注塑成型冷卻過程的數值模擬分析

路書芬

【摘 要】本文在基于ANSYS平臺進行注塑成型三維瞬態溫度場數值模擬，研究了冷卻方式及工藝設置對塑件冷卻溫度的變化的影響，以及在相同工藝條件下，自然冷卻與通水冷卻后塑件溫差的變化。研究證明在相同工藝條件下，冷卻水冷卻較常溫冷卻狀態下，塑件溫度明顯偏低，分布更均勻。

【關鍵詞】注塑；冷卻溫度；工藝設置；數值模擬

中圖分類號： TQ320.662 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0260-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.125

0 前言

在注射成型過程中，高聚物熔體被注射進模具型腔內，冷卻固化后形成一定形狀的制品，據能量守恒原理，熔體固化時釋放的熱量通過能量傳遞給模具，冷卻過程中模具型腔、型芯溫度、溫差分布及冷卻時間將直接影響到注射成型的生產效率、塑件表面質量、翹曲變形及殘余應力等。

本文在基于ANSYS平臺進行注塑成型三維瞬態溫度場數值模擬，研究了冷卻管道的布置及不同工藝設置下塑件冷卻溫度的變化。

實現基于ansys的冷卻過程數值模擬分析，主要包括如下步驟：

（1）在前處理模Pre中：選擇單元類型；自定義材料參數；定義水冷卻、模具外表面、型腔表面等邊界條件；定義初始條件。（2）在求解模塊solver中：定義PCG求解控制，進行塑件模具耦合的三維瞬態熱分析。（3）在后處理模塊Post中：導入分析結果，處理模擬數據。

1 數學模型

1.1 模具溫度場的控制方程

實際的冷卻過程非常復雜，為方便對模具傳熱過程進行求解，根據實際注塑特性對冷卻過程進行了適當簡化和假設。基本假設為：

（1）模具材料為各向同性材料；

（2）成型過程中塑件與模壁完全接觸，不考慮接觸熱；

（3）模具與周圍的環境的熱交換只考慮對流換熱，忽略輻射換熱。

基于以上基本假設，模具傳熱簡化為一個沒有熱源的三維瞬態熱傳導問題，溫度場控制方程如下[1]：

1.2 塑件傳熱的數學模型

1.2.1 基本假設

塑件的實際冷卻過程非常復雜，在傳熱分析過程中，其瞬態溫度場分析應該考慮制品內熱交換、制品和模具間熱交換、模具內熱交換、模具和冷卻介質間熱交換等四個方面[2]。在求解塑件瞬態溫度場時，本文做了如下基本假設以建立其數學模型[3]：

（1）塑件與模具型腔壁完全接觸，二者溫度相等；

（2）塑料熔體均質、各向同性；

（3）結晶過程釋放潛熱，將制品結晶過程釋放熱量視為內熱源。

2 案例分析

2.1 幾何模型

選取一平板幾何模型作為分析案例，該模型長163mm、寬117mm、厚2mm。劃分網格后制品及坐標系如圖2所示，沿Z向中心線上選取1、2，3三個關鍵點， 3點為中心點距離邊緣81.5mm。

2.2 材料選擇及工藝設置

本案例模具選用45鋼， 塑件選用ABS無定型材料.

工藝參數選擇熔體溫度和模具溫度和冷卻時間，工藝設置如表1所示。

2.3 冷卻水對塑件冷卻溫度的影響

以平板中心為觀察點，不同工藝設置下溫度隨時間變化如圖3所示

對比圖3（a）、（b）發現冷卻20s時，塑件中心點冷卻水冷卻溫度已降至70℃-93℃，而自然冷卻方式下降至78℃-103℃，冷卻50s時在相同工藝條件下溫度分別降至49℃-65℃和60℃-84℃，明顯通冷卻水冷卻后冷卻速率更高，效果更明顯。工藝參數的影響則是自然冷卻條件下更顯著。

從圖3可以看出塑件中心點溫度隨模溫溫度、熔體溫度的升高而升高，相比較而言模具溫度對冷卻過程的影響更為明顯；對于通過冷卻水冷卻的塑件，在較低模具溫度下冷卻50s時熔體溫度的影響幾乎可以忽略。

2.4 不同冷卻條件下塑件溫差的變化

在相同工藝條件下，冷卻水冷卻后塑件中心點溫度明顯低于自然冷卻條件。在不同工藝條件下，該點自然冷卻和冷卻水冷卻后溫度差值隨冷卻時間變化曲線如圖4所示：

從圖4可以看出，溫度差值5s左右最高，接近20s時最低，隨著冷卻時間的延長溫差值又出現漸升的趨勢，尤其是在較高模溫時明顯高于低模溫時溫度。這說明在前5s內冷卻水能迅速降低模具溫度對塑件的冷卻影響逐漸增大，5s后冷卻水的影響逐漸降低，20s時冷卻水的影響幾乎可以忽略，20s后塑件溫度較低，模具溫度的影響就突出出來，有冷卻水冷卻的模具相對降溫較快，因此20s后高模溫下冷卻水的影響逐漸增大。

3 結論

（1）在相同工藝條件下采用冷卻水冷卻50s后，塑件溫度明顯低于自然冷卻狀態下溫度，分布更均勻；有無冷卻水冷卻塑件自身溫差分別為16.3℃，10.4℃， 塑件自身溫度差是引起翹曲的重要原因，溫差越大塑件越容易產生翹曲，因此冷卻水冷卻后的塑件翹曲較小。

（2）在相同工藝條件下，冷卻水冷卻后塑件中心點溫度明顯低于自然冷卻條件。在不同工藝條件下，該點自然冷卻和冷卻水冷卻后溫度差隨冷卻時間變化。溫度差值5s左右最高，接近20s時最低，隨著冷卻時間的延長溫差值又出現漸升的趨勢，尤其是在較高模溫時明顯高于低模溫時溫度。

【參考文獻】

[1]申長雨， 塑料模具計算機輔助工程. 1998： 河南科學技術出版社. 57-58.

[2]胡俊翹，李德群， 注塑制品的瞬態溫度場分析. 塑料工業， 1995（5）： p. 15-17.

[3]Ozisik， M.N.， ed. Heat conduction. 1983， 北京： 高等教育出版社.

[4]蔣炳炎， et al.， 考慮結晶潛熱的 LDPE 微結構件注射成型模內溫度場. 中南大學學報： 自然科學版， 2006. 37（003）： p. 532-536.

[5]陳靜波，張世勛，何領好，申長雨， 注射模三維溫度場的數值分析. 鄭州大學學報（工學版）， 2003. 24（2）： p. 9-14.

[6]Ramamurthy， S.P.， L. Steenson， and Z. Hu. Computer Simulation of Warpage Formation in Polymer Injection Molding of a Step Pad. 2006： ASME.