王敬艷（長春職業(yè)技術學院,吉林長春, 130033）

HsCAE冷卻模擬技術在注塑產(chǎn)品設計中的應用

王敬艷（長春職業(yè)技術學院,吉林長春, 130033）

HsCAE冷卻模擬模塊采用交互設計的方式，可以預測制品與模具上的溫度場、熱流密度場、溫差分布和冷卻時間，優(yōu)化冷卻結構與工藝設計，達到均勻冷卻效果。

HsCAE；注塑模具；冷卻系統(tǒng)；分析與優(yōu)化

1 引言

在注塑模設計過程中，模具設計師往往把注意力集中在流道系統(tǒng)和推出系統(tǒng)上，而事先對注塑模的冷卻系統(tǒng)重視不夠，導致冷卻管道最終只能在模具空余的有限空間布置。但事實上，塑料注射模冷卻時間約占整個注射循環(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，重視冷卻過程的研究與設計，提高注塑制件的生產(chǎn)效率和質量顯得尤為重要。

為更好地克服以往因模具設計師缺乏經(jīng)驗而造成注塑模具冷卻效果不佳的弊端，在板件注塑成型過程中，我們引入華中HsCAE注塑軟件來分析影響冷卻系統(tǒng)的各個因素，模擬制品在模具內的冷卻過程，以便更好地解決注塑制品在冷卻過程中存在的問題。

2 冷卻模擬原理

針對注射模典型截面上的冷卻系統(tǒng)進行二維冷卻分是注塑模冷卻分析的一種行之有效的方法，注塑模的冷卻過程具有非穩(wěn)態(tài)性，模具內某點的測量溫度在循環(huán)注射過程中呈周期性變化，但這種非穩(wěn)態(tài)溫度波動較小，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，認為溫度場是穩(wěn)定的。二維穩(wěn)態(tài)傳熱在數(shù)學上可歸結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題時，常用邊界元法。因為在注射成型中關注的主要是型腔與制品表面的溫度分布，同時邊界元法僅需離散二維截面的邊界而不是整個截而，能夠簡化操作，節(jié)省計算時間。本文著重介紹邊界元法求解過程。

邊界元積分公式借助于格林第二公式得到。格林

式中T、K表示任意兩個在區(qū)域由內二次可微函數(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稱為基本解。在選定基本解后，通過積分計算、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P在邊界上的移動，便可得到N個代數(shù)方程，加上

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

模具設計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，或者改變冷卻介質的流速和溫度，或者改變制品推出溫度等，

來選擇合理的冷卻系統(tǒng)設計方案，以便獲得均勻的溫度場分布和較短的模且冷卻時間。

圖1 二維及其區(qū)域離散

3 冷卻分析結果

依據(jù)上述的分析原理用戶可進行注注塑模溫度調節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)化設計。同時，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)注塑的開始階段，型腔表面溫度隨時間和注射次數(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形成一個比較穩(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，另一部分為波動溫度場。通過實驗看到，在連續(xù)注塑過程中，平均溫度場變化較小，可以近似看作是穩(wěn)定的，波動溫度場的波動幅度也較小，并且波動區(qū)域僅限于型腔壁附近。因此，在進行冷卻分析計算時，所考慮的是冷卻管道對穩(wěn)定的周期性平均溫度場的影響，它是提供冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設計的重要參數(shù)。

3.1 穩(wěn)態(tài)溫度場

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，應當避免。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)生不均勻的殘余應力從而導致塑件翹曲如圖2所示。對于溫差大于10度的區(qū)域，應修改冷卻系統(tǒng)設計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；對于無定形塑料厚壁制件，其脫模準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；對于無定形塑料薄壁制件，其脫模準則是制品截面內的平均溫度已達到規(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

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。對于壁厚均勻的制品來說，熱流小的區(qū)域冷卻效果差，應予改進。對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。該結果從顯示效果上與2.1介紹的溫度場正好相反，正值表示放熱，負值表示吸熱，一般來說都是制件放出熱量而冷卻水管吸收熱量。如圖3所示。

3.3 冷卻時間場和頂出區(qū)域

冷卻時間是指塑件從注射溫度冷卻到指定的脫模溫度所需時間，根據(jù)塑件的冷卻時間分布，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 冷卻介質溫度場

當高溫熔融塑料注射進入模具型腔后，需要冷卻固化才能頂出，該過程中的熱量需要冷卻系統(tǒng)帶走，冷卻介質從回路入口進入后，在流動過程中逐漸被模具頂出，導致溫度升高。模具中冷卻介質溫度升高會使熱傳遞減小，其次，如果回路出入口溫差過大，可能會導致冷卻不平衡。根據(jù)HsCAE分析結果可獲得回路出入口的溫差，在生產(chǎn)過程中，精密模具中出入口溫差相差應在2°以內，普通模具也要不超過5°。如圖4所示。

圖4 冷卻介質溫度

圖5 冷卻介質速度

3.5 冷卻介質速度場

冷卻介質在冷卻回路中流動的時候，其流動狀態(tài)分為層流和紊流，其區(qū)別就在于雷諾數(shù)的大小，當雷諾數(shù)Re<2300時流動為層流，當2320

冷卻介質處于層流流動時，流動比較平穩(wěn)，沒有垂直于水流方向的橫向速度，此時模具內的熱量在冷卻孔的徑向只能以熱傳導的方式進入冷卻介質中，熱效率很低。紊流則不同，由于冷卻介質在孔徑方向有質量交換，熱流不僅以熱傳導方式，還可以以對流的方式有效地從孔壁傳入冷卻介質中，因此在冷卻過程中需要保證冷卻介質在紊流下工作。

實際生產(chǎn)一般取10000

4 結束語

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

[1]黃健求.模具制造[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2001

[2]申樹義.塑料模具設計[M].北京：機械工業(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，吉林長春人，長春職業(yè)技術學院教授，研究方向為模具CAD/CAE/CAM一體化技術。