1、MPI環(huán)境下注塑模隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)與分析劉 鵬1,劉洪軍1,李亞敏2(1.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué)有色金屬合金及加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州730050)*摘 要:注塑模冷卻水道的設(shè)計(jì)不但關(guān)系到塑件質(zhì)量而且也關(guān)系到注塑成型生產(chǎn)效率。本文通過實(shí)例,對隨形冷卻水道進(jìn)行計(jì)算及設(shè)計(jì)。運(yùn)用MoldflowMPI軟件對塑件進(jìn)行模擬,對傳統(tǒng)冷卻與隨形冷卻進(jìn)行了對比,通過對制冷時(shí)間、平均溫度等模擬結(jié)果進(jìn)行分析,最終得出隨形冷卻水道使塑件冷卻更加均勻,冷卻時(shí)間縮短,生產(chǎn)效率提高。關(guān)鍵詞:隨形冷卻水道;Moldflow;冷卻分析中圖分類號:

2、TG76 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADesignandAnalysisofConformalCoolingChannelsinInjectionMouldunderMPIEnvironmentLIUPeng1,LIUHongjun1,LIYamin2(1.StateKeyLaboratoryofGansuAdvancedNon-ferrousMetalMaterials,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.KeyLaboratoryofNon-ferrousMetalAlloysandProcessingofMinistryofEduca

3、tion,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)Abstract:Thedesignofthecoolingchannelininjectionmouldgreatlyinfluencesthequalityofplasticproductionandtheinjectproductionefficiency.Inthispaper,theconformalcoolingchannelsininjectionmouldwerecalculatedanddesignedbyanexample.Thentheprocessofplast

4、icproductionwassimulatedbythesoftwareofMoldflow.Meanwhiletheconformalcoolingmethodwascomparedwiththoseconventionalmethods,byanalyzingthesimulationresultsofthecoolingtimeandaveragetemperature,theresultthattheconformalcoolingchannelshavemoreuniformcoolingeffectscanbeputforward,andthenewdesigncangetsho

5、rtercoolingtimeandhigherefficiency.Keywords:ConformalCoolingChannels,Moldflow,CoolingAnalysis相對于傳統(tǒng)冷卻水道系統(tǒng),在采用帶有隨形冷卻水道的注塑模制造注塑件時(shí),熔融塑料各個(gè)部分能夠同時(shí)均勻冷卻,基本消除了翹曲變形等缺陷,而且有著更高的冷卻效率,顯著地縮短了注塑件的制造周期1。MPI是Moldflow系列軟件中的一種,能夠模擬熱塑性塑料注塑成型過程中的充填、保壓以及冷卻階段,還能預(yù)測出制品成型后的缺陷,如制品翹曲變形等。采用MPI/COOL分析塑料注射模具的冷卻系統(tǒng)對模具和制品溫度場的影響,優(yōu)化冷卻系統(tǒng)

6、的布局,可達(dá)到使塑料制品快速、均衡冷卻的目的2。本文在MPI環(huán)境下對杯狀零件進(jìn)行分析,通過比較隨形冷卻水道與傳統(tǒng)冷卻水道,得出隨形冷卻水道使塑件冷卻更加均勻,冷卻時(shí)間縮短,生產(chǎn)效率提高。隨形冷卻水道是根據(jù)塑件的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)以確保塑件各處能均勻冷卻,其工藝計(jì)算與傳統(tǒng)水道一樣。流量,還要保證足夠的水壓。3)管道直徑經(jīng)湍流計(jì)算確定,一般取d=825mm,管道過細(xì),加工和清理困難。4)冷卻管道布置應(yīng)以均勻?yàn)榍疤?即冷卻管道按照塑件形狀設(shè)計(jì),靠近高熱量的塑件區(qū)域,遠(yuǎn)離低熱量的區(qū)域。1.2 冷卻水道的工藝計(jì)算1)冷卻時(shí)間計(jì)算320wS=lnt2-twPk(1)式中,s為制品的最大壁厚(mm),k為塑件的熱

7、擴(kuò)散率(mm2/s),t0為塑件熔體的注射溫度(e),tw為模具溫度(e),t2為制品截面內(nèi)的平均脫模溫度(e)。2)模具冷卻時(shí)所需冷卻水的體積流量qq=112(2)1 冷卻水道設(shè)計(jì)1.1 冷卻水道設(shè)計(jì)原則1)要優(yōu)先考慮冷卻管道的位置,而后綜合處理脫模機(jī)構(gòu)零件布置和鑲塊結(jié)構(gòu)。2)要保證實(shí)現(xiàn)管道冷卻水湍流狀態(tài)的流速和式中,q為冷卻水的體積流量(m3/min),W為單位時(shí)間內(nèi)注入模具中的塑料質(zhì)量(kg/min),Q1為單位質(zhì)量的塑料制品在凝固時(shí)所放出的熱量(kJ/kg),Q為冷卻介質(zhì)的密度(kg/m),c1為冷卻介質(zhì)的比熱容(kJ/(kg#e),t1為冷卻介質(zhì)的出口溫度(e),t2為冷卻介質(zhì)的進(jìn)口

8、溫度(e)。其中Q1可表示為38Q1=c2(t3-t4)+(3)參數(shù)名稱塑件壁厚/mmABS熱擴(kuò)散率/mm#s-1表2 計(jì)算參數(shù)數(shù)值大小30.102207050參數(shù)名稱 冷卻水密度/kg#m-ABS密度/kg#m-冷卻水的比熱容/kJ#(kg#e)-進(jìn)出口水溫差/eABS比熱容/kJ#(kg#e)-1133式中,c2為塑料的比熱容(kJ/kg#e),t3與t4分別為塑料熔體的溫度和推出前制品的溫度(e),u為結(jié)晶形塑料的熔化潛熱(kJ/kg)。3)當(dāng)求出冷卻水的體積流量q后,便可根據(jù)冷卻水處于湍流狀態(tài)下的流速v與管道直徑d的關(guān)系,確定模具冷卻水管的直徑d,流量在表中兩個(gè)數(shù)值之間時(shí),選管道直徑小

9、者,見表1。表1 冷卻水的穩(wěn)定湍流速度與流量冷卻管道直徑d/mm最低流速v/m#s81012152025301.661.321.100.870.660.530.44-1數(shù)值大小1.01031.051034.231.047注射溫度/e脫模溫度/e模具溫度/e將表2中的參數(shù)代入上面的公式中,可得到冷3-1流量q/m#min5.010-36.210-37.410-39.210-312.410-315.510-318.710-3卻管道設(shè)計(jì)所需的工藝參數(shù),如平均冷卻時(shí)間為28s,冷卻水體積流量為9.6E10-3m3/min,查表1可得冷卻管直徑為15mm,冷卻水流速為0.9m/s,其流動(dòng)狀態(tài)為湍流,冷卻

10、管長度大于838mm。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),水孔中心距一般應(yīng)為水孔直徑的3至5倍,水孔與塑件表面的距離取水孔直徑的23倍,因此本文實(shí)例中,冷卻水孔中心距為75mm,水孔到塑4)求冷卻水在管道內(nèi)的流速v=5)流動(dòng)狀態(tài)校核Re=s)。6)求冷卻管道的傳熱面積A60WQ1A=(6)h$t式中,$t為模溫與冷卻介質(zhì)溫度之間的平均溫差(e),h為冷卻管壁與冷卻介質(zhì)的換熱系數(shù)(kJ/(m2#h#e)。其中h=d0.8(4)件表面的距離為30mm。3 冷卻模擬前處理(5)3.1 建立實(shí)體模型在Pro/E中建立實(shí)體模型(圖1),將其導(dǎo)入MPI中。3.2 劃分網(wǎng)格塑件的厚度為3mm,屬薄壁實(shí)體件,因此在導(dǎo)入模型時(shí)選取劃分網(wǎng)

11、格的類型為表面網(wǎng)格。系統(tǒng)自動(dòng)生成的網(wǎng)格隨塑件形狀的復(fù)雜程度存在或多或少的缺陷,還需對生成后的網(wǎng)格進(jìn)行修正。利用網(wǎng)格處理工具修補(bǔ)交叉、重疊單元,降低模型網(wǎng)格中的最大縱橫比,使之不超過極限值6。處理后上下表面網(wǎng)格的單元匹配率到達(dá)97%。在MPI中,表面網(wǎng)格匹配率到達(dá)85%以上后,其數(shù)值解收斂,結(jié)果真實(shí)。3.3 澆口位置及工藝參數(shù)網(wǎng)格劃分及缺陷修改完后,選擇CycolacGPM5500,進(jìn)行最佳澆口位置分析,得最佳澆口位置在杯底中心處。選擇Cool+Flow+Warp(冷卻+流動(dòng)+翹曲)分析類型,利用系統(tǒng)的直線、曲線創(chuàng)建功能,首先勾畫出澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的中心線,再對中心線進(jìn)行桿單元的網(wǎng)格劃分,來創(chuàng)

12、建澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。最后為工藝參數(shù)的設(shè)置,包括了整個(gè)注塑周期內(nèi)有關(guān)模具、注塑機(jī)等所有相關(guān)設(shè)備及其冷卻、保壓、開合模等工藝參數(shù)。過程參數(shù)的設(shè)定將直接影響到產(chǎn)品注塑成型的分析結(jié)果,一般根據(jù)實(shí)際的工藝參數(shù)設(shè)定。在本實(shí)例中,脫模溫度為50e,熔體溫度為220e,保壓時(shí)間為5s,冷卻液4式中,Re為雷諾準(zhǔn)數(shù),G為冷卻水的運(yùn)動(dòng)黏度(m/(7)(8)f=0.224(4.187K)0.6(10.4)u式中,K為冷卻介質(zhì)的熱導(dǎo)率(kJ/(m#h#e),u為冷卻介質(zhì)的粘度(Pa#s)。2 計(jì)算實(shí)例塑件是外直徑為100mm、高度為150mm、壁厚為3mm的杯狀零件、材料為ABS,如圖1所示。計(jì)算參數(shù)見表2。圖1

13、塑件圖為純水且溫度為20e等。#8中可以看出,傳統(tǒng)冷卻的時(shí)間為38.31s,隨形冷卻的時(shí)間為33.13s,塑件的成型周期減少了5s。圖4是塑件的平均溫度,傳統(tǒng)冷卻的塑件溫度是48.5e,而隨形冷卻的塑件溫度要相對低一些,而且溫度范圍較小。因此隨形管道比傳統(tǒng)管道的冷卻時(shí)間要圖2 冷卻系統(tǒng)少,這就提高了生產(chǎn)效率,而且冷卻更加均勻。圖5顯示塑件變形中冷卻因素使塑件產(chǎn)生變形量的相對大小。經(jīng)比較,隨形冷卻減少了塑件的變形量,提高了塑件的合格率。4 冷卻模擬及其結(jié)果分析隨形冷卻管道的設(shè)置是按照塑件的形狀,管道中心到塑件表面的距離相等為原則建立的,這樣就可使塑件各部分同時(shí)均勻冷卻。圖2中,左側(cè)為傳統(tǒng)冷卻水道

14、,是幾處并行管道,其連接處為軟管,右側(cè)為隨形冷卻水道,按照塑件形狀及其高熱量的位置設(shè)計(jì)水道。圖中管道都為串行,因?yàn)椴捎么泄艿揽梢垣@得均勻的流動(dòng)速率和冷卻效果。但是,由于串行管道的長度較長,損耗的壓力也較大。并行管道能在較低的壓力下進(jìn)行冷卻,但管道的流速不均勻,冷卻效果不理想,還容易產(chǎn)生污垢阻流。對于本文的塑件,由于是一小型且簡單的零件,因此其壓力不大,從而采用串行管道。但是對于大型或者復(fù)雜的零件來說,需要采用并行管道。5 結(jié)語本文通過實(shí)例設(shè)計(jì)了隨形冷卻水道并且與傳統(tǒng)冷卻水道進(jìn)行比較分析。傳統(tǒng)冷卻水道由于自身的限制,管壁到塑件表面的距離大小不等,這造成了塑件各處的冷卻不均勻。隨形冷卻水道則是依照塑件形狀進(jìn)行設(shè)計(jì),盡量保證管壁到塑件表面的距離相等,使塑件各處能同時(shí)冷卻到脫模溫度。在本文中,計(jì)算出理論冷卻時(shí)間為28s,即塑件從注射溫度到脫模溫度放出的熱量被冷卻水帶走所需要的時(shí)間,隨形水道由于均勻的冷卻比傳統(tǒng)水道的冷卻所需要的時(shí)間更加接近理論時(shí)間且由于冷卻的均勻性塑件在凝固過程中產(chǎn)生的變形量減少,因此隨形冷卻水道可以縮短成型周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,節(jié)約生產(chǎn)成本。參考文獻(xiàn)1史玉升,伍志剛,魏青松,等.隨形冷卻對注塑成型和生產(chǎn)效率的影響J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(3):60-62.2單巖,王蓓,王剛.M