吹塑模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃智峰，盧鑫

（東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司商用車(chē)技術(shù)中心，廣西柳州545005）

吹塑模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃智峰，盧鑫

（東風(fēng)柳州汽車(chē)有限公司商用車(chē)技術(shù)中心，廣西柳州545005）

在吹塑成型中，模具的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置影響和決定產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，合理的冷卻系統(tǒng)是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)失效產(chǎn)品的模具冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合CAE分析了現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的冷卻性能及產(chǎn)品失效部位溫度分布，根據(jù)模具溫度優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

吹塑模具；冷卻系統(tǒng)；產(chǎn)品質(zhì)量；模具溫度CAE

近年來(lái)，隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能、環(huán)保以及輕量化要求越來(lái)越高，塑料制品以其重量輕、加工靈活、可回收利用等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在機(jī)械、化工等行業(yè)上可替代部分金屬件來(lái)達(dá)到輕量化目的。在吹塑加工過(guò)程中，制品冷卻定型的時(shí)間占整個(gè)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(tǒng)的冷卻效率，設(shè)定合理的模溫，可縮短制品成型周期，降低能耗，提高生產(chǎn)率。模具的溫度分布均勻性是保證制品的質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定一個(gè)關(guān)鍵因素。本文以一個(gè)塑料桶為例來(lái)分析因模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致模溫分布不均勻?qū)Ξa(chǎn)品性能的影響，并利用CAE優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，解決制品質(zhì)量問(wèn)題。

1 問(wèn)題描述

某款用于液態(tài)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(kāi)裂，經(jīng)多次修改原料、成型溫度和成型壓力并試驗(yàn)，收效甚微。用排除法篩選，最終懷疑是模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，散熱不均勻，導(dǎo)致開(kāi)裂。

圖1 桶底變形狀態(tài)

2 數(shù)值分析

2.1 建立模具模型

為了使得仿真結(jié)果與實(shí)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(jìn)行數(shù)值計(jì)算，因模具是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，提升計(jì)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(jìn)行計(jì)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(chǔ)

模具冷卻問(wèn)題實(shí)際就是熱傳導(dǎo)問(wèn)題，根據(jù)傳熱定律和能量守恒定律，可以建立傳熱問(wèn)題的控制方程，即物體的瞬態(tài)溫度場(chǎng)應(yīng)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(dǎo)系數(shù)（W/kg）.

模具的冷卻水溫度恒定，塑料桶在成型過(guò)程中保溫和冷卻可以看作是穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，溫度不隨時(shí)間變化，有

應(yīng)用有限元分析方法，將物體離散為單元體，將單元的溫度場(chǎng)Te（x，y，z）表示為節(jié)點(diǎn)溫度的差值關(guān)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(nèi)表面溫度分布均勻，塑料桶合模后需要在模具內(nèi)保溫一段時(shí)間并冷卻定型，此過(guò)程可應(yīng)用穩(wěn)態(tài)傳熱模型分析。對(duì)模具模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4.模具型腔內(nèi)初始溫度為160℃，冷卻水溫度為10℃，模具材料為45#鋼。查設(shè)計(jì)手冊(cè)[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(shù)為1.0×10-5/℃，導(dǎo)熱率為73 W/(m·℃)，傳熱系數(shù)為40/(m2·℃).加載上述屬性參數(shù)，最終分析結(jié)果顯示合模部位溫度較高如圖5，冷卻效果不好。

圖4 網(wǎng)格劃分

圖5 分析結(jié)果

2.4 模具優(yōu)化設(shè)計(jì)

從分析結(jié)果上看，與初始猜想是冷卻不均勻?qū)е庐a(chǎn)品變形相吻合，需要對(duì)模具的冷卻水道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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?，F(xiàn)對(duì)模具底部位增加一個(gè)冷卻水道，即由兩個(gè)改為三個(gè)（如圖6所示的橢圓圈內(nèi)），根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化水道分布位置，使冷卻水道盡量靠近合模位置，再進(jìn)行有限元分析（如圖7所示），優(yōu)化后整個(gè)底部溫度分布較均勻，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)模具進(jìn)行修改，最終經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證優(yōu)化效果良好，塑料桶底盤(pán)平整（如圖8所示），沒(méi)有變形現(xiàn)象，合模部位強(qiáng)度也有明顯提示，滿足質(zhì)量要求。

圖6 優(yōu)化冷卻水道布置

圖7 優(yōu)化后的分析結(jié)果

圖8 優(yōu)化后的制品狀態(tài)

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）本文通過(guò)對(duì)故障件進(jìn)行分析，最終發(fā)現(xiàn)模具冷卻系統(tǒng)散熱不良是導(dǎo)致塑料桶底變形的直接因素，找到了解決問(wèn)題的方向；應(yīng)用CAE分析模具冷卻的傳熱性能，得到模具的溫度分布狀態(tài)圖，發(fā)現(xiàn)合模部位的冷卻效果欠佳，找到了解決問(wèn)題的途徑；根據(jù)分析結(jié)果對(duì)模具的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，再次應(yīng)用CAE分析模具的冷卻性能，找到了解決問(wèn)題的方法。采用“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——分析問(wèn)題——解決問(wèn)題”的步驟，結(jié)合CAE分析手段成功處理了模具冷卻系統(tǒng)問(wèn)題，具有一定的參考價(jià)值。

（2）模具溫度分布不均勻，會(huì)導(dǎo)致制品各部位的收縮率不同，引起制品翹曲、變形、尺寸不穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性是保證制品質(zhì)量的一個(gè)關(guān)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(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[2]曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)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(jìn)氣系統(tǒng)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(jìn)氣系統(tǒng)阻力，排放。