（机械制造及其自动化专业论文）基于cae技术的注塑模冷却系统优化设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 近年来 塑料工业快速发展 塑料制品广泛应用在家电 机电 仪表 化 工 汽车和航天航空等领域 塑料成型模具的需求量急剧增加 随着市场竞争 的日益激烈 产品开发和模具设计周期的要求越来越短 塑料模具设计仅仅依 靠模具设计师经验已经远远不能满足制品质量的要求 这不仅要经过反复调试 和修正才能正式投入生产 还导致模具设计周期长 成本高 产品质量难以保 证 采用c a e 技术 在计算机上做模拟分析之后投入制造 可以保证一次试模 成功 不但可以节约人力财力 还可提高制件生产效率和产品质量 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 以达到使塑料件快 速均匀冷却 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 c a e 冷却系统 优化设计 模具温度 冷却时间 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l yp l a s t i ci n d u s t r yi sg r o w i n gq u i c k l y p l a s t i ci n j e c t i o nm o l di sm o r ea n d m o r en e e d e db e c a u s ep l a s t i cp a r ti sw i d e l ya p p l i e dt ot h ef i e l d so fh o m ea p p l i a n c e s m a c h i n e i n s t r u m e n t c h e m i c a li n d u s t r y a u t o m o b i l ea n ds oo n t h ec y c l eo fp a r t d e v e l o p m e n ta n dm o l dd e s i g ni sr e d u c e di n c r e a s i n gb e c a u s et h em a r k e t i n gc o m p e t e s m o r ed r a s t i c a l l y i n j e c t i o nm o l dt h a te n g i n e e rd e s i g nd e p e n d i n go nt h e i re x p e r i e n c e s c a n tf a rm e e tt h er e q u e s to fp r o d u c tq u a l i t ya n dw a sn o to n l yt e s t e da n da d j u s t e d a g a i na n da g a i nb e f o r ep r o d u c i n gb u ta l s ol e a dt ol o n gc y c l ea n dh i g hc o s t 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 e c o s ta 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 je c t i o nm o l di s d e e p l yd 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 c t i v i t yt h e o r yb ym e a n so ft h e s i m u l a t i o ns o f t w a r em o l d f l o w t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o 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 d c o n s t r u c tt 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 t d i s c u s s e st h ep 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 a r 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 t t a k e sg 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 o b u i l da n dm e s hf i n i t ee l e m e n tm 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 dw i t ht h ea c c u r a c y o 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 ho fo 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 gt 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 s b r o u g h to u tb a s e do nt h ep a r t c h a r a c t e r i ta v o i d st h eh e a tp o i n td 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 d w a r p a g eb yt h ec 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 s r e s u l t sa l s op r o v i d et h ee v i d e n c e sw h i c h g 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 n o f c o o l i n gs y s t e ma n dp 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 e c o o l i n ge f f i c i e n c y p a r tq 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 c a e c o o l i n gs y s t e m o p t i m u md e s i g n m o l dt e m p e r a t u r e c o o l i n gt i m e i i 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 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 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 保密囹 本学位论文属于 在 不保密口 学位论文作者签名 韩乍员飞 加o r 年石月j 日 一0 一 互年我解密后适用本授权书 一日 锻即 勃 名 r 签 钾 师 教导匕日 f 独创性 申明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立 进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容以外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 韩佃飞 刎s 年占月r 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 c a e 技术是一门以c a d c a m 技术水平的提高为发展动力 以高性能计算 机及图形显示设备的推出为发展条件 以计算力学中的边界元 有限元 结构 优化设计及模态分析等方法为基础的技术 n 1 1 1引言 塑料由于具有密度小 质量轻 比强度大 介电损耗低 化学稳定性强 成型生产率高 价格低廉及色调选择自由 耐水 耐化学腐蚀 电绝缘性能优 良 外观美观 制造安装方便等系列优点 在国民经济和人民日常生活的各个 领域得到了日益广泛的应用 早在二十世纪九十年代初 塑料的年产量按体积 计算己经超过钢铁和有色金属年产量的总和 在机电 仪表 化工 汽车和航 天航空等领域 塑料己成为金属的良好代用材料 出现了金属材料塑料化的趋 势 乜1 塑料制品的大量应用反映出的另一个侧面是塑料成型模具的需求量的增 加 随着市场竞争的日益激烈 塑料制品成型技术将面临高质量 高精度 低 成本 短周期的严峻挑战 作为最有效的塑料成型方法之一的注射成型 具有 可以一次成型各种结构复杂和尺寸精密的制品 成型周期短 生产率高 生产 大批件时 成本低廉 易于实现自动化等优点 因此 在塑料加工行业中占有 非常重要的地位 而且世界塑料成型模具产量中约半数以上是注射模具 d 1 激烈的市场竞争带来越来越快的产品更新换代 这对注塑模的设计和制造 提出了更高的要求 因此 提高注塑模具的设计质量有着很重要的意义 然而 注塑模具的开发设计中 仍然遵循传统的模具设计和制造方法 即经验加试模 的方法 在开始大规模生产前由于仅凭经验设计模具 制造工人的技巧制造模 具 模具装配完毕后 通常需要几次试模 发现问题后 不仅要工艺师重新设 置工艺参数 甚至还要设计师调整塑料制品和模具的设计方案 修改模具 重 复各个步骤增加了生产的花费 影响模具质量 同时延长了制品生产时间 由 于缺乏量化指标指导 经常会出现废品率高和质量不稳定等缺陷 这种落后的 江苏大学硕士学位论文 手段显然不适应现代生产对制品高质量和高效率的要求 图卜1 就是传统注射 成型制品的开发和生产过程 乜埘 注塑c a e 技术是综合了计算机图形学 数据库 智能模拟等技术 从而形 成了一个强有力的工程设计工具 它将注塑模设计所需要的设计理论 塑料特 性 设备参数 计算数据及设计者的经验融为一体 可以模拟整个注塑过程及 这一过程对塑件成型的影响 从而使设计人员在人机交互的环境下 对产品进 行图形显示和动态成型模拟 可以对模拟结果进行分析 实现工艺参数的最优 化设置 3 1 4 3 图1 1 传统模式下注塑产品开发流程图 图卜2 基于c a e 技术注塑产品的开发流程图 现在随着流变学理论以及传热学理论在有限元和有限元差分上应用的不断 深入 注塑c a e 技术在实际工程中的应用亦逐渐广泛 突破了传统的模具设计 中解决问题的方式 实现了注塑生产的可视化全过程模拟 为设计人员修改设 计提供了科学的依据 1 从图卜2 n 伽中可以看出 c a e 技术贯穿于产品的开发设 计和模具设计制造的整个过程 可以在实际工程实施之前即在模具生产之前进 行工艺分析 模拟实际工程的真实过程 预测塑料制品的缺陷 进而修改塑料 制品 成型工艺及其模具设计的不足之处 直到各种缺陷消除为止 而且可以 检验各种方案的可行性 较之现场的修模 换模 试模 无论就人工 时间 2 江苏大学硕士学位论文 材料 能源 场地而言都体现了c a e 技术的优势 即有效的缩短了模具的设计 和制造周期 提高了产品质量 带来了明显的社会效益和经济效益 同时又使 模具设计者和生产者集中精力进行新产品的 新工艺的研究 以适应日益激烈 的市场竞争 2 3 3 m 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 n 儿刚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 技术的目的是实现成型过程的动态仿真分析 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 儿协1 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 n 2 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 a 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 使成型加工从一项实用技术变为一门应用科学 n 2 1 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 a e 技术 针对国内实际情况 丌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的发展有着重要的意 江苏大学硕士学位论文 1 3 注塑c a e 技术的发展概况 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 p 儿踟 2 0 世纪6 0 年代 t o o r b a ll m a n 和c o p p e r 乜踟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 让刀 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 乜町等学者对 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 n 5 1 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 h i e h e r 和s h e n 将h e l e s h a w u 町流 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 ti n c n 6 1 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 n 射n 7 3 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三维制件的流动分析 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 采用边界元法等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 同时也丌展了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 于三维实体的充填 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 口 8 m m l 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 4 江苏大学硕士学位论文 上具有代表性的商业化软件有t 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 af 1 i 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 嘲川1 3 1 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椽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 其中北京华正模具研究所与美国a c t 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 3 1 6 3 1 3 1 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 技术 1 4 本课题主要研究内容及意义 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 在注射生产中 塑件的冷却 时间在一定程度上决定了生产的循环时间 因为注塑成型周期中5 的时问用于 注射成型 1 5 的时间用于顶出塑件 而8 0 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 阳 删当塑件在模具中冷 江苏大学硕士学位论文 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 但如果塑件冷却时间过长 一方面模温变得太低 另一方面也会影响 生产效率和成型周期 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 n 5 1 6 1 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 n 钔 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 m m 7 1 本文以澳大利亚m o l d f l o w 公司的注塑模具c a e 软件m o l d f l o wp l a s t i c i n s i g h t m p i 为工作平台 进行了应用研究 利用c a e 分析的结果 对塑件 的浇注系统 冷却系统 注塑工艺参数等方面进行了优化 取得了比较满意的 优化结果 并在模具的冷却系统的设计方面做了较深入的研究 其主要研究内 容如下 1 注塑成型过程中温度变化的影响因素 因为塑料和模具之间的非稳态热 循环交互作用 造成了模具的热交换的复杂性 通过对热交换的研究分 析简化条件下的数学物理模型 为进行c a e 模拟分析提供了理论基础 2 c a e 前处理问题 c a e 网格模型建立的好坏 网格的划分是否合理及其 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 分析所需的有效的有限元模型 从而保证得到准确模拟结果 3 冷却系统的优化 c a e 模拟分析的目的就是为了更好的利用这一技术 因此成型过程中冷却系统的优化是本课题研究的主要内容之一 主要研 究通过模具冷却数值模拟得到的模具温度场 应用其分析结果来优化冷 却回路的布置和冷却工艺参数 提高制品的质量和生产效率 通过对基 于制件形状特征设置的冷却回路的优化 避免制件冷却中的过热点 减 6 江苏大学硕士学位论文 少塑料件残余应力和翘曲变形 缩短冷却循环时间 以达到使用塑料件 快速均匀冷却的目的 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 本章小结 本章简要介绍了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 7 江苏大学硕士学位论文 第二章注塑模温度调节系统 注塑模温度调节系统的设计直接影响着注塑生产率和塑件质量 为了塑件 在不产生变形的情况下顺利脱模 必须对熔融塑料进行冷却 冷却需要的时间 几乎占整个注塑周期的2 3 以上 个完善的冷却系统设计能显著地减少冷却时 间 提高注塑生产效率 2 1 另一方面 塑件的翘曲变形和内部残余应力常常是 由于冷却不均匀而产生的 塑件的表面塌陷痕迹则是由塑件内部热点所致 这 些都与温度调节系统设计有关 要做到优质 高效率生产 模具必须能够根据 实际需要进行温度调节 n 町乜3 1 2 1 控制和调节模具温度的必要性及其设计要求 在周期性的注射成型过程中 高温熔融的塑料在型腔内凝固成制品时将释 放出大量的热量 模具内各点的温度随着时间和位置的不同发生周期性变化 为适应各种不同的塑料品种 型腔需要维持在某一适当的温度 因此注塑模必 须有良好的温度调节系统 模具温度对塑件成型过程的影响主要体现在 钔让3 1 1 生产效率和注塑周期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 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 n 们妲3 1 2 塑件翘曲变形翘曲变形是塑件常见的质量缺陷之一 消除塑件翘曲 变形要从注塑过程参数 塑件材料及结构 模具结构及温度等多方面考虑 其 中均匀一致的模具温度尤为重要 模具温度不均引起的收缩不均是塑件产生翘 曲的主要原因之一 n 3 塑件内部应力减小塑件内应力或者使塑件截面上内应力分布均匀化可 提高塑件的物理性能和使用寿命 塑件的内应力主要包括取向应力和温度应力 取向应力主要与注塑过程参数如熔体温度 注塑压力及保压时间有关 温度应 力则是由于冷却不均而产生的 尤其与模具表面温度分布有关 n 们啦 8 江苏大学硕士学位论文 4 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 1 4 2 3 5 塑件的收缩率模具温度的波动会使批量生产制品尺寸不稳定 从而降 低制品尺寸精度 甚至出现尺寸误差大的废品 这对成型收缩率较大的结晶型 塑料影响更为明显 3 儿1 4 1 2 3 1 此外 模具的温度状态还直接影响着塑件的力学性能及填充性能等 因此 温度调节系统在塑料成型过程中是必不可少的结构 所以设计温度调节系统时 就应当满足一定的要求 咖 1 4 1 1 根据塑料的品种 确定温度调节系统是采用加热方式还是冷却方式 2 尽量使模具温度均一 塑件各部分能够同时冷却 以提高生产率和提高 塑件质量 3 采用低的模具温度 一般情况下 快速 大流量通水冷却效果比较好 4 温度调节系统要尽量做到结构简单 加工容易 成本低廉 温度调节系统根据不同的情况可分为加热系统和冷却系统两种 本文着重 是研究冷却系统 2 2 冷却效果的影响因素 影响冷却效果的因素很多 但是主要的是下面几种 3 m 州2 3 1 1 模具材料选择热传导率大的材料对提高冷却效果 缩短冷却时间 极为有利 2 冷却介质温度及流动状态一般采用流径长的温水进行冷却 温差 一般要控制在5 c 以内 流速尽可能高 使冷却介质达到紊流状态 3 模塑材料塑料的热性能 对冷却时间具有很大影响 绝大多数塑 料的热传导率很低 但是可以通过填充 改性或加入添加剂的办法加以改善 4 塑件厚度热传阻力越大 需要的冷却时间越长 通常冷却时间与 塑件厚度的平方成正比 5 冷却回路的分布为使模腔表面温度均匀 冷却孔的孔径与位置 应与塑料熔体带入的热量成比例 9 江苏大学硕士学位论文 6 模具温度选择合适的模具温度会缩短成型周期 提高塑件质量 减少废品率 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 模具温度波动在1 之内 并采用缓冷方法 保证制品尺寸精度和质量 乜3 儿4 2 要保证实现管道冷却水紊流状态的流速和流量 还要保证足够的水压 冷却管道总长在1 2 1 5 m 以下 增加回路数可以增大流量 减少压力损失 提 高传热效率 均匀冷却以冷却水在出 入口处的温差小为好 精密成型的模具 多型腔模具 此二者温度差要控制在2 3 之内 一般模具也应该控制在5 c 以 下 管道作串连布置 特别是从模具外用管接头和水管连接 加工维修方便 但由于流程长使冷却水的压力降和进出口温差大 多路并联冷却 冷却效果好 但需要控制好各路的流量和水温的一致性 2 如n 羽 3 管道直径不能过细 否则加工和清理困难 而且水垢和铁锈常会使冷却 效率变坏一个数量级 需要定期清理 较大管道孑l 径和根数能增加有效冷却面 积 只要不妨碍模具总体结构 愈大愈多为好 水管接头孔径应与管道孔径一 致 进水和出水接头尽可能在模具一侧 并置于不妨碍注塑操作的方向 进口 和出口的接头尽量不要高出模具外表平面 以免模具运输过程中造成损坏 璐 嘲 4 冷却管道布置应以均匀冷却为前提 成型腔与冷却回路分布状态也就是 孔壁与型腔壁的间距h 通常为 1 5 3 d 孔壁之间的间距b 为 2 4 d 见图2 1 冷却管道均匀布置后 按需要作局部调整 过大间距 会使模具温度不均匀 过小的间距 孔壁承受型腔高压后 由于弯曲应力和剪切应力其综合变形作用 在孔的中央部位会产生型腔壁的压塌现象 心3 1 l o 江苏大学硕士学位论文 图2 l 冷却管道的位置 5 对浇注系统要加强冷却 特别是应加强浇口处的冷却 因为塑料熔体在 充模时 浇注系统内的凝料温度较高 其凝固时间很长 影响生产周期 乜3 盯3 6 冷却塑料制品局部的厚壁及转角处时 要适当减小间距h 和b 但是不 能太小 否则会导致冷却不均匀 一般情况下都要大于1 0 2 0 m m 在塑料熔体 流动的末端 特别是熔合缝的汇合处 模具型腔的相应位置处应避免设置或者 远离冷却管道 以防止该处因温度过低而导致塑件熔接部位强度不足 d 儿2 3 1 7 要结合塑料的特性和塑件的结构 合理的布置冷却管道 如对聚乙烯等 收缩大的树脂成型时 应沿其收缩方向设置冷却回路 咄5 3 8 保证冷却通道不泄露 才能保证冷却液在一定的流量和压力下流动 同 时应该防止与模具其它部位发生干涉 陌1 9 冷却时间长短与制件壁厚有很大关系 尽可能采用均匀厚度的制件 这 样可以减少制件因冷却或者固化速度不同产生的附加内应力 从而缩短冷却时 间 啼1 1 0 冷却介质要首先考虑选用水 其次考虑压缩空气和油等冷却液 这是 因为水的热容量大 传导系数大 成本低 且低于室温的水也容易获得 l l 从实际的冷却效果和需要来选取模具材料 常用模具钢的导热系数均较 低 c 和c r 的含量越高的钢种导热性能愈差 普通钢传热性差 且热稳定性不 好 还导致型腔表面硬度下降 铜铝锌合金的导热系数为钢的1 5 3 倍 其应用 效果较好 不锈钢的导热系数只有钢的o 5 倍以下 相比之下可视为绝热材料 为降低成本 在适当部位 可选导热系数大的材料作为镶嵌件 心加 江苏大学硕士学位论文 2 4 冷却回路的布置 根据塑件的形状及其需要的冷却温度 冷却回路可以分为直通式 圆周式 多级式 螺旋式 喷射式 隔板式等多种样式 在多种情况下 可将这些样式 互相配合 构成冷却回路 常见的冷却回路布置有下面几种 2 4 1 简单流道式 如图2 2 是最简单流道式的管道布置 常用于矩形制品的冷却 图2 2 a 用水管接头和橡塑管将模具内管道连接成单路或多路循环 管道加工方便 适 合于浅的矩形型腔 但是外接部分容易损坏 图2 2 b 将各回路直接连接 用水管孔塞将顶端塞住 而不用水管接头或者橡塑 这样可以减少在接管内的 压力降 对深腔和高度大的型芯的冷却效果较好 n 儿2 们 a e 三了 一 图2 2 冷却的简单流道式 b 简单流道式冷却回路的优点是加工方便 冷却效果较好 冷却液温度升高 较小 但是冷却回路长时 压力降大 2 4 2 螺旋式冷却回路 螺旋式冷却回路适合于大直径的圆柱高型芯 在心柱表面车制螺旋沟槽 压入型芯的内孔中 冷却水从中心孔引向心柱顶端 经螺旋回路从底部流出 心柱使型芯有较好钢性 这种冷却方式冷却效果好 可使注塑制品具有更高的 质量 特别是对于自由变形的制品 但模具结构和加工方式较复杂 叫嘲 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 3 螺旋式冷却管道 2 4 喷流式冷却回路 2 43 隔板式和喷流式冷却回路 2 5 隔板式拎却回路 模具内可能有衅远离冷却管路区域 无法达到 下常的冷却效果 这些区域 可以采川喷流式冷却回路 图2 4 3 和隔板式冷却回路 图2 5 1 可以引导冷却 剂流进平常难以冷却的区域 隔板式是垂直钻过主要冷却孔道的冷却管路 并且在冷却孔道加入一隔板 将其分隔成两个半圆形流路 冷却液从主要冷却孔道流进隔板一侧 进到末端 再回流到隔板的另 侧 最后回流到主要通道 隔扳式冷却回路可以提供给冷 却液最大接触面积 但是其隔板却很难保持在中央位置 型芯的两侧的冷却效 果及温度分布可能不同 将会属隔板改成螺线隔扳 可h 改善此缺点 也符合 制造上的经济效益 图2 6 的螺线隔板让冷却液螺旋式地流到末端 再螺旋式 地回流 另种设计采用单螺旋或者双螺旋隔板 如图2 7 所示 其管径大约 江苏大学硕士学位论文 在1 2 5 0i i l n l 可以获得均匀的温度分布 喷流式冷却回路以小口径的内管取代隔板式冷却回路中的隔板 冷却液从内 管流到末端 再像喷泉般的喷出 从外管回流到冷却管路 细长的型芯最有效 的冷却方式是采用喷流式冷却回路 但是其内 外管直径必须调整到具有相同 的流动阻力 才能达到最佳的冷却 1 蚓剿 图2 6 螺线隔板式冷却回路图2 7 螺旋隔板式冷却回路 2 44 采用导热棒 导热杆 及导热型芯式冷却 无法通过冷却水的局部细小型芯以及不能完全密封的结构时 其冷却方法 是采用热传导率高的铍铜台金 热传导率为15 0 w m k l 加工成型苍或者导热棒 使其底部延伸到冷却回路 并用喷水管或者空气冷却其尾部 见图2 8 2 9 这两种冷却方式与隔板式和喷水式冷却回路一样 能有效地防止型芯局部温度 的升高 以及成型件和模塑周期延长等弊端的产生 但是需注意的是应该使型 芯底部截面积尽可能大 以提高传热效果 4 2 2 4 5 热管冷却 热管具有超高的导热性能 被称为热的超导体 导热能力可达铜的几百至 几干倍 特适宜局部加热和冷却 目前在国内外企业也广泛采用 工作原理如 图2 1 0 恤1 所示 它不仅用于局部冷却 而且逐渐趋向于用热管代替水管冷却 其优点是可以使成型周期缩短3 0 以上 降低废品率 制品精度高 色泽是佳 延长模具使用寿命 降低能源消耗 江苏大学硕十学位论文 图2 8 用导热棒冷却图2 9 导热型芯式 图2 1 0 热管工作原理 蒸汽腔2 毛细口及液芯3 管壳 a 加热段b 绝热段c 玲却段 2 5 冷却系统的设计 注塑模冷却系统设计的关键是确定冷却管道的几何参数 冷却介质的物理 参数和冷却吲间 这些参数之间是相互联系 相瓦影响的 只有将这些参数合 理组合列能获得理想的冷却效果 冷却介质的物理参数包括介质的温度和流动 速牢 冷却管道的几何参数包括管道的位置 截面尺寸及形状等 1 25 l 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刚内进行交换的 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啾出 塑件为l 的这段时间 町以开模取出塑件的标准 常以塑件己充分凝固 具有 江苏大学硕士学位论文 一定强度和刚度 在开模推出时不致变形开裂为准 目前对开模温度点的选取 主要有以下三种准则 3 1 2 2 3 1 燎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 壤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 睾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 本文中开模点的选取是以第二个准则为依据的 即制件温度冷却至设定的 开模温度 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性温度以下时 所需的冷 却时间 平板类塑件 圆柱类塑件 研 嘉7 2 翱 口 l 万i 一 i t 9 0 1 7 3 r 口2l n 1 6 0 2 3 万 7 o 可7 口 l 一1 w jj 2 1 2 2 式中 9 为塑件中心温度达到规定值所需的冷却时间 s f 为塑件厚度 i m 为塑料熔体注射温度 r 为模具温度 瓦为塑料的热变形温度 斤为圆柱类制件的半径 m m 硝塑件的热扩散率 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 g 刮糊 口万一 l 口2 丁 一丁l 删耶3 譬 n 0 6 9 6 矧 2 3 2 4 式中 目0 为塑件平均温度达到顶出温度时的冷却时间 s t 为塑件脱模时 截面内的平均温度 其余符号意义同前 1 6 江苏大学硕士学位论文 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 冷却时间的 经验公式为 聚乙烯 适用范围t n 1 9 3 3 2 4 8 9 c 瓦 4 4 7 9 4 c 棒类 8 1 2 3 9 6 r 2 端 2 5 板类 联 7 9 9 8 t 2 三璺 2 2 6 1 8 5 6 一z 0 专 聚丙烯 适用范围 2 3 2 2 2 8 2 2 r 4 4 7 9 4 c 棒类 联 6 5 6 6 r z 玉二兰2 q 2 7 2 2 3 9 y 板类 联 3 7 8 5 t 2 圣 兰竺q 2 8 2 2 3 9 f 0 聚甲醛 适用范围t 用 1 9 0 t w 1 2 5 棒类 0 7 6 6 1 r 2 蔫筹 沼9 板类 0 3 3 6 2 7 t 2 鬻 式中 秒3 为塑件冷却所需的时间 s 其余符号意义同前 嘲m 5 m 6 m 7 瑚1 2 5 2 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 可按下式计算 蚴 4 1 3 g 盟一 2 i1 吼2 6 0 c p p 坠t 一t 2 式中 吼为冷却介质的体积流 m 3 h g 为单位时间内注入模具中的塑料质 量 k g h q f 为塑料制品在凝固时所放出的热量 j k g q 冷却介质的比热容 j k g 丰 肭冷却介质的密度 k g m 3 f 为冷却介质的出口温度 幻为 冷却介质的进1 3 温度 求出冷却介质的体积流量后 可以根据冷却介质处于紊流状态下的流速与 1 7 江苏大学硕士学位论文 管道直径的关系确定模具冷却介质孔的直径 见表2 1 表2 1 冷却介质与管道直径的关系 冷却管道最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 直径d r a m v m s 量v m 3 m i n 径d r a mv m s 量v m 3 m i n 81 6 65 o 1 0 31 50 8 79 2 1 0 3 1 01 3 2 6 2 1 0 32 00 6 6 1 2 4 1 0 3 1 21 1 07 4 1 0 32 50 5 31 5 5 1 0 3 2 5 3 冷却介质总的传热面 冷却介质总的传热面计算公式为 肚褊 2 1 2 式中 么为冷却介质孔中传热面积 m 2 为模壁的平均温度 乃为冷 却介质的平均温度 k 为冷却介质在紊流状态时 冷却管道冷孔壁与冷却介 质之间的传热膜系数 j m 2 h 数值由式 2 1 3 决定 七 华 式中 f 为与冷却介质温度有关的物理系数 为冷却介质的密度 k g m 3 1 为冷却介质的流速 m s d 为冷却管道的直径 m 乜2 1 2 5 4 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 则模具内应开设冷却孔数行为 2 l 2 14 z d l 式中 其余符号同上 2 2 1 2 5 5 冷却介质流动状态的校核 冷却介质处于层流还是紊流 其冷却效果相差1 0 2 0 倍 因此在模具冷却 系统设计完成后 需要对冷却介质的流动状态进行校核 规定适用的雷诺准数 为 1 8 江苏大学硕士学位论文 r e v d 1 0 0 0 0 7 2 1 5 式中v 为冷却介质的速度 m s d 为冷却通道的孔径 m 7 为冷却介质的 运动粘度 m 2 s 陇1 刎 2 5 6 冷却介质入口与出口温差的校核 为 在精密模具中 冷却水出入口的温差不超过y c 通常的误差经验校核公式 t2 南 2 1 6 4 乙冷却介质的出入口温差 q 为冷却介质带走的热量 u l l 其余符 号同前 2 4 4 1 3 以上只是利用传热学的基本原理与计算公式应用到注塑模的冷却系统的设 计和计算 要设计好一副注塑模冷却系统 仅仅依靠这些是不够的 也是不准 确的 它只是提供给我们一个设计的依据 传统的模具设计更多的需要在实践 中不断反复试验 随着计算机技术和有限元 边界元等数值计算方法的发展和 广泛应用 解决了这一传统模具设计需要实践中反复试模 调试等诸多弊端 使实际成型中熔体的动态充模 冷却过程在计算机屏幕上直观 形象地模拟出 来 实现了模具制造和生产之前 各种方案的比较和优化 为设计出高质量的 冷却系统提供了科学的依据 本章小结 本章主要阐述了冷却系统设置的必要性 冷却效果影响因素及其设计原则 和常见的几种冷却回路的布置 并阐述了传统设计冷却系统的传热学计算公式 为c a e 进行模拟分析提供了最初方案设计的理论依据 1 9 江苏大学硕士学佗论文 第三章冷却系统数值模拟的理论 注射模冷却指的是从浇口凝固到制品从模具中顶出这段时间 占成型周期 的四分之三以上 冷却过程中熔融塑料发生固化 固化过程中放出的热量通过 模具由冷却介质 常用的冷却介质为水 带走 该过程中模具型腔温度的高低 及均匀性直接影响到塑件生产效率和质量 m