基于正交試驗(yàn)的汽車擋板塑件注塑模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化分析

李金峰

摘要：以汽車擋板注塑模具冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)模壁溫差進(jìn)行模擬分析。驗(yàn)證得出水孔間距對(duì)模具的冷卻效果影響最為明顯，通過優(yōu)化分析，使得冷卻系統(tǒng)的冷卻效果較為理想，使得模具的溫差均勻，能提升塑件的產(chǎn)量和合格率?？傻玫嚼鋮s水道最佳的工藝組合為：冷卻水道水孔直徑10mm、相鄰冷卻水道水孔間距140mm、冷卻水道模具表面距離30mm。

關(guān)鍵詞：注塑;冷卻優(yōu)化;正交試驗(yàn);模壁溫差

0? 引言

隨著全球醫(yī)療、家電、日用品、汽車、5G通訊和能源儲(chǔ)存等重點(diǎn)行業(yè)對(duì)塑料制件的需求增加[1]，塑料制品的設(shè)計(jì)將趨向于高質(zhì)量、輕薄和美觀，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更趨于復(fù)雜，這對(duì)注塑模具的研發(fā)與應(yīng)用提出了更為嚴(yán)格的要求[2]。在注塑成型過程中，模具的冷卻系統(tǒng)影響著塑件的質(zhì)量也能夠減少試模次數(shù)和后期修改模具的成本，從而影響企業(yè)的生產(chǎn)效率[3]。設(shè)計(jì)人員需要更多地模流分析技術(shù)來輔助注塑模具的設(shè)計(jì)，利用該技術(shù)，能預(yù)先分析模具設(shè)計(jì)的合理性，減少試模次數(shù)，加快模具的研發(fā)速度，提高企業(yè)效率。

本文以汽車擋板塑件為研究對(duì)象，使用正交試驗(yàn)的方法，結(jié)合Moldflow注塑仿真軟件，優(yōu)化冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離三個(gè)冷卻水道參數(shù)[4]，降低模壁溫差，使模具型腔的溫度分布均勻，提高塑件的冷卻效率。較高的模壁溫差容易使塑件內(nèi)積聚殘余應(yīng)力，產(chǎn)生不對(duì)稱的熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致塑件的翹曲變形[5]，影響塑件的質(zhì)量和良品率，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致塑件的冷卻時(shí)間加大導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本增加。

1? 模型分析及Moldflow前處理

汽車擋板在UG中的三維模型如圖1所示，最大外型尺寸為：1320mm×178mm×3.2mm，平均壁厚3.2mm，屬于大型薄壁件塑件。汽車擋板屬于大型薄壁塑料產(chǎn)品，尺寸較大、熔體在澆注系統(tǒng)中路線較長(zhǎng)，難以填充完整等特點(diǎn)，冷卻固化時(shí)易出現(xiàn)溫度不均現(xiàn)象和長(zhǎng)徑比較大易發(fā)生翹曲變形。由于此塑件為裝配件，對(duì)裝配精度有較高的要求，要求塑件的變形不宜過大，避免無法裝配使用。

汽車擋板塑件有抗沖擊高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性能要求，結(jié)合汽車塑料材料選用標(biāo)準(zhǔn)和Moldflow材料數(shù)據(jù)庫(kù)，選取牌號(hào)為Durethan AKV 35 H2.0（Lanxess，制造商）的PA66材料進(jìn)行模擬分析。選擇雙層面（Fusion）網(wǎng)格類型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將三角形單元的邊長(zhǎng)設(shè)置為8mm，其中三角形單元數(shù)量為36382，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18181，模型的最大縱橫比17.18，平均2.18，最小1.16，網(wǎng)格匹配百分比為90.2%。考慮汽車擋板的實(shí)際注塑情況，汽車擋板的外型尺寸較長(zhǎng)，產(chǎn)品的配合精度要求較高，確定塑件模型采用三點(diǎn)進(jìn)膠方式的熱流道系統(tǒng)，在產(chǎn)品的中部和兩端設(shè)置澆口位置，同時(shí)為了提升表面質(zhì)量，減少注塑成型過程中塑件表面出現(xiàn)的熔接痕，澆口采取針閥式澆口，待主流道的塑料熔體經(jīng)過兩端時(shí)再打開兩側(cè)的控制閥門進(jìn)行注射。

2? 冷卻方案的建立優(yōu)化

注射成型過程主要由填充、保壓、冷卻三個(gè)階段構(gòu)成，其中冷卻時(shí)間約占成型周期三分之二以上。一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠縮短制件的冷卻時(shí)間，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率[6]。此外，當(dāng)冷卻系統(tǒng)中的冷卻水道排布合理，能夠均勻冷卻塑料產(chǎn)品，降低塑件的殘余應(yīng)力，可以保持尺寸的穩(wěn)定，減少塑件的翹曲變形，提高產(chǎn)品質(zhì)量[7]。模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化對(duì)于塑料產(chǎn)品的成型和加工成本至關(guān)重要。

冷卻水道到型腔表面的距離關(guān)系到型腔能否冷卻均勻和模具的剛度和強(qiáng)度問題[8]。設(shè)計(jì)冷卻水道時(shí)往往受推桿、鑲件、側(cè)抽芯機(jī)構(gòu)等零件限制，不可能都按照理想位置開設(shè)水道，這時(shí)水道之間的距離也可能較遠(yuǎn)，如果這時(shí)有水道離型腔過近會(huì)造成冷卻均勻性差。同時(shí)，在設(shè)計(jì)水道和型腔距離時(shí)，還應(yīng)考慮模具材料的強(qiáng)度和剛度。避免距離過近，在型腔壓力下使材料發(fā)生扭曲變形，使模腔表面產(chǎn)生龜紋[9]。

根據(jù)塑件的外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從簡(jiǎn)單兼顧實(shí)用的原則出發(fā)，選擇直孔隔板式冷卻水道進(jìn)行冷卻布置，利于模具前模冷卻，后模采用直通式水道，型芯部分則加入隔水板加強(qiáng)模具的局部冷卻，隔水板式冷卻組件是在垂直于主水道上鉆一條支水道，然后用快導(dǎo)流板把支道中的水路一分為二，將來自主水道的冷卻液翻過導(dǎo)流片頂部，再繞回主水道一側(cè)。設(shè)定冷卻系統(tǒng)方案如圖2所示。

工藝參數(shù)設(shè)置如下：塑料熔體的注射溫度為：280℃。模具溫度推薦為80℃，注射壓力通常為75MPa，保壓壓力為90%最大保壓壓力，注射時(shí)間1.8s，保壓冷卻時(shí)間40s，開模時(shí)間5s。

本塑件運(yùn)用正交試驗(yàn)方法對(duì)汽車擋板冷卻水道進(jìn)行優(yōu)化，再得到冷卻效果最優(yōu)的參數(shù)組合。選取冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離三個(gè)冷卻水道參數(shù)，依據(jù)工廠實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，將工藝參數(shù)設(shè)置成三個(gè)水平，設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)表對(duì)每一參數(shù)組合方案進(jìn)行模流分析，獲得的分析結(jié)果，如表1所示。得到各因素在對(duì)應(yīng)水平下對(duì)注塑成型模壁溫差的均值k，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析。

試驗(yàn)基于Moldflow模流分析結(jié)果的回路管壁溫度的仿真數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)中的最高點(diǎn)溫度與最低點(diǎn)溫度的差值作為指標(biāo)，用來反應(yīng)冷卻系統(tǒng)中的水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離這三個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)冷卻效果進(jìn)行分析。

由表1可得，影響注塑模具冷卻水道冷卻效果的工藝參數(shù)中，其重要程度依次為：水孔間距>模壁距離>水孔直徑。可得到冷卻水道最佳的工藝組合為：冷卻水道水孔直徑10mm、相鄰冷卻水道水孔間距140mm、冷卻水道模具表面距離30mm。再次通過模流仿真分析最優(yōu)參數(shù)下的回路管壁溫差，得出調(diào)整后的回路管壁溫差為14.89℃，相比于表1的數(shù)據(jù)回路的管壁溫差有一定程度的下降，能在一定程度上改善模具的溫度進(jìn)而減少汽車擋板塑件在成型過程中的收縮不均，提高塑件的質(zhì)量和良品率。

3? 結(jié)論

在汽車擋板塑件的注塑模具中，通過正交試驗(yàn)構(gòu)建了以冷卻水道水孔直徑、相鄰冷卻水道水孔間距及冷卻水道模具表面距離為參數(shù)，在Moldflow中進(jìn)行完整對(duì)模流分析，仿真整個(gè)注塑過程的熔體流動(dòng)和塑件成型情況，以模壁溫差為指標(biāo)的注塑成型仿真試驗(yàn)，通過極差分析得到各參數(shù)對(duì)模壁溫差的影響規(guī)律，得出冷卻水道最佳工藝參數(shù)組合為：冷卻水道水孔直徑10mm、相鄰冷卻水道水孔間距140mm、冷卻水道模具表面距離30mm。該設(shè)計(jì)思路能為注塑模具冷卻水路的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，在設(shè)計(jì)模具時(shí)，對(duì)模具內(nèi)部的水路設(shè)計(jì)排布、水路直徑、水路布局位置等主要因素設(shè)計(jì)時(shí)提供重要的參考依據(jù)，從而減少試模次數(shù)和后期修改模具的成本。

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