MoldFlow软件冷却分析及应用

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前言

在注塑成型中，模具的温度直接影响到制品的质量和生产效率。通过温度调节，保持适当的模具温度，可减小制品的变形、增强制品力学性能、改善制品的表观质量、提高制品尺寸精度。同时，缩短占整个注射循环周期约80%的冷却时间是提高生产效率的关键。因此，设计合理的冷却系统，对模具温度进行有效调节是十分必要的。冷却系统的设计在20世纪60年代就已引起了人们的重视，并进行了大量研究，得到了一些简化公式或经验公式，但由于实际制品的形状往往十分复杂，因此，这些公式的应用范围存在着很大的局限性。MPI/Cool通过分析模具冷却系统对模具和制品温度场的影响，优化冷却系统的布局，以达到使塑件快速、均衡冷却的目的，从而缩短注塑成型的冷却时间，提高生产效率，减少废品，增加经济效益。

; G. X$ J4 K. C  C一、MPI/Cool简介

5 v7 H  a6 H' W影响注塑模冷却的因素很多，如制品的形状，冷却介质的种类、温度、流速，冷却管道的几何参数及空间布置，模具材料，熔体温度，工件要求的顶出温度和模具温度、制品和模具间的热循环交互作用等。这些参数之间互相联系、互相影响，唯有这些参数的合理组合才能获得理想的效果。但靠传统的经验和简化公式是很难确定的，只有通过CAE分析才能得到理想的结果。
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* e9 Z; H& r" e2 R! a( vMPI/Cool采用边界元法（Boundary Element Method）对模具的温度场进行三维模拟，对于制品在其厚度方向上采用解析解来计算温度分布，并通过制品的热流量将二者完全耦合进行迭代求解。同时将模具的温度场与冷却管道中冷却介质的能量方程联立起来求解，因此可以可靠地计算制品/模具及模具/冷却介质间的界面温度。在计算过程中，考虑了型芯和型腔在制品厚度方向的不对称性对制品温度分布的影响。

  ]8 e% t$ D9 i% U: l; m- G& hMPI/Cool能够模拟冷却管道（包括隔板管、喷流管、连接软管）、镶块、多种模具材料、冷流道和热流道、分型面及模具边界对模具和制品温度的影响，从而为优化冷却系统提高可靠的依据。

MPI/Cool不仅能对中性面模型和Fusion模型进行冷却分析，而且能够对3D模型进行冷却分析。

% U4 ?7 M  r& E4 x6 a9 [4 `3 g此外，MPI/Cool和MPI/Flow相结合，可以得到十分完美的动态的注塑过程分析。
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0 ~, w; y4 h3 R, D, I9 p) X" S二、MPI/Cool的作用

MPI/Cool通过对模具、制品、冷却系统的传热分析，为用户提供了丰富的模拟结果。
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2 K, L* s; o# k( a6 k0 o( j(1) 冷却时间 为保证制品在脱模时要有足够的强度，以防止脱模后发生变形，要确定合适的冷却时间。MPI/Cool能够计算制品完全固化或用户设定的固化百分比所需要的冷却时间。
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(2) 型腔表面的温度分布 型腔表面温度对制品质量具有重要影响。MPI/Cool能够模拟注射周期的型腔表面温度分布，帮助工艺人员确定模具温度的均匀程度及是否达到材料所要求的模具温度。对于中性面模型，MPI/Cool还可以计算制品两个侧面的温度差别。
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& }. C9 {) B9 N3 W4 s1 F(3) 制品厚度方向的温度分布 制品在顶出时刻的温度是确定冷却时间是否合理的重要因素，如果温度过高，则需加强冷却或适当延长冷却时间，而温度过低，说明冷却时间太长。MPI/Cool能够预测制品在顶出时刻沿厚度方向不同位置的温度分布，最高温度在厚度方向的位置，沿厚度方向的平均温度以及某一单元温度沿厚度方向的变化。

(4) 制品的固化时间 依据模具表面的温度预测制品完全固化所需要的时间。
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(5) 冷却介质的温度分布及冷却管道表面的温度分布 冷却介质的温度变化、冷却管道表面与冷却介质间的温度差是决定冷却是否有效的重要依据。
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(6) 冷却管道中的压力降低、流动速度及其雷诺数 雷诺数决定了流动状态，应保证冷却介质处于紊流状态。
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(7) 镶块的温度分布、镶块/模具界面的温度差分布 镶块/模具间的温度差别反映了热量通过界面的阻力大小。

(8) 分型面和模具外表面的温度分布。
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三、MPI/Cool应用实例
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/ d* K4 _/ ?5 n6 ^8 ]# I% q# s0 m3.1 建模

: w4 |4 N! k5 U* m. m1 L  v1 O" R* r制品在三维CAD软件如Pro/E、UG中建模，通过STL文件格式读入MPI，冷却系统和浇注系统在MPI中创建。制品模型、冷却系统和浇注系统如图1所示。

) S1 o8 G* f( i图1 模型、冷却系统和浇注系统

3.2 工艺条件
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5 F- H) p" x) J6 x制品材料选用Montell Australia VMA617，其工艺参数为：熔体温度225oC，型腔温度40oC。冷却管道的直径为10mm，冷却介质为水，温度为25oC，入口雷诺数为10000。整个注塑成型周期为20s，其中注射、保压及冷却时间为15s，用于顶出的时间为5s。

% ~6 ^$ a( s' i" ]3.3 模拟结果
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按照上述工艺条件，对制品的冷却过程进行了模拟分析，得到的部分模拟结果如图2所示。

" k! j3 F) ]/ D(a) 型腔表面的温度分布 (b) 制品沿厚度方向的温度变化

6 c1 K2 [% I2 N(c) 制品完全固化所需时间 (d) 冷却介质的温度变化
- N' V: F' t; c图2 冷却过程模拟得到的结果

四、结束语

MPI/Cool通过对冷却过程的模拟，帮助模具设计人员和工艺人员全面了解模具冷却系统的冷却效率及其合理性。这对于优化出合理的冷却系统，提高制品的生产效率和质量，具有重要的指导意义。

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