李金峰

摘要：以汽車擋板注塑模具冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離為實驗參數(shù)，利用正交實驗對模壁溫差進行模擬分析。驗證得出水孔間距對模具的冷卻效果影響最為明顯，通過優(yōu)化分析，使得冷卻系統(tǒng)的冷卻效果較為理想，使得模具的溫差均勻，能提升塑件的產(chǎn)量和合格率?？傻玫嚼鋮s水道最佳的工藝組合為：冷卻水道水孔直徑10mm、相鄰冷卻水道水孔間距140mm、冷卻水道模具表面距離30mm。

關(guān)鍵詞：注塑;冷卻優(yōu)化;正交試驗;模壁溫差

0? 引言

隨著全球醫(yī)療、家電、日用品、汽車、5G通訊和能源儲存等重點行業(yè)對塑料制件的需求增加[1]，塑料制品的設(shè)計將趨向于高質(zhì)量、輕薄和美觀，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更趨于復(fù)雜，這對注塑模具的研發(fā)與應(yīng)用提出了更為嚴格的要求[2]。在注塑成型過程中，模具的冷卻系統(tǒng)影響著塑件的質(zhì)量也能夠減少試模次數(shù)和后期修改模具的成本，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)效率[3]。設(shè)計人員需要更多地模流分析技術(shù)來輔助注塑模具的設(shè)計，利用該技術(shù)，能預(yù)先分析模具設(shè)計的合理性，減少試模次數(shù)，加快模具的研發(fā)速度，提高企業(yè)效率。

本文以汽車擋板塑件為研究對象，使用正交試驗的方法，結(jié)合Moldflow注塑仿真軟件，優(yōu)化冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離三個冷卻水道參數(shù)[4]，降低模壁溫差，使模具型腔的溫度分布均勻，提高塑件的冷卻效率。較高的模壁溫差容易使塑件內(nèi)積聚殘余應(yīng)力，產(chǎn)生不對稱的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致塑件的翹曲變形[5]，影響塑件的質(zhì)量和良品率，同時也會導(dǎo)致塑件的冷卻時間加大導(dǎo)致整個生產(chǎn)周期延長，生產(chǎn)成本增加。

1? 模型分析及Moldflow前處理

汽車擋板在UG中的三維模型如圖1所示，最大外型尺寸為：1320mm×178mm×3.2mm，平均壁厚3.2mm，屬于大型薄壁件塑件。汽車擋板屬于大型薄壁塑料產(chǎn)品，尺寸較大、熔體在澆注系統(tǒng)中路線較長，難以填充完整等特點，冷卻固化時易出現(xiàn)溫度不均現(xiàn)象和長徑比較大易發(fā)生翹曲變形。由于此塑件為裝配件，對裝配精度有較高的要求，要求塑件的變形不宜過大，避免無法裝配使用。

汽車擋板塑件有抗沖擊高強度的結(jié)構(gòu)性能要求，結(jié)合汽車塑料材料選用標準和Moldflow材料數(shù)據(jù)庫，選取牌號為Durethan AKV 35 H2.0（Lanxess，制造商）的PA66材料進行模擬分析。選擇雙層面（Fusion）網(wǎng)格類型進行網(wǎng)格劃分，將三角形單元的邊長設(shè)置為8mm，其中三角形單元數(shù)量為36382，節(jié)點數(shù)為18181，模型的最大縱橫比17.18，平均2.18，最小1.16，網(wǎng)格匹配百分比為90.2%。考慮汽車擋板的實際注塑情況，汽車擋板的外型尺寸較長，產(chǎn)品的配合精度要求較高，確定塑件模型采用三點進膠方式的熱流道系統(tǒng)，在產(chǎn)品的中部和兩端設(shè)置澆口位置，同時為了提升表面質(zhì)量，減少注塑成型過程中塑件表面出現(xiàn)的熔接痕，澆口采取針閥式澆口，待主流道的塑料熔體經(jīng)過兩端時再打開兩側(cè)的控制閥門進行注射。

2? 冷卻方案的建立優(yōu)化

注射成型過程主要由填充、保壓、冷卻三個階段構(gòu)成，其中冷卻時間約占成型周期三分之二以上。一個良好的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計能夠縮短制件的冷卻時間，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率[6]。此外，當(dāng)冷卻系統(tǒng)中的冷卻水道排布合理，能夠均勻冷卻塑料產(chǎn)品，降低塑件的殘余應(yīng)力，可以保持尺寸的穩(wěn)定，減少塑件的翹曲變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量[7]。模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化對于塑料產(chǎn)品的成型和加工成本至關(guān)重要。

冷卻水道到型腔表面的距離關(guān)系到型腔能否冷卻均勻和模具的剛度和強度問題[8]。設(shè)計冷卻水道時往往受推桿、鑲件、側(cè)抽芯機構(gòu)等零件限制，不可能都按照理想位置開設(shè)水道，這時水道之間的距離也可能較遠，如果這時有水道離型腔過近會造成冷卻均勻性差。同時，在設(shè)計水道和型腔距離時，還應(yīng)考慮模具材料的強度和剛度。避免距離過近，在型腔壓力下使材料發(fā)生扭曲變形，使模腔表面產(chǎn)生龜紋[9]。

根據(jù)塑件的外形結(jié)構(gòu)特點，從簡單兼顧實用的原則出發(fā)，選擇直孔隔板式冷卻水道進行冷卻布置，利于模具前模冷卻，后模采用直通式水道，型芯部分則加入隔水板加強模具的局部冷卻，隔水板式冷卻組件是在垂直于主水道上鉆一條支水道，然后用快導(dǎo)流板把支道中的水路一分為二，將來自主水道的冷卻液翻過導(dǎo)流片頂部，再繞回主水道一側(cè)。設(shè)定冷卻系統(tǒng)方案如圖2所示。

工藝參數(shù)設(shè)置如下：塑料熔體的注射溫度為：280℃。模具溫度推薦為80℃，注射壓力通常為75MPa，保壓壓力為90%最大保壓壓力，注射時間1.8s，保壓冷卻時間40s，開模時間5s。

本塑件運用正交試驗方法對汽車擋板冷卻水道進行優(yōu)化，再得到冷卻效果最優(yōu)的參數(shù)組合。選取冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離三個冷卻水道參數(shù)，依據(jù)工廠實際加工經(jīng)驗，將工藝參數(shù)設(shè)置成三個水平，設(shè)計正交實驗表對每一參數(shù)組合方案進行模流分析，獲得的分析結(jié)果，如表1所示。得到各因素在對應(yīng)水平下對注塑成型模壁溫差的均值k，再對試驗結(jié)果進行極差分析。

試驗基于Moldflow模流分析結(jié)果的回路管壁溫度的仿真數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)中的最高點溫度與最低點溫度的差值作為指標，用來反應(yīng)冷卻系統(tǒng)中的水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離這三個實驗參數(shù)對冷卻效果進行分析。

由表1可得，影響注塑模具冷卻水道冷卻效果的工藝參數(shù)中，其重要程度依次為：水孔間距>模壁距離>水孔直徑?？傻玫嚼鋮s水道最佳的工藝組合為：冷卻水道水孔直徑10mm、相鄰冷卻水道水孔間距140mm、冷卻水道模具表面距離30mm。再次通過模流仿真分析最優(yōu)參數(shù)下的回路管壁溫差，得出調(diào)整后的回路管壁溫差為14.89℃，相比于表1的數(shù)據(jù)回路的管壁溫差有一定程度的下降，能在一定程度上改善模具的溫度進而減少汽車擋板塑件在成型過程中的收縮不均，提高塑件的質(zhì)量和良品率。

3? 結(jié)論

在汽車擋板塑件的注塑模具中，通過正交試驗構(gòu)建了以冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離為參數(shù)，在Moldflow中進行完整對模流分析，仿真整個注塑過程的熔體流動和塑件成型情況，以模壁溫差為指標的注塑成型仿真試驗，通過極差分析得到各參數(shù)對模壁溫差的影響規(guī)律，得出冷卻水道最佳工藝參數(shù)組合為：冷卻水道水孔直徑10mm、相鄰冷卻水道水孔間距140mm、冷卻水道模具表面距離30mm。該設(shè)計思路能為注塑模具冷卻水路的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)，在設(shè)計模具時，對模具內(nèi)部的水路設(shè)計排布、水路直徑、水路布局位置等主要因素設(shè)計時提供重要的參考依據(jù)，從而減少試模次數(shù)和后期修改模具的成本。

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