林權(quán)，劉其南，林麗敏，劉磊，王先保

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建武夷山 354300)

目前冷卻水路的設(shè)計(jì)大多依照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法則，并使用直通鉆孔方式制作，但隨著產(chǎn)品日趨復(fù)雜，以及模內(nèi)結(jié)構(gòu)與裝置增加，在設(shè)計(jì)水路時(shí)，除了需對(duì)產(chǎn)品提供均勻的冷卻之外，還需注意不能干涉到模具內(nèi)其它機(jī)構(gòu)，因此冷卻水路設(shè)計(jì)空間自由度小，設(shè)計(jì)難度倍增，常造成冷卻時(shí)間增加與產(chǎn)品產(chǎn)生翹曲變形等不足[1-3]。隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展以及激光燒結(jié)技術(shù)的成熟，隨形冷卻技術(shù)在注塑模水路設(shè)計(jì)中得到青睞，其不受傳統(tǒng)水路加工限制，設(shè)計(jì)時(shí)更貼近產(chǎn)品輪廓，能有效解決產(chǎn)品死角積熱問題，使產(chǎn)品整體冷卻均勻，尤其對(duì)于復(fù)雜的模具結(jié)構(gòu)，更能展現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)[4-5]。筆者以多孔隔板塑件為研究對(duì)象，應(yīng)用Moldex3D模流分析技術(shù)，比較分析傳統(tǒng)常規(guī)水路與隨形水路對(duì)產(chǎn)品成型冷卻影響，探討解決該模具的冷卻效果不佳、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問題，并進(jìn)行注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 塑件結(jié)構(gòu)工藝分析

圖1為多孔隔板塑件三維結(jié)構(gòu)及流道系統(tǒng)模型，塑件基本尺寸為78 mm×120 mm×66 mm，平均壁厚約為2 mm，多孔隔板作為儀器面板，要求外表面光滑、無明顯瑕疵缺陷、強(qiáng)度及硬度高，成型過程不出現(xiàn)短射、裂痕、空孔、凹痕等缺陷。塑件頂面有兩個(gè)通孔與一個(gè)沉頭孔，沉頭孔部分壁厚較小，容易出現(xiàn)短射，如圖1中A點(diǎn)位置。塑件前端面設(shè)置有一個(gè)窗口孔，側(cè)面設(shè)置有若干個(gè)卡扣連接孔，以及內(nèi)側(cè)邊緣分布有較多的連接卡扣，使塑件外輪廓部分壁厚較大，為主要散熱區(qū)域，如圖1中B點(diǎn)位置。塑件后側(cè)中部，有一個(gè)長(zhǎng)40 mm的連接柱，為局部熱節(jié)點(diǎn)，如圖1中C點(diǎn)局部視圖所示。多孔隔板塑件材料選用來自奇美公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材料，牌號(hào)為PA-765，材料模具溫度范圍為40～80 ℃，熔體溫度范圍為195～235 ℃，絕對(duì)最大熔體溫度為255 ℃，頂出溫度為90 ℃，最大剪切力為0.3 MPa，最大剪切速率為50 000 s-1，熔體密度為1.09 g/cm3，當(dāng)熔體溫度為215 ℃時(shí)，材料熱導(dǎo)率為0.27 W/(m·K)，比熱為2 000J/(kg·K)。

圖1 塑件三維結(jié)構(gòu)及流道系統(tǒng)

從圖1多孔隔板結(jié)構(gòu)分析可知，成型加工的關(guān)鍵是塑件各面的成型孔及周邊卡扣，模具需要在多個(gè)方向采用側(cè)向分型與抽芯機(jī)構(gòu)，綜合考慮塑件的產(chǎn)量、精度、模具生產(chǎn)成本等因素，選擇采用一模一腔布局，分型面選取塑件輪廓最大處，曲線分型，塑件主要成型零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。塑件外表面定模型腔部分采用一體成型，塑件內(nèi)表面動(dòng)模部分由主型芯與局部鑲件滑塊等組合構(gòu)成。

圖2 塑件成型零部件結(jié)構(gòu)

2 成型澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過利用Moldex3D最佳澆口位置分析模塊，結(jié)合圖2塑件成型零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇在塑件內(nèi)表面靠近A點(diǎn)的筋板上設(shè)置潛伏澆口，這種設(shè)計(jì)不僅不影響塑件外觀，而且進(jìn)料區(qū)域接近塑件中心，既有利于成型壓力布局，又有利于薄壁沉頭孔充填，流道系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。圖1中錐形主流道始端直徑為3.5 mm，錐度為2°，圓形分流道直徑為8 mm，錐形潛伏澆口始端直徑為1.5 mm，末端為5.0 mm。通過利用Moldex3D成型窗口模塊，獲得成型工藝參數(shù)如下：模具溫度為80.0 ℃，熔體溫度為235.0 ℃，注射時(shí)間為0.6 s，開模時(shí)間為5.0 s。為了更貼近真實(shí)生產(chǎn)過程，模擬注射生產(chǎn)過程中的參數(shù)變化，充填控制手段采用相對(duì)螺桿速度曲線的流道速率與注射體積，當(dāng)注射體積百分比分別為10.0%，15.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%，70.0%，80.0%，90.0%，100.0%，對(duì)應(yīng)的熔體流動(dòng)速率為25.8%，25.8%，63.5%，74.5%，75.0%，91.5%，100.0%，59.6%，41.9%，22.3%。

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 常規(guī)水路設(shè)計(jì)

常規(guī)冷卻水路是在模具型腔板或型芯上鉆孔加上水嘴、堵頭形成水路，依據(jù)多孔隔板塑件結(jié)構(gòu)和流道型腔布局，建立常規(guī)冷卻系統(tǒng)模型如圖3所示。水路采用傳統(tǒng)加工工藝，分別是位于塑件上方和下方的一條階梯式直通冷卻回路，水路直徑統(tǒng)一設(shè)計(jì)為8 mm，依據(jù)傳統(tǒng)1∶3∶5規(guī)則進(jìn)行水路排列[6-7]，即水路直徑∶水路中心至型腔表面距離∶相鄰水路間中心間距的比值為1∶3∶5，并設(shè)置冷卻水雷諾數(shù)為10 000，冷卻水溫為40 ℃。

圖3 常規(guī)水路冷卻系統(tǒng)模型

3.2 隨形水路設(shè)計(jì)

隨形水路是由帶水路的成型零件通過將金屬粉末激光燒結(jié)成型而成，常見的冷卻水路的截面形狀有圓形、橢圓、U形等，由于圓形截面的管道比較適合選擇性激光熔化(SLM)成型工藝，且不存在尖角，從而減小了邊角處的熱應(yīng)力積累，避免了在較大注射壓力作用下發(fā)生模具開裂損壞等情形[8-9]。從圖2多孔隔板模具成型結(jié)構(gòu)分析，該塑件冷卻可分為定模和動(dòng)模兩部分，塑件外表面為一體式定模型腔成型，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，外表面的冷卻效果一般優(yōu)于內(nèi)表面，因此隨形水路設(shè)計(jì)主要考慮在成型內(nèi)表面的動(dòng)模型芯上進(jìn)行構(gòu)造，以加強(qiáng)塑件內(nèi)表面冷卻，緩解積熱，均衡動(dòng)定模溫。圖4為多孔隔板塑件隨形水路設(shè)計(jì)方案，在動(dòng)模型芯內(nèi)部沿著多孔隔板的形狀空間布局設(shè)置隨形冷卻水路，巧妙地避開了其它成型結(jié)構(gòu)零件，冷卻介質(zhì)相關(guān)參數(shù)設(shè)置與常規(guī)水路一致。

圖4 隨形水路冷卻系統(tǒng)模型

4 模流結(jié)果分析

4.1 水路形式對(duì)冷卻時(shí)間影響

多孔隔板塑件原料為ABS PA-765，其頂出溫度為90 ℃，所以只有當(dāng)產(chǎn)品中心層各部分溫度低于90 ℃時(shí)，才能進(jìn)行產(chǎn)品頂出，以確保頂出時(shí)產(chǎn)品強(qiáng)度能承受頂出力，避免因剛性不足，在頂出時(shí)造成產(chǎn)品變形或破裂。另外在產(chǎn)品頂出后，為了避免因產(chǎn)品各部位溫差太大而發(fā)生收縮不均與翹曲，最終導(dǎo)致產(chǎn)品變形從而影響質(zhì)量，故對(duì)于產(chǎn)品脫模條件，除了需要低于頂出溫度外，還需確定產(chǎn)品最厚處與較薄處中心層的溫度差不大于5 ℃。在此，為了觀察冷卻分析過程中產(chǎn)品內(nèi)部溫度隨時(shí)間的變化，在圖1中選取遠(yuǎn)離澆口位置的塑件最厚處B點(diǎn)與離澆口較近的較薄處A點(diǎn)作為參考點(diǎn)，利用Moldex3D進(jìn)行模流分析。

圖5為產(chǎn)品中心層溫度隨時(shí)間變化的曲線，其中圖5a為常規(guī)水路中心層溫度隨時(shí)間變化曲線，圖5b為隨形水路中心層溫度隨時(shí)間變化曲線，由圖5可知，常規(guī)水路中塑件A和B點(diǎn)的溫度分別于8.4 s和12.2 s低于材料頂出溫度，在28.5 s時(shí)兩點(diǎn)溫度差小于5 ℃，達(dá)到可以脫模頂出狀態(tài)；隨形水路中塑件A和B點(diǎn)的溫度分別于6.5 s和9.5 s低于材料頂出溫度，在19.8 s時(shí)兩點(diǎn)溫度差小于5 ℃，達(dá)到可以脫模頂出狀態(tài)。由此可知，隨形水路達(dá)到可頂出溫度的時(shí)間減少24%，并進(jìn)一步減小產(chǎn)品溫差到達(dá)小于5 ℃的時(shí)間，可以節(jié)約成型周期時(shí)間30.5%，主要原因是隨形水路的傳熱面積明顯大于常規(guī)水路，隨形水路也更貼近熱源。

圖5 產(chǎn)品中心層溫度隨時(shí)間變化曲線

4.2 水路形式對(duì)熱移除效率影響

冷卻水路與產(chǎn)品距離越近、水路內(nèi)冷卻液雷諾數(shù)越高、冷卻液與模具間溫差越大，熱移除效率則越高，所以通過比較熱移除效率可以觀察哪些水路能排除更多的熱量，可以了解水路各個(gè)區(qū)域的運(yùn)作情形[10]。冷卻成型周期內(nèi)，冷卻水管的熱移除效率計(jì)算如下：若Qc表示透過水管放熱量，Qm表示模座在成型過程總散熱量，則可以把熱移除效率定義為Qc=[Qc/(Qc+Qm)]×100%，此數(shù)據(jù)代表通過各水管吸收熱量的百分比(效率)，其中正值代表吸熱，負(fù)值代表放熱。

多孔隔板塑件設(shè)計(jì)冷卻水溫為40 ℃，水溫上限為45 ℃，模具型腔表面溫度上限為80 ℃，冷卻水雷諾數(shù)為10 000，圖6a為常規(guī)水路熱去除效率模流分析結(jié)果，圖6b為隨形水路熱去除效率模流分析結(jié)果。通過圖6a和圖6b的模流冷卻分析結(jié)果可知，對(duì)于常規(guī)水路布局，定模水路移除熱量為34.680%，動(dòng)模水路移除熱量為45.806%，標(biāo)準(zhǔn)差為5.556；對(duì)于隨形水路布局，定模水路移除熱量為21.919%，動(dòng)模水路移除熱量為60.176%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.579，兩者比較發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面為主要熱移除區(qū)，隨形水路吸收了更多的熱量，尤其是動(dòng)模部分，熱移除效率提高了23.8%，顯著提高了塑件內(nèi)表面散熱效果。另外，從入口到出口的水路內(nèi)冷卻液溫度變化，常規(guī)水路為2.17 ℃，隨形水路為1.23 ℃，都滿足水路溫升小于3 ℃的標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 水路熱移除效率

4.3 水路形式對(duì)零件溫度影響

由于單一的模流冷卻分析結(jié)果中，僅僅顯示了塑件溫度分布最大值和最小值，但大多數(shù)塑件產(chǎn)品頂出時(shí)溫度分布是不均的，只有一小部分區(qū)域的溫度為模流結(jié)果中的最大或最小值，因此單一值不適合直接作為指標(biāo)進(jìn)行比較[11-12]。依據(jù)Moldex3D模流分析理論，提出采用變動(dòng)指數(shù)法[13]，利用塑件產(chǎn)品溫度分布色階圖的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來計(jì)算獲取相對(duì)的變動(dòng)指數(shù)，變動(dòng)指數(shù)越小，則表示產(chǎn)品冷卻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)合理，產(chǎn)品冷卻固化越均勻。圖7a和圖7b分別為常規(guī)水路和隨形水路頂出時(shí)的產(chǎn)品溫度分布結(jié)果色階圖，圖中描述了達(dá)到頂出時(shí)間塑件溫度分布情形。圖7a列出統(tǒng)計(jì)值由大到小的排列，例如排序第一的統(tǒng)計(jì)值為20.299%、排序第二的統(tǒng)計(jì)值為17.789%，以此類推；對(duì)應(yīng)左側(cè)零件溫度軸，變動(dòng)值處在一個(gè)范圍內(nèi)，在此固定取最上限值計(jì)算，比如排序第一統(tǒng)計(jì)值對(duì)應(yīng)零件溫度為82.215 ℃、排序第二統(tǒng)計(jì)值對(duì)應(yīng)零件溫度為84.979 ℃，以此類推；但也有部分統(tǒng)計(jì)值很小，其對(duì)應(yīng)零件溫度所分布的區(qū)域占比也很小，在此則忽略不計(jì)，所以比較分析時(shí)，取整體的95%來計(jì)算變動(dòng)指數(shù)。零件溫度分布變動(dòng)指數(shù)定義為FCT.V，其計(jì)算方式如下：

圖7 零件溫度分布

式中：Pn——色階圖中產(chǎn)品冷卻分析結(jié)果各區(qū)域溫度統(tǒng)計(jì)值；

Tn——對(duì)應(yīng)Pn的零件溫度上限值。

由圖7a可得，當(dāng)n=8時(shí)，常規(guī)水路布局的零件溫度就滿足覆蓋塑件95%以上區(qū)域，由圖7b可得，當(dāng)n=10時(shí)，隨形水路布局的零件溫度就滿足覆蓋塑件95%以上區(qū)域。

將圖7常規(guī)水路和隨形水路的零件溫度分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別代入公式(1)可獲得兩者零件溫度變動(dòng)指數(shù)分別為12.04與8.76，由此可知隨形水路相比常規(guī)水路，其溫度分布均勻性提高了27.25%，有效最高溫度也下降了10.15%，有效最低溫度也下降了10.60%，隨形水路對(duì)均勻零件溫度分布及降低有效作用溫度有明顯作用。

4.4 水路形式對(duì)翹曲的影響

翹曲變形量常作為判斷產(chǎn)品質(zhì)量好壞與冷卻均勻與否的重要指標(biāo)，影響變形量的因素有產(chǎn)品兩側(cè)溫度不同所產(chǎn)生的收縮、產(chǎn)品各區(qū)域因厚度不同所產(chǎn)生的收縮、材料配向方向于平行和垂直方向所產(chǎn)生的收縮[14-16]。根據(jù)多孔隔板塑件使用裝配要求，其對(duì)平行于主流道方向的Z軸變形量特別重視，坐標(biāo)軸方向如圖8所示，表1為兩種水路布局形式翹曲變形模流分析結(jié)果。從表1可以看出，兩種水路形式在X軸方向差異值為0.054 mm，Y軸方向差異值為0.003 mm，X軸與Y軸的變化差異較小，主要是其變形量不是由冷卻差異所引起，故水路形式的改變并不會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，而Z軸變形量受水路形式影響較大，兩種水路形式在Z軸方向差異值為0.112 mm，采用隨形水路后翹曲變形量下降了18.48%，總體變形量下降了13.56%，主要原因是隨形水路使塑件兩側(cè)溫度不同所產(chǎn)生的收縮減小，有效緩解型腔型芯冷卻差異。表1比較數(shù)據(jù)為兩種形式水路在各方向及總體位移上的最大值，實(shí)際分析可知，在隨形水路作用下，塑件產(chǎn)品大部分區(qū)域的翹曲變形量不足0.4 mm，符合產(chǎn)品變形量要求，隨形水路作用下的翹曲變形總位移分布如圖8所示。

圖8 隨形水路作用下的翹曲變形總位移

表1 各水路形式產(chǎn)品變形量 mm

5 注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多孔隔板注塑模具結(jié)構(gòu)如圖9所示，為一模一腔兩板式注塑模，為了保證外觀不留入水痕跡，采用潛伏澆口內(nèi)側(cè)進(jìn)料，模具型腔由動(dòng)模型芯11、定模鑲件13、斜導(dǎo)桿8、第二側(cè)滑塊23以及側(cè)型芯等零件構(gòu)成，動(dòng)模型芯11與定模鑲件13接觸面為分型面，呈曲線狀，通過斜導(dǎo)桿8以及推桿29頂出成型固化在動(dòng)模型芯11上的多孔隔板實(shí)現(xiàn)脫模。

鑒于塑件的多孔多卡扣等特征，在該模具上設(shè)計(jì)一副內(nèi)側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)和三副外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)。

內(nèi)側(cè)抽芯采用斜頂滑座機(jī)構(gòu)，在此選用深圳三上公司的萬向斜頂滑座，主要由滑動(dòng)底座5、滑板33、斜頂滑座6、斜導(dǎo)桿8、停止板32、固定件7及銷軸等零件構(gòu)成，斜頂滑座6安裝在推桿固定板4上，通過推出動(dòng)作驅(qū)動(dòng)斜導(dǎo)桿8將塑件成型卡扣脫離斜導(dǎo)桿8，并輔助塑件頂出，完成抽芯。

外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)主要用于成型圖1中塑件側(cè)面的窗口孔以及周邊卡扣，塑件頂面兩通孔位于開模方向，通過動(dòng)模型芯11與定模鑲件13碰穿而成。第一副外側(cè)分型抽芯機(jī)構(gòu)由圖2中的第一側(cè)滑塊V、第一斜導(dǎo)柱VI構(gòu)成，抽芯方向與開模方向垂直，采用螺釘進(jìn)行滑塊定位。第二副外側(cè)分型抽芯機(jī)構(gòu)由圖2中的第二側(cè)滑塊VII，第二斜導(dǎo)柱VIII構(gòu)成，也就是圖9中第二側(cè)滑塊23，第二斜導(dǎo)柱21，因該側(cè)滑塊抽芯方向與開模方向不垂直，向定模一側(cè)傾斜5.5°，因此必須設(shè)計(jì)可靠的滑塊定位裝置，主要由擋板24、襯套25、拉桿26、彈簧27組成。第三副外側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)由圖2中的固定于定模座板的方銷I，以及與方銷端部采用錐面T型槽相連接的側(cè)型芯II構(gòu)成，同樣通過開合模動(dòng)作實(shí)現(xiàn)側(cè)向抽芯。

圖9 模具總裝圖

該模具冷卻水路分別由定模的常規(guī)水路和動(dòng)模的隨形水路構(gòu)成，常規(guī)水路開設(shè)在定模鑲件13中，隨形水路開設(shè)在動(dòng)模型芯11中，所有不進(jìn)出水的水道端頭使用堵頭密封，所有的水路接縫處，均需要安裝“O”型密封圈，以防止水的泄漏使模具產(chǎn)生銹蝕，圖10為模具三維剖切圖。最后，經(jīng)實(shí)踐證明，一模一腔的潛伏澆口搭配一內(nèi)三外的側(cè)向抽芯結(jié)構(gòu)方式，有效地簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，結(jié)合隨形水路冷卻方式，使加工的多孔隔板質(zhì)量?jī)?yōu)良，加工效率較高。

圖10 模具三維剖切圖

6 結(jié)語

在注射成型周期中，冷卻時(shí)間占成型周期的三分之二以上，為了提高生產(chǎn)效率，縮短冷卻時(shí)間為最佳選擇，傳統(tǒng)冷卻水路設(shè)計(jì)受制于模具結(jié)構(gòu)及加工條件，冷卻系統(tǒng)不能迅速將模具的熱量均勻帶離模具，常導(dǎo)致冷卻效率低，成型質(zhì)量不佳等問題。筆者以多孔隔板塑件為例，利用Moldex3D模流分析軟件，依據(jù)塑件結(jié)構(gòu)形狀特性，進(jìn)行隨形水路設(shè)計(jì)，并比較分析探討常規(guī)水路與隨形水路對(duì)產(chǎn)品成型冷卻的影響，研究獲得如下結(jié)論：

(1)相較于常規(guī)水路，隨形水路能減少達(dá)到頂出溫度的時(shí)間24%，節(jié)約成型周期時(shí)間30.5%，主要原因是隨形水路的傳熱面積明顯大于常規(guī)水路，隨形水路也更貼近熱源；

(2)在相同的水路參數(shù)設(shè)計(jì)下，相比常規(guī)水路，隨形水路熱移除效率提高了23.8%；

(3)利用變動(dòng)指數(shù)法，獲知隨形水路相比常規(guī)水路對(duì)零件溫度分布均勻性提高了27.25%，隨形水路對(duì)均勻零件溫度分布及降低有效作用溫度有明顯作用；

(4)相比常規(guī)水路，采用隨形水路冷卻可使塑件總體翹曲變形量下降13.56%，產(chǎn)品大部分區(qū)域的翹曲變形量不足0.4 mm；

(5)定模型腔的常規(guī)水路與動(dòng)模型芯的隨形水路配合，以及“一內(nèi)三外”的獨(dú)特側(cè)向成型抽芯結(jié)構(gòu)，有效地簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，使加工的多孔隔板質(zhì)量?jī)?yōu)良，生產(chǎn)效率較高。

綜上所述，隨形水路顯著提高了冷卻效果，均勻了模具熱量，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。