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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，進而實現(xiàn)更均勻的冷卻效果，縮短成型周期，降低成型后的內(nèi)應力，提升產(chǎn)品品質，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，因為時間越短，代表成品的尺寸收縮率越低，質量越穩(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. 冷卻分析技術的作用
C. 冷卻系統(tǒng)設計原則
 
A. 概述
射出模的冷卻系統(tǒng)設計，是判斷模具設計是否成功的關鍵因素之一，因為它直接影響塑料制品的質量與生產(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)設計不良，不僅會導致成型周期過長、提高生產(chǎn)成本，還可能因冷卻不均造成熱應力分布不平衡，進而引發(fā)產(chǎn)品翹曲、變形等質量問題。
 
B. 冷卻分析技術的作用
衡量模具冷卻系統(tǒng)設計優(yōu)劣的標準主要有兩項：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。
由于以實驗方式測試各種冷卻系統(tǒng)對冷卻時間與制品質量的影響不僅困難，且不切實際，因此傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)設計多依賴經(jīng)驗。然而，這樣的做法往往難以達到最佳化效果，無法實現(xiàn)高效率且均勻的冷卻，不僅拉長了成型周期，亦可能導致產(chǎn)品因冷卻不均而產(chǎn)生翹曲變形。
相較之下，利用電腦進行模流分析與模擬，是進行冷卻系統(tǒng)設計預測的理想工具。透過模流分析可優(yōu)化冷卻水路的布局與邊界條件，進而實現(xiàn)更均勻的冷卻效果，縮短成型周期，降低成型后的內(nèi)應力，提升產(chǎn)品品質，同時有效降低生產(chǎn)成本。
 
C. 冷卻系統(tǒng)設計原則
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：強制對流、自然對流、熱傳導與熱輻射。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)由模具金屬傳導至冷卻水管壁，進而由冷卻水帶走。
其余約5%至15%的熱量則分別傳導至射出機模板或透過模具表面與周圍空氣進行自然對流，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，僅在模具表面溫度超過85°C時才具有實質意義。
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，甚至可能反向將熱量傳入模具，導致冷卻效果不彰，進而影響成型質量與周期。
二、熱積聚
在射出模具中常會出現(xiàn)熱量積聚現(xiàn)象，這些熱積聚點會造成模具成型面溫度分布不均，進而導致塑件冷卻不一致，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，導致熱負荷變化，這通常與材料在流動時產(chǎn)生的不適當摩擦熱或由于塑件壁厚不均所引發(fā)的熱傳導差異有關。
② 則與模具本身的幾何結構有關，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，模具型芯側會因角落區(qū)域的熱積聚而產(chǎn)生明顯的溫度梯度，進一步影響成品的尺寸穩(wěn)定性與外觀質量。
 
三、冷卻系統(tǒng)的設計
冷卻系統(tǒng)的設計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）的設置。
(3-a) 物理尺寸及冷卻回路的設置
冷卻系統(tǒng)的實體設計常受到多種因素的限制，包括模具的幾何尺寸、分模面位置、公模與母模的結構配置、以及頂針機構的干涉等。因此，無法制定一套絕對適用的設計規(guī)則。
對于結構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?？蛇_成良好的冷卻效果。然而，在實際應用中，大多數(shù)零件具有不均勻的壁厚，且常包含筋條等加強結構，這些特征容易造成局部熱積聚，導致冷卻不均與制品變形等問題。
針對此類情況，冷卻管道應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，進而提升產(chǎn)品品質。
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，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，冷卻管的進出口水溫差應盡量控制在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
在某些特殊應用中，為提升冷卻效率，可采用如（圖7）所示的特殊冷卻結構，包括隔板式Baffle與噴管式Bubbler冷卻設計。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重的區(qū)域。
(3-c) 模具材料
選用導熱系數(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效率。特別是在無法設置冷卻水路的區(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量。
(3-d) 冷卻參數(shù)
冷卻系統(tǒng)的關鍵參數(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，需適當評價設計以避免流量不足。常見的冷卻液種類包括：自來水、冷卻機提供的冷卻水、添加防凍劑的水，以及特殊用途下使用的導熱油等，應根據(jù)實際應用條件與溫度需求進行選擇。
(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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