塑胶模具模流分析之冷却分析
时间:2025-05-24 13:50来源:德松官网 作者:德松模具钢
透过模流分析可优化冷却水路的布局与边界条件，进而实现更均匀的冷却效果，缩短成型周期，降低成型后的内应力，提升产品品质，同时有效降低生产成本。
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冷却分析的目的是为了优化模具冷却系统的效率，在射出成型过程中，观察成品的残留温度，作为初步冷却状况的参考依据。冷却时间越短越好，因为时间越短，代表成品的尺寸收缩率越低，质量越稳定。然而，若冷却不均匀，成品容易发生翘曲或变形。
内容目录：
A. 概述
B. 冷却分析技术的作用
C. 冷却系统设计原则
A. 概述
射出模的冷却系统设计，是判断模具设计是否成功的关键因素之一，因为它直接影响塑料制品的质量与生产效率。在射出成型过程中，塑料制品在模穴内的冷却时间约占整个成型周期的60%至80%（图1），而冷却的速度与均匀性更直接左右制品的最终性能。若冷却系统设计不良，不仅会导致成型周期过长、提高生产成本，还可能因冷却不均造成热应力分布不平衡，进而引发产品翘曲、变形等质量问题。
B. 冷却分析技术的作用
衡量模具冷却系统设计优劣的标准主要有两项：第一，能使制品的冷却时间最短；第二，确保制品各部位能均匀冷却。影响冷却性能的因素众多，除了塑料制品的几何形状、冷却介质的种类、流量与温度外，冷却水路的布局、模具材料、塑料熔体温度、模具温度以及脱模时的顶出温度，甚至塑料与模具之间的非稳态热传递行为，皆会对冷却效果造成影响。
由于以实验方式测试各种冷却系统对冷却时间与制品质量的影响不仅困难，且不切实际，因此传统冷却系统设计多依赖经验。然而，这样的做法往往难以达到最佳化效果，无法实现高效率且均匀的冷却，不仅拉长了成型周期，亦可能导致产品因冷却不均而产生翘曲变形。
相较之下，利用电脑进行模流分析与模拟，是进行冷却系统设计预测的理想工具。透过模流分析可优化冷却水路的布局与边界条件，进而实现更均匀的冷却效果，缩短成型周期，降低成型后的内应力，提升产品品质，同时有效降低生产成本。
C. 冷却系统设计原则
一、射出模的热传输
在射出成型过程中，主要涉及四种基本的热传输方式：强制对流、自然对流、热传导与热辐射。如（图2）所示，射出模具中的热量传递可分为输入与输出两部分。塑料熔体在注入模穴的同时，将大量热能带入模具，其中约80%至95%的热量会经由模具金属传导至冷却水管壁，进而由冷却水带走。
其余约5%至15%的热量则分别传导至射出机模板或透过模具表面与周围空气进行自然对流，这部分的热量损失相对较小，影响有限。至于热辐射对热量传递的贡献，仅在模具表面温度超过85°C时才具有实质意义。
另外，在采用热流道系统的情况下，系统本身也会向模具持续输入热量。此外，若冷却液的温度高于环境温度，甚至可能反向将热量传入模具，导致冷却效果不彰，进而影响成型质量与周期。
二、热积聚
在射出模具中常会出现热量积聚现象，这些热积聚点会造成模具成型面温度分布不均，进而导致塑件冷却不一致，产生翘曲变形。
造成热积聚的原因主要有两个：
① 是塑料在注入模具过程中的流动不均，导致热负荷变化，这通常与材料在流动时产生的不适当摩擦热或由于塑件壁厚不均所引发的热传导差异有关。
② 则与模具本身的几何结构有关，特别是在模具的角落区域。这些区域的外部虽冷却充分，但内部却易形成热积聚，导致冷却效果不均。
如（图3）所示，即为模具角落因热积聚造成塑件变形的情况。在此情况下，模具型芯侧会因角落区域的热积聚而产生明显的温度梯度，进一步影响成品的尺寸稳定性与外观质量。
三、冷却系统的设计
冷却系统的设计主要包括冷却水道的布置和冷却参数（如冷却液的温度和压力）的设置。
(3-a) 物理尺寸及冷却回路的设置
冷却系统的实体设计常受到多种因素的限制，包括模具的几何尺寸、分模面位置、公模与母模的结构配置、以及顶针机构的干涉等。因此，无法制定一套绝对适用的设计规则。
对于结构简单且壁厚均匀的制品，采用规律且均匀的冷却管道布置，通常可达成良好的冷却效果。然而，在实际应用中，大多数零件具有不均匀的壁厚，且常包含筋条等加强结构，这些特征容易造成局部热积聚，导致冷却不均与制品变形等问题。
针对此类情况，冷却管道应尽量靠近壁厚较大或具有肋条的区域，并可视需求增加辅助冷却水路，如（图4）所示，以改善冷却效率与温度分布的均匀性，进而提升产品品质。
冷却水孔与型腔表面之间的距离对冷却效果有重要影响。距离越远，模具成型面上的温度分布会越均匀，但由于冷却水吸收的热量减少，导致冷却效率降低、冷却时间延长。在一般情况下，冷却水孔与型腔之间的距离建议为冷却水管直径的2~3倍，以兼顾温度均匀性与冷却效率。
冷却水从入口进入水路后，会沿途不断吸收模具的热量，造成水温逐渐升高，这将降低其冷却能力。因此，为保持良好的冷却效率，冷却管的进出口水温差应尽量控制在3°C 以内。
冷却水管越长，被冷却的模具面积越大，因此图5中的B比A好，但冷却水管越长，管路上的压力降越大，冷却管进出口水的温差越大，可采用C。冷却水管之间的最佳距离取决于冷却水孔直径和塑件的壁厚，如（图6）所示。
(3-b) 特殊冷却形式
在某些特殊应用中，为提升冷却效率，可采用如（图7）所示的特殊冷却结构，包括隔板式Baffle与喷管式Bubbler冷却设计。这类冷却方式能在模具内部增加冷却水与模具内壁的接触面积，从而获得更理想的冷却效果，特别适用于空间受限或热积聚严重的区域。
(3-c) 模具材料
选用导热系数高的模具钢或铜材，如图8所示铍铜BeCu，有助于提升模具的整体热传导效率。特别是在无法设置冷却水路的区域，采用此类材料可有效将热量快速传导至邻近的冷却区域，从而改善局部冷却效果，降低热积聚现象，有助于缩短成型周期并提升制品质量。
(3-d) 冷却参数
冷却系统的关键参数主要包括：冷却液的流量、冷却管道的入口温度、冷却液在管路中的压力降，以及冷却液的种类等。为确保形成紊流以提高热交换效率，冷却液的流量应足以使管内的雷诺数大于十万。一般而言，冷却管道的入口温度应比模具所需的控制温度低约10℃至30℃，以维持有效的冷却差。
冷却液在管路上的压力降则取决于管道的长度、直径以及流速；管路越长、直径越小或流速越高，压力降就越明显，需适当评价设计以避免流量不足。常见的冷却液种类包括：自来水、冷却机提供的冷却水、添加防冻剂的水，以及特殊用途下使用的导热油等，应根据实际应用条件与温度需求进行选择。
(3-e) 冷却线路类型
冷却线路类型通常分为并联与串联，如（图9）所示。
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