阮育煌，王建宇

（東莞市奕東電子有限公司，廣東東莞 523120）

0 引言

模具溫度是影響注塑件的成型質(zhì)量的重要因素，也是決定注塑成型周期長短的關鍵因素。模具溫度太高將導致冷卻時間延長，降低生產(chǎn)節(jié)拍，模具溫度太低又將影響熔體的流動性能，增大流動剪切力，容易造成填充不滿。因此，有效的冷卻系統(tǒng)的設計是高質(zhì)量高效率注塑成型過程的關鍵，注塑模具冷卻系統(tǒng)的分析與合理設計就顯得非常重要[1]。

1 注塑模具熱平衡計算

注塑的成形條件與模具的熱平衡密不可分，即當流入模具的熱量與流出的熱量達到平衡時，就保持了一定的成形條件。以模具為熱傳遞中心考慮，其熱傳遞如圖1 所示。當熔體注射進入模具時，其熱量隨之流入模具，為保持一定的成形條件，一般通過在模具內(nèi)開通冷卻水路進行冷卻，防止模具溫度的上升。

由圖1 可見，以模具為熱傳遞中心的熱量分為7 大部分，其中Q1為熔體流入的熱量，Q2為熱流道流入的熱量，Q1和Q2構成了注塑過程的熱量流入，Q3為對流引起的熱流動，即由模具外表面向空氣中散發(fā)的熱量，Q4為輻射引起的流出熱量，Q5為向注塑機模板的流出熱量，Q6為注塑件的熱量，Q7為冷卻水路帶走的熱量，一般注塑件頂出模具時的溫度比室溫高，因此模具的熱量被其帶出了一部分。根據(jù)熱平衡原理，由射入到模穴中熔體所具有的熱量Q1，加上熱流道所流入的熱量Q2，再減去流到模具周圍的熱量（Q3＋Q4＋Q5＋Q6）的差，即為冷卻水路所帶走的熱量。

圖1 模具的熱傳遞

利用CAE 技術模擬注塑成型過程的溫度場情況，可以節(jié)省大量的計算工作，提高模具設計效率。冷卻過程的導熱控制方程如下[2]：

其中：kx、ky、kz分別為x、y 和z 方向的熱導率；x、y、z 為空間坐標；t 為時間，T 為溫度，ρ 為密度，CP為比熱容。

2 冷卻水路的設計

注塑件以相同的冷卻速度冷卻凝固，頂出時注塑件的各部分溫度均勻且不變形、不扭曲等是為理想的冷卻過程。模具的結構對其熱量分布的影響很大，一般鑲芯、斜頂以及筋等處熱量較為集中，必須在這些部位加強冷卻；同時型腔與型芯的溫度分布要均勻，型腔與型芯的溫差應控制在10℃以內(nèi)。因此，水路設計時應考慮冷卻液的流動方向與熔體的流動方向的一致性，型腔與型芯水路的走向應一致，以便在有利于熔體充填模穴的同時最大效率地帶走熱量。對于大中型復雜的模具，應以澆口為中心分區(qū)域冷卻[3]。

模具的冷卻效果并不是冷卻水路的直徑越大越好，還要考慮冷卻水量，保證形成湍流所需要的流速以及產(chǎn)生這一流速所需要的壓力差。為了減少冷卻水的壓力損失，模具外圍連接冷卻水管的尺寸一定要大于或等于模具內(nèi)部水路的尺寸。

冷卻水路盡可能地設計在與塑料熔體接觸的模具零件中，而不宜設計在與之相鄰的模板中，同時，水路與注塑件之間的間距不能太遠，太遠了熱傳導性降低，但間距太近又會使熔體對冷卻過于敏感，導致注塑件的內(nèi)外壁高分子的松馳程度不同，容易引起制品開裂、變形等缺陷。根據(jù)公式計算結果及實踐經(jīng)驗，一般冷卻水路與注塑件型腔壁的距離為水路直徑的2～3倍，水管間距為水路直徑的3～5倍較好。但對于冷卻水管的直徑大的情況，宜將水路的水管分布進行優(yōu)化，以達到更好的冷卻效果，如圖2所示。

3 導光板冷卻水路設計及CAE分析

圖2 冷卻水路間距設計

本文以一薄壁導光板（42.3 mm×58.4 mm×0.4 mm）為實例，對冷卻水路進行CAE分析?；诋a(chǎn)品的結構特征，采用表面冷卻水路分布方式進行設計，冷卻水路設計方案如圖3（a）所示。所用注塑材料為PC材料，熔體溫度為300 ℃，模具溫度為95 ℃，根據(jù)以上所述采用冷卻水管直徑為6 mm，冷卻介質(zhì)為水，水溫為25 ℃，雷諾指數(shù)為6 000，冷卻水溫度的CAE 分析結果如圖3（b）示，制件的定模側與動模側在一個成型周期內(nèi)的分析結果如圖4所示。

由圖4 可見，制件的定模側與動模側的溫度分布基本均勻，除澆口處溫度較高外，制件上的溫度分布較均勻。分析結果表明制件的溫度差在4 ℃以內(nèi)，制件與流道澆口處的溫度差在10 ℃以內(nèi)，冷卻效果較為理想。CAE 分析的進出水溫差在1 ℃以內(nèi)，管道表面溫度差在3 ℃以內(nèi)，冷卻效果比較顯著[4]，能滿足生產(chǎn)需要。但冷卻流道澆口處的一組水管的管壁溫度略高（見圖5），這組水路需單獨控制。分析所得注塑件的冷卻時間為7 s，但考慮到流道澆口處壁厚較厚，溫度較高，實際操作中將分析所得冷卻時間延長至10 s。

圖3 水路分布及其CAE分析

圖4 制件定模側與動模側溫度分布

圖5 冷卻水管管壁溫度

4 小結

冷卻周期在注塑件的成型周期占大比重，直接影響注塑件成型周期的長短。合理高效的冷卻水路設計可以有效地提高注塑生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。CAE 數(shù)值模擬分析軟件的應用可以提高注塑模具冷卻水路設計的合理性，提高模具的設計效率，縮短模具的設計周期。

［1］李德群，唐志玉.中國模具設計大典：第2 卷［M］.南昌：江西科學技術出版社，2003.

［2］申長雨.塑料模具計算機輔助工程［M］.鄭州：河南科學技術出版社，1998.

［3］李永梅，林彬，李延杰.塑料模具冷卻系統(tǒng)的設計［J］.工程塑料應用，2006，34（4）：48-50.

［4］單巖，王蓓.Moldflow 模具分析技術基礎［M］.北京：清華大學出版社，2004.