注塑模大賽模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析

陳林成　金華軍　李薇

摘? 要：職業(yè)院校技能大賽高職組注塑模具賽項(xiàng)受限于現(xiàn)場(chǎng)條件，注塑試模時(shí)不接通冷卻水，且要求加工完成的成型零件必須與模具設(shè)計(jì)一致，所以參賽隊(duì)員都采用簡(jiǎn)單的冷卻管道布局，既不影響最終的塑件質(zhì)量，又節(jié)省冷卻系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、加工、裝配的時(shí)間以便完成其它任務(wù)。作者經(jīng)過精確測(cè)算，對(duì)型芯鑲塊采用隔水板冷卻方式，使冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于合理。多消耗的時(shí)間約為15分鐘，能在大賽規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有任務(wù)，在預(yù)期取得更好成績(jī)的同時(shí)，更貼近企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。

關(guān)鍵詞：大賽;注塑模;冷卻;隔水板

中圖分類號(hào)：TQ320.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）07-0088-04

Abstract： The injection mold competition of the vocational college skill contest is limited by the on-site conditions， the cooling water is not connected during the injection mold test， and the finished parts must be consistent with the mold design， so the participants all adopt a simple cooling pipe layout， which not only does not affect the final quality of the plastic parts， but also saves the time of analysis， design， processing and assembly of the cooling system in order to complete other tasks. After accurate calculation， the author adopts the water barrier cooling method for the core insert， which makes the design of the cooling system more reasonable. The extra time is about 15 minutes， and it can complete all the tasks within the time specified in the competition， which is not only expected to achieve better results， but also closer to the actual production of the enterprise.

Keywords： competition; injection mold; cooling; water barrier

職業(yè)院校技能大賽（全國賽和江蘇省賽）高職組“模具數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工藝”賽項(xiàng)（簡(jiǎn)稱：大賽），已經(jīng)舉辦了多屆，賽項(xiàng)成果得到了學(xué)界和業(yè)界的高度認(rèn)可。從2017年開始，組委會(huì)對(duì)競(jìng)賽內(nèi)容作了重大調(diào)整，新賽制盡量貼近企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，同時(shí)兼顧信息化、智能化。要求競(jìng)賽選手參照現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)條件和要求，完成塑料制品生產(chǎn)的全流程，包括塑件設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、主要模具零件加工制造、模具裝配調(diào)試、試模成型等多項(xiàng)任務(wù)。

本文以近兩屆江蘇省賽的樣題（與國賽樣題類似）為案例，重點(diǎn)分析競(jìng)賽結(jié)果中模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理的原因并提出優(yōu)化方案，力求使選手既能完成所有競(jìng)賽任務(wù)，又使模具設(shè)計(jì)方案更趨合理。

1 塑件分析

按照賽項(xiàng)規(guī)程，現(xiàn)場(chǎng)提供的試題為某產(chǎn)品及其安裝下蓋，要求選手設(shè)計(jì)安裝上蓋。也就是說，不同選手設(shè)計(jì)的上蓋塑件主要尺寸和特征基本相同，只是個(gè)別細(xì)節(jié)特征不完全一致。一般來說，完成的上蓋塑件主要尺寸及特征如圖1所示。

塑件材質(zhì)為PS，收縮率取0.5%，一模一腔。要求表面光潔無毛刺、無縮痕?？梢钥闯?，塑件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，塑件高度13～14，側(cè)面需設(shè)計(jì)側(cè)型芯及斜頂，四個(gè)凸柱（有些選手設(shè)計(jì)了加強(qiáng)肋）需設(shè)計(jì)型芯及推管。要求選手完成CAE分析、模具設(shè)計(jì)、主要零件的加工、鉗工裝配等任務(wù)。三名選手分工協(xié)作完成，全部時(shí)間為不間斷的6小時(shí)。模架實(shí)物給定且各個(gè)型孔已經(jīng)加工好，即后續(xù)的設(shè)計(jì)和加工必須在給定條件基礎(chǔ)上完成。動(dòng)模板、定模板上的冷卻管道孔已經(jīng)加工完成，選手設(shè)計(jì)的型芯鑲塊和型腔鑲塊上的冷卻管道孔必須與其對(duì)應(yīng)才能準(zhǔn)確裝配模具。

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

競(jìng)賽主要的數(shù)控加工任務(wù)是型腔鑲塊（100×100×35）、型芯鑲塊（100×100×42）、側(cè)滑塊（xxx），斜頂（10×10×120）四個(gè)成型零件。型芯水路離塑件最小距離16.5;型腔水路圓心離塑件8.5，水路直徑6，間隔24。型芯是整體式鑲塊，斜頂孔已加工。評(píng)分要求型芯鑲塊、型腔鑲塊與三維設(shè)計(jì)必須完全一致，也就是說，即使三維設(shè)計(jì)合理，但如果成型零件過于復(fù)雜，或存在特殊形狀難以加工，那么從競(jìng)賽策略來說，還是不明智的。在此特定條件下，筆者研究了所有已經(jīng)展示的獲獎(jiǎng)作品，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)選手冷卻管道布局不合理，尤其是型芯的冷卻管道，見圖2。不合理之處主要有：（1）型芯鑲塊的冷卻管道離塑件較遠(yuǎn)，冷卻效果差。雖然動(dòng)模板上的冷卻管道孔已經(jīng)給定，型芯鑲塊的冷卻管道孔必須要與之對(duì)應(yīng)，但是仍然可以設(shè)計(jì)得更合理。（2）內(nèi)腔的4個(gè)凸柱沒有重點(diǎn)冷卻。4個(gè)凸柱的根部為厚大部位，必須要重點(diǎn)冷卻，才可能不會(huì)留下縮痕，盡管有些選手設(shè)計(jì)了加強(qiáng)肋和根部的減料（俗稱“火山口”），但是針對(duì)此重點(diǎn)部位的冷卻卻鮮見處理。

多數(shù)選手選擇忽視型芯鑲塊冷卻管道的設(shè)計(jì)是有原因的，主要有以下兩點(diǎn)。（1）塑件質(zhì)量。競(jìng)賽試模時(shí)只試10腔，自選其中最好的1～2個(gè)塑件參加評(píng)分，而且在賽場(chǎng)注塑時(shí)是不接冷卻液體的。由此可以看出，冷卻管道的合理與否對(duì)最終的塑件質(zhì)量分值幾乎沒有影響。（2）時(shí)間成本。國賽既比技能水平也比操作速度，可以說是寸秒寸金。按照競(jìng)賽要求，所有加工件必須與設(shè)計(jì)件完全一致。當(dāng)型芯鑲塊采用較為復(fù)雜的冷卻管道布局時(shí)，必須要在數(shù)控加工環(huán)節(jié)加工出來才能得分，否則反而扣分。多數(shù)參賽隊(duì)伍對(duì)冷卻管道的加工方法是，由加工選手在數(shù)控機(jī)床上點(diǎn)孔確定中心位置，再由鉗工選手在鉆床上加工完成?？梢钥闯?，復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與分析、數(shù)控加工、鉗工修配等環(huán)節(jié)全部都有耗時(shí)。在取舍之下，幾乎都采用簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)就不難理解了。

以上分析可知，在競(jìng)賽時(shí)權(quán)衡難點(diǎn)有所取舍是可行的，而且是正確的，也是可以取得優(yōu)異成績(jī)的。但筆者在練習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)，完全可以采取既合理設(shè)計(jì)又能耗時(shí)較少的方案，這樣既能滿足競(jìng)賽成績(jī)需要，又更貼近真正的企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際。

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在與模架冷卻管道適配的基礎(chǔ)上，對(duì)型芯鑲塊采用隔水板冷卻方式，重點(diǎn)冷卻凸柱根部區(qū)域，經(jīng)過實(shí)際操作測(cè)算后發(fā)現(xiàn)還是能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)全部完成競(jìng)賽任務(wù)。

如圖3所示，在4個(gè)凸柱根部附近采用隔水板冷卻方式，管道離凸柱距離短，對(duì)厚大部位加強(qiáng)了冷卻;離塑件最短距離只有4.5，這樣設(shè)計(jì)的合理性顯而易見。從競(jìng)賽時(shí)間來說，在三維設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)增加了4個(gè)盲孔，需多裝配添加8個(gè)冷卻標(biāo)準(zhǔn)件（4個(gè)隔水板和4個(gè)密封圈），對(duì)于1個(gè)熟練的3D設(shè)計(jì)選手來說，在2～3分鐘之內(nèi)能完成。在CAE冷卻分析環(huán)節(jié)，軟件自帶隔水板標(biāo)準(zhǔn)件，修改冷卻管道也能在1～2分鐘之內(nèi)能完成。也就是說，在設(shè)計(jì)分析階段需要增加約5分鐘的時(shí)間。在數(shù)控加工階段處理冷卻管道的方法一般是編程點(diǎn)中心孔;密封圈的安置溝槽需加工，尺寸為5×2.75。點(diǎn)孔和加工密封溝槽，經(jīng)實(shí)操測(cè)算這個(gè)環(huán)節(jié)總共需要約8分鐘。

真正耗時(shí)較多的是鉗工修配環(huán)節(jié)。（1）需要鉆床加工4個(gè)盲孔（M10的螺紋底孔，孔深25），工藝為鉆、擴(kuò)、鉸;（2）需要攻4個(gè)螺紋（M10，深8～10）;（3）需要裝配自備的4個(gè)隔水板和4個(gè)密封圈，整個(gè)過程經(jīng)實(shí)操測(cè)算約需15分鐘。

以上時(shí)間并不累積，因?yàn)槿x手是并行完成任務(wù)的。即，采取隔水板冷卻方式比直通式冷卻方式多耗時(shí)約15分鐘。正常情況下，多數(shù)優(yōu)秀選手是能提前30分鐘左右完成所有任務(wù)的，所以在模具設(shè)計(jì)更合理的情況下，多消耗的時(shí)間是可以接受的，因?yàn)檫@種方案能獲得更高的模具設(shè)計(jì)分值。

4 CAE冷卻分析

在競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)不接通冷卻液（僅吹氣確定通不通）的情況下，通過CAE分析來評(píng)估冷卻系統(tǒng)的合理性是可行的方案[1，2]，本文使用Moldflow軟件對(duì)兩種冷卻方案進(jìn)行分析比較。

采用系統(tǒng)提供的PS塑料默認(rèn)工藝設(shè)置，即溶體溫度230℃，開模時(shí)間5s，注射+保壓+冷卻總時(shí)間為30s，冷卻介質(zhì)為常溫水。圖4僅列出重要的分析結(jié)果，方案1為直通式冷卻布局，方案2為隔水板冷卻布局。

判斷冷卻系統(tǒng)是否合理的主要依據(jù)是，（1）成型冷卻時(shí)間短;（2）塑件表面溫度均勻，變形小[3，4]。冷卻時(shí)塑料的收縮，使塑件包緊型芯，此時(shí)絕大多數(shù)的熱量依靠型芯冷卻傳導(dǎo)，所以型芯鑲塊的冷卻系統(tǒng)尤為重要[5]。

由分析結(jié)果可知，兩種冷卻方案的冷卻時(shí)間都超過預(yù)設(shè)的5s，說明冷卻效果都不好，主要是因?yàn)榇筚惖母?jìng)賽規(guī)程中某些規(guī)定（是必要的）限制了型芯冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但方案2的冷卻系統(tǒng)達(dá)到頂出溫度的時(shí)間是7.461s，方案1的冷卻系統(tǒng)達(dá)到頂出溫度的時(shí)間是7.614s，兩者相差0.153s，對(duì)于大批量生產(chǎn)而言，方案2顯然更具優(yōu)勢(shì)。兩種方案的塑件最高溫度都是在凸柱根部，但方案2比方案1的制品溫度低約3.7℃，說明針對(duì)厚大部位的冷卻有了顯著效果。塑件對(duì)應(yīng)的4個(gè)指定點(diǎn)的溫度和塑件等溫線也表明凸柱部位得到了一定程度的重點(diǎn)冷卻。

總體上，方案2的冷卻效果比方案1好，原因是方案1的型芯冷卻管道離塑件較遠(yuǎn)，而厚大部位熱量集中，當(dāng)熱傳導(dǎo)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，熱量難以在短時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)出去。采用方案2更靠近難冷卻部位（凸柱根部）的冷卻系統(tǒng)使模具結(jié)構(gòu)更合理，可以在耗時(shí)能接受的范圍內(nèi)取得更好的競(jìng)賽成績(jī)。

5 結(jié)束語

在大賽模式下，在效率與成績(jī)之間需要作出權(quán)衡，在確保能完成所有任務(wù)的基礎(chǔ)上，通過練習(xí)，盡量使模具設(shè)計(jì)更合理，是設(shè)置賽項(xiàng)的目的，也是培養(yǎng)優(yōu)秀選手的目的。在型芯冷卻管道離塑件較遠(yuǎn)，冷卻效果不理想的情況下，改用隔水板冷卻方式更為合理，而時(shí)間消耗也在可以接受的范圍之內(nèi)。顯然，這種策略能取得更好的成績(jī)，也使競(jìng)賽過程更符合企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，尤其能使選手獲得更多的實(shí)用工藝經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝金林，盛希龍，王小新.基于CAE支架的澆注系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2014，40（6）：25-28.

[2]孫壽云，王輝.基于CAE技術(shù)的注塑制品冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化[J]. 模具技術(shù)，2011（6）：41-45.

[3]屈華昌，吳夢(mèng)陵.塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2018：249-255.

[4]史勇.Moldflow模流分析實(shí)例教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019：106.

[5]鄭浩勇，劉嗣斌，吳念.聚氨酯彈性體引射筒注射模設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2019，45（3）：36-41.