高導(dǎo)熱工具鋼在注塑模具中的應(yīng)用

鄧作棟

(彼歐投資(上海)有限公司，上海 200233)

0 前言

注塑模具的生產(chǎn)原理是將熔融的塑料粒子通過高溫、高壓注射進(jìn)按照產(chǎn)品外形加工形成的鋼鐵腔體內(nèi)，冷卻后打開腔體即可得到所需形狀的產(chǎn)品，其主要過程分為合模、注塑、保壓、冷卻、開模、頂出、取件。其中冷卻過程從注塑結(jié)束直至開模，包含了保壓、冷卻階段，占整個(gè)成型周期的50%以上。因此模具冷卻效果的好壞對提升生產(chǎn)效率具有非常重要的意義。

在正常模具水路和傳統(tǒng)鋼材無法滿足模具成型面均勻一致的冷卻效果下，常見的改善方法有增加隔水片、增加導(dǎo)熱針、縮短冷卻水路長度等來改善模具水路設(shè)計(jì)，采用高導(dǎo)熱模具材料，設(shè)計(jì)隨形冷卻水道等。由于隨形冷卻水道加工成本高、周期長，在優(yōu)化模具水路設(shè)計(jì)后仍無法滿足要求的情況下，一般會優(yōu)先考慮局部區(qū)域采用高導(dǎo)熱性能的材料[1-3]。

1 常見注塑模具材料的熱傳導(dǎo)性能

注塑模具通常選用預(yù)硬模具鋼作為聚丙烯(PP)材料的型腔和型芯鋼材。常用的鋼材型號有1.2311、1.2738、1.2738HH等進(jìn)口鋼材，也有SWP20、SW718H等國產(chǎn)鋼材。這些鋼材在常溫下的熱傳導(dǎo)率在29～34 W/(m·K)。受產(chǎn)品特殊結(jié)構(gòu)的影響，在一些特別難以冷卻的區(qū)域，會采用如Ampco83、Ampco940、Ampco944、 MolmaxHH、PW300、Jumpole 70T等高導(dǎo)熱銅合金材料。這些銅合金的熱傳導(dǎo)率在106 W/(m·K)以上，但是部分材料存在價(jià)格昂貴、耐磨損性差、韌性不足、最大尺寸受限、采購周期偏長等問題。常見模具材料的熱傳導(dǎo)率性能見表1。

表1 常見模具材料熱傳導(dǎo)率性能表

2 HTCS和FASTCOOL高導(dǎo)熱工具鋼的特殊特性

筆者介紹的這款高導(dǎo)熱工具鋼為Rovalma&Derns公司生產(chǎn)的創(chuàng)新性工具鋼。用于模具行業(yè)的有FASTCOOL-20預(yù)硬工具鋼、FASTCOOL-50高耐磨工具鋼以及HTCS-130DC壓鑄模具鋼，其主要的力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)率見表2。

FASTCOOL-20是一款高導(dǎo)熱預(yù)硬工具鋼，可滿足傳統(tǒng)的機(jī)械加工和電火花加工，可采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行焊接和熱處理，拋光性能可以達(dá)到鏡面拋光的等級，該材料得到Standex可以用于化學(xué)紋理的認(rèn)可。

表2 FASTCOOL-20、FASTCOOL-50、HTCS-130DC主要力學(xué)性能和熱傳導(dǎo)率

材料型號屈服強(qiáng)度/MPa硬度熱傳導(dǎo)率/(W·m-1·K-1)備注FASTCOOL 201 150 HB40054類似1.2738的力學(xué)性能FASTCOOL 501 070 (～HB495)HRC5050類似1.2343的力學(xué)性能HTCS-130DC1 328 (～HB510)HRC5260類似1.2343的力學(xué)性能

3 FASTCOOL-20高導(dǎo)熱預(yù)硬鋼在實(shí)際項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于外觀紋理件

3.1.1 產(chǎn)品和模具特性

圖1為國外某高端車型的排氣管裝飾件，產(chǎn)品材料為PP，圖中指示區(qū)域?yàn)榭梢娒妫a(chǎn)品外觀要求為化學(xué)紋理。

圖1 產(chǎn)品形狀

受產(chǎn)品形狀的限制，出于在進(jìn)行化學(xué)紋理制作的過程中有足夠的操作空間以及產(chǎn)品冷卻效果的考慮，在模具設(shè)計(jì)過程中增加了型腔鑲件和型芯鈹銅鑲件。由于紋理面不能有外觀缺陷，水路只能設(shè)計(jì)成水井方式(見圖2)。

圖2 型腔鑲件水路

這種設(shè)計(jì)結(jié)果會造成產(chǎn)品外觀區(qū)域溫度不均，特別是在兩個(gè)端部溫度偏高(見圖3)，從而影響產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

圖3 型腔鑲件熱點(diǎn)

由于FASTCOOL-20具有和1.2738類似的力學(xué)性能、拋光性能以及經(jīng)過權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)可的可用于化學(xué)紋理處理，且熱傳導(dǎo)率高于1.2738。筆者在這個(gè)項(xiàng)目上首次應(yīng)用了這種材料。

3.1.2 利用仿真軟件進(jìn)行冷卻分析

為了預(yù)防產(chǎn)品外觀面溫度不均的風(fēng)險(xiǎn)，利用仿真軟件對這套模具的冷卻水路進(jìn)行分析。型芯的進(jìn)水溫度為25 ℃，型腔除圖2所示的鑲件外，其余水路進(jìn)水溫度為25 ℃，總共分為6種不同的輸入條件。得出型腔和型芯溫度差的對比結(jié)果(見表3)和產(chǎn)品最高點(diǎn)溫度的對比結(jié)果(見表4)。

表3 型腔和型芯溫度差 K

表4 產(chǎn)品最高點(diǎn)溫度 ℃

從表3可以看出：型腔和型芯溫度差隨進(jìn)水溫度的降低有部分改善效果，同等條件下，進(jìn)水溫度每降低5 K可以減小型腔和型芯溫度差約2 K；型腔和型芯溫度差隨型腔材料的不同有顯著改善效果，同等條件下，采用FASTCOOL-20材料可以減小型腔和型芯溫度差約15 K。

從表4可以看出：產(chǎn)品最高點(diǎn)溫度隨進(jìn)水溫度的降低有部分改善效果，同等條件下，進(jìn)水溫度每降低5 K可以減小產(chǎn)品最高點(diǎn)溫度2～3 K；產(chǎn)品最高點(diǎn)溫度隨型腔材料的不同有顯著改善效果，同等條件下，采用FASTCOOL-20材料可以減小產(chǎn)品最高點(diǎn)溫度16～17 K。

3.1.3 試模過程中的效果反饋

在試模過程中，采用全自動(dòng)生產(chǎn)條件，型腔和型芯的進(jìn)水溫度為25 ℃，型腔紋理鑲件采用FASTCOOL-20。產(chǎn)品溫度分布均勻，溫度差控制在5 K以內(nèi)，無明顯產(chǎn)品外觀缺陷(見圖4)。

圖4 產(chǎn)品實(shí)測溫度

3.2 應(yīng)用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)件

3.2.1 產(chǎn)品和模具特性

圖5為產(chǎn)品的局部視圖，該產(chǎn)品為內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，產(chǎn)品材料為PP+EPDM(三元乙丙橡膠)，推薦模具溫度為30～60 ℃。為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，實(shí)際將采用30 ℃的進(jìn)水溫度。

圖5 產(chǎn)品形狀

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上有兩條深筋，深度為87 mm、間距為18 mm，限制了模具水路的設(shè)計(jì)，采用常規(guī)鋼材將無法滿足正常生產(chǎn)節(jié)拍?？紤]到產(chǎn)品該處的可調(diào)整性，要求模具材料應(yīng)具有良好的焊接性能。因此采用了FASTCOOL-20和P20對比的方式來驗(yàn)證該材料的導(dǎo)熱性能。

3.2.2 利用仿真軟件進(jìn)行冷卻分析

通過仿真軟件的冷卻分析可以看出：進(jìn)水溫度為30 ℃，采用P20鋼料。產(chǎn)品局部熱點(diǎn)見圖6，最高溫度為115.3 ℃。

圖6 產(chǎn)品局部熱點(diǎn)

3.2.3 模具水路設(shè)計(jì)

為了方便加工和水路設(shè)計(jì)，將尺寸為105 mm×125 mm×178 mm的滑塊鑲件水路設(shè)計(jì)成直徑為8.5 mm的直通水路，單獨(dú)連接，不與其他水路串聯(lián)(見圖7)?；瑝K鑲件分別采用了P20和FASTCOOL-20材料。

圖7 滑塊鑲件

3.2.4 P20和FASTCOOL-20在同等條件下的測量結(jié)果

由于測量空間的限制，試模過程中無法測量到理論的溫度最高點(diǎn)位置。在同等生產(chǎn)條件和測量方式下，采用P20材料的滑塊溫度為71.1 ℃，采用FASTCOOL-20材料的滑塊溫度為48.8 ℃，即采用FASTCOOL-20的材料可以比P20的材料降低熱點(diǎn)溫度約22 K，而且模具溫度在可接受范圍，基本滿足該類產(chǎn)品的冷卻要求。

4 結(jié)語

通過這兩個(gè)項(xiàng)目的應(yīng)用情況分析可以看出：在同等條件下，F(xiàn)ASTCOOL-20相對于P20、1.2738材料能夠有效改善熱點(diǎn)溫度15～22 K。仿真軟件分析的結(jié)果可以輔助了解溫度分布范圍、預(yù)判產(chǎn)品熱點(diǎn)區(qū)域。由于測量條件和區(qū)域的限制，只能在產(chǎn)品取出之后進(jìn)入模具內(nèi)部進(jìn)行測量，這樣的測量結(jié)果會存在一定的延遲，也就導(dǎo)致了實(shí)際測量結(jié)果比仿真軟件分析結(jié)果低10～15 K。但這并不影響對比這種材料在熱傳導(dǎo)方面性能。這種高導(dǎo)熱鋼的創(chuàng)新性及合理性的使用，在縮短注塑節(jié)拍的同時(shí)也有助于產(chǎn)品或模具的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)或開發(fā)。