前言

    在注塑成型中，模具溫度直接影響到塑件的質量(例如：翹曲變形、收縮率、耐應力開裂性)、熔體的充模能力、熔體的溫度以及注塑成型的生產率。通過溫度調節，保持適當的模具溫度，可減小制品的變形、增強制品力學性能、改善制品的表面質量、提高制品尺寸精度；同時，縮短占整個注射循環周期約80％的冷卻時間，這將有利于提高注塑成型的生產率。因此，分析并優化設計注塑成型模具的冷卻系統，在一定程度上有利于塑件質量的提高和生產成本的降低。

1  影響冷卻系統的因素

    影響注塑模冷卻系統的因素很多。如塑件的結構形狀和分型面的設計，冷卻介質的種類、溫度、流速，冷卻管道的幾何參數及空間布置，模具材料，熔體溫度，塑件要求的頂出溫度，模具溫度，塑件和模具問的熱循環交互作用，冷卻時間等。例如，提高模具溫度會增加制件的冷卻時間、增大制件收縮率和脫模后的翹曲，制件成型周期也會因為冷卻時間的增加而延長，降低生產率；另一方面，降低模具溫度，雖然能夠縮短冷卻時間、提高生產率，但是，這將會降低熔體在模腔內的流動能力，并導致制件產生較大的內應力或者形成明顯的熔接線痕等制件缺陷。冷卻時間的長短決定了制件脫模時的溫度和成型周期的長短，直接影響產品成本及質量的高低。

    基于以上多方面因素的分析，并考慮MPI/Cool提供了對冷卻管道(包括隔板管、噴流管、連接軟管)、鑲塊、多種模具材料、冷流道和熱流道、分型面及模具邊界對模具和制品溫度的冷卻模擬分析的功能，這些都為優化設計冷卻系統提供了可靠的依據。

2  注塑模的冷卻分析

2.1模型的建立及成型工藝參數的預置

    碗櫥上蓋大小為500mm×480mm×250mm，整個產品的厚度均為3mm。

    首先應用PROE獲得碗櫥上蓋產品的三維模型，并以*.stl的文件格式導入Moldflow中。然后對制件以Fusion的格式進行網格劃分并利用有限元方法的相關軟件進行有限元修復，最終獲得的參數如下：面單元數=11185，節點數=5680，單元的匹配率=79.0％。

    冷卻分析的預置工藝參數如下：成型材料選擇Polyflam Rpp1058-295(PP)，模具溫度50℃，熔體溫度230℃，開模時間5秒，注塑保壓冷卻時問總和為30秒，填充控制、速度/壓力控制轉換為自動控制，保壓控制為填充壓力與時間關系，采用默認值。

    冷卻系統中，預置冷卻管道的布局，依據塑件結構預置3根冷卻管道，冷卻管道的直徑為10mm；冷卻介質為水，其溫度為25℃，流率2.54L/min；人口雷諾系數為10000；模擬分析流程為Cool模式。

2.2冷卻分析

    冷卻分析是用來分析模具內的熱傳遞，主要包含塑件和模具的溫度、冷卻時間等。決定冷卻系統性能優劣的因素如下：樹脂熔體對模具的熱傳導速率；整個模具中從塑料熔體/金屬界面到金屬/冷卻劑界面的熱傳導速率；從金屬/冷卻劑界面到冷卻劑的傳導速率。即熱傳遞性能決定了冷卻系統的性能，其中影響塑料熔體到模具壁的熱傳遞速率的因素有：熔體的材料性能，如比熱、熱傳導能力；熔體與模壁之間的溫度梯度；熔體和模具之間的接觸性能。

    MPI/Cool通過對模具、制品、冷卻系統的傳熱分析，為用戶提供了豐富的模擬分析結果：

    (1)冷卻時間。為保證制品在脫模時有足夠的強度，以防止脫模后發生變形，要確定合適的冷卻時間；MPI/cool能夠計算制品完全固化或用戶設定的固化百分比所需要的冷卻時間。

    (2)型腔表面的溫度分布。型腔表面溫度對制品質量具有重要影響。MPI/Cool能夠模擬注射周期的型腔表面溫度分布，幫助工藝人員確定模具溫度的均勻程度及是否達到材料所要求的模具溫度。對于中性面模型，MPI/Cool還可以計算制品兩個側面的溫度落差。

    (3)制品厚度方向的溫度分布。制品在頂出時刻的溫度是確定冷卻時間是否合理的重要因素。如果溫度過高，則需加強冷卻或適當延長冷卻時間；而溫度過低，說明冷卻時間太長。MPI／Cool能夠預測制品在頂出時刻沿厚度方向不同位置的溫度分布，最高溫度在厚度方向的位置，沿厚度方向的平均溫度以及某一單元溫度沿厚度方向的變化。

    (4)制品的固化時間。依據模具表面的溫度預測制品完全固化所需要的時間。

    (5)冷卻介質的溫度分布及冷卻管道表面的溫度分布。冷卻介質的溫度變化、冷卻管道表面與冷卻介質間的溫度差是決定冷卻是否有效的重要依據。

    圖1是第一次冷卻模擬分析的部分結果。其中(a)顯示了制件的表面溫度分布狀態；圖(b)顯示了制件的表面溫度分布狀態；圖(c)顯示了制件固化所需的總時間；圖(d)顯示了冷卻管分布狀態――即冷卻劑的溫度。

圖1 冷卻模擬分析結果

3  冷卻模擬分析結果及其改進的結果

    根據上面的模擬分析結果，如圖1中(a)所示，可以看出冷卻管道并沒有實現期待的冷卻效果，僅在冷卻管道的周圍區域冷卻效果比較理想，其余的區域溫度比較高，并且在模型個別的邊角溫度過高．所以預置的冷卻管的參數及其布局對其進行冷卻的效果不理想。從圖1中的(b)圖可以看出制件的平均溫度的結果略好于制件表面溫度結果。但是同樣反映出了冷卻力度不夠的缺陷；從圖1的(d)圖中可以看出冷卻劑的入口與出口溫度的落差差達到了6℃，說明冷卻管道不能滿足制件冷卻需要，冷卻系統的冷卻能力有待提高。

    根據初步分析結果對冷卻管道的數目和布局進行了修改。通過多次類似的反復分析、比較、修改之后：冷卻管道的數目由第一次的3個管道增加為9個。在溫度較高的區域增加了冷卻管道，并優化了管道布局。同時，將冷卻管道的直徑由原來的10mm增大到12mm，冷卻劑的人口溫度從原來的25℃降低到23℃。修改后的設置，見圖2所示，再進行MPI/Cool的流程模擬分析。改進后的結果達到了預期的效果，如圖2所示。其中，圖(a)顯示制件的表面溫度有所改善，圖 (d)顯示冷卻劑的入口與出口溫度的落差差異有所減小。

圖2 改進后冷卻模擬分析的結果

4  結論

    本文通過實例具體模擬分析了影響注射成型冷卻系統的各種因素，并根據動態模擬分析的各種結果提出了相應的改進方案。結果表明：優化后的注射模的冷卻系統達到了預期的冷卻效果，同時縮短了模具的設計周期并給合作廠家帶來了明顯的經濟效益。