塑膠模具模流分析之冷卻分析
時間:2025-05-24 13:50來源:德松官網(wǎng) 作者:德松模具鋼
透過模流分析可優(yōu)化冷卻水路的布局與邊界條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更均勻的冷卻效果，縮短成型周期，降低成型后的內(nèi)應(yīng)力，提升產(chǎn)品品質(zhì)，同時有效降低生產(chǎn)成本。
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冷卻分析的目的是為了優(yōu)化模具冷卻系統(tǒng)的效率，在射出成型過程中，觀察成品的殘留溫度，作為初步冷卻狀況的參考依據(jù)。冷卻時間越短越好，因?yàn)闀r間越短，代表成品的尺寸收縮率越低，質(zhì)量越穩(wěn)定。然而，若冷卻不均勻，成品容易發(fā)生翹曲或變形。
內(nèi)容目錄：
A. 概述
B. 冷卻分析技術(shù)的作用
C. 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
A. 概述
射出模的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是判斷模具設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵因素之一，因?yàn)樗苯佑绊懰芰现破返馁|(zhì)量與生產(chǎn)效率。在射出成型過程中，塑料制品在模穴內(nèi)的冷卻時間約占整個成型周期的60%至80%（圖1），而冷卻的速度與均勻性更直接左右制品的最終性能。若冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良，不僅會導(dǎo)致成型周期過長、提高生產(chǎn)成本，還可能因冷卻不均造成熱應(yīng)力分布不平衡，進(jìn)而引發(fā)產(chǎn)品翹曲、變形等質(zhì)量問題。
B. 冷卻分析技術(shù)的作用
衡量模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩項(xiàng)：第一，能使制品的冷卻時間最短；第二，確保制品各部位能均勻冷卻。影響冷卻性能的因素眾多，除了塑料制品的幾何形狀、冷卻介質(zhì)的種類、流量與溫度外，冷卻水路的布局、模具材料、塑料熔體溫度、模具溫度以及脫模時的頂出溫度，甚至塑料與模具之間的非穩(wěn)態(tài)熱傳遞行為，皆會對冷卻效果造成影響。
由于以實(shí)驗(yàn)方式測試各種冷卻系統(tǒng)對冷卻時間與制品質(zhì)量的影響不僅困難，且不切實(shí)際，因此傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)多依賴經(jīng)驗(yàn)。然而，這樣的做法往往難以達(dá)到最佳化效果，無法實(shí)現(xiàn)高效率且均勻的冷卻，不僅拉長了成型周期，亦可能導(dǎo)致產(chǎn)品因冷卻不均而產(chǎn)生翹曲變形。
相較之下，利用電腦進(jìn)行模流分析與模擬，是進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)測的理想工具。透過模流分析可優(yōu)化冷卻水路的布局與邊界條件，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更均勻的冷卻效果，縮短成型周期，降低成型后的內(nèi)應(yīng)力，提升產(chǎn)品品質(zhì)，同時有效降低生產(chǎn)成本。
C. 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則
一、射出模的熱傳輸
在射出成型過程中，主要涉及四種基本的熱傳輸方式：強(qiáng)制對流、自然對流、熱傳導(dǎo)與熱輻射。如（圖2）所示，射出模具中的熱量傳遞可分為輸入與輸出兩部分。塑料熔體在注入模穴的同時，將大量熱能帶入模具，其中約80%至95%的熱量會經(jīng)由模具金屬傳導(dǎo)至冷卻水管壁，進(jìn)而由冷卻水帶走。
其余約5%至15%的熱量則分別傳導(dǎo)至射出機(jī)模板或透過模具表面與周圍空氣進(jìn)行自然對流，這部分的熱量損失相對較小，影響有限。至于熱輻射對熱量傳遞的貢獻(xiàn)，僅在模具表面溫度超過85°C時才具有實(shí)質(zhì)意義。
另外，在采用熱流道系統(tǒng)的情況下，系統(tǒng)本身也會向模具持續(xù)輸入熱量。此外，若冷卻液的溫度高于環(huán)境溫度，甚至可能反向?qū)崃總魅肽＞?，?dǎo)致冷卻效果不彰，進(jìn)而影響成型質(zhì)量與周期。
二、熱積聚
在射出模具中常會出現(xiàn)熱量積聚現(xiàn)象，這些熱積聚點(diǎn)會造成模具成型面溫度分布不均，進(jìn)而導(dǎo)致塑件冷卻不一致，產(chǎn)生翹曲變形。
造成熱積聚的原因主要有兩個：
① 是塑料在注入模具過程中的流動不均，導(dǎo)致熱負(fù)荷變化，這通常與材料在流動時產(chǎn)生的不適當(dāng)摩擦熱或由于塑件壁厚不均所引發(fā)的熱傳導(dǎo)差異有關(guān)。
② 則與模具本身的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是在模具的角落區(qū)域。這些區(qū)域的外部雖冷卻充分，但內(nèi)部卻易形成熱積聚，導(dǎo)致冷卻效果不均。
如（圖3）所示，即為模具角落因熱積聚造成塑件變形的情況。在此情況下，模具型芯側(cè)會因角落區(qū)域的熱積聚而產(chǎn)生明顯的溫度梯度，進(jìn)一步影響成品的尺寸穩(wěn)定性與外觀質(zhì)量。
三、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括冷卻水道的布置和冷卻參數(shù)（如冷卻液的溫度和壓力）的設(shè)置。
(3-a) 物理尺寸及冷卻回路的設(shè)置
冷卻系統(tǒng)的實(shí)體設(shè)計(jì)常受到多種因素的限制，包括模具的幾何尺寸、分模面位置、公模與母模的結(jié)構(gòu)配置、以及頂針機(jī)構(gòu)的干涉等。因此，無法制定一套絕對適用的設(shè)計(jì)規(guī)則。
對于結(jié)構(gòu)簡單且壁厚均勻的制品，采用規(guī)律且均勻的冷卻管道布置，通常可達(dá)成良好的冷卻效果。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)零件具有不均勻的壁厚，且常包含筋條等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，這些特征容易造成局部熱積聚，導(dǎo)致冷卻不均與制品變形等問題。
針對此類情況，冷卻管道應(yīng)盡量靠近壁厚較大或具有肋條的區(qū)域，并可視需求增加輔助冷卻水路，如（圖4）所示，以改善冷卻效率與溫度分布的均勻性，進(jìn)而提升產(chǎn)品品質(zhì)。
冷卻水孔與型腔表面之間的距離對冷卻效果有重要影響。距離越遠(yuǎn)，模具成型面上的溫度分布會越均勻，但由于冷卻水吸收的熱量減少，導(dǎo)致冷卻效率降低、冷卻時間延長。在一般情況下，冷卻水孔與型腔之間的距離建議為冷卻水管直徑的2~3倍，以兼顧溫度均勻性與冷卻效率。
冷卻水從入口進(jìn)入水路后，會沿途不斷吸收模具的熱量，造成水溫逐漸升高，這將降低其冷卻能力。因此，為保持良好的冷卻效率，冷卻管的進(jìn)出口水溫差應(yīng)盡量控制在3°C 以內(nèi)。
冷卻水管越長，被冷卻的模具面積越大，因此圖5中的B比A好，但冷卻水管越長，管路上的壓力降越大，冷卻管進(jìn)出口水的溫差越大，可采用C。冷卻水管之間的最佳距離取決于冷卻水孔直徑和塑件的壁厚，如（圖6）所示。
(3-b) 特殊冷卻形式
在某些特殊應(yīng)用中，為提升冷卻效率，可采用如（圖7）所示的特殊冷卻結(jié)構(gòu)，包括隔板式Baffle與噴管式Bubbler冷卻設(shè)計(jì)。這類冷卻方式能在模具內(nèi)部增加冷卻水與模具內(nèi)壁的接觸面積，從而獲得更理想的冷卻效果，特別適用于空間受限或熱積聚嚴(yán)重的區(qū)域。
(3-c) 模具材料
選用導(dǎo)熱系數(shù)高的模具鋼或銅材，如圖8所示鈹銅BeCu，有助于提升模具的整體熱傳導(dǎo)效率。特別是在無法設(shè)置冷卻水路的區(qū)域，采用此類材料可有效將熱量快速傳導(dǎo)至鄰近的冷卻區(qū)域，從而改善局部冷卻效果，降低熱積聚現(xiàn)象，有助于縮短成型周期并提升制品質(zhì)量。
(3-d) 冷卻參數(shù)
冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)主要包括：冷卻液的流量、冷卻管道的入口溫度、冷卻液在管路中的壓力降，以及冷卻液的種類等。為確保形成紊流以提高熱交換效率，冷卻液的流量應(yīng)足以使管內(nèi)的雷諾數(shù)大于十萬。一般而言，冷卻管道的入口溫度應(yīng)比模具所需的控制溫度低約10℃至30℃，以維持有效的冷卻差。
冷卻液在管路上的壓力降則取決于管道的長度、直徑以及流速；管路越長、直徑越小或流速越高，壓力降就越明顯，需適當(dāng)評價設(shè)計(jì)以避免流量不足。常見的冷卻液種類包括：自來水、冷卻機(jī)提供的冷卻水、添加防凍劑的水，以及特殊用途下使用的導(dǎo)熱油等，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件與溫度需求進(jìn)行選擇。
(3-e) 冷卻線路類型
冷卻線路類型通常分為并聯(lián)與串聯(lián)，如（圖9）所示。
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