注塑模具異形冷卻水道Moldflow優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱明 朱榮華 唐維雄 陳新

摘 要：注塑模具冷卻水道受加工方法的限制，塑件在冷卻過程中易產(chǎn)生熱點(diǎn)，使產(chǎn)品冷卻不均勻而引變形和表面質(zhì)量問題。采用3D打印技術(shù)制造的模具，其內(nèi)部異形冷卻水道更靠近模具的冷卻表面，從而提高了熱量轉(zhuǎn)移到冷卻水的效率?；贛oldflow模擬軟件對(duì)傳統(tǒng)的冷卻水道設(shè)計(jì)和隨形冷卻水道設(shè)計(jì)進(jìn)行了模具和產(chǎn)品溫度場(chǎng)、冷卻時(shí)間的對(duì)比，從而為冷卻水道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：異形冷卻水道；Moldflow；隨形冷卻；3D打印

中圖分類號(hào)：TQ320.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）12-0096-03

Abstract： The cooling water channel of injection mould is limited by the processing method， and the plastic parts are apt to produce hot spots in the cooling process， which makes the product cooling uneven and causes deformation and surface quality problems. The mold made by 3D printing technology， whose internal special cooling channel is closer to the cooling surface of the mould， improves the efficiency of heat transfer to cooling water. Based on Moldflow simulation software， the design of traditional cooling channel and the design of conformal cooling channel are compared in terms of the mold and product temperature field and cooling time， thus providing the basis for the optimization design of cooling channel.

Keywords： special cooling channel； Moldflow； conformal cooling channel （CCC）； 3D printing

1 概述

隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展和全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，對(duì)模具工業(yè)提出了越來越高的要求。模具設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量會(huì)大大影響產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，注塑模具作為模具工業(yè)的重要組成部分，其質(zhì)量顯得尤為重要。注塑模具的冷卻系統(tǒng)通常用來滿足注射成型工藝對(duì)模具溫度的要求，并保證塑料熔體的充模和制品的凝固冷卻，其在模具中具有非常重要的作用：加強(qiáng)冷卻、減少成型周期，降低生產(chǎn)成本；均勻冷卻，改善熱點(diǎn)，從而最大程度的減小產(chǎn)品冷卻不均勻而引起的變形和表面質(zhì)量問題[1-2]。

傳統(tǒng)模具的冷卻通道由于加工工藝的限制，常以鉆孔方式制造，或采用高導(dǎo)熱性的材料制成銅、高強(qiáng)度燒結(jié)鎢或特殊的散熱孔、隔水片、噴泉管等，其圓管通道只能走直線、須避開結(jié)構(gòu)或組裝原件，而模具一般都有曲面，因此冷卻通道的設(shè)計(jì)極受限制，無法保證模具整體的冷卻效率一致。近年來，隨著3D打印技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用，模具冷卻系統(tǒng)的制造進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代——隨形冷卻[3]。隨形冷卻技術(shù)不僅可以使模具局部溫度降低或達(dá)到均溫之外，還可對(duì)模具進(jìn)行更快速的冷卻，這樣可提高脫模速率和減少成型周期，并且不會(huì)因時(shí)間縮短而有殘余應(yīng)力及翹曲等問題發(fā)生。

隨形冷卻是在統(tǒng)一連續(xù)的方式下快速地降低塑件的溫度，如圖1所示。在隨形冷卻的模具內(nèi)部布滿了異形冷卻通道，注塑件在模具中充分冷卻，然后從模具中分離出來。任何熱點(diǎn)都會(huì)延遲注塑件的注塑周期[4-5]，可能會(huì)導(dǎo)致拆卸后注塑件的翹曲和下沉痕跡，并可能損害組件表面的質(zhì)量。因此根據(jù)塑件的形狀和成型工藝特點(diǎn)進(jìn)行冷卻水道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為提高模具成型質(zhì)量的重要手段。

2 冷卻水路方案的設(shè)計(jì)

以LED燈座的注塑件為例（如圖2所示），零件的最大外形尺寸：外圓直徑為170mm，高度為133mm，壁厚分布均勻，厚度為3mm，塑件的脫模斜度為1°，材料為聚碳酸酯（PC），塑料熔體溫度高且熔體黏度大，需嚴(yán)格控制模具溫度，一般在70～120℃為宜。注塑產(chǎn)品為L(zhǎng)ED燈座，塑件產(chǎn)品表面質(zhì)量要求高，外觀要求美觀，無斑點(diǎn)和熔接痕。

LED燈座塑件的結(jié)構(gòu)為回轉(zhuǎn)體塑件，塑件結(jié)構(gòu)中存在四個(gè)卡扣，需要設(shè)置斜頂來進(jìn)行抽芯，同時(shí)燈座頂部凹陷部分較狹窄，因此對(duì)冷卻水道的布置有一定的限制，冷卻的難點(diǎn)在于此。對(duì)于凹模內(nèi)的冷卻水道，按傳統(tǒng)的方法一般在產(chǎn)品周圍的凹模內(nèi)設(shè)置多條冷卻水道（隔水板式冷卻水道），在冷卻過程中型腔上部靠近燈座凹陷位置容易產(chǎn)生熱點(diǎn)（如圖3所示），造成冷卻不均勻，從而引起翹曲形變。

因此，按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行冷卻不能從根本上解決LED燈座冷卻緩慢及不均的問題。為改善LED燈座塑件的冷卻效率及效果，采用隨形冷卻的方法進(jìn)行燈座塑件的冷卻，即沿著LED燈座的外形空間分布來設(shè)置隨形冷卻水道。LED燈座注塑模具可設(shè)計(jì)成鑲拼式結(jié)構(gòu)，以便于加工。對(duì)于傳統(tǒng)冷卻水道設(shè)計(jì)方案，冷卻水道采用傳統(tǒng)的圓環(huán)狀管道+隔水板。對(duì)于隨形冷卻水道設(shè)計(jì)方案，冷卻水道采用螺旋形隨形冷卻管道，冷卻水路方案如圖4所示。

3 基于Moldflow的冷卻方案比較

冷卻分析：

采用Moldflow軟件分別對(duì)燈座塑件、冷卻水道、澆注系統(tǒng)進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行冷卻分析。分析時(shí)采用的工藝參數(shù)為：開模時(shí)間為5s，注射+保壓+冷卻時(shí)間為40s，熔體溫度為300℃，冷卻水溫度為25℃，模具溫度設(shè)置為均勻，最大表面溫度為70℃。通過冷卻模擬分析，得到各方案的冷卻時(shí)間、注塑件表面溫度分布分別如圖5a、b所示。

對(duì)于該燈座塑件，決定其冷卻時(shí)間長(zhǎng)短和產(chǎn)品溫度分布的關(guān)鍵在于燈座上部的狹窄區(qū)域的冷卻。由圖5a可知，傳統(tǒng)冷卻水道的設(shè)計(jì)采用隔水板或噴泉式冷卻水道，所以在產(chǎn)品的狹窄區(qū)域，這種冷卻水道易接近模具凹陷的冷卻表面，獲得較好的溫度分布，但在燈座外邊面的冷卻過程中，溫度分布不均勻，接近隔水板或噴泉式冷卻水道的產(chǎn)品表面溫度較低，而遠(yuǎn)離該冷卻水道的產(chǎn)品表面溫度較高，要獲得均勻的冷卻效果就需要加大隔水板或噴泉式冷卻水道的布置密度。而隨形冷卻，可以統(tǒng)一連續(xù)的方式快速地降低塑件的溫度，從而獲得較好的冷卻溫度分布（如圖 5a所示的產(chǎn)品外邊面溫度分布）；而由于冷卻管道的可達(dá)性，在一些狹窄區(qū)域（如圖 5b產(chǎn)品上部凹腔部位溫度分布），較難布置隨形冷卻管道，造成冷卻效果較差，因此需要將隨形冷卻與隔水板或噴泉式冷卻水道方案相結(jié)合來獲得較好的冷卻效果。

改進(jìn)的LED燈座冷卻水道布置方案如圖6所示，采用隨形冷卻方案與隔水板相結(jié)合的方法，該方案綜合了傳統(tǒng)冷卻水道方案中隔水板在狹窄區(qū)域易布置的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了隨形冷卻方案的缺點(diǎn)，產(chǎn)品塑件冷卻表面的溫度分布如圖7所示。改進(jìn)方案與隨形冷卻方案相比，最高溫度降低約7度，同時(shí)狹窄區(qū)域的溫度分布更均勻，比隨形冷卻方案低約5.6度，從而獲得了較好的冷卻效果。

4 結(jié)束語

通過Moldflow軟件對(duì)傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的冷卻水道以及隨形冷卻方法設(shè)計(jì)的冷卻水道的冷卻效果的對(duì)比可以看出，隨形冷卻由于緊靠產(chǎn)品表面的冷卻表面，冷卻效率更高。但是在產(chǎn)品中的狹窄區(qū)域，傳統(tǒng)的冷卻水道如隔水片、噴泉管等又顯示出其優(yōu)勢(shì)，通過模擬結(jié)果的對(duì)比，為實(shí)際應(yīng)用的冷卻水道設(shè)計(jì)方法提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮剛，田雅萍，張朝閣.注塑模具冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2014，9（42）：115-119.

[2]宋珂，胡青春，姜曉平.注塑模具冷卻水道排布優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè)，2014，12（42）：45-48.

[3]譚景煥，劉斌，吳成龍.基于Moldflow和3D打印的注塑模具隨形冷卻水道設(shè)計(jì)[J].塑料工業(yè)，2015，2：45-48.

[4]史玉升，伍志剛，魏青松，等.隨形冷卻對(duì)注塑成型和生產(chǎn)效率的影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（3）：60-62.

[5]伍志剛.隨形冷卻注塑模的設(shè)計(jì)與制造關(guān)鍵技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)，2007.