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精密注射模冷却水路的优化设计

点击次数:1607次     加入时间:2015-08-02
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介绍了温度对塑件的影响及冷却系统的设计要点,利用CAE方法模拟验证了平板状塑件的水路设计,结合正交实验设计优选出冷却效果好的冷却水路设计方案,提高冷却系统的冷却效果,节省了大量的计算公式和繁琐的试模与修模工作。     1.引言        模具温度不仅直接影响到塑件的品质如表面光洁度、热弯曲、残余应力及结晶度等,而且还直接影响了塑件的生产成本。在注射过程中,冷却时间占注射成型周期的约80%,直接影响到塑件的生产效率,决定了注射成型的周期。因此。注射模冷却水路的合理设计决定了注射模的工艺性能,也在一定程度上决定了注射成型件的质量与生产成本,对注射模冷却水路进行分析与优化十分必要。      2.冷却水路的设计要点 冷却水路的设计的主要目的在于对注射模进行均匀冷却,快速均匀的冷却效果是冷却水路设计和重点。冷却水管应靠近热量较多处,远离热量较少处。比如浇口处的热量较多,加热比例也较大,因此浇口附件是冷却的重点。同时,塑件的转角处较容易形成热量聚集,在该部位也要增加冷却强度。水路与塑件之间的间距不能太远,太远了热传导性降低,但间距太近又会使熔体对冷却过于敏感,导致塑件的内外壁高分子的松弛程度不同,容易引起塑件开裂、变形等缺陷。根据公式计算结果及实践经验,一般冷却水路与塑件型腔壁的距离d为水路直径D的2~3倍,水管间距p为水路直径D的3~5倍较好,如图1所示。增加水管的长度可以增加热传导面积,但也要考虑水路太长的造成压力下降、沿长度方向温度升高过多等问题。为确保进水口与出水口的温度差在2℃~5℃以内,过长的水路应分解成多条回路,如图2所示。增加水管的长度可以增加热传导面积,但也要考虑水路太长的造成压力下降、沿长度方向温度升高过多等问题。为确保进水口与出水口的温度差在2℃~5℃以内,过长的水路应分解成多条回路,如图2所示。此外,冷却管道的分布也是影响注射的冷却效果的重要因素,常用的水路类型有并联水路与串联水路两种。并联水路中,水是从单一的水源或分流板进入到多个平行分支的,串联水路只有一个进水口和一个出水口,中间没有分支。并联水路的优点是管路中的压力降较小,在低压的情况下可达高流速且水温比串联的更加均匀,但各分支的流速不均匀且冷却效率较低,水路容易积垢。串联水路的优点是出入水口的数量较少,大大降低水滞流的现象,因其没有分支,故整个管路上水的流速均匀,排热均匀,但因其管路相对较长,压力较大,水温上升也较高,当压力降幅超过系统压力极限时,水的流速下降反而影响冷却效果,同时水温上升过高容易使冷却效果不均匀,易产生应力变形。近年来,金属粉末镭射造型复合加工技术的发展,使快速成型技术应用于模具制造行业当中,异型水路开始应用于大型复杂外壳构件的模具冷却系统,如图3所示。3.冷却水路的分析与优化本文以一薄壁导光板(91×54×0.5mm)为例,利用CAE分析软件MoldFlow进行模拟。本次试验采用PC(聚酸碳酯)为材料,熔体温度为300℃,温控系统分布分别采用2支串联水路,4只串联水路,2支并联水路和4只并联水路4种模具运水方式(见图4),并且以塑件的翘曲变形量为目标值,以雷诺数、冷却水管直径、水路分布、冷却水温度和冷却时间为控制因子建立正交实验表并进行分析优化,见表1。由极差分析可得:冷却水温度是影响塑件温差的主要因素,各影响因素的排列为RD>RC>RA>RB>RE。同时可得最佳组合为:雷诺数6000,冷却水管直径为10mm,水路分布为串联4支。冷却水温度为110℃。冷却时间为16s。再次利用CAE分析软件对上述最佳组合进行分析,塑件的翘曲变形模拟结果见图5,运水管的出入口温度及管道表面温度如图6所示。随着冷却介质温度的升高,模具热传递有所减小,为防止因温差引起塑件收缩率的差异必须严格控制入水口和出水口的温度。一般来说,精密模具中出入口冷却介质温度相差应在2℃以内,普通模具也不要超过5℃,如温度升得太高则需要加强冷却。由图6a可见,出入水口的温度差在1℃,温升不高,满足要求。此外,冷却介质与金属界面的温度也是影响温度控制的重要因素,当冷却剂的出口温度比入口温度高2℃~3℃,同时冷却剂入口温度与冷却剂和金属界面温度之差在5℃之内时,就可以认为冷却效果比较显著,由图6b可见,管道表面温度差在2℃以内,温控效果较好,满足冷却要求。由图7可见,优化后塑件的翘曲变形量最大值为0.0565mm,比正交实验中的最大翘曲变形量改善71.5%,且最大翘曲变形区域在水口处,成型质量较好。按照本次分析优化所得结果进行实际注射成型实验,实际注射成型件如图7所示,由图7可见优化后的塑件成型质量能够满足产品的批量生产要求。4.结束语模具温度是影响塑件成型质量的最主要因素之一,冷却系统的均匀性与快速性直接影响模具温度的均衡与塑件的成型周期。正交实验结合CAE技术,有效快速地分析出各因素对目标值的影响排列次序并得出最佳组合,有效地提高模具设计的合理性,缩短模具的设计与调试周期。


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