冷却介质处于湍流状态下的流速与管道直 径的关系确定模具冷却介质孔的直径，见表2 3 。 表2 3 冷却介质与管道直径的关系 冷却管道直鼹低流速冷却介质体积流冷却管道直最低流速冷却介质体积流量 径d r a m v ( m s ) 量v ( m 3 m i n ) 径d r a mv ( m s )v ( m 3 m i n ) 81 6 6 5 o x l 0 - 3 1 5o 8 7 9 2 1 0 3 l o1 3 26 2 1 0 - 3 2 00 6 6 1 2 4 1 0 4 1 21 1 07 4 l o 32 5o 5 31 5 5 x 1 0 - 3 2 2 5 冷却介质总的传热面 冷却介质总的传热面计算公式为： 舻茄 1 4 ( 2 17 ) 南京理工大学硕士学位论文 注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 式中： a ：为冷却介质孔中传热面积，单位m 2 ； l ：为模壁的平均温度，单位； t o ：为冷却介质的平均温度，单位； k ：为冷却介质在湍流状态时，冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热系数， j m 2 h ，数值由式( 2 - 1 3 ) 决定； k - - 4 1 8 矿7 f ( p v ) ( 2 1 8 ) 式中： f 为与冷却介质温度有关的物理系数o p ：为冷却介质的密度，单位k g m 3 ： v ：为冷却介质的流速，单位m s ： d ：为冷却管道的直径，单位m 嘲 2 2 6 冷却孔的数目计算 因为模具尺寸的限制，每个水孔的长度为l ， a 1 3 = 一 万d l 式中，其余符号同上魄1 则模具内应开设冷却孔数n 为： ( 2 1 9 ) 2 2 7 冷却介质流动状态的校核 冷却介质处于层流还是湍流，其冷却效果相差1 0 2 0 。m 倍。因此在模具冷却系统设计完成后，需要对冷却介质的 们 流动状态进行校核，规定适用的雷诺准数为： r e ：v d 1 0 0 0 0 r 式中，v 为冷却介质的速度，m s ： d 为冷却通道的孔径，m ； n 为冷却介质的运动粘度， 可按图2 2 选取。 o 告叫r _ 扣喘l o 4 07 0 温度， m 2 s 。其值与水温有关， i i t2 - 2 水的运动黏度与温度的关系 2 2 8 冷却介质入口与出1 2 1 温差的校核： 在精密模具中，冷却水出入口的温差不超过2 c ， 缸2 忐】 通常的误差经验校核公式为： 南京理1 = 大学硕士掌位论文注塑模具冷却系统的c a e 分析与优化 式中，t 。冷却介质的出入口温差，； q 为冷却介质带走的热量，k j h ： 其余符号同前。 2 3 冷却系统的设计原则 模具中设计冷却系统的主要目的是使模具型芯和型腔迅速而又均匀的冷却。因此 为了提高冷却效率和获得均匀与稳定的型腔和型芯表面温度，在冷却系统的综合设计 中应注意下面一些情况： ( 1 ) 要优先考虑冷却管道的位置，而后综合处理脱模机构零件布置和镶块结构。 并首先保证型芯的冷却，尽量减小型芯壁和型腔壁之间的温差，特别是大型模具应使 用模具温度调节装置，这可有效保证模温控制质量。在通常注射成型生产中，模具温 度波动不超过2 5 c ；精密注射时，模具温度误差在1 之内，并采用缓冷方法， 保证制品尺寸精度和质量。嘲“o ( 2