CAE培訓(xùn)-CAE技術(shù)在注射模冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用

2013-05-10 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

摘要:注射模冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不但關(guān)系到塑件質(zhì)量而且也關(guān)系到注射成型生產(chǎn)效率。因塑件所用塑料的性能、塑件的結(jié)構(gòu)以及成型工藝參數(shù)不同,注射模對其冷卻系統(tǒng)的要求也不相同。本文闡述了CAE(Moldflow)技術(shù)在塑料制品(碗櫥上蓋)注射成型冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用并進(jìn)行模擬分析,并根據(jù)冷卻分析的結(jié)果提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案,最終獲得了良好的冷卻效果。

關(guān)鍵詞:CAE;冷卻系統(tǒng);模具溫度;模擬分析

前言

在注塑成型中,模具溫度直接影響到塑件的質(zhì)量(例如:翹曲變形、收縮率、耐應(yīng)力開裂性)、熔體的充模能力、熔體的溫度以及注塑成型的生產(chǎn)率。通過溫度調(diào)節(jié),保持適當(dāng)?shù)哪＞邷囟?可減小制品的變形、增強(qiáng)制品力學(xué)性能、改善制品的表面質(zhì)量、提高制品尺寸精度;同時,縮短占整個注射循環(huán)周期約80%的冷卻時間,這將有利于提高注塑成型的生產(chǎn)率。因此,分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)注塑成型模具的冷卻系統(tǒng),在一定程度上有利于塑件質(zhì)量的提高和生產(chǎn)成本的降低。

1 影響冷卻系統(tǒng)的因素

影響注塑模冷卻系統(tǒng)的因素很多。如塑件的結(jié)構(gòu)形狀和分型面的設(shè)計(jì),冷卻介質(zhì)的種類、溫度、流速,冷卻管道的幾何參數(shù)及空間布置,模具材料,熔體溫度,塑件要求的頂出溫度,模具溫度,塑件和模具問的熱循環(huán)交互作用,冷卻時間等。例如,提高模具溫度會增加制件的冷卻時間、增大制件收縮率和脫模后的翹曲,制件成型周期也會因?yàn)槔鋮s時間的增加而延長,降低生產(chǎn)率;另一方面,降低模具溫度,雖然能夠縮短冷卻時間、提高生產(chǎn)率,但是,這將會降低熔體在模腔內(nèi)的流動能力,并導(dǎo)致制件產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力或者形成明顯的熔接線痕等制件缺陷。冷卻時間的長短決定了制件脫模時的溫度和成型周期的長短,直接影響產(chǎn)品成本及質(zhì)量的高低。

基于以上多方面因素的分析,并考慮MPI/Cool提供了對冷卻管道(包括隔板管、噴流管、連接軟管)、鑲塊、多種模具材料、冷流道和熱流道、分型面及模具邊界對模具和制品溫度的冷卻模擬分析的功能,這些都為優(yōu)化設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)提供了可靠的依據(jù)。

2 注塑模的冷卻分析

2.1模型的建立及成型工藝參數(shù)的預(yù)置

碗櫥上蓋大小為500mm×480mm×250mm,整個產(chǎn)品的厚度均為3mm。

首先應(yīng)用PROE獲得碗櫥上蓋產(chǎn)品的三維模型,并以*.stl的文件格式導(dǎo)入Moldflow中。然后對制件以Fusion的格式進(jìn)行網(wǎng)格劃分并利用有限元方法的相關(guān)軟件進(jìn)行有限元修復(fù),最終獲得的參數(shù)如下:面單元數(shù)=11185,節(jié)點(diǎn)數(shù)=5680,單元的匹配率=79.0%。

冷卻分析的預(yù)置工藝參數(shù)如下:成型材料選擇Polyflam Rpp1058-295(PP),模具溫度50℃,熔體溫度230℃,開模時間5秒,注塑保壓冷卻時問總和為30秒,填充控制、速度/壓力控制轉(zhuǎn)換為自動控制,保壓控制為填充壓力與時間關(guān)系,采用默認(rèn)值。

冷卻系統(tǒng)中,預(yù)置冷卻管道的布局,依據(jù)塑件結(jié)構(gòu)預(yù)置3根冷卻管道,冷卻管道的直徑為10mm;冷卻介質(zhì)為水,其溫度為25℃,流率2.54L/min;人口雷諾系數(shù)為10000;模擬分析流程為Cool模式。

2.2冷卻分析

冷卻分析是用來分析模具內(nèi)的熱傳遞,主要包含塑件和模具的溫度、冷卻時間等。決定冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)劣的因素如下:樹脂熔體對模具的熱傳導(dǎo)速率;整個模具中從塑料熔體/金屬界面到金屬/冷卻劑界面的熱傳導(dǎo)速率;從金屬/冷卻劑界面到冷卻劑的傳導(dǎo)速率。即熱傳遞性能決定了冷卻系統(tǒng)的性能,其中影響塑料熔體到模具壁的熱傳遞速率的因素有:熔體的材料性能,如比熱、熱傳導(dǎo)能力;熔體與模壁之間的溫度梯度;熔體和模具之間的接觸性能。

MPI/Cool通過對模具、制品、冷卻系統(tǒng)的傳熱分析,為用戶提供了豐富的模擬分析結(jié)果:

(1)冷卻時間。為保證制品在脫模時有足夠的強(qiáng)度,以防止脫模后發(fā)生變形,要確定合適的冷卻時間;MPI/cool能夠計(jì)算制品完全固化或用戶設(shè)定的固化百分比所需要的冷卻時間。

(2)型腔表面的溫度分布。型腔表面溫度對制品質(zhì)量具有重要影響。MPI/Cool能夠模擬注射周期的型腔表面溫度分布,幫助工藝人員確定模具溫度的均勻程度及是否達(dá)到材料所要求的模具溫度。對于中性面模型,MPI/Cool還可以計(jì)算制品兩個側(cè)面的溫度落差。

(3)制品厚度方向的溫度分布。制品在頂出時刻的溫度是確定冷卻時間是否合理的重要因素。如果溫度過高,則需加強(qiáng)冷卻或適當(dāng)延長冷卻時間;而溫度過低,說明冷卻時間太長。MPI/Cool能夠預(yù)測制品在頂出時刻沿厚度方向不同位置的溫度分布,最高溫度在厚度方向的位置,沿厚度方向的平均溫度以及某一單元溫度沿厚度方向的變化。

(4)制品的固化時間。依據(jù)模具表面的溫度預(yù)測制品完全固化所需要的時間。

(5)冷卻介質(zhì)的溫度分布及冷卻管道表面的溫度分布。冷卻介質(zhì)的溫度變化、冷卻管道表面與冷卻介質(zhì)間的溫度差是決定冷卻是否有效的重要依據(jù)。

圖1是第一次冷卻模擬分析的部分結(jié)果。其中(a)顯示了制件的表面溫度分布狀態(tài);圖(b)顯示了制件的表面溫度分布狀態(tài);圖(c)顯示了制件固化所需的總時間;圖(d)顯示了冷卻管分布狀態(tài)――即冷卻劑的溫度。

圖1 冷卻模擬分析結(jié)果

3 冷卻模擬分析結(jié)果及其改進(jìn)的結(jié)果

根據(jù)上面的模擬分析結(jié)果,如圖1中(a)所示,可以看出冷卻管道并沒有實(shí)現(xiàn)期待的冷卻效果,僅在冷卻管道的周圍區(qū)域冷卻效果比較理想,其余的區(qū)域溫度比較高,并且在模型個別的邊角溫度過高.所以預(yù)置的冷卻管的參數(shù)及其布局對其進(jìn)行冷卻的效果不理想。從圖1中的(b)圖可以看出制件的平均溫度的結(jié)果略好于制件表面溫度結(jié)果。但是同樣反映出了冷卻力度不夠的缺陷;從圖1的(d)圖中可以看出冷卻劑的入口與出口溫度的落差差達(dá)到了6℃,說明冷卻管道不能滿足制件冷卻需要,冷卻系統(tǒng)的冷卻能力有待提高。

根據(jù)初步分析結(jié)果對冷卻管道的數(shù)目和布局進(jìn)行了修改。通過多次類似的反復(fù)分析、比較、修改之后:冷卻管道的數(shù)目由第一次的3個管道增加為9個。在溫度較高的區(qū)域增加了冷卻管道,并優(yōu)化了管道布局。同時,將冷卻管道的直徑由原來的10mm增大到12mm,冷卻劑的人口溫度從原來的25℃降低到23℃。修改后的設(shè)置,見圖2所示,再進(jìn)行MPI/Cool的流程模擬分析。改進(jìn)后的結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果,如圖2所示。其中,圖(a)顯示制件的表面溫度有所改善,圖 (d)顯示冷卻劑的入口與出口溫度的落差差異有所減小。

圖2 改進(jìn)后冷卻模擬分析的結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過實(shí)例具體模擬分析了影響注射成型冷卻系統(tǒng)的各種因素,并根據(jù)動態(tài)模擬分析的各種結(jié)果提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案。結(jié)果表明:優(yōu)化后的注射模的冷卻系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的冷卻效果,同時縮短了模具的設(shè)計(jì)周期并給合作廠家?guī)砹嗣黠@的經(jīng)濟(jì)效益。

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