汽車馬鞍蓋板注射成型冷卻系統(tǒng)優(yōu)化及模具設計

蔡厚道，李貴金，陳 云

（江西科技學院人工智能學院， 南昌 330098）

0 前言

塑膠注塑模具冷卻系統(tǒng)是影響注射成型周期，提高注塑模具生產效率的關鍵［1］。冷卻系統(tǒng)的冷卻效果決定著冷卻時間，一個完善的冷卻系統(tǒng)既要滿足塑件成型外觀所需的溫度及注塑產品持續(xù)生產溫度的需求，也要能夠顯著減少冷卻時間及實現(xiàn)均勻冷卻的需求［2］。為了防止冷卻系統(tǒng)引起模溫過高或過低產生的黏模、銀絲、翹曲變形、流痕等缺陷［3-4］，需要將注射成型工藝和產品的模具結構有效結合起來。

本文以某汽車馬鞍蓋板產品為例，應用Moldflow數(shù)值模擬仿真分析技術，比較分析了模具冷卻系統(tǒng)的常規(guī)運水設計和隨形運水設計對產品注射成型的冷卻影響，并設計了一副采用機械式扣機機構控制開模順序的熱流道兩板注射模具。

1 塑件結構工藝分析及Moldflow預處理

如圖1 所示為汽車馬鞍蓋板產品的結構圖。汽車馬鞍蓋板產品的主體設計為半包圍“”形結構，兩端設計了不同方向傾斜表面的特征結構，前端邊緣為內凹C 形，外表斜面上設置了1 處U 形開口、1 處側面凸臺，內表垂直側面上設置了2 處異形倒扣；后端邊緣外翹位置設置了2 處凸臺。產品技術要求：（1）外表面要求美觀光滑，不允許有澆口痕跡；（2）壁厚不均，最小1 mm，最大6 mm；（3）多處形成與開模方向不一致的倒扣；（4）保證與其他結構件的裝配性。因此，模具設計的關鍵點是如何使產品順利脫模，如何通過冷卻系統(tǒng)來控制模具溫度，減小翹曲變形［5］。

圖1 汽車馬鞍蓋板產品結構Fig.1 Structure of saddle cover panels of cars

從圖1汽車馬鞍蓋板產品結構分析可知，塑件成型關鍵之一是兩端的結構形狀和內部的異形倒扣，模具要實現(xiàn)所有表面的順利脫模，需要在前端邊緣內凹C形處設計前模外撥塊滑塊，前端外表斜面?zhèn)让嫱古_處設計前模內撥塊滑塊，后端邊緣外翹凸臺處設計后模斜導柱大滑塊，內表側面異形倒扣處設計斜頂，如圖2所示。

圖2 成型零部件結構Fig.2 Structure of molded components

塑件成型關鍵之二是防止產品的細部結構，比如凸臺、斜面、倒扣等變形過大，影響制品的形位尺寸穩(wěn)定性，造成產品裝配困難。為了減小產品的翹曲變形、控制模具溫度、判別冷卻系統(tǒng)設計的正確性，保證注塑產品的質量，本設計采用Moldflow 軟件模流分析冷卻效果，劃分產品網格，創(chuàng)建CAE 分析模型。首先將IGES格式的汽車馬鞍蓋板模型導入Moldflow CAD Doctor 軟件中進行3D 數(shù)據(jù)修復，修復完成后輸出UDM 格式文檔，然后導入Moldflow Insight 軟件建立的項目工程中進行雙層面網格劃分和網格修復，網格實體計數(shù)三角形單元為66 296 個，節(jié)點為33 157 個，最大縱橫比為8，匹配百分比為94.2 %，無自由邊、多重邊、配向不正確單元、相交單元和完全重疊單元，完全滿足計算分析要求［6］

2 成型澆注系統(tǒng)設計

汽車馬鞍蓋板是汽車內飾件，對外表質量要求較高，不能出現(xiàn)澆口印、縮水痕等注塑缺陷［7］，考慮塑件本身及其成型零部件在模具中的位置，只能在前后兩端邊緣部位設計潛伏式澆口。在Moldflow軟件中選取塑件內外表面為邊界條件的限制性澆口節(jié)點，設置分析序列為澆口位置，得到最佳澆口位置在后端外翹凸臺邊緣處。本次模具采用一模兩穴排布，為了降低產品注射成型內應力、縮短成型周期、提高表面美觀度，為此選用熱流道系統(tǒng)，在項目工程中添加模具澆注系統(tǒng)IGES 曲線，創(chuàng)建柱體單元，設置熱流道為主流道，冷流道為分流道的熱轉冷走膠方式［8］，成型澆注系統(tǒng)設計如圖3 所示。熱噴嘴管徑設計為?12 mm，倒錐形主流道的上端直徑設計為?2 mm，下端與冷流道相接處設計為?5 mm，圓形分流道直徑采用逐級遞減設計，直徑從“?8 mm→?6 mm→?5 mm→?4 mm”，錐形潛伏澆口始端直徑為4 mm，末端為2 mm。

圖3 澆注系統(tǒng)Fig.3 Runner system

3 冷卻系統(tǒng)設計

3.1 常規(guī)運水設計

第一種冷卻系統(tǒng)設計為模具中的常規(guī)運水設計，在模具的型腔和型芯部位設置冷卻水路，采用2 進2出、單層平面雙回路的平衡布局，建立常規(guī)運水設計模型如圖4 所示。水路采用打相交直孔，加上密封圈、水嘴、堵頭等控制冷卻水流向、流量及流速的方法形成模內回路。模具型腔冷卻水道直徑為?10 mm，與前模內、外撥塊間距為10 mm，離塑件外表面最近距離為15 mm；模具型芯冷卻水道直徑為?10 mm，設計與推塊推桿、頂針和斜頂桿之間間距為10 mm，至塑件內表面最近距離為15 mm，冷卻液的入口溫度設置為25 ℃，水介質的雷諾數(shù)設置為10 000，入口位置設置在離澆口近處，形成由內向外流向的冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。

圖4 常規(guī)運水設計Fig.4 Traditional cooling channel design

3.2 隨形運水設計

第二種冷卻系統(tǒng)設計為模具中的隨形運水設計，隨形運水設計的冷卻水路布置是根據(jù)塑件在模具中的位置和結構形狀進行水道布置，如圖5所示。模具隨形冷卻水路與前模抽芯機構和后模頂出機構不會產生干涉，水路制造可以通過鉆孔加工實現(xiàn)。圖6為隨形運水設計的CAE 方案，由于塑件在模具中的斜度較大，模具型腔冷卻水路采用2 進2 出沿塑件外表面斜度方向排布，能夠使型芯表面的溫度得到均勻冷卻，型芯水道直徑設計為?10 mm，水道離塑件外表面最近距離為10 mm；模具型腔冷卻水路采用“輪廓外形水路+隔板式水路+后?；瑝K水路”的8 進8 出循環(huán)排布，冷卻水道直徑為?10 mm，至塑件內表面最近距離為20 mm，并設置隔水板直徑為15 mm、熱傳導系數(shù)為0.5，冷卻液入口位置及冷卻介質控制參數(shù)與常規(guī)運水設計一致。

圖5 隨形冷卻水路Fig.5 The form cooling waterway

圖6 隨形運水設計Fig.6 Conformal cooling channel design

4 模流結果分析

汽車馬鞍蓋板產品成型材料選用了上海普利特復合材料股份有限公司的改性聚丙烯（PP/EPDM）材料，牌號為PP+EPDM-T20，它是由聚丙烯（PP）、三元乙丙橡膠（EPDM）和20 %的滑石粉（T）聚合而制得的一種熱塑性樹脂。注塑過程模流仿真分析序列選擇“冷卻+填充+保壓+翹曲”［11］，改性PP 推薦工藝條件：模具表面溫度40 ℃，開模時間設為5 s，熔體溫度220 ℃，頂出溫度115 ℃，“注射+保壓+冷卻”時間設為30 s，絕對最大熔體溫度290 ℃，自動充填、自動速度/壓力切換，保壓控制為%填充壓力與時間，其他參數(shù)默認進行模流仿真計算分析。

4.1 冷卻系統(tǒng)對零件溫度的影響

對不同運水設計冷卻模擬分析，模擬結果顯示隨形運水設計產品中心溫度70.2 ℃，比常規(guī)運水設計中心溫度80.9 ℃降低了10.7 ℃，為了進一步分析隨形運水冷卻系統(tǒng)的冷卻效果，選取產品表面中心C點、左側L 點和右側R 點，查看零件表面溫度并繪制中心C 點、兩側L 點和R 點的溫度曲線，如圖7 所示，X軸為名義厚度，對于汽車馬鞍蓋板雙層面模型，+1表示所選取的表面單元，-1 表示與其相對應的另一側上的匹配單元；Y軸為零件溫度，曲線上的各點反應產品在厚度方向上溫度變化。從圖中一方面可以看出，產品中心C 點、兩側L 點和R 點的最高溫度差維持在5 ℃以內，這說明隨形運水設計的冷卻水流經模具型芯、型腔各區(qū)域時，零件中心和兩側的溫度差異小，冷卻效果佳；另一方面，為了減少翹曲變形和縮痕，查看產品中心C 點、兩側L 點和R 點中任意一條溫度曲線的兩個端點溫度差均維持在10 ℃以內，注射成型質量較好，這是由于隨形運水設計的水路傳熱面積大、傳熱效率高且水路排布與產品內外表面緊密貼合。

4.2 冷卻系統(tǒng)對零件達到頂出溫度的時間影響

常規(guī)運水設計和隨形運水設計的模具冷卻系統(tǒng)使塑件達到頂出溫度時間的模擬分析結果，如圖8 所示。當零件達到頂出溫度115 ℃時，常規(guī)運水設計需要43.08 s，隨形運水設計需要36.49 s，隨形運水設計與常規(guī)運水設計模具相比，冷卻時間縮短了17 %，由于隨形運水設計的水路將零件頂面、底面和端面都包絡了，使零件內外表面各區(qū)域的溫度相對均勻，特別是采用隔水板對零件內部進行了局部強冷，減少了高溫區(qū)域，因此，模具冷卻系統(tǒng)采用隨形運水設計排布，零件達到頂出溫度的冷卻時間短，冷卻優(yōu)勢明顯，有效減少了注射成型周期，提高了成型效率。

4.3 冷卻系統(tǒng)對翹曲變形的影響

翹曲變形容易造外觀間隙不一致，嚴重影響產品美觀，嚴重的翹曲變形會影響產品的裝配，甚至會影響產品的功能、性能和可靠性。兩種不同運水設計形式的翹曲變形模流分析結果，如表1 所示。由表1 可知，兩種冷卻方案中產品在X、Z兩個方向的變形差分別為0.019、0.013 mm，變形差異值較小，說明這兩個方向的變形不是由冷卻不均勻效應引起的，更改冷卻水路管線布局無法對翹曲變形產生明顯影響；而Y方向變形量受到水路管線布局的影響較大，Y方向的翹曲變形分布如圖9 所示，變形差為0.085 mm，變形差異值較大，采用隨形運水設計的變形優(yōu)化率達到20.53 %，總變形量下降了38.61 %，這是由于隨形運水設計的模具冷卻系統(tǒng)對汽車馬鞍蓋板產品的內外側、前后端和邊緣區(qū)造成的溫差變化小，產生的不均勻收縮減小，有效緩解了模腔內的冷卻差異。

表1 不同運水設計形式的翹曲變形對比Tab.1 Comparison of warping deformation by different cooling channel designs

圖9 Y方向的翹曲變形Fig.9 Warping in the Y direction

5 注塑模具結構設計

5.1 模具3D設計

如圖10所示為汽車馬鞍蓋板的熱流道隨形運水注射模具結構，該模具采用一模兩腔布局，選用兩板式標準模架，模架外形尺寸為550 mm×450 mm×500 mm，設計模具扣機結構來實現(xiàn)對各模板開模順序的控制，機械式扣機機構由拉鉤桿40、擋塊42、擋塊復位彈簧43、控制桿44 等元件組成，順序開模過程是在動模板6的驅動下，固定在動模板6 上的拉鉤桿40 利用擋塊拉動定模板15 和定模座板17 第一次分開開模面Ⅰ，當固定在定模座板17 上的控制桿44 碰到擋塊42 時，擋塊42推動擋塊復位彈簧43縮進，拉鉤桿40脫離擋塊42，將繼續(xù)驅動使動模板6和定模板15第二次分開開模面Ⅱ。

圖10 注塑模具結構Fig.10 Injection mold structure

模具定模部分由定模板15、定模座板17、隔熱板18、內撥塊滑塊機構和外撥塊滑塊機構構成。內撥塊滑塊機構主要由內滑塊座19、內撥塊20、前模內滑塊鑲件23 等零件構成；外撥塊滑塊機構主要由前模外撥塊24、前模外滑塊座25、前模外滑塊鑲件27、撥塊耐磨塊28 等零件構成。內、外撥塊滑塊機構的脫模是在第一次分開開模面Ⅰ的同時，裝在定模座板17上傾角16°的內撥塊20和傾角9°的外撥塊24帶動下，內滑塊座19和外滑塊座25 沿垂直于開模面Ⅰ的方向運動，從而實現(xiàn)滑塊抽芯脫模。

模具動模部分由動模座板1、墊塊5、動模板6、斜導柱滑塊機構和斜頂機構構成。斜導柱滑塊機構主要由斜導柱8、大滑塊座9、耐磨塊10、大滑塊鑲件11、壓緊塊12、鎖緊塊13 等零件構成；斜頂機構主要由斜頂桿50、導向塊52、斜頂座54 等零件構成。斜導柱滑塊機構和斜頂機構的脫模是在第二次分開開模面Ⅱ的同時，裝在定模鎖緊塊13內的斜導柱8帶大滑塊座9和大滑塊鑲件11 一起沿斜導柱的斜度方向移動脫模，斜頂機構的斜頂座54 安裝在推件固定板3 上，通過注塑機頂桿推出動作推動斜頂桿50實現(xiàn)塑件異形倒扣成型并輔助塑件頂出，完成抽芯。

模具采用“頂針+推塊”的聯(lián)合頂出機構，其中每個腔設置有4根?8 mm直徑的頂針37、2根?8 mm直徑的推塊推桿36 和2 個推塊。兩者搭配使用，可以順利完成產品的頂出功能。

5.2 模具工作原理

熔體狀態(tài)的改性聚丙烯塑料經熱流道噴嘴47進入冷分流道，流向潛伏式澆口注入模具型腔成型汽車馬鞍蓋板產品。經射膠充填、注塑保壓、高溫熔體冷卻凝固后，注塑機拉動動模座板1使模具依次打開開模面Ⅰ和開模面Ⅱ。在開模面Ⅰ打開過程中，內撥塊20 和前模外撥塊24 分別撥動內滑塊座19 和前模外滑塊座25進行側向抽芯。開模面Ⅰ打開50 mm 后，定模板15 和動模板6 分開開模面Ⅱ，在開模面Ⅱ打開瞬間，斜導柱8 帶動大滑塊座9 進行開模動作，實現(xiàn)滑塊抽芯脫模，開模面Ⅱ打開200 mm后，注塑機頂棍開始推動推板2，推件固定板3推動推桿36、頂針37，帶動斜頂座54推動斜頂桿50實現(xiàn)脫模和頂出產品，塑件取出以后再閉模，等待進行下一次注塑過程。

6 結論

（1）利用Moldflow軟件模擬注塑過程，對比分析模具冷卻系統(tǒng)的常規(guī)運水設計和隨形運水設計2種冷卻水路的冷卻效果，相比常規(guī)運水設計，隨形運水設計模具冷卻系統(tǒng)方案中產品中心C點、兩側L點和R點的最高溫度差維持在5 ℃以內，任意溫度曲線兩個端點溫度差均維持在10 ℃以內，主要原因是隨形運水設計的水路傳熱面積大、傳熱效率高、冷卻效果佳，溫度分布均勻性好。

（2）相比常規(guī)運水設計，隨形運水設計的模具冷卻系統(tǒng)使塑件達到頂出溫度的冷卻時間縮短了17 %，主要原因是隨形運水設計采用隔水板對零件內部進行了局部強冷，減少了高溫區(qū)域。

（3）相比常規(guī)運水設計，隨形運水設計的模具冷卻系統(tǒng)可使塑件總體翹曲變形量下降38.61 %，產品在X、Y、Z3個方面的翹曲變形量控制在0.4 mm。

（4）在前模上設計內、外撥塊滑塊機構，巧妙解決了汽車馬鞍蓋板產品前端倒扣問題，采用后模整體式斜頂機構，有效解決了汽車馬鞍蓋板產品異形倒扣的脫模變形的問題，在模架兩側分別設置2個機械式扣機機構，順利地實現(xiàn)了兩板式熱流道注射模具的開模順序控制，這是該模具的最大創(chuàng)新點。