王敬艷（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春, 130033）

HsCAE冷卻模擬技術(shù)在注塑產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王敬艷（長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林長(zhǎng)春, 130033）

HsCAE冷卻模擬模塊采用交互設(shè)計(jì)的方式，可以預(yù)測(cè)制品與模具上的溫度場(chǎng)、熱流密度場(chǎng)、溫差分布和冷卻時(shí)間，優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)，達(dá)到均勻冷卻效果。

HsCAE；注塑模具；冷卻系統(tǒng)；分析與優(yōu)化

1 引言

在注塑模設(shè)計(jì)過(guò)程中，模具設(shè)計(jì)師往往把注意力集中在流道系統(tǒng)和推出系統(tǒng)上，而事先對(duì)注塑模的冷卻系統(tǒng)重視不夠，導(dǎo)致冷卻管道最終只能在模具空余的有限空間布置。但事實(shí)上，塑料注射模冷卻時(shí)間約占整個(gè)注射循環(huán)周期的三分之二，塑料制品的翹曲變形與局部凹痕等弊病也常常是冷卻不良所致。為此，重視冷卻過(guò)程的研究與設(shè)計(jì)，提高注塑制件的生產(chǎn)效率和質(zhì)量顯得尤為重要。

為更好地克服以往因模具設(shè)計(jì)師缺乏經(jīng)驗(yàn)而造成注塑模具冷卻效果不佳的弊端，在板件注塑成型過(guò)程中，我們引入華中HsCAE注塑軟件來(lái)分析影響冷卻系統(tǒng)的各個(gè)因素，模擬制品在模具內(nèi)的冷卻過(guò)程，以便更好地解決注塑制品在冷卻過(guò)程中存在的問(wèn)題。

2 冷卻模擬原理

針對(duì)注射模典型截面上的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行二維冷卻分是注塑模冷卻分析的一種行之有效的方法，注塑模的冷卻過(guò)程具有非穩(wěn)態(tài)性，模具內(nèi)某點(diǎn)的測(cè)量溫度在循環(huán)注射過(guò)程中呈周期性變化，但這種非穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)較小，且主要表現(xiàn)在型腔表面區(qū)域。在二維冷卻分析中，經(jīng)常忽略溫度的這種周期性變化，認(rèn)為溫度場(chǎng)是穩(wěn)定的。二維穩(wěn)態(tài)傳熱在數(shù)學(xué)上可歸結(jié)為求解拉普拉斯方程：

式（1）方程既可用有限元法求解，又可用邊界元法求解。在求解注射成型冷卻問(wèn)題時(shí)，常用邊界元法。因?yàn)樵谧⑸涑尚椭嘘P(guān)注的主要是型腔與制品表面的溫度分布，同時(shí)邊界元法僅需離散二維截面的邊界而不是整個(gè)截而，能夠簡(jiǎn)化操作，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。本文著重介紹邊界元法求解過(guò)程。

邊界元積分公式借助于格林第二公式得到。格林

式中T、K表示任意兩個(gè)在區(qū)域由內(nèi)二次可微函數(shù)；Ω表示區(qū)域D的邊界。如果能夠選擇函數(shù)T和K均滿足拉普拉斯方程；即K=T=0，則有：

T選擇滿足拉普拉斯方程式（1）的溫度函數(shù)，K選擇滿足拉普拉斯方程的“自由空間格林函數(shù)”，K稱(chēng)為基本解。在選定基本解后，通過(guò)積分計(jì)算、二維區(qū)域及離散劃分、線性單元邊界組成等，由（3）式最終可得到如下形式的公式：

這樣，隨著點(diǎn)P在邊界上的移動(dòng)，便可得到N個(gè)代數(shù)方程，加上

模具邊界上，同時(shí)可以輸出冷卻時(shí)間、冷卻水管進(jìn)出口溫度等數(shù)據(jù)。

模具設(shè)計(jì)師利用二維冷卻與分析軟件，可交互地改變冷卻管道尺寸和

位置，或者改變冷卻介質(zhì)的流速和溫度，或者改變制品推出溫度等，

來(lái)選擇合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以便獲得均勻的溫度場(chǎng)分布和較短的模且冷卻時(shí)間。

圖1 二維及其區(qū)域離散

3 冷卻分析結(jié)果

依據(jù)上述的分析原理用戶(hù)可進(jìn)行注注塑模溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，為保壓分析和翹曲分析提供所需的模腔和制件溫度的分布，以提高系統(tǒng)的整體分析精度。

連續(xù)注塑的開(kāi)始階段，型腔表面溫度隨時(shí)間和注射次數(shù)的增加而逐漸升高，經(jīng)歷了一定次數(shù)的注塑循環(huán)周期后，模具型腔壁的溫度就會(huì)形成一個(gè)比較穩(wěn)定的周期性變化。它可以分成兩部分：一部分為平均溫度場(chǎng)，另一部分為波動(dòng)溫度場(chǎng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)看到，在連續(xù)注塑過(guò)程中，平均溫度場(chǎng)變化較小，可以近似看作是穩(wěn)定的，波動(dòng)溫度場(chǎng)的波動(dòng)幅度也較小，并且波動(dòng)區(qū)域僅限于型腔壁附近。因此，在進(jìn)行冷卻分析計(jì)算時(shí)，所考慮的是冷卻管道對(duì)穩(wěn)定的周期性平均溫度場(chǎng)的影響，它是提供冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。

3.1 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

模具型腔和型芯表面的溫度分布反映了模壁溫度的均勻性。高溫區(qū)域通常是由于模具冷卻不合理造成，應(yīng)當(dāng)避免。最大和最小溫度之差反映了冷卻不均勻程度，不均勻的溫度分布可以產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力從而導(dǎo)致塑件翹曲如圖2所示。對(duì)于溫差大于10度的區(qū)域，應(yīng)修改冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)或改變成型工藝條件，減小模具在此區(qū)域冷卻的不平衡程度；對(duì)于無(wú)定形塑料厚壁制件，其脫模準(zhǔn)則是最大壁厚中心部分的溫度低于該塑料的頂出溫度即可；對(duì)于無(wú)定形塑料薄壁制件，其脫模準(zhǔn)則是制品截面內(nèi)的平均溫度已達(dá)到規(guī)定的脫模溫度即可。

圖2 穩(wěn)態(tài)溫度

圖3 熱流

3.2 熱流密度場(chǎng)

模具型腔和型芯的熱流分布反映了模具冷卻效果和塑件放熱的綜合程度。對(duì)于壁厚均勻的制品來(lái)說(shuō)，熱流小的區(qū)域冷卻效果差，應(yīng)予改進(jìn)。對(duì)于壁厚不均勻的制品，薄壁區(qū)域熱流較小，厚壁區(qū)域熱流較大。該結(jié)果從顯示效果上與2.1介紹的溫度場(chǎng)正好相反，正值表示放熱，負(fù)值表示吸熱，一般來(lái)說(shuō)都是制件放出熱量而冷卻水管吸收熱量。如圖3所示。

3.3 冷卻時(shí)間場(chǎng)和頂出區(qū)域

冷卻時(shí)間是指塑件從注射溫度冷卻到指定的脫模溫度所需時(shí)間，根據(jù)塑件的冷卻時(shí)間分布，可知塑件那部分冷卻快，那部分冷卻慢以及理想的脫模溫度。在可頂區(qū)域圖中，紅色表示可頂區(qū)域，藍(lán)色的表示該區(qū)域不可頂出，綠色區(qū)域表示中間區(qū)域。

3.4 冷卻介質(zhì)溫度場(chǎng)

當(dāng)高溫熔融塑料注射進(jìn)入模具型腔后，需要冷卻固化才能頂出，該過(guò)程中的熱量需要冷卻系統(tǒng)帶走，冷卻介質(zhì)從回路入口進(jìn)入后，在流動(dòng)過(guò)程中逐漸被模具頂出，導(dǎo)致溫度升高。模具中冷卻介質(zhì)溫度升高會(huì)使熱傳遞減小，其次，如果回路出入口溫差過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致冷卻不平衡。根據(jù)HsCAE分析結(jié)果可獲得回路出入口的溫差，在生產(chǎn)過(guò)程中，精密模具中出入口溫差相差應(yīng)在2°以?xún)?nèi)，普通模具也要不超過(guò)5°。如圖4所示。

圖4 冷卻介質(zhì)溫度

圖5 冷卻介質(zhì)速度

3.5 冷卻介質(zhì)速度場(chǎng)

冷卻介質(zhì)在冷卻回路中流動(dòng)的時(shí)候，其流動(dòng)狀態(tài)分為層流和紊流，其區(qū)別就在于雷諾數(shù)的大小，當(dāng)雷諾數(shù)Re<2300時(shí)流動(dòng)為層流，當(dāng)2320

冷卻介質(zhì)處于層流流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)比較平穩(wěn)，沒(méi)有垂直于水流方向的橫向速度，此時(shí)模具內(nèi)的熱量在冷卻孔的徑向只能以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入冷卻介質(zhì)中，熱效率很低。紊流則不同，由于冷卻介質(zhì)在孔徑方向有質(zhì)量交換，熱流不僅以熱傳導(dǎo)方式，還可以以對(duì)流的方式有效地從孔壁傳入冷卻介質(zhì)中，因此在冷卻過(guò)程中需要保證冷卻介質(zhì)在紊流下工作。

實(shí)際生產(chǎn)一般取10000

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)討論了基于CAE技術(shù)的塑料注塑成型過(guò)程中冷卻過(guò)程的數(shù)值模擬在實(shí)際生產(chǎn)中作用，分析了用微積分推導(dǎo)出的計(jì)算公式是否和注塑件冷卻模擬實(shí)際生產(chǎn)符合。根據(jù)給定的生產(chǎn)條件，正確計(jì)算塑件的冷卻時(shí)間，得出分析結(jié)果。該分析操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，值得推廣和使用。

[1]黃健求.模具制造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2001

[2]申樹(shù)義.塑料模具設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004

The application Of HsCAE cooling simulation technology in injection product design

WANG Jing-Yan （Changchun Vocational Institute of Technology,Jilin ChangChun 130033, China）

The HsCAE cooling simulation module, which uses the way of interactive design, This module can predict temperature field of product and mold, heat flux density field, temperature difference distribution and cooling time.It can also optimize cooling structure and process design, which lead to an effect of uniform cooling.

HsCAE； Injection Mold； cooling； Analysis and Optimize

王敬艷（1969—），女，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAE/CAM一體化技術(shù)。