母線絕緣配件注塑成型冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化分析

畢 揚(yáng)，閆 浩，沈曉輝

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032)

注塑成型過程中熔體充滿模腔后，從澆口處熔體冷卻凍結(jié)至塑件被頂出模腔的這一階段稱為冷卻階段[1]。冷卻階段無熔體注入模腔，但模腔內(nèi)部還會有小部分熔體流動(dòng)，模腔內(nèi)壓力迅速下降，致使塑件脫模時(shí)有足夠的剛度避免變形，當(dāng)殘余應(yīng)力趨于零值時(shí)較易脫模。但若冷卻過快會導(dǎo)致收縮不均，需在模具結(jié)構(gòu)內(nèi)添加冷卻系統(tǒng)以調(diào)節(jié)模溫及冷卻液溫度，使模腔內(nèi)的溫度便于塑件高效冷卻凍結(jié)。衡量注塑模具冷卻系統(tǒng)冷卻效果好壞的標(biāo)準(zhǔn)為冷卻過程中塑件制品溫度是否均勻，冷卻時(shí)間是否最短[2]。在Moldflow注塑模擬軟件中，可通過模擬熔體在模腔內(nèi)的熱傳遞情況來判斷模具冷卻系統(tǒng)的冷卻效率。

注塑成型冷卻過程比較復(fù)雜，國內(nèi)外很多學(xué)者對其做了相關(guān)研究。李銳傳[3]利用Moldflow軟件優(yōu)化模具的冷卻系統(tǒng)，通過增加冷卻回路和水井縮短了塑件的冷卻時(shí)間；褚建忠等[4]利用Moldflow軟件對兩個(gè)不同形狀的大型塑件冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出塑件冷卻系統(tǒng)對成型周期的影響，并設(shè)計(jì)多種優(yōu)化冷卻系統(tǒng)方案以縮短塑件的成型周期，減少翹曲變形量；申長雨等[5]在優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的過程中參考靈敏度分析法，不僅使塑件成型周期縮短，還使塑件的變形量有所減少；李耀輝等[6]利用Moldflow軟件優(yōu)化了抽屜塑件的冷卻系統(tǒng)，使塑件冷卻系統(tǒng)中的型芯溫度與型腔溫度趨于一致，獲得品質(zhì)優(yōu)良的塑件，減少了能量損耗；Tang等[7]探索出有關(guān)冷卻溫度的計(jì)算函數(shù)，優(yōu)化了一模多腔塑件模型中冷卻系統(tǒng)流道分布和流道尺寸及冷卻液流動(dòng)速率；Dimla等[8]研究表明，澆口位置分布與冷卻回路布置對冷卻系統(tǒng)有較大影響，以有限元與熱傳導(dǎo)分析方法為理論基礎(chǔ)，重新布置了能有效提高冷卻效率的冷卻回路。上述研究表明，Moldflow模擬軟件能為優(yōu)化模具冷卻回路設(shè)計(jì)和選擇注塑成型工藝參數(shù)作科學(xué)指導(dǎo)?；诖?，筆者以生產(chǎn)某母線絕緣配件的模具為研究對象，借助Moldflow注塑模擬軟件，通過改變冷卻回路排布與增加隔水板等方式優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)，以期提高冷卻系統(tǒng)的冷卻效率。

1 冷卻系統(tǒng)的模擬與分析

1.1 冷卻系統(tǒng)模型的建立

文中研究的塑件來自某模具公司，為母線槽絕緣組裝配件中的一部分，其外形如圖1。塑件長寬高為178.5 mm×115.0 mm×47.5 mm，平均厚度為2.55 mm。

圖1 塑件外形示意圖Fig.1 Shape sketch of plastic part

塑件采用單澆口進(jìn)澆。文中使用的CAE模擬軟件為Moldflow，采用雙層面網(wǎng)格對塑件三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用網(wǎng)格修復(fù)工具修改網(wǎng)格若干次，最終統(tǒng)計(jì)模型網(wǎng)格單元數(shù)為23 918、最大縱橫比為11.89、匹配率為95.5%，自由邊、多重邊、取向不正確單元、相交單元、完全重疊單元均為零，連通區(qū)域?yàn)?。網(wǎng)格條件滿足Moldflow軟件對塑件的冷卻模擬分析。塑件產(chǎn)品材料為聚苯乙烯(PS)，設(shè)置冷卻液溫度為25 ℃，冷卻液雷諾數(shù)為10 000。

塑件模具冷卻系統(tǒng)如圖2。冷卻管道采用圓形橫截面，管道直徑為8 mm，環(huán)繞塑件四周有2 條“口”字型冷卻回路。采用有限元對冷卻回路進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)結(jié)果滿足模擬要求。

圖2 塑件模具的冷卻系統(tǒng)Fig.2 Cooling system of plastic mold

1.2 冷卻過程分析

1.2.1 回路冷卻液溫度

冷卻液溫度的變化反映模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，進(jìn)水口與出水口溫差過大，表明冷卻回路的設(shè)計(jì)方案或工藝參數(shù)設(shè)置不盡合理，塑件制品熱傳遞易出現(xiàn)問題。冷卻分析日志內(nèi)容為冷卻液從流道入口到出口溫度的改變。如果冷卻液溫度上升大于2～3 ℃，則可利用回路冷卻液溫度標(biāo)識模具溫度變化較大處。回路冷卻液溫度模擬結(jié)果如圖3。從圖3可看出，進(jìn)水口的水溫是25 ℃，溫水溫度分布范圍在25.03～29.35 ℃之內(nèi)，溫差高于2 ℃，表明冷卻水經(jīng)過的模腔內(nèi)部冷卻效果不好，不能使模具冷卻均勻。

1.2.2 回路管壁溫度

這一指標(biāo)顯示溫度在冷卻回路管壁的分布變化，故回路管壁溫度應(yīng)均衡分布。模具中塑件附近的回路管壁溫度可能會上升，從而導(dǎo)致冷卻液溫度也上升。回路管壁溫度盡量不能高于入口處溫度5 ℃，如果某些區(qū)域的回路管壁溫度太高，可采取以下措施：加粗冷卻管道；重新布置或增加冷卻回路；降低冷卻液溫度；提升冷卻液流動(dòng)速率[9]。回路管壁溫度模擬結(jié)果如圖4。由圖4可看出，冷卻液水道表面溫度最高位基本分布在29.89～35.53 ℃之內(nèi)，比冷卻液入口溫度高10 ℃左右。冷卻液水道表面溫度比冷卻液入口溫度高5～10 ℃，說明熱量去除不充分。

圖3 回路冷卻液溫度模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of circuit coolant temperature

圖4 回路管壁溫度模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of circuit metal temperature

1.2.3 零件溫度

零件溫度顯示塑件成型周期中零件單元的平均溫度。塑件頂面或底面的溫差不能相差±10 ℃，溫度在每個(gè)模型面的變化盡量控制在10～18 ℃。零件溫度模擬結(jié)果如圖5。從圖5可看出，零件溫度分布不均勻，塑件頂部溫度在54.68～71.02 ℃，而塑件底部溫度最高為103.7 ℃，溫差較大，表明需重點(diǎn)考察冷卻底部中間部位。

圖5 零件溫度模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of parts temperature

1.2.4 零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

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這一指標(biāo)為熔體單元冷卻定型至一定程度可從模腔頂出溫度（PS 材料頂出溫度為86 ℃）所需的時(shí)間。理想狀態(tài)下，塑件所需冷卻凍結(jié)的時(shí)間較短，凍結(jié)效果更均勻。記錄塑件冷卻模型凍結(jié)區(qū)域的冷卻時(shí)間，若大部分冷卻凍結(jié)區(qū)域與最后冷卻凍結(jié)區(qū)域所需時(shí)間差值較大，則其影響因素為壁厚增加或模具溫度過高。若影響因素為模具溫度過高，可重新布置冷卻回路。針對這一問題可采取以下措施：降低冷卻液溫度；在未凍結(jié)區(qū)域布置冷卻回路；加長冷卻周期[10]。零件達(dá)到頂出溫度時(shí)間的模擬結(jié)果如圖6。從圖6可以看出，零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為170 s，時(shí)間過長，應(yīng)考慮優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，縮短塑件的凍結(jié)時(shí)間。

1.2.5 回路熱去除效率

回路熱去除效率表示單位冷卻管道截面吸收模具熱量的效率，能顯示管道哪些地方可吸收更多熱量。影響冷卻管道回路熱去除效率的因素有回路雷諾數(shù)、冷卻管道與塑件制品的距離、冷卻液與管道之間的溫差，且這3個(gè)因素?cái)?shù)值越大，熱去除效率就越高[11]?；芈窡崛コ实哪M結(jié)果如圖7。從圖7可看出：塑件周圍2條方形循環(huán)式冷卻管道的熱去除效率不高，上方冷卻回路回路熱去除效率為0.50～0.63，冷卻效果不理想；下方冷卻回路熱去除效率接近0.63～0.75，只有下方回路部分區(qū)域熱去除效率為1，總體來說并不理想。

圖6 零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間Fig.6 Time of parts to reach ejection temperature

圖7 回路熱去除效率Fig.7 Thermal removal efficiency of circuit

塑件模具冷卻系統(tǒng)分析表明，該模具冷卻系統(tǒng)存在冷卻效率不夠、冷卻時(shí)間過長、局部熱去除效率不夠等問題。塑件整個(gè)成型周期內(nèi)冷卻占據(jù)最多時(shí)間，控制塑件成型的關(guān)鍵在于控制塑件冷卻時(shí)間，要提高注塑成型生產(chǎn)效率，就要縮短塑件的冷卻時(shí)間[12]。故以冷卻效率與冷卻時(shí)間為重點(diǎn)，對模具冷卻回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化模型與模擬分析

2.1 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化模型的建立

模具冷卻系統(tǒng)中有2條環(huán)繞塑件四周的冷卻回路，冷卻效果不太理想，通過增加冷卻回路、調(diào)整回路排布、引入隔水板等方式使冷卻效果充分均勻，將模具和塑件溫度調(diào)整至合適溫度。故冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案為改變2條冷卻回路布置，并增加5條含有隔水板的隔板式冷卻回路。如圖8所示：一條冷卻環(huán)形回路分布在塑件上方，另一條冷卻環(huán)形回路環(huán)繞塑件四周；引入隔水板，拉近管道和塑件之間的距離，隔水板離底部冷卻效果較差的位置較近以增強(qiáng)對塑件底部內(nèi)側(cè)的冷卻效果；2條冷卻回路冷卻管道為圓形，直徑為8 mm；含隔水板的隔板式冷卻回路管道與隔水板同樣為圓形橫截面，管道直徑為8 mm。

圖8 模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化方案Fig.8 Optimizing scheme of cooling system for mold

2.2 冷卻過程分析

2.2.1 回路冷卻液溫度

回路冷卻液溫度如圖9。由圖9可看出：優(yōu)化方案的回路冷卻液最高溫度即出水口溫度降至26.26 ℃，較原冷卻回路下降3.09 ℃，說明冷卻系統(tǒng)優(yōu)化后其冷卻效果有所提高。

2.2.2 回路管壁溫度

回路管壁溫度如圖10。由圖10可看出：優(yōu)化的回路管壁最高溫度下降至26.64 ℃，減少了25%；所有回路溫度在20.98～23.81℃，低于5 ℃的標(biāo)準(zhǔn)范圍，符合要求，證明增添的冷卻回路和隔水板能緩解冷卻壓力。

圖9 回路冷卻液溫度Fig.9 Coolant temperature of optimizing circuit

圖10 回路管壁溫度Fig.10 Metal temperature of circuit

2.2.3 零件溫度

零件溫度如圖11。由圖11可看出：對塑件底部中間區(qū)域加強(qiáng)冷卻，零件溫度發(fā)生了顯著變化，最高溫度為74.64 ℃，與圖6的103.7 ℃相比降低了29.06 ℃，減少了28%，冷卻效果顯著。

圖11 優(yōu)化后零件溫度Fig.11 Temperature of optimizing parts

2.2.4 零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

圖12 為優(yōu)化方案的零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間。從圖12 可看到，零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為120.8 s，相比于原冷卻系統(tǒng)縮短約49 s，冷卻效果顯著，大大縮短了冷卻時(shí)間。優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于改變回路布局，達(dá)到冷卻充分且均勻的效果。將隔水板放置在溫度較高的底部，可增強(qiáng)冷卻效果，縮短冷卻時(shí)間。

2.2.5 回路熱去除效率

圖13 為塑件優(yōu)化方案的回路熱去除效率。由圖13可看出：上方的冷卻環(huán)形回路與環(huán)繞塑件的冷卻環(huán)形回路的熱去除效率均較高，接近0.80～1，冷卻效果很好；下側(cè)的帶有隔水板的隔板式冷卻水道，冷卻效果理想。說明優(yōu)化冷卻系統(tǒng)冷卻效果較好。

圖12 優(yōu)化后零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間Fig.12 Time of optimizing parts to reach ejection temperature

對模具冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬分析表明，與原冷卻系統(tǒng)相比，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)冷卻效果理想，不僅提高了冷卻效率，還縮短了冷卻時(shí)間。

圖13 優(yōu)化回路熱去除效率Fig.13 Thermal removal efficiency of optimizing circuit

3 結(jié) 論

針對塑件模具冷卻系統(tǒng)存在冷卻效率不高、冷卻時(shí)間過長、局部熱去除效率不夠等問題，對該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即調(diào)整原來2條回路的排布，增加5條冷卻回路并引入隔水板，且采用Moldflow模擬軟件對優(yōu)化前后冷卻系統(tǒng)的冷卻過程進(jìn)行分析，結(jié)果表明：優(yōu)化冷卻系統(tǒng)回路冷卻液溫度指標(biāo)有所下降，回路管壁溫度、零件溫度降幅較大，零件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間得到有效縮短、冷卻效果增強(qiáng)顯著，回路熱去除效率均較高、冷卻效果好；優(yōu)化設(shè)計(jì)的模具冷卻系統(tǒng)能緩解冷卻壓力，同時(shí)可提高冷卻效率，縮短成型周期。這項(xiàng)分析可為今后零件冷卻分析作指導(dǎo)。