注塑模具隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)方法與分析

章金宇

摘 要：隨著三維打印技術(shù)的發(fā)展，注塑模具冷卻回路設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的線性設(shè)計(jì)優(yōu)化到隨形回路設(shè)計(jì)。文章介紹并總結(jié)了隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)原則、截面形狀變化、布局和優(yōu)化技術(shù)。注塑模具采用隨形水回路設(shè)計(jì)，從而使冷卻介質(zhì)和模具表面之間的距離保持一致，從而提高冷卻效率、模具效率和模具表面溫度分布的一致性，從而顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能。

關(guān)鍵詞：隨形冷卻水道;注塑模具;設(shè)計(jì)方法;3D打印

1.研究背景

近年來(lái)，隨著三維打印技術(shù)的迅速發(fā)展，金屬三維打印技術(shù)變得非常成熟。無(wú)論是印刷周期、表面質(zhì)量還是機(jī)械性能都有很好的表現(xiàn)由于金屬3D列印技術(shù)不需要太多產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，因此在準(zhǔn)備具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件時(shí)取得了很好的效果。其中一個(gè)是射出成型模管路的制造。冷卻時(shí)間占注塑成型周期的一半以上。有效的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有助于縮短成型周期并提高生產(chǎn)率。根據(jù)塑料產(chǎn)品的形狀設(shè)計(jì)隨形冷卻水道，可以有效地控制冷卻過(guò)程中的產(chǎn)品溫度一致性，減少產(chǎn)品偏差、劃痕和應(yīng)力集中，縮短冷卻時(shí)間，從而提高模具的工作效率目前，大多數(shù)隨形性冷卻水道結(jié)構(gòu)是手工制造的，與常規(guī)幾何形狀（如螺旋、環(huán)形或微孔）相對(duì)應(yīng)。當(dāng)塑料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，與產(chǎn)品表面的配合性能不夠好使用，「Materialise3-matic」軟體自動(dòng)建立隨形冷卻回路時(shí)，會(huì)將可塑性零件的整個(gè)表面偏移一定距離，然后建立以偏移表面為中心的隨形冷卻回路，從而提供更好的調(diào)整，減少注塑壓力，并極大地提高產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)力。

2.冷卻水道的設(shè)計(jì)原則

首先實(shí)現(xiàn)隨形冷卻回路布局，然后設(shè)計(jì)出模具機(jī)構(gòu)布局，以避免通道和模具機(jī)構(gòu)之間的干涉，獲得模具零件的合理布局，盡可能增加冷卻水道的數(shù)量和切割面積，并在以下情況下更密集、更均勻地排列它們確保冷卻水道和坡腳之間的距離相等，以反映冷卻水道的一致性。若要改善灌嘴冷卻，必須在灌嘴上安裝冷卻入口，以防止灌嘴內(nèi)熔膠過(guò)熱。為便于操作，最好將冷卻水入口和出口處的水嘴與模具放置在同一側(cè);請(qǐng)注意鑲件和模板之間的距離。過(guò)長(zhǎng)的冷卻水管路可能會(huì)增加入口水和出口水的溫差，影響傳熱并降低冷卻效率。冷卻水道的總長(zhǎng)度不得超過(guò)1200至1500毫米;冷卻水道路徑應(yīng)避免焊接，因?yàn)楹附犹幍娜垠w溫度較低，如果冷卻水道通過(guò)此處，熱量將進(jìn)一步去除，焊接更加明顯，產(chǎn)品出現(xiàn)故障;型芯和型腔的表面溫度不應(yīng)太不同，并且應(yīng)形成單獨(dú)的冷卻回路。局部熱量過(guò)高的地方，可以加強(qiáng)冷卻，并可以修改冷卻水道的形狀和直徑;冷卻循環(huán)與產(chǎn)品壁厚直接相關(guān)。可以優(yōu)化塑料零件的設(shè)計(jì)，壁厚相等，冷卻時(shí)間較短;考慮到冷卻效率和成本，冷卻環(huán)境通常是水，其次是空氣和油;冷卻水道必須易于清洗以避免堵塞。

3.冷卻水道的截面形狀

切割規(guī)則的冷卻回路。冷卻水道通用的標(biāo)準(zhǔn)截面形狀包括圓形、半圓形、矩形和u形三通，具體取決于傳熱的原理，以及其他條件是固定的，并且截面是累積的。剖面周長(zhǎng)越長(zhǎng)，冷卻效率越高，冷卻速度越快。Moldflow用于分析冷卻水道的不同部分。仿真結(jié)果表明，u形截面冷卻效率較高，半圓形截面冷卻效率較低。不規(guī)則航道。為了使水道內(nèi)的冷卻介質(zhì)易受湍流影響，并改善傳熱，為螺旋槽管道、標(biāo)度管道、波浪管道、橫向槽管道和扁平管道設(shè)計(jì)了外部冷卻水道。

分區(qū)范圍的冷卻箱。o型態(tài)。整體模仁使用深孔加工幾乎均勻的冷卻水道。優(yōu)點(diǎn)是處理簡(jiǎn)單，無(wú)需組裝，缺點(diǎn)是冷卻水通道精度低，無(wú)法接近產(chǎn)品輪廓，導(dǎo)致焊接等缺陷，產(chǎn)品合格率低。組合類型。固定核心與作用中的核心分離，并在反射鏡和支撐面之間加工隨形冷卻回路。本發(fā)明改變了傳統(tǒng)冷熱環(huán)境的溫度復(fù)蓋范圍，降低了處理成本，增加了絕緣，降低了能耗，改進(jìn)了溫度控制，提高了鏡面產(chǎn)品的成型質(zhì)量。

4.冷卻水道的布局

平板電腦類。平面產(chǎn)品的特點(diǎn)是體積小，模具面積大，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。冷卻水道通常基于傳統(tǒng)回路、外部回路和平面回路。列數(shù)。圓柱包括圓柱、方形柱、切割頭、圓錐等。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單或表面質(zhì)量要求較低的產(chǎn)品模具，冷卻水道通常是噴泉、隔板、管柱/導(dǎo)熱板等。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或表面質(zhì)量高的模具，冷卻水道包括螺旋、圓形、環(huán)形和多層。螺旋和圓形。當(dāng)冷卻回路僅有一個(gè)供水回路（即入口和出口）時(shí)，該回路稱為螺旋。當(dāng)多個(gè)冷卻回路平行連接以形成多層平面螺旋時(shí)，稱為循環(huán)。螺旋冷卻水道最適用于圓柱或球形產(chǎn)品，而循環(huán)冷卻水道最適用于淺圓錐或圓柱形或包膜產(chǎn)品。戒指的類型。環(huán)與螺旋和圓相似，適合圓柱體。如果將螺旋掃掠和圓形掃掠進(jìn)行比較，您會(huì)發(fā)現(xiàn)圓形污水坑接頭沒有完全復(fù)蓋在冷卻回路中，而且冷卻效果不如螺旋掃掠有效。多層循環(huán)冷卻水通道。多層電路與單層電路不同。大多數(shù)多層電路用于深腔產(chǎn)品，使產(chǎn)品更容易冷卻。地形類別。對(duì)于具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，冷卻回路的造型類似于產(chǎn)品輪廓并形成冷卻曲線。

多腔模仁模具冷卻回路的基本造型。串行冷卻，也就是單水口入單水口出。冷卻水的強(qiáng)度與水流長(zhǎng)度成正比，與水流直徑成反比。通常適用于冷卻許多小型產(chǎn)品。平行冷卻。也就是說(shuō)，多個(gè)冷卻水道同時(shí)穿過(guò)每個(gè)腔進(jìn)行平行冷卻。串行并行冷卻。它從一條主要水道流向所有支流，并作了總結(jié)。為了確保所有支流的冷卻效率平等，所有支流的水道必須相同，所有支流的流動(dòng)條件必須盡可能一致。冷卻水道的總剪切面積必須大于所有分支的剪切面積。

5.冷卻水道的優(yōu)化技術(shù)

冷卻水道的優(yōu)化參數(shù)包括設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝參數(shù)。這些設(shè)計(jì)參數(shù)包括冷卻水道的位置、直徑、截面形狀等。工藝參數(shù)包括模具溫度、冷卻介質(zhì)溫度、流動(dòng)速度和熔體溫度。優(yōu)化冷卻水道設(shè)計(jì)參數(shù)。例如，使用moldex模具流動(dòng)分析軟體將傳統(tǒng)冷卻回路最佳化為隨形冷卻回路的模座產(chǎn)品。結(jié)果表明，在優(yōu)化冷卻水道模具中，產(chǎn)品的左側(cè)變形減小。優(yōu)化冷卻水道處理參數(shù)。將隨形冷卻水道與傳統(tǒng)的線性冷卻水道進(jìn)行比較，使用開口法和方差分析確定最佳注塑參數(shù)，并分析影響薄壁產(chǎn)品左側(cè)化的最重要因素。同時(shí)，Moldflow軟件用于仿真。協(xié)同優(yōu)化冷卻水道設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)。研究人員提出了一套節(jié)能形式冷卻回路的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即利用響應(yīng)面正交法和三維法分析影響模具溫度變化的多目標(biāo)因素，建立冷卻回路設(shè)計(jì)變量之間的功能關(guān)系。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，隨形冷卻縮短了成型周期，提高了成型產(chǎn)品的性能，并提高了產(chǎn)品的尺寸精度和曲面質(zhì)量。理論上有一系列基于特征算法、路徑算法和熱分析方法的保證冷卻水道設(shè)計(jì)方法。今后，隨著三維金屬打印技術(shù)的改進(jìn)和普及，三維金屬打印與注塑模具的集成將更加深入，隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化將變得越來(lái)越方便和成熟。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉潔，等.基于ANSYS軟件的注塑模隨形冷卻流道的熱分析[C]∥第13屆全國(guó)特種加工學(xué)術(shù)會(huì)論文集.南昌：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)，2009.

[2]安曉玉.基于模型簡(jiǎn)化的注塑模冷卻系統(tǒng)智能化設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

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