模拟注塑成型冷却过程

如果您正在开车，可不是发现方向盘是否存在缺陷的最好时机，这也是为什么在制造过程中要格外小心的原因。在生产过程中，对注塑模具冷却的仔细控制可以帮助保证我们生产出合格的产品。本文中我们使用‘非等温管流’接口和‘固体传热’接口，研究了聚氨酯汽车方向盘注塑模具的冷却过程。

注塑模具制造简介

注射成型能够快速方便地实现产品的大规模制造，它是一种最常见的聚合物加工方法。1872 年，John Wesley 和 Isaiah Hyatt 最早为此项工艺申请了专利。二战期间，由于需要快速生产出大批量的产品，注塑技术得到了飞速的发展。随着时间的继续及各种新型制造材料的持续开发，注塑制造一直保持着稳定的发展速度。

在一个注塑周期内，冷却会占用多达 50% 的时间，它是制造过程中重要的一个步骤。冷却不当会造成起泡（产品表面部分区域突起）、缩痕或“下沉”（产品部分区域凹陷），甚至发生翘曲或扭曲。如果不能恰当冷却而引发的产品变形或缺陷，将会造成时间、资金和材料的极大浪费。如果经注塑制造的产品非常重要，比如汽车的方向盘，那么产品的瑕疵将带来非常危险的后果。

聚氨酯方向盘。

模拟注塑模具的冷却过程

我们这里模拟的是方向盘轮圈的上半部分，由聚氨酯加工而成。产品模具为 50 * 50 * 15 cm 的一个钢块，包含两个直径为 1 cm 的冷却流道。请记住，结果中冷却流道的属性和位置均是我们要考虑的重要方面。在我们的仿真中，注射后模具的平均温度为 473 K。使用室温下的水作为冷却流体，流速为 10 升/分钟。需要仿真 10 分钟的冷却过程。

‘非等温管流’接口利用动量和质量方程描述了冷却流道中的流动。Churchill 摩擦模型计算了由于粘性剪切造成的压降。仿真可涉及层流和湍流，已经预定义在接口中。

使用‘非等温管流’接口计算了管道中冷却水的温度分布和传热。使用‘固体传热’计算了钢块和聚氨酯产品中的传热和温度分布，它可以无缝耦合至管道计算。此外，COMSOL Multiphysics 5.0 版本支持自动确定管道流是层流还是湍流，并会自动相应调整压降和传热属性。

结果

水流入流道两分钟后，仍需要大量的冷却。模具中最高温与最低温区的温差为 40 K。

经过 2 分钟的冷却后，聚氨酯方向盘（左）与整个钢模具（右）中的温度分布。

10 分钟后，钢模具的温度更加均匀，但冷却流道入口与出口仍存在 20 K 的温差。

经 10 分钟冷却后的注塑模具。

我们可以方便地在仿真软件中更改不同因素，以便获取更多信息。经过最初的仿真后，我们可以更改水的流速、冷却流道的表面粗糙度和模具的材料，以便分析不同的模具冷却过程。

聚氨酯方向盘的温度随不同因素的更改而改变。

结果显示，模具材料的导热系数对于注塑模具的快速冷却最为重要，把模具材料从钢改为铝将能极大地减少冷却时间。另一方面，将流速从 10 升/分钟提升到 20 升/分钟也能缩短一些冷却时间，但将冷却流道的表面粗糙度增加 10 倍对冷却效率的贡献很小，无法补偿由此造成的压降。

扩展阅读

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