基于CAD／CAE的大型垃圾桶冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

程國(guó)飛，丁立剛※，魏文強(qiáng)，陳賢選，周卓輝

（1.中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528436；2.中山數(shù)碼模汽車技術(shù)有限公司，廣東中山 528436）

0 引言

塑件翹曲變形主要是塑件由于不均勻的收縮引起，其主要受到纖維取向、溫度差異、區(qū)域收縮這三方面的影響［1－4］。而冷卻時(shí)間約占整個(gè)注射周期的80%左右，所以冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)成型周期、生產(chǎn)成本等起著決定性的作用［5－6］。而在實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)人員主要憑借工作經(jīng)驗(yàn)來判斷冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，其設(shè)計(jì)結(jié)果往往會(huì)跟實(shí)際需要產(chǎn)生較大偏差，影響模具的冷卻效果。因此在模具設(shè)計(jì)初期，結(jié)合CAE技術(shù)進(jìn)行冷卻翹曲分析就顯得尤其重要。本文以大型垃圾桶為例，結(jié)合Moldflow軟件在模具設(shè)計(jì)初期對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在提高模具的冷卻效果和成型質(zhì)量，壓縮成型周期，降低模具制造成本，提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 塑件工藝分析

1.1 塑件結(jié)構(gòu)

塑料垃圾桶如圖1所示，壁厚均為2.5 mm，屬于薄壁產(chǎn)品，外形尺寸為381 mm×286 mm×557 mm，質(zhì)量約為1.67 kg。由于塑件尺寸較大，其注射模具以采用單型腔布局為宜；同時(shí)為了降低注射壓力和較少澆注系統(tǒng)凝料，確定采用單點(diǎn)熱流道進(jìn)澆。

1.2 材料選用

塑料垃圾桶需在耐酸、耐堿和耐腐蝕等環(huán)境下使用，并具備良好的韌性、耐沖擊和抗彎曲等力學(xué)性能，其材質(zhì)一般選用高密度聚乙烯（HDPE）或者聚丙烯（PP）。本文根據(jù)日常使用環(huán)境及要求選用聚丙烯（PP），牌號(hào)為PP－KF15 MI，制造商為金發(fā)科技，熔體熔融指數(shù)為20 g／10 min，熔體流動(dòng)性能較好，便于注射成型。

1.3 冷卻系統(tǒng)初設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初始設(shè)計(jì)方案總計(jì)設(shè)置44組冷卻水路，除了隔水片水孔直徑為φ20 mm外，其余水路直徑均為φ12 mm，冷卻系統(tǒng)如圖2所示。塑件頂部設(shè)置8條直通水路；塑件桶身設(shè)置23組間距均布的循環(huán)水路，其中最下面一組為“回型”水路，其余均為“半回型”水路；由于產(chǎn)品高度較高，塑件內(nèi)部每一面均設(shè)置3組循環(huán)水路，4面共計(jì)12組循環(huán)水路，另外其中間部位設(shè)置1組隔水片水路。

圖1 塑料垃圾桶

圖2 冷卻系統(tǒng)

2 CAE分析前處理

2.1 塑件網(wǎng)格模型

在UG NX軟件中建好塑件三維模型，另存為.x＿t或.stp格式再導(dǎo)入CADdoctor軟件中，祛除一些不影響分析結(jié)果的小特征如小圓角、小倒角等，并對(duì)模型進(jìn)行修復(fù)，再導(dǎo)出.sdy格式。在Moldflow軟件中新建一個(gè)工程，導(dǎo)入之前的.sdy文件，網(wǎng)格類型默認(rèn)為Dual Domain，采用軟件推薦的全局邊長(zhǎng)8.65 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用合并節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和交換邊等網(wǎng)格編輯工具對(duì)縱橫比大于6的三角形單元進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)后的網(wǎng)格模型和網(wǎng)格信息如圖3所示［7－8］。由網(wǎng)格信息可知，修復(fù)后的最大縱橫比為5.98，匹配百分?jǐn)?shù)和相互百分?jǐn)?shù)分別為96.0%和95.4%，網(wǎng)格質(zhì)量較高，可確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 網(wǎng)格模型和網(wǎng)格信息

2.2 冷卻系統(tǒng)網(wǎng)格模型

由于本例中循環(huán)水路較多，為了便于各水路網(wǎng)格管理，可在UG NX中建立好冷卻系統(tǒng)的三維模型，再抽取每組水路的中心線，各導(dǎo)出為.igs格式文件，再導(dǎo)入到Moldflow中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的各水路網(wǎng)格模型如圖4所示，冷卻液入口溫度采用默認(rèn)值25℃［9］。

圖4 各水路網(wǎng)格模型

3 成型窗口

在產(chǎn)品網(wǎng)格模型方案中，采用柱體創(chuàng)建熱流道系統(tǒng)，并添加進(jìn)各水路網(wǎng)格模型，最終網(wǎng)格模型如圖5所示［10］。材料選用PP－KF15 MI，工藝設(shè)置為默認(rèn)值進(jìn)行成型窗口分析，在分析結(jié)果日志中得到推薦成型工藝如表1所示［11］。

圖5 網(wǎng)格模型

表1 推薦成型工藝表

4 冷卻系統(tǒng)初分析

復(fù)制上面“成型窗口”的方案，工藝參數(shù)采用成型窗口分析所推薦成型參數(shù)，并勾選“分離翹曲原因”選項(xiàng)，其余為默認(rèn)值，進(jìn)行“冷卻＋填充＋保壓＋翹曲”分析，以獲取冷卻效果所涉及到的充填時(shí)間、回路冷卻液溫度、回路管壁溫度和冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形等工藝參數(shù)。

4.1 充填時(shí)間

充填時(shí)間如圖6所示，熔體充滿型腔的時(shí)間為2.837 s，從充填效果看，熔體流動(dòng)性較好，充填平穩(wěn)，無短射等缺陷［12－13］。

4.2 回路冷卻液溫度

回路冷卻液溫度如圖7所示。通?；芈防鋮s液溫度差距好不能超過2℃，由圖中可知本例冷卻液最大溫差為0.52℃，說明冷卻效果較好。其中，塑件頂部的回路冷卻溫度差距較小，最大值為0.14℃；塑件桶身部位的回路冷卻溫度差距從上到下呈遞增趨勢(shì)，最上方溫差為0.21℃，最下方溫差為0.48℃；塑件內(nèi)部冷卻回路的溫度差距最大，達(dá)到0.52℃，但還在允許范圍內(nèi)，可見冷卻效果比較合理。

圖6 充填時(shí)間

圖7 回路冷卻液溫度

4.3 回路管壁溫度

回路管壁溫度如圖8所示。一般情況下回路管壁溫度與冷卻液入口溫度之差不能超過5℃，從圖中可知，回路管壁溫度與冷卻液的最大溫差為2.81℃，冷卻效果較好［14］；回路管壁溫度最大值發(fā)生在塑件內(nèi)部最上部，最大值為27.81℃，這是由于離澆口較近且空間較為狹小，導(dǎo)致此處熱量較為集中，管壁溫度較高。

圖8 回路管壁溫度

圖9 冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形

4.4 冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形

由于不同部位的熔體流程與散熱條件均不相同，從而導(dǎo)致塑件產(chǎn)生一定的翹曲變形，如圖9所示。其中Z軸方向的最大翹曲變形量發(fā)生在澆口附近，最大變形量為0.131 0 mm，變形量不大，說明冷卻較為均勻，冷卻效果較好［15］。

5 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化分析

通過對(duì)該例冷卻系統(tǒng)初始方案進(jìn)行冷卻和翹曲分析可知，冷卻效果較好，因冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形量較小，基本能滿足產(chǎn)品品質(zhì)要求。

同時(shí)通過分析可知，塑件頂部和桶身外部的回路管壁和冷卻液溫度差距都不大，說明該部位可能存在過度冷卻，即冷卻回路排布過密。而過多的循環(huán)水路將增加模具設(shè)計(jì)和模具制造的難度，同時(shí)也增加模具制造成本，降低產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。故優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)由初始的44組回路減少為25組，其中頂部冷卻系統(tǒng)由初始的8組回路減少為4組；桶身外部中間部位由初始的16組回路減少為8組，上下方部由初始7組回路減少為5組；塑件內(nèi)部由初始的12組回路減少為8組，中間的隔水片回路也取消，如圖10所示。

圖10 優(yōu)化后的冷卻系

圖11 優(yōu)化后的充填時(shí)間

5.1 充填時(shí)間

優(yōu)化后的充填時(shí)間如圖11所示。熔體充滿型腔的時(shí)間為2.837 s，從充填效果看，熔體流動(dòng)性好，充填平穩(wěn)，無短射等缺陷［14］。

5.2 回路冷卻液溫度

優(yōu)化后的回路冷卻液溫度如圖12所示?；芈防鋮s液溫差最大值為0.53℃，相比初始方案的0.52℃差值，差距微小，基本達(dá)到同等的冷卻效果。

圖12 優(yōu)化后的回路冷卻液溫

圖13 優(yōu)化后的回路管壁溫度

5.3 回路管壁溫度

優(yōu)化后的回路管壁溫度如圖13所示。回路管壁溫度最大值同樣發(fā)生在塑件內(nèi)部最頂部，最大值為27.62℃，相比初始方案差距也是較小。

5.4 冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形

優(yōu)化后冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形如圖14所示，塑件最大翹曲變形量同樣發(fā)生在澆口附近，最大變形量為0.086 6 mm，相比初始方案的最大變形量0.131 0 mm，降幅達(dá)33.9%。塑件翹曲變形量減小，證明冷卻更為均勻，冷卻效果更好［16］。

圖14 優(yōu)化后冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形

6 結(jié)束語

本文利用UG NX和Moldflow軟件對(duì)大型垃圾桶冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析，以確定更為合理的冷卻系統(tǒng)方案。其中，優(yōu)化設(shè)計(jì)后冷卻系統(tǒng)的回路數(shù)量比憑借實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初始方案減少43.2%，而冷卻不均導(dǎo)致的翹曲變形量降低33.9%；從中可以看出，優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)的冷卻效果更好，塑件成型質(zhì)量更優(yōu)，同時(shí)可以減少模具制造工作量，降低模具制造成本。經(jīng)實(shí)踐證明，該模具冷卻回路設(shè)計(jì)方案合理，冷卻效果良好，成型周期符合設(shè)計(jì)要求。