多孔隔板注射成型隨形水路優(yōu)化及模具結構設計

林權，劉其南，林麗敏，劉磊，王先保

(武夷學院機電工程學院，福建武夷山 354300)

目前冷卻水路的設計大多依照傳統(tǒng)經驗法則，并使用直通鉆孔方式制作，但隨著產品日趨復雜，以及模內結構與裝置增加，在設計水路時，除了需對產品提供均勻的冷卻之外，還需注意不能干涉到模具內其它機構，因此冷卻水路設計空間自由度小，設計難度倍增，常造成冷卻時間增加與產品產生翹曲變形等不足[1-3]。隨著三維打印技術的發(fā)展以及激光燒結技術的成熟，隨形冷卻技術在注塑模水路設計中得到青睞，其不受傳統(tǒng)水路加工限制，設計時更貼近產品輪廓，能有效解決產品死角積熱問題，使產品整體冷卻均勻，尤其對于復雜的模具結構，更能展現(xiàn)其優(yōu)點[4-5]。筆者以多孔隔板塑件為研究對象，應用Moldex3D模流分析技術，比較分析傳統(tǒng)常規(guī)水路與隨形水路對產品成型冷卻影響，探討解決該模具的冷卻效果不佳、生產周期長等問題，并進行注塑模具結構設計。

1 塑件結構工藝分析

圖1為多孔隔板塑件三維結構及流道系統(tǒng)模型，塑件基本尺寸為78 mm×120 mm×66 mm，平均壁厚約為2 mm，多孔隔板作為儀器面板，要求外表面光滑、無明顯瑕疵缺陷、強度及硬度高，成型過程不出現(xiàn)短射、裂痕、空孔、凹痕等缺陷。塑件頂面有兩個通孔與一個沉頭孔，沉頭孔部分壁厚較小，容易出現(xiàn)短射，如圖1中A點位置。塑件前端面設置有一個窗口孔，側面設置有若干個卡扣連接孔，以及內側邊緣分布有較多的連接卡扣，使塑件外輪廓部分壁厚較大，為主要散熱區(qū)域，如圖1中B點位置。塑件后側中部，有一個長40 mm的連接柱，為局部熱節(jié)點，如圖1中C點局部視圖所示。多孔隔板塑件材料選用來自奇美公司的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)材料，牌號為PA-765，材料模具溫度范圍為40～80 ℃，熔體溫度范圍為195～235 ℃，絕對最大熔體溫度為255 ℃，頂出溫度為90 ℃，最大剪切力為0.3 MPa，最大剪切速率為50 000 s-1，熔體密度為1.09 g/cm3，當熔體溫度為215 ℃時，材料熱導率為0.27 W/(m·K)，比熱為2 000J/(kg·K)。

圖1 塑件三維結構及流道系統(tǒng)

從圖1多孔隔板結構分析可知，成型加工的關鍵是塑件各面的成型孔及周邊卡扣，模具需要在多個方向采用側向分型與抽芯機構，綜合考慮塑件的產量、精度、模具生產成本等因素，選擇采用一模一腔布局，分型面選取塑件輪廓最大處，曲線分型，塑件主要成型零部件結構設計如圖2所示。塑件外表面定模型腔部分采用一體成型，塑件內表面動模部分由主型芯與局部鑲件滑塊等組合構成。

圖2 塑件成型零部件結構

2 成型澆注系統(tǒng)設計

通過利用Moldex3D最佳澆口位置分析模塊，結合圖2塑件成型零部件結構設計，選擇在塑件內表面靠近A點的筋板上設置潛伏澆口，這種設計不僅不影響塑件外觀，而且進料區(qū)域接近塑件中心，既有利于成型壓力布局，又有利于薄壁沉頭孔充填，流道系統(tǒng)構成如圖1所示。圖1中錐形主流道始端直徑為3.5 mm，錐度為2°，圓形分流道直徑為8 mm，錐形潛伏澆口始端直徑為1.5 mm，末端為5.0 mm。通過利用Moldex3D成型窗口模塊，獲得成型工藝參數(shù)如下：模具溫度為80.0 ℃，熔體溫度為235.0 ℃，注射時間為0.6 s，開模時間為5.0 s。為了更貼近真實生產過程，模擬注射生產過程中的參數(shù)變化，充填控制手段采用相對螺桿速度曲線的流道速率與注射體積，當注射體積百分比分別為10.0%，15.0%，30.0%，40.0%，50.0%，60.0%，70.0%，80.0%，90.0%，100.0%，對應的熔體流動速率為25.8%，25.8%，63.5%，74.5%，75.0%，91.5%，100.0%，59.6%，41.9%，22.3%。

3 冷卻系統(tǒng)設計

3.1 常規(guī)水路設計

常規(guī)冷卻水路是在模具型腔板或型芯上鉆孔加上水嘴、堵頭形成水路，依據(jù)多孔隔板塑件結構和流道型腔布局，建立常規(guī)冷卻系統(tǒng)模型如圖3所示。水路采用傳統(tǒng)加工工藝，分別是位于塑件上方和下方的一條階梯式直通冷卻回路，水路直徑統(tǒng)一設計為8 mm，依據(jù)傳統(tǒng)1∶3∶5規(guī)則進行水路排列[6-7]，即水路直徑∶水路中心至型腔表面距離∶相鄰水路間中心間距的比值為1∶3∶5，并設置冷卻水雷諾數(shù)為10 000，冷卻水溫為40 ℃。

圖3 常規(guī)水路冷卻系統(tǒng)模型

3.2 隨形水路設計

隨形水路是由帶水路的成型零件通過將金屬粉末激光燒結成型而成，常見的冷卻水路的截面形狀有圓形、橢圓、U形等，由于圓形截面的管道比較適合選擇性激光熔化(SLM)成型工藝，且不存在尖角，從而減小了邊角處的熱應力積累，避免了在較大注射壓力作用下發(fā)生模具開裂損壞等情形[8-9]。從圖2多孔隔板模具成型結構分析，該塑件冷卻可分為定模和動模兩部分，塑件外表面為一體式定模型腔成型，依據(jù)實踐經驗，外表面的冷卻效果一般優(yōu)于內表面，因此隨形水路設計主要考慮在成型內表面的動模型芯上進行構造，以加強塑件內表面冷卻，緩解積熱，均衡動定模溫。圖4為多孔隔板塑件隨形水路設計方案，在動模型芯內部沿著多孔隔板的形狀空間布局設置隨形冷卻水路，巧妙地避開了其它成型結構零件，冷卻介質相關參數(shù)設置與常規(guī)水路一致。

圖4 隨形水路冷卻系統(tǒng)模型

4 模流結果分析

4.1 水路形式對冷卻時間影響

多孔隔板塑件原料為ABS PA-765，其頂出溫度為90 ℃，所以只有當產品中心層各部分溫度低于90 ℃時，才能進行產品頂出，以確保頂出時產品強度能承受頂出力，避免因剛性不足，在頂出時造成產品變形或破裂。另外在產品頂出后，為了避免因產品各部位溫差太大而發(fā)生收縮不均與翹曲，最終導致產品變形從而影響質量，故對于產品脫模條件，除了需要低于頂出溫度外，還需確定產品最厚處與較薄處中心層的溫度差不大于5 ℃。在此，為了觀察冷卻分析過程中產品內部溫度隨時間的變化，在圖1中選取遠離澆口位置的塑件最厚處B點與離澆口較近的較薄處A點作為參考點，利用Moldex3D進行模流分析。

圖5為產品中心層溫度隨時間變化的曲線，其中圖5a為常規(guī)水路中心層溫度隨時間變化曲線，圖5b為隨形水路中心層溫度隨時間變化曲線，由圖5可知，常規(guī)水路中塑件A和B點的溫度分別于8.4 s和12.2 s低于材料頂出溫度，在28.5 s時兩點溫度差小于5 ℃，達到可以脫模頂出狀態(tài)；隨形水路中塑件A和B點的溫度分別于6.5 s和9.5 s低于材料頂出溫度，在19.8 s時兩點溫度差小于5 ℃，達到可以脫模頂出狀態(tài)。由此可知，隨形水路達到可頂出溫度的時間減少24%，并進一步減小產品溫差到達小于5 ℃的時間，可以節(jié)約成型周期時間30.5%，主要原因是隨形水路的傳熱面積明顯大于常規(guī)水路，隨形水路也更貼近熱源。

圖5 產品中心層溫度隨時間變化曲線

4.2 水路形式對熱移除效率影響

冷卻水路與產品距離越近、水路內冷卻液雷諾數(shù)越高、冷卻液與模具間溫差越大，熱移除效率則越高，所以通過比較熱移除效率可以觀察哪些水路能排除更多的熱量，可以了解水路各個區(qū)域的運作情形[10]。冷卻成型周期內，冷卻水管的熱移除效率計算如下：若Qc表示透過水管放熱量，Qm表示模座在成型過程總散熱量，則可以把熱移除效率定義為Qc=[Qc/(Qc+Qm)]×100%，此數(shù)據(jù)代表通過各水管吸收熱量的百分比(效率)，其中正值代表吸熱，負值代表放熱。

多孔隔板塑件設計冷卻水溫為40 ℃，水溫上限為45 ℃，模具型腔表面溫度上限為80 ℃，冷卻水雷諾數(shù)為10 000，圖6a為常規(guī)水路熱去除效率模流分析結果，圖6b為隨形水路熱去除效率模流分析結果。通過圖6a和圖6b的模流冷卻分析結果可知，對于常規(guī)水路布局，定模水路移除熱量為34.680%，動模水路移除熱量為45.806%，標準差為5.556；對于隨形水路布局，定模水路移除熱量為21.919%，動模水路移除熱量為60.176%，標準差為2.579，兩者比較發(fā)現(xiàn)，內表面為主要熱移除區(qū)，隨形水路吸收了更多的熱量，尤其是動模部分，熱移除效率提高了23.8%，顯著提高了塑件內表面散熱效果。另外，從入口到出口的水路內冷卻液溫度變化，常規(guī)水路為2.17 ℃，隨形水路為1.23 ℃，都滿足水路溫升小于3 ℃的標準。

圖6 水路熱移除效率

4.3 水路形式對零件溫度影響

由于單一的模流冷卻分析結果中，僅僅顯示了塑件溫度分布最大值和最小值，但大多數(shù)塑件產品頂出時溫度分布是不均的，只有一小部分區(qū)域的溫度為模流結果中的最大或最小值，因此單一值不適合直接作為指標進行比較[11-12]。依據(jù)Moldex3D模流分析理論，提出采用變動指數(shù)法[13]，利用塑件產品溫度分布色階圖的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，來計算獲取相對的變動指數(shù)，變動指數(shù)越小，則表示產品冷卻系統(tǒng)參數(shù)設計合理，產品冷卻固化越均勻。圖7a和圖7b分別為常規(guī)水路和隨形水路頂出時的產品溫度分布結果色階圖，圖中描述了達到頂出時間塑件溫度分布情形。圖7a列出統(tǒng)計值由大到小的排列，例如排序第一的統(tǒng)計值為20.299%、排序第二的統(tǒng)計值為17.789%，以此類推；對應左側零件溫度軸，變動值處在一個范圍內，在此固定取最上限值計算，比如排序第一統(tǒng)計值對應零件溫度為82.215 ℃、排序第二統(tǒng)計值對應零件溫度為84.979 ℃，以此類推；但也有部分統(tǒng)計值很小，其對應零件溫度所分布的區(qū)域占比也很小，在此則忽略不計，所以比較分析時，取整體的95%來計算變動指數(shù)。零件溫度分布變動指數(shù)定義為FCT.V，其計算方式如下：

圖7 零件溫度分布

式中：Pn——色階圖中產品冷卻分析結果各區(qū)域溫度統(tǒng)計值；

Tn——對應Pn的零件溫度上限值。

由圖7a可得，當n=8時，常規(guī)水路布局的零件溫度就滿足覆蓋塑件95%以上區(qū)域，由圖7b可得，當n=10時，隨形水路布局的零件溫度就滿足覆蓋塑件95%以上區(qū)域。

將圖7常規(guī)水路和隨形水路的零件溫度分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)分別代入公式(1)可獲得兩者零件溫度變動指數(shù)分別為12.04與8.76，由此可知隨形水路相比常規(guī)水路，其溫度分布均勻性提高了27.25%，有效最高溫度也下降了10.15%，有效最低溫度也下降了10.60%，隨形水路對均勻零件溫度分布及降低有效作用溫度有明顯作用。

4.4 水路形式對翹曲的影響

翹曲變形量常作為判斷產品質量好壞與冷卻均勻與否的重要指標，影響變形量的因素有產品兩側溫度不同所產生的收縮、產品各區(qū)域因厚度不同所產生的收縮、材料配向方向于平行和垂直方向所產生的收縮[14-16]。根據(jù)多孔隔板塑件使用裝配要求，其對平行于主流道方向的Z軸變形量特別重視，坐標軸方向如圖8所示，表1為兩種水路布局形式翹曲變形模流分析結果。從表1可以看出，兩種水路形式在X軸方向差異值為0.054 mm，Y軸方向差異值為0.003 mm，X軸與Y軸的變化差異較小，主要是其變形量不是由冷卻差異所引起，故水路形式的改變并不會產生明顯的影響，而Z軸變形量受水路形式影響較大，兩種水路形式在Z軸方向差異值為0.112 mm，采用隨形水路后翹曲變形量下降了18.48%，總體變形量下降了13.56%，主要原因是隨形水路使塑件兩側溫度不同所產生的收縮減小，有效緩解型腔型芯冷卻差異。表1比較數(shù)據(jù)為兩種形式水路在各方向及總體位移上的最大值，實際分析可知，在隨形水路作用下，塑件產品大部分區(qū)域的翹曲變形量不足0.4 mm，符合產品變形量要求，隨形水路作用下的翹曲變形總位移分布如圖8所示。

圖8 隨形水路作用下的翹曲變形總位移

表1 各水路形式產品變形量 mm

5 注塑模具結構設計

多孔隔板注塑模具結構如圖9所示，為一模一腔兩板式注塑模，為了保證外觀不留入水痕跡，采用潛伏澆口內側進料，模具型腔由動模型芯11、定模鑲件13、斜導桿8、第二側滑塊23以及側型芯等零件構成，動模型芯11與定模鑲件13接觸面為分型面，呈曲線狀，通過斜導桿8以及推桿29頂出成型固化在動模型芯11上的多孔隔板實現(xiàn)脫模。

鑒于塑件的多孔多卡扣等特征，在該模具上設計一副內側抽芯機構和三副外側抽芯機構。

內側抽芯采用斜頂滑座機構，在此選用深圳三上公司的萬向斜頂滑座，主要由滑動底座5、滑板33、斜頂滑座6、斜導桿8、停止板32、固定件7及銷軸等零件構成，斜頂滑座6安裝在推桿固定板4上，通過推出動作驅動斜導桿8將塑件成型卡扣脫離斜導桿8，并輔助塑件頂出，完成抽芯。

外側抽芯機構主要用于成型圖1中塑件側面的窗口孔以及周邊卡扣，塑件頂面兩通孔位于開模方向，通過動模型芯11與定模鑲件13碰穿而成。第一副外側分型抽芯機構由圖2中的第一側滑塊V、第一斜導柱VI構成，抽芯方向與開模方向垂直，采用螺釘進行滑塊定位。第二副外側分型抽芯機構由圖2中的第二側滑塊VII，第二斜導柱VIII構成，也就是圖9中第二側滑塊23，第二斜導柱21，因該側滑塊抽芯方向與開模方向不垂直，向定模一側傾斜5.5°，因此必須設計可靠的滑塊定位裝置，主要由擋板24、襯套25、拉桿26、彈簧27組成。第三副外側抽芯機構由圖2中的固定于定模座板的方銷I，以及與方銷端部采用錐面T型槽相連接的側型芯II構成，同樣通過開合模動作實現(xiàn)側向抽芯。

圖9 模具總裝圖

該模具冷卻水路分別由定模的常規(guī)水路和動模的隨形水路構成，常規(guī)水路開設在定模鑲件13中，隨形水路開設在動模型芯11中，所有不進出水的水道端頭使用堵頭密封，所有的水路接縫處，均需要安裝“O”型密封圈，以防止水的泄漏使模具產生銹蝕，圖10為模具三維剖切圖。最后，經實踐證明，一模一腔的潛伏澆口搭配一內三外的側向抽芯結構方式，有效地簡化了模具結構，結合隨形水路冷卻方式，使加工的多孔隔板質量優(yōu)良，加工效率較高。

圖10 模具三維剖切圖

6 結語

在注射成型周期中，冷卻時間占成型周期的三分之二以上，為了提高生產效率，縮短冷卻時間為最佳選擇，傳統(tǒng)冷卻水路設計受制于模具結構及加工條件，冷卻系統(tǒng)不能迅速將模具的熱量均勻帶離模具，常導致冷卻效率低，成型質量不佳等問題。筆者以多孔隔板塑件為例，利用Moldex3D模流分析軟件，依據(jù)塑件結構形狀特性，進行隨形水路設計，并比較分析探討常規(guī)水路與隨形水路對產品成型冷卻的影響，研究獲得如下結論：

(1)相較于常規(guī)水路，隨形水路能減少達到頂出溫度的時間24%，節(jié)約成型周期時間30.5%，主要原因是隨形水路的傳熱面積明顯大于常規(guī)水路，隨形水路也更貼近熱源；

(2)在相同的水路參數(shù)設計下，相比常規(guī)水路，隨形水路熱移除效率提高了23.8%；

(3)利用變動指數(shù)法，獲知隨形水路相比常規(guī)水路對零件溫度分布均勻性提高了27.25%，隨形水路對均勻零件溫度分布及降低有效作用溫度有明顯作用；

(4)相比常規(guī)水路，采用隨形水路冷卻可使塑件總體翹曲變形量下降13.56%，產品大部分區(qū)域的翹曲變形量不足0.4 mm；

(5)定模型腔的常規(guī)水路與動模型芯的隨形水路配合，以及“一內三外”的獨特側向成型抽芯結構，有效地簡化了模具結構，使加工的多孔隔板質量優(yōu)良，生產效率較高。

綜上所述，隨形水路顯著提高了冷卻效果，均勻了模具熱量，穩(wěn)定了產品質量。