注塑成型冷却过程的数值模拟.pdf

第18卷第4期高分子材料科学与工程Vol.18,No.4
2002年7月POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERINGJul.2002

注塑成型冷却过程的数值模拟X

陈静波,申长雨,王振飞,刘春太
(郑州大学橡塑模具国家工程研究中心,河南郑州450002)

摘要:采用循环平均假设,忽略模壁温度的周期变化,将模具的传热简化为三维稳态热传导问题,考虑到
注射模的结构特点(型腔为狭缝面,冷却孔细长),推导出求解其温度场的边界积分方程;注塑件的传热
简化为一维瞬态热传导,给出确定其冷却时间及表面循环平均热流的方法;通过模具及塑件传热的耦合
迭代分析,使模具2塑件界面的温度和热流满足相容条件,最终确定模具型腔的温度分布及塑件的冷却
时间。最后通过一个例子说明数值模拟在冷却系统设计中的应用。

关键词:注塑成型;冷却;数值模拟;边界元
中图分类号:TQ320.66+2文献标识码:A文章编号:100027555(2002)0420021205

热塑性塑料的注塑成型周期主要包括充人员评估设计方案,优化冷却系统设计提供必
模、保压及冷却等过程。冷却过程指的是从浇口要依据。
凝固(即保压结束)到制品具有足够的刚度从模
1冷却过程的数学模型
具中顶出这一阶段,该过程中由于无塑料熔体
1.1基本假设
的运动,因此是一个典型的热传导过程。其内部
实际的冷却过程十分复杂,在建立其数学
较高温度的熔体将热量传导给温度较低的外
模型时需做适当简化,其基本假设为:
层,外层再将热量传递给模具,最后通过模具由
(1)模具在稳定状态下工作,型腔温度波动
冷却介质带走。冷却过程对塑件的生产效率和
较小,忽略模壁温度的周期性变化,只考虑循环
质量有着重要影响。一方面,冷却过程约占成型
平均(稳态)温度分布[1];
周期的四分之三,高效的冷却可以缩短冷却时
(2)塑件较薄,忽略面内的热传导,只考虑
间,提高成型效率;另一方面,均匀平衡的冷却
沿塑件厚度方向的热传导;
可以避免塑件表面热斑,降低制品内部残余应
(3)塑件与模壁完全接触,塑件表面温度与
力和翘曲变形,提高制品的外观和内在质量及
模壁温度相等;
精度。
(4)模具外表面散热较少,可忽略不计[1]。
注塑成型的冷却过程主要靠模具的冷却系
1.2模具传热的数学模型
统控制和调节,因此冷却系统的设计目标就是
1.2.1模具温度场的控制方程:由基本假设
使塑件达到快速、均匀和平衡的冷却。冷却系统
(1),模具传热问题化简为一无热源的定常热传
的设计参数包括冷却孔的位置、尺寸及连接关
:导问题,其温度场的控制方程为:
系等几何参数和冷却介质的流量、进口温度等222
5T5T5T
++=0(1)
工艺参数。冷却过程数值模拟的目的是在给定5X25Y25Z2

冷却系统设计参数后,预测出模具型腔、型芯的Fig.1中V是由模具外廓表面Se、型腔表面Sp

温度和温差分布及塑件的冷却时间等,为设计和冷却孔表面Sc为边界围成的区域。

X收稿日期:2000211224;修订日期:2001204210
基金项目:河南省杰出青年科学基金、河南省自然科学基金(004041400)资助项目
作者简介:陈静波,男,36岁,教授.
©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.
22高分子材料科学与工程2002年

1.3.2初、边值条件:在对塑件进行一维瞬态
热传导分析时,初始条件可取注射温度或保压
结束时塑件的温度分布,为简化起见,取均匀的

注射温度T0为初始条件,即:

Tp(z,0)=T0(7)
由基本假设(3),边界条件塑件的表面温度
即为型腔表面温度,即:
+
Tp(h,t)=T(8a)
-
Fig.1SchematicviewforaninjectionmoldTp(0,t)=T(8b)
式()中——塑件的壁厚+和-——模
1.2.2边界条件:在模具型腔表面上有8:h;TT
具型腔上下表面的温度。
-Km(5T5u)=q(2)
t1.4模具与塑件传热的耦合分析
式中:u——型腔表面的外法线方向;Km——
为了求解模具温度场的控制方程(1),需知
模具的热传导率;q——循环平均热流,由下式
道所有的边界条件,其中冷却孔表面为第三类
给出

t边界条件,模具与冷却介质之间的换热系数可
c
()()()由式(5)确定,模具外表面为绝热边界,上述两
q=1tc∫qtdt3
0类边界条件均已知;对型腔表面边界而言,要确
l
式中:tc和q(t)——塑件的冷却时间和瞬时热定其循环平均热流q,可通过对塑件进行一维
流,可通过求解塑件的热传导方程得到。传热分析(即求解方程(6))得到,但求解方程
冷却孔表面Sc的边界条件