Moldflow冷却分析技术

概述

注塑模冷却系统设计的好坏是模具设计成功与否的一个关键因素，它直接影响塑料制品的质量和生产效率。在注塑成型过程中，塑料制品在型腔中的冷却时间要占整个成型周期的70%~80%，而且冷却的速度和均匀性直接影响制品的性能。如果冷却系统设计不合理的话，会造成生产周期过长，成本过高，另一方面，不均匀的冷却效果也会造成产品因热应力而产生翘曲变形，从而影响产品品质。

一． 冷却分析技术的作用

衡量模具冷却系统设计好坏的标准有两个：一是是制品冷却时间最短；二是使制品的各个部位均匀冷却。影响冷却系统的因素很多，除了塑料制品的几何形状、冷却介质、流量、温度、冷却水路的布置、模具材料、塑料熔体温度、模具温度、塑料顶出温度外，还涉及到塑料与模具之间的非稳态热循环交互作用。

用实验的方法来测试不同的冷却系统对冷却时间和制品质量的影响是相当困难的，也是不现实的。传统的冷却系统设计多以经验为主，往往无法将冷却系统优化，以进行均匀而有效的冷却，结果造成成型周期过长，并可能使产品冷却不均而导致翘曲变形。计算机分析与模拟则是完成这种预测的最佳方法。Moldflow可以对冷却系统作优化设计，通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管道的布局和边界条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力，提高产品质量，降低成本。

二． 冷却系统设计原则

1． 注塑模的热传输

在注塑成型过程中，存在四种基本的热传输方式：强制对流、自然对流、传导和辐射。注塑模热量的输入和输出如图1所示。由塑料带入注塑模的热量，其中80%~95%通过模具金属传导至冷却水管壁，然后遣散到冷却水管中去。传导至注塑机模板的热量和从模具表面对流出去的热量仅占总量的5%~15%，并不重要。辐射到周围空间的热量，只有当模具温度达到85℃以上时才考虑。在采用热流道的情况下，也会向模具输入热量。在有些情况下，冷却液的温度大大高于环境温度，此时冷却液不是从模具吸收热量，而是向模具输入热量。

图1 注塑模热量的输入和输出

2． 热积聚

注塑模具中存在着热积聚，这些热积聚点会引起模具成型面温度的变化，使塑件冷却不均而翘曲。产生热积聚的原因有两个：一个是注入模具的塑料的不规则流动，引起热负荷的变化，这往往是由于不适当的摩擦热或者塑件壁厚引起的变化，另一个是模具的几何形状，如角落处等，在模具角落处区域冷却得比较充分，而角落内部冷却不足，引起塑件冷却不均。图2 为模具角落热积聚引起的变形。在这种情况下，模具型芯侧会因为角落的热积聚而产生很陡的温度梯度。

图2 模具角落热积聚及其变形

3． 冷却系统的设计

冷却系统的设计主要包括冷却水道的布置和冷却参数（如冷却液的温度和压力）的设置。

(1)物理尺寸及冷却回路的

设置 冷却系统的物理设计通常受到模具的几何尺寸、分型面的位置、动模及顶出杆等的限制，因此不可能给出严格的设计规则。对于等壁厚的简单制品，均匀的冷却管道布置可获得均匀的冷却效果。然而大多数零件壁厚不一致，有的还设计了筋，常常会导致热积聚，可使冷却管道靠近壁较厚、有筋的区域，也可另加冷却管道(Baffle 或bubbler 等)，如图3 所示。

图3 冷却水管布置

冷却水孔与型腔间的距离越远，模具成型面上的温度越均匀，但冷却水吸收的热量越少，冷却时间就越长。一般情况下，冷却水孔与型腔间的距离应取冷却水管直径的2~3 倍。冷却水从入口处流入冷却水 管之后，沿途吸收模具热量，水温变得愈来愈高，这会逐渐降低冷却能力，故冷却管进出口水的温差越小越好，不超过3℃，如图4 所示。

图4 冷却水管进出口水的温差

冷却水管越长，被冷却的模具面积越大，因此，图5 中(b)比(a)好，但冷却水管越长，管路上的压力降越大，冷却管进出口水的温差越大，可采用(c)。冷却水管之间的最佳距离取决于冷却水孔直径和塑件的壁厚，如图5 所示。

(2)特殊冷却形式 某些特殊的冷却形式，如图6 所示，采用隔板式(Baffle)与喷管式(Bubbler)，可取得较好的冷却效果。

图6 隔板式与喷管式

(3)模具材料 采用高效传导率的模具材料（如BeCu）可以增加热传输量，特别是在无法布置冷却管路的区域，采用这种材料可以改善冷却效果。

(4)冷却参数 冷却参数主要包括冷却液流量、冷却管道的入口温度、冷却液在管路上的压力降、冷却液种类等。冷却液流量应大得使雷诺数大于10000，以保证产生紊流状态。一般情况冷却管道的入口温度应比所需模具温度低10℃~30℃左右。冷却液在管路上的压力降取决于冷却管道的长度、直径及流体流动的速度。冷却液种类自来水、冷却机产生的冷水、加了防冻剂的水和油等。

(5)冷却线路类型 冷却线路类型通常分为并联与串联，如图7 所示。

图7 冷却线路类型

三．Moldflow应用实例

制品为一电脑面板，一模一腔，塑料为ABS，采用Moldflow 的Cool 模块作冷却系统优化设计，以进行均匀而有效的冷却，缩短成型周期，降低翘曲变形。

1． 冷却水管布置

冷却水管布置如图8 所示。

图8 冷却水管布置图

2．输入工艺条件

根据工艺要求选择材料ABS，熔体温度为240℃，模具温度为60℃，注射时间为2.2s。

3. 分析计算

(1) 原始方案 图9 显示了型腔的冷却效果。圆圈处区域的温度较高，而上下的温差也较大。

图9 制品上下表面温差分布

在制件的顶部会发生热积聚，这是导致热弯曲的主要原因，因此我们必须修改冷却水管或模具结构。在17s 内，塑料已完全冷却，但流道系统冷却50s 后还不到45%。厚流道需要更多的时间才能达到超过60%的冷却，为便于开模，我们必须减少流道的尺寸才能缩短冷却时间。图10 显示了冷却50s 是的凝固率。

图10 制品50s 时凝固率分布

(2) 修改方案 如图11 所示，在制件的顶部，增加一个冷却镶块，其材料为Be-Cu，使该区温度降低并均匀分布。这样制品的顶部冷却效果较好，温度分布比原始方案均匀。图案12 是修改后型腔的冷却效果图，较原方案有明显改善。图13 是修改方案在冷却19.8s后的制品凝固率。结果显示，冷却19.8s制品已完全凝固，流道也凝固了60%，所以冷却19.8s 即可开模，冷却循序循环时间大大缩短了。

图11 在制品顶部加一冷却镶块

图12 制品上下表面温差分布

四．2012 新功能:瞬态冷却分析(Transient Cool)

分析模具几何的体网格（四面体），可用于才或稳态模温的计算

产品网格与模具网格必须是3D 网格

- 可模拟模具温度在整个周期内的变化
- 可获得更准确的充填样式（壁厚差异较大的产品）
- 可得到更准确地翘曲结果
- Cool(稳态)与Cool(瞬态FEM)分析比较

稳态分析，整个成型周期模具温度是一平均值，而瞬态分析模具温度是变化的。

瞬态分析可以记录从产品注塑开始到稳定状态的模具温度分布以及一个稳定成型周期内的模温瞬态变化。

- 瞬态模具温度分布及瞬态冷却液温度

- 瞬态注件温度和冷却管道温度结果也可得到

五．结论

通过Moldflow 冷却分析模块的分析，可以优化模具设计方案的冷却系统，包括：冷却管道的数量、位置、尺寸大小以及冷却过程中的各项参数等。优化后的方案可以减少动、定模温差，缩短生产周期，提高生产效率。