注塑零件在不同流道下冷卻溫度場的分析研究

保 莉，楊 峰，鄒朝鑫

（貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽5500014）

0 引言

注塑成型零件主要是以塑料為原材料經(jīng)過成型加工獲得，常用的塑料成型工藝有注塑成型、壓縮成型、擠出成型、傳遞成型和氣壓成型等工藝[1]。零件成型過程中冷卻系統(tǒng)對于模具溫度分布和成型零件質(zhì)量有重要影響。冷卻系統(tǒng)中合理的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)加快零件散熱速度并減少因溫度過高造成的應(yīng)力集中和零件結(jié)構(gòu)破壞等缺陷，如蘭州理工大學(xué)的楊莉通過隨形水道冷卻使得注塑冷卻時(shí)間大幅降低[2]，河北科技大學(xué)的張新聚則利用“以面到體”設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)模具溫度下降，并降低了零件翹曲變形[3]。為了進(jìn)一步提高成型零件的力學(xué)性能和質(zhì)量精度，文章采用ANSYS中FLUENT模塊探究注塑零件在不同冷卻流道下注塑零件的溫度場，并結(jié)合傳熱方程和流體力學(xué)方程得到流道壁面與固體區(qū)域墻壁的傳熱系數(shù)，通過仿真模擬得到不同流道下零件溫度場的分布情況。仿真結(jié)果表明在相同參數(shù)設(shè)置條件下，通過模具溫度場分布圖和流道壁面與固體壁面區(qū)域的熱通量分布圖分析可得，冷卻系統(tǒng)采用彎曲流道的冷卻效果優(yōu)于直流道和雙進(jìn)口流道。利用仿真技術(shù)預(yù)測模具冷卻系統(tǒng)的散熱效果能為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供必要依據(jù)。

1 零件分析及模具設(shè)計(jì)

1.1 零件分析

影響零件成型質(zhì)量和精度的因素主要有塑件的原材料、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和塑件的結(jié)構(gòu)工藝的合理性。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮零件原材料的成型工藝特性和成型模具的結(jié)構(gòu)，以滿足零件力學(xué)性能和工藝要求。為了防止零件成型時(shí)出現(xiàn)氣泡、縮孔、凹陷及開裂等缺陷，一定要確保塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足成型工藝要求[3，4]。本文分析的零件的形狀如圖1所示，所采用的材料為PVC，大批量加工。根據(jù)工藝參數(shù)，本文采用一腔雙模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 零件結(jié)構(gòu)圖

1.2 模具設(shè)計(jì)

注塑模主要應(yīng)用于熱塑性零件的成型，由定模和動(dòng)模兩部分組成[5]。動(dòng)模和定模分別安裝在注射機(jī)的定模板和動(dòng)模板上，在注射機(jī)的驅(qū)動(dòng)下形成澆注系統(tǒng)和型腔，注塑零件在型腔成型、冷卻后，再被脫模機(jī)構(gòu)推出[6]。注塑模具長度是315 mm，寬度是250 mm，如圖2所示。

圖2 注塑模具二維圖

2 仿真分析

2.1 理論分析

注塑零件在不同流道中的冷卻過程可簡化為均勻、無內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題，可通過流固耦合分析求解。質(zhì)量守恒方程即連續(xù)性方程滿足一切流體問題，其連續(xù)性方程的微分形式為[7]：

式中 vx、vy、vz代表三個(gè)方向上的速度分量，ρ是密度，t是時(shí)間。

流體是液態(tài)水，模擬分析時(shí)將其看做是恒流，即?ρ/?t=0，其形式變?yōu)椋?/p>

能量守恒定律本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律，滿足熱交換流動(dòng)系統(tǒng)中的傳熱問題。其表達(dá)式為：

式中E是流體的總能，h是焓，Keff和τeff是熱傳導(dǎo)系數(shù)，Sh是其他用戶自定義的熱源項(xiàng)。

注塑零件成型中主要涉及的傳熱方式是接觸傳熱（導(dǎo)熱），在分析計(jì)算時(shí)不考慮輻射傳熱和對流傳熱的影響，即其傳熱基本方程為：

式中K為傳熱系數(shù)，A為傳熱面積，△Ttm為傳熱的平均溫差。

通過流體和傳熱學(xué)分析可知，探究流道散熱時(shí)需要對傳熱系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

根據(jù)傳熱學(xué)基礎(chǔ)中的邊界條件可知，傳熱系數(shù)的計(jì)算公式為[8]：

式中γ是導(dǎo)熱系數(shù)，h是傳熱系數(shù)，tf是液態(tài)水的溫度。

2.2 仿真計(jì)算

2.2.1 模型優(yōu)化與網(wǎng)格劃分

為探究注塑零件在不同流道下的模具和零件的溫度場分布情況，本文設(shè)計(jì)三種不同形狀的流道，包括圓柱形直流道、彎曲型流道和雙進(jìn)口流道。為了提高計(jì)算精度和減小對仿真硬件配置的要求，將原模型存在很多圓角、倒角、螺栓孔，以及不影響溫度分布，但會(huì)導(dǎo)致模型網(wǎng)格劃分質(zhì)量和計(jì)算速度的結(jié)構(gòu)去除[9]。簡化模型根據(jù)流道形狀的不同和進(jìn)口數(shù)量不同分為直流道模型、彎曲流道模型和雙進(jìn)口流道模型，其簡化后的三維線框圖如圖3所示。

圖3 流道模型

網(wǎng)格劃分方式包括自動(dòng)劃分、四面體網(wǎng)格劃分、六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分、結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分等方法[10]。網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響分析計(jì)算的精度和速度。為了較大程度的模擬熱量傳遞和液體流動(dòng)的真實(shí)性，模具的三維數(shù)值模型采用組合網(wǎng)格處理。流道采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，其余結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。對應(yīng)流道形狀的不同，三種流道的網(wǎng)格劃分如圖4所示，下面網(wǎng)格劃分圖為了顯示流道的位置，故將固體區(qū)域設(shè)為隱藏。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2.2 參數(shù)設(shè)置與分析計(jì)算

求解參數(shù)設(shè)置包括對自定義的流體域和固體域進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在Fluent求解域中將求解類型設(shè)置為基于壓力模式，速度方程選擇絕對速度模式，時(shí)間求解類型設(shè)置為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)模式。流固耦合分析中牽涉熱傳學(xué)和流體力學(xué)，故計(jì)算時(shí)要打開原來定義好的能量方程，并將流體運(yùn)動(dòng)設(shè)置為層流。本算例中流體材料是液態(tài)水，密度設(shè)置為998 kg/m3，比熱容為4 182 J/（kgk），傳導(dǎo)系數(shù)和黏性分別設(shè)置成0.6 w/（m·k）和0.001，固體域的材料設(shè)成結(jié)構(gòu)鋼。另外對流體區(qū)域和邊界進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，將流道進(jìn)口的速度設(shè)成0.1 m/s，入口溫度最低設(shè)成5°，固體域溫度入口最高設(shè)成70°，出口壓力邊界設(shè)成標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。求解方法選擇SIMPLE算法，能量計(jì)算是采用標(biāo)準(zhǔn)方法先用一階格式計(jì)算收斂后采用二階格式計(jì)算[11]。對注塑零件模型進(jìn)行溫度場仿真時(shí)需要對傳熱原理進(jìn)行簡化分析。假設(shè)如下：

（1）注入模型中的水為液態(tài)，并將其在流道中的流動(dòng)方式看作層流；

（2）將流道看成獨(dú)立的散熱系統(tǒng)，不考慮注塑零件中發(fā)生的輻射和對流傳熱；

（3）材料導(dǎo)熱系數(shù)和接觸面的熱系數(shù)等參數(shù)保持不變；

（4）彎曲流道和開槽流道中的不規(guī)則結(jié)構(gòu)視為圓形管道；

（5）忽略進(jìn)出口溫度和壓力對層流速度造成的影響。

求解結(jié)束，通過后處理得到迭代計(jì)算650步時(shí)不同流道下零件的溫度場分布和相對應(yīng)的簡化后的整體模具溫度分布圖，如圖5所示。

圖5 迭代計(jì)算500下的不同流道模型的溫度分布

冷卻系統(tǒng)中流道結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致三種流道散熱效果存在差異，從圖5可以看出，雙進(jìn)口彎曲流道散熱效果與直流道和彎曲流道相比存在明顯差異，但直流道和彎曲流道散熱效果差異不大。為了比較直流道和彎曲流道散熱效果的優(yōu)越性，繼續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算。當(dāng)仿真計(jì)算迭代步數(shù)為1100時(shí)，直流道和彎曲流的溫度分布如圖6所示，此時(shí)彎曲流道模型已近似冷卻至室溫。通過模擬計(jì)算得到直流道冷卻至室溫時(shí)迭代的步數(shù)為1300步。

圖6 迭代1100步下的溫度分布

2.3 注塑零件溫度場的分析

2.3.1 各型流道溫度大小分析

從仿真分析結(jié)果中可以看出，在迭代計(jì)算650步時(shí)不同流道結(jié)構(gòu)的注塑零件的溫度場分布存在明顯差異。直流道整體溫度差值較大，平均溫度分布值較大，最大值和最小值分別是靠近出口位置和入口位置；沿著水流方向模具外部結(jié)構(gòu)溫度逐漸降低，但降溫速率逐漸緩慢。彎曲流道溫度分布相對均勻，整體平均溫度差較小，沿著流道方向溫度下降速率較快。由于積水槽的作用，雙進(jìn)口流道開始散熱較快，但出水口和進(jìn)水口的尺寸相同，隨著換熱持續(xù)進(jìn)行，液態(tài)水流動(dòng)相對緩慢，左右兩邊的直流道中的流體停留時(shí)間較長，導(dǎo)致流道溫度偏高。從圖5可以看出雙進(jìn)口彎曲流道模型冷卻效果遠(yuǎn)低于直流道模型和彎曲流道模型，但直流道模型和彎曲流道模型冷卻效果相近。從圖6可以看出，迭代計(jì)算1100步時(shí)彎曲流道模型近似冷卻至室溫，但是直流道模型換熱過程仍在繼續(xù)，仿真結(jié)果得出彎曲流道整體散熱效果優(yōu)于直流道。

2.3.2 各型流道溫度分布分析

結(jié)合仿真分析云圖和邊界感熱通量圖分析各型流道溫度分布。邊界感熱通量分布圖如圖7所示，分別對應(yīng)直流道、彎曲流道和雙進(jìn)口流道模型中模具固體區(qū)域邊界和流道的換熱情況。

圖7 流道邊界感熱通量分布

對比圖 7（a）和圖 7（b）可知，彎曲流道相對直流道而言，與流道周圍固體區(qū)域進(jìn)行的換熱更加充分和均勻，流道水域的橫向溫度逐漸減小，是因?yàn)檫吔鐚拥谋诿媾c流道外壁發(fā)生的熱傳導(dǎo)，進(jìn)而帶走大部分的熱量，流道中間位置溫度分布差較小是因?yàn)樯峋鶆?。但流道換熱分布不均，且入口處的溫度主要來源于邊界的固體區(qū)域，導(dǎo)致出口處溫度較高于進(jìn)口處溫度。直流道和雙進(jìn)口流道出口處溫度過高，時(shí)間長，由于收縮不均，導(dǎo)致注塑零件發(fā)生翹曲變形，影響注塑零件的性能。

3 結(jié)束語

本文通過模擬分析了注塑零件在不同流道下的溫度場分布。分析結(jié)果表明彎曲流道模具內(nèi)部溫度場分布相對穩(wěn)定，增大了與固體域邊界的接觸面和與流道邊界接觸換熱充分。彎曲流道冷卻系統(tǒng)能使注塑零件迅速散熱，加快了注塑零件冷卻，避免了因溫度梯度過大而造成冷卻不均勻或發(fā)生變形等缺陷，因此注塑模具流道設(shè)計(jì)采用彎曲形狀。仿真結(jié)果驗(yàn)證了合理的流道設(shè)計(jì)是保證注塑零件精度和力學(xué)性能提高的關(guān)鍵，流道的溫度場仿真為注塑零件成型中流道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。