概述

注塑模冷卻系統設計的好壞是模具設計成功與否的一個關鍵因素，它直接影響塑料制品的質量和生產效率。在注塑成型過程中，塑料制品在型腔中的冷卻時間要占整個成型周期的70%~80%，而且冷卻的速度和均勻性直接影響制品的性能。如果冷卻系統設計不合理的話，會造成生產周期過長，成本過高，另一方面，不均勻的冷卻效果也會造成產品因熱應力而產生翹曲變形，從而影響產品品質。

一． 冷卻分析技術的作用

衡量模具冷卻系統設計好壞的標準有兩個：一是是制品冷卻時間最短；二是使制品的各個部位均勻冷卻。影響冷卻系統的因素很多，除了塑料制品的幾何形狀、冷卻介質、流量、溫度、冷卻水路的布置、模具材料、塑料熔體溫度、模具溫度、塑料頂出溫度外，還涉及到塑料與模具之間的非穩態熱循環交互作用。

用實驗的方法來測試不同的冷卻系統對冷卻時間和制品質量的影響是相當困難的，也是不現實的。傳統的冷卻系統設計多以經驗為主，往往無法將冷卻系統優化，以進行均勻而有效的冷卻，結果造成成型周期過長，并可能使產品冷卻不均而導致翹曲變形。計算機分析與模擬則是完成這種預測的最佳方法。Moldflow可以對冷卻系統作優化設計，通過分析冷卻系統對流動過程的影響，優化冷卻管道的布局和邊界條件，從而產生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產品成型后的內應力，提高產品質量，降低成本。

二． 冷卻系統設計原則

1． 注塑模的熱傳輸

在注塑成型過程中，存在四種基本的熱傳輸方式：強制對流、自然對流、傳導和輻射。注塑模熱量的輸入和輸出如圖1所示。由塑料帶入注塑模的熱量，其中80%~95%通過模具金屬傳導至冷卻水管壁，然后遣散到冷卻水管中去。傳導至注塑機模板的熱量和從模具表面對流出去的熱量僅占總量的5%~15%，并不重要。輻射到周圍空間的熱量，只有當模具溫度達到85℃以上時才考慮。在采用熱流道的情況下，也會向模具輸入熱量。在有些情況下，冷卻液的溫度大大高于環境溫度，此時冷卻液不是從模具吸收熱量，而是向模具輸入熱量。

圖1 注塑模熱量的輸入和輸出

2． 熱積聚

注塑模具中存在著熱積聚，這些熱積聚點會引起模具成型面溫度的變化，使塑件冷卻不均而翹曲。產生熱積聚的原因有兩個：一個是注入模具的塑料的不規則流動，引起熱負荷的變化，這往往是由于不適當的摩擦熱或者塑件壁厚引起的變化，另一個是模具的幾何形狀，如角落處等，在模具角落處區域冷卻得比較充分，而角落內部冷卻不足，引起塑件冷卻不均。圖2 為模具角落熱積聚引起的變形。在這種情況下，模具型芯側會因為角落的熱積聚而產生很陡的溫度梯度。

圖2 模具角落熱積聚及其變形

3． 冷卻系統的設計

冷卻系統的設計主要包括冷卻水道的布置和冷卻參數（如冷卻液的溫度和壓力）的設置。

(1)物理尺寸及冷卻回路的

設置 冷卻系統的物理設計通常受到模具的幾何尺寸、分型面的位置、動模及頂出桿等的限制，因此不可能給出嚴格的設計規則。對于等壁厚的簡單制品，均勻的冷卻管道布置可獲得均勻的冷卻效果。然而大多數零件壁厚不一致，有的還設計了筋，常常會導致熱積聚，可使冷卻管道靠近壁較厚、有筋的區域，也可另加冷卻管道(Baffle 或bubbler 等)，如圖3 所示。

圖3 冷卻水管布置

冷卻水孔與型腔間的距離越遠，模具成型面上的溫度越均勻，但冷卻水吸收的熱量越少，冷卻時間就越長。一般情況下，冷卻水孔與型腔間的距離應取冷卻水管直徑的2~3 倍。冷卻水從入口處流入冷卻水 管之后，沿途吸收模具熱量，水溫變得愈來愈高，這會逐漸降低冷卻能力，故冷卻管進出口水的溫差越小越好，不超過3℃，如圖4 所示。

圖4 冷卻水管進出口水的溫差

冷卻水管越長，被冷卻的模具面積越大，因此，圖5 中(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5 所示。

(2)特殊冷卻形式 某些特殊的冷卻形式，如圖6 所示，采用隔板式(Baffle)與噴管式(Bubbler)，可取得較好的冷卻效果。

圖6 隔板式與噴管式

(3)模具材料 采用高效傳導率的模具材料（如BeCu）可以增加熱傳輸量，特別是在無法布置冷卻管路的區域，采用這種材料可以改善冷卻效果。

(4)冷卻參數 冷卻參數主要包括冷卻液流量、冷卻管道的入口溫度、冷卻液在管路上的壓力降、冷卻液種類等。冷卻液流量應大得使雷諾數大于10000，以保證產生紊流狀態。一般情況冷卻管道的入口溫度應比所需模具溫度低10℃~30℃左右。冷卻液在管路上的壓力降取決于冷卻管道的長度、直徑及流體流動的速度。冷卻液種類自來水、冷卻機產生的冷水、加了防凍劑的水和油等。

(5)冷卻線路類型 冷卻線路類型通常分為并聯與串聯，如圖7 所示。

圖7 冷卻線路類型

三．Moldflow應用實例

制品為一電腦面板，一模一腔，塑料為ABS，采用Moldflow 的Cool 模塊作冷卻系統優化設計，以進行均勻而有效的冷卻，縮短成型周期，降低翹曲變形。

1． 冷卻水管布置

冷卻水管布置如圖8 所示。

圖8 冷卻水管布置圖

2．輸入工藝條件

根據工藝要求選擇材料ABS，熔體溫度為240℃，模具溫度為60℃，注射時間為2.2s。

3. 分析計算

(1) 原始方案 圖9 顯示了型腔的冷卻效果。圓圈處區域的溫度較高，而上下的溫差也較大。

圖9 制品上下表面溫差分布

在制件的頂部會發生熱積聚，這是導致熱彎曲的主要原因，因此我們必須修改冷卻水管或模具結構。在17s 內，塑料已完全冷卻，但流道系統冷卻50s 后還不到45%。厚流道需要更多的時間才能達到超過60%的冷卻，為便于開模，我們必須減少流道的尺寸才能縮短冷卻時間。圖10 顯示了冷卻50s 是的凝固率。

圖10 制品50s 時凝固率分布

(2) 修改方案 如圖11 所示，在制件的頂部，增加一個冷卻鑲塊，其材料為Be-Cu，使該區溫度降低并均勻分布。這樣制品的頂部冷卻效果較好，溫度分布比原始方案均勻。圖案12 是修改后型腔的冷卻效果圖，較原方案有明顯改善。圖13 是修改方案在冷卻19.8s后的制品凝固率。結果顯示，冷卻19.8s制品已完全凝固，流道也凝固了60%，所以冷卻19.8s 即可開模，冷卻循序循環時間大大縮短了。

圖11 在制品頂部加一冷卻鑲塊

圖12 制品上下表面溫差分布

四．2012 新功能:瞬態冷卻分析(Transient Cool)

分析模具幾何的體網格（四面體），可用于才或穩態模溫的計算

產品網格與模具網格必須是3D 網格

- 可模擬模具溫度在整個周期內的變化
- 可獲得更準確的充填樣式（壁厚差異較大的產品）
- 可得到更準確地翹曲結果
- Cool(穩態)與Cool(瞬態FEM)分析比較

穩態分析，整個成型周期模具溫度是一平均值，而瞬態分析模具溫度是變化的。

瞬態分析可以記錄從產品注塑開始到穩定狀態的模具溫度分布以及一個穩定成型周期內的模溫瞬態變化。

- 瞬態模具溫度分布及瞬態冷卻液溫度

- 瞬態注件溫度和冷卻管道溫度結果也可得到

五．結論

通過Moldflow 冷卻分析模塊的分析，可以優化模具設計方案的冷卻系統，包括：冷卻管道的數量、位置、尺寸大小以及冷卻過程中的各項參數等。優化后的方案可以減少動、定模溫差，縮短生產周期，提高生產效率。