郭東海，馮 濤，段國慶，包洪彬，吳朋越

（北京易加三維科技有限公司，北京102206）

注塑模具的冷卻效果決定了注塑成本及產(chǎn)品質(zhì)量，而冷卻的核心是在模具型腔周圍設(shè)置適合的冷卻管道。隨形冷卻水道能實(shí)現(xiàn)均勻、快速的冷卻，與傳統(tǒng)冷卻方式相比，其水道形狀隨注塑制品外形的變化而變化，能有效解決傳統(tǒng)冷卻水道與模具型腔表面距離不一致的問題，使注塑制品冷卻得更均勻，冷卻效率更高[1-4]。

美國學(xué)者Sachs在1997年提出了注塑模具隨形冷卻技術(shù)，認(rèn)為其將成為3D打印領(lǐng)域最主要的應(yīng)用之一[5]。該技術(shù)由三維數(shù)字模型直接成形任意復(fù)雜的實(shí)體機(jī)構(gòu)，在多品種、小批量模具產(chǎn)品生產(chǎn)方面具有顯著的效率和成本優(yōu)勢。利用該技術(shù)制造隨形冷卻模具，不僅簡化了制造工藝，同時(shí)也方便了隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，隨形性更為理想。本文以某PP手柄的注塑模具為研究對象，設(shè)計(jì)了3種手柄模芯的隨形冷卻方案，通過模流分析軟件對方案進(jìn)行優(yōu)選，并最終在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。與傳統(tǒng)冷卻方式相比，冷卻效率和產(chǎn)品質(zhì)量均得到了較大的提升。

1 傳統(tǒng)水路存在的問題

圖1是某手柄塑件結(jié)構(gòu)。手柄高度為180 mm，手柄外側(cè)壁厚較均勻，平均厚度為2 mm，最厚處達(dá)3.6 mm（圖1所示A處），最薄處為手柄內(nèi)部4處肋板，厚度為0.7 mm（圖1所示B處），頂部有一圓孔，直徑為5 mm（圖1所示C處），手柄內(nèi)腔直徑由下至上逐漸變小，脫模斜度為1°。該產(chǎn)品要求裝配圓孔尺寸精度高、變形量小，肋板處表面光滑、無毛刺，所用注塑材料為聚丙烯（PP）。

圖1 塑件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

該手柄外部結(jié)構(gòu)較簡單，但內(nèi)部有132 mm深腔，頂部溫度場較高，嚴(yán)重影響成形周期和尺寸精度，且內(nèi)部肋板及圓孔處極易因冷卻不均而導(dǎo)致尺寸變形，不利于產(chǎn)品脫模及后期裝配。如圖2所示，產(chǎn)品最初采用傳統(tǒng)注塑方式進(jìn)行模具注塑成形。對于模具型腔部位，冷卻方式為在其底部鋪設(shè)多條交叉的冷卻水道；對于型芯部位，采用噴泉式冷卻回路方式，進(jìn)水口直徑為4 mm，出水口直徑為8 mm，冷卻高度為50 mm。同時(shí)，水路以上部位被肋板分割成4片，壁厚較薄，傳統(tǒng)機(jī)加工方法無法在該部位鋪設(shè)管路，導(dǎo)致型腔表面各部分與冷卻管道的距離不相等，離冷卻管道距離近的部分傳熱快、冷卻效率高，離冷卻管道距離遠(yuǎn)的部分傳熱慢、冷卻效率低，致使塑件的各部位冷卻不均勻，從而產(chǎn)生翹曲變形，降低了塑件尺寸精度。特別是手柄頂部的深腔處、肋板處基本處于無冷卻狀態(tài)，使肋板處和裝配孔處出現(xiàn)了嚴(yán)重的變形及飛邊，且肋板處的變形會(huì)導(dǎo)致脫?？F(xiàn)象，圓孔處的變形會(huì)導(dǎo)致裝配失敗。

圖2 傳統(tǒng)冷卻水路及產(chǎn)品圖

此外，由于注塑成形過程中要求型腔內(nèi)的塑件平均溫度降低到規(guī)定的開模溫度以下才能開模取件，冷卻效率低的部位導(dǎo)致了整個(gè)塑件的冷卻效率降低，延長了注塑周期。因此，按傳統(tǒng)的冷卻方式無法解決上述部位無冷卻、冷速慢、不均勻的問題，為了提高冷卻效果，本文對型芯部位采用隨形冷卻水道的方式。

2 隨形冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬分析

2.1 隨形冷卻水道的設(shè)計(jì)

SLM隨形冷卻水路可制作任意復(fù)雜形狀的水路結(jié)果。為保證冷卻效果，對于型腔淺的模具可直接采用偏置型腔表面輪廓線的方法獲得隨形冷卻管道的中心線；對于型芯較高的情況，一般采用螺旋式冷卻水道或拆分成多個(gè)部分的組合式冷卻水道；對于外部形狀較復(fù)雜的曲面件，可采用切面法，利用多個(gè)新建的平面與模具型腔表面的交線建立冷卻水道，該方法可獲得與型腔表面幾何形狀相符程度高的隨形冷卻管道。SLM隨形冷卻水道的截面形狀也具有多樣性，常見的如圓形、橢圓形、U形等。

為縮短模具整體制造周期，制定方案時(shí)不改動(dòng)鑲件中的水路進(jìn)、出水口的尺寸及位置，只對內(nèi)部水路的結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改。由于該塑件屬深腔類產(chǎn)品，所以在型芯隨形冷卻水道設(shè)計(jì)時(shí)，采用了螺旋式或組合式的冷卻水道。為減小熱應(yīng)力積累對模具使用壽命的影響，以及更好地控制模具壁面溫度，選取了圓形截面積的水道。在水道尺寸方面，肋板以下部位的冷卻水道直徑為4 mm，肋板以上部位的型芯被分割為兩兩對稱的薄壁結(jié)構(gòu)，其中左、右兩側(cè)只能鋪設(shè)直徑3 mm的水道，而前、后兩側(cè)若鋪設(shè)水道，直徑小于2 mm則可能造成后續(xù)運(yùn)水堵塞，故該處不鋪設(shè)水道。由此設(shè)計(jì)了3種隨形冷卻水道方案（圖 3）：

（1）冷卻水路采用3路進(jìn)水口、3路出水口的方式。其中，3路進(jìn)水口交匯于鑲件底部進(jìn)水口處（圖3b）；

（2）冷卻水路采用1路進(jìn)水口、1路出水口的方式（圖 3c）；

（3）冷卻水路采用3路進(jìn)水口、3路出水口的方式。其中，底部進(jìn)水口上方連接一個(gè)梭形進(jìn)水管路，3路進(jìn)水口源于該梭形管路上部（圖3d）。

圖3 不同冷卻方案示意圖

2.2 冷卻效果分析

對于上述3種冷卻設(shè)計(jì)方案，用模流軟件進(jìn)行冷卻模擬分析，所建模型見圖4，分析時(shí)采用的工藝設(shè)定參數(shù)見表1。通過冷卻分析，各方案的冷卻時(shí)間、型芯頂部表面溫度和冷卻水路壓力的模擬結(jié)果分別見圖5。

表1 模流分析工藝設(shè)定參數(shù)表

圖4 模流分析模型圖

圖5 不同方案的模擬冷卻數(shù)據(jù)

從圖5a可看出，3組隨形冷卻方案的冷卻時(shí)間均在32 s左右，差別不大；但對比于傳統(tǒng)冷卻水路的37 s，冷卻效率提高13.5%，這主要是對于該塑件產(chǎn)品，決定冷卻時(shí)間長短的關(guān)鍵在于頂部深腔處的冷卻，而隨形冷卻水路在深腔處有冷卻水道，故其冷卻時(shí)間更短。其中，方案3的冷卻時(shí)間最短，是由于其采用了3路進(jìn)水口螺旋式隨形冷卻水路，在更貼合產(chǎn)品形狀的同時(shí)，具有較大的水路壓力，使得冷卻效果最佳。

由于該型芯的冷卻關(guān)鍵部位為頂部，在該區(qū)域選取2個(gè)對稱點(diǎn)（圖2a所示A和B），對比分析其在一個(gè)模具周期內(nèi)的溫度。從圖5b可看出，3種隨形冷卻方案的溫度在15～17℃之間，分布寬度在0.8℃以內(nèi)，而傳統(tǒng)水路在該處的溫度分別為73.1、82.6℃，說明隨形冷卻水路可大幅提高冷卻效果和冷卻的均勻性。同時(shí)，方案3的優(yōu)勢最突出。

從圖5c可看出，隨形冷卻水路壓力低于傳統(tǒng)水路壓力，入水口較多的隨形冷卻水路壓力高于入水口較少的，水道流程較長的水路壓力低于流程較短的。這是由于隨形冷卻水路管徑較小，單路進(jìn)出水口流程較長，尤其是螺旋水路較曲折，水流流動(dòng)過程中受到的阻力較大，從而導(dǎo)致水路壓力降低。

分析可知，隨形冷卻具有較高的冷卻效率，冷卻均勻性很好，且模具壁面溫度接近冷卻水溫度。這是由于冷卻水道更貼近型芯和型腔壁面，隨形冷卻的覆蓋面幾乎包括塑件的所有區(qū)域，模具與冷卻水的熱量交換快，所以冷卻效果得到很大的提升。此外，隨形冷卻水道的壓力損失較大，因此通入冷卻水時(shí)需用更大的泵供送壓力。

3 模具制造及應(yīng)用

3.1 模具制造

根據(jù)上述分析結(jié)果，選取冷卻效果最佳的方案3，對帶有隨形冷卻流道的鑲件部位采用SLM技術(shù)進(jìn)行制造，并替換帶有傳統(tǒng)水路的鑲件?？紤]到塑件的結(jié)構(gòu)特征、使用環(huán)境、質(zhì)量要求及SLM工藝特點(diǎn)，鑲件打印成形后，需進(jìn)行熱處理以滿足使用要求，之后還需對表面進(jìn)行機(jī)械加工、拋光以提高表面光潔度。因此，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，需預(yù)留足夠的加工余量，本套模具設(shè)計(jì)余量為0.6 mm。

模具鑲件制造設(shè)備采用自主研發(fā)的EP-M250型金屬3D打印機(jī)（圖6a），其搭載500 W光纖激光器，最大成形尺寸為250 mm×250 mm×300 mm。成形材料選用與原鑲件材質(zhì)相近的18Ni300馬氏體時(shí)效鋼粉末，成形時(shí)的層厚為40 μm，激光功率為460 W，掃描速度為1.7 m/s，成形后的鑲件見圖6b。本次成形鑲件共8個(gè)，成形時(shí)間為60 h。

圖6 成形設(shè)備及成形件

成形件經(jīng)線切割與基板分離后，需用壓縮氣體對內(nèi)部隨形管路中的粉末進(jìn)行清理，之后進(jìn)行時(shí)效熱處理以提高鑲件的強(qiáng)度及硬度，再通過機(jī)加工去除表面余量。為了保證脫模順利及提高產(chǎn)品精度，需對兩側(cè)及與肋板接觸的狹縫處采用鏡面電火花加工及手工拋磨的方法進(jìn)行拋光至鏡面A2級別，加工后的鑲件見圖7。

圖7 機(jī)械加工及拋光后鑲件圖

3.2 模具應(yīng)用

該套模具為一模六腔，將處理后的鑲件裝配至原始鑲件位置并應(yīng)用于注塑生產(chǎn)，圖8是模具裝配實(shí)物圖，注塑產(chǎn)品見圖9。

圖8 模具裝配實(shí)物圖

通過上述模擬分析得到冷卻時(shí)間為18 s，保壓時(shí)間為1 s，開合模時(shí)間為1 s，加上注射時(shí)間，注塑成形周期約為35 s，冷卻效率較傳統(tǒng)冷卻提高49%，注塑效率提高41%。經(jīng)現(xiàn)場試模生產(chǎn)，得到注塑成形周期內(nèi)的各階段時(shí)間，從表2可看出，冷卻效率較傳統(tǒng)模具提升54%，成形周期縮短36%，與模擬結(jié)果接近。同時(shí)，成形過程中未出現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部肋板變形而導(dǎo)致的脫模困難、飛邊、裝配孔變形等缺陷，說明隨形冷卻模具的冷卻均勻性較傳統(tǒng)模具也有較大的提升。

圖9 隨形冷卻產(chǎn)品圖

表2 隨形冷卻與傳統(tǒng)冷卻的各階段時(shí)間對比s

4 結(jié)論

（1）針對傳統(tǒng)模具注塑生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，針對模具鑲件設(shè)計(jì)了3種不同的隨行冷卻水道方案，并利用模流軟件對方案的冷卻時(shí)間、模具型腔表面溫度和冷卻水道壓力進(jìn)行了分析及優(yōu)選。

（2）隨形冷卻鑲件經(jīng)裝備用于注塑生產(chǎn)后，冷卻效率較傳統(tǒng)模具提升54%，成形周期縮短36%，與模擬結(jié)果接近，且塑件產(chǎn)品的翹曲變形、尺寸精度明顯改善，飛邊現(xiàn)象消失。

[1] 劉斌，譚景煥，吳成龍．基于3D打印的隨性冷卻水道注塑模具設(shè)計(jì)[J]．工程塑料應(yīng)用，2015，43（10）：71-74．

[2] WANG Y，YU K M，WANG C C L，et al．Automatic design of conformal cooling circuits for rapid tooling[J]．Computer Aided Design，2011，43（8）：1001-1010．

[3] DANG X P，PARK H S．Design of U-shape milled groove conformal cooling channels for plastic injection mold[J]．InternationalJournal of Precision Engineering and Manufacturing，2011，12（1）：73-84．

[4] 馮剛，張朝閣，江平．我國注塑模具關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]．塑料工業(yè)，2014，42（4）：16-19．

[5] SACHS E，WYLONIS E，ALLEN S，et al．Production of injection molding tooling with conformal cooling channels using the three dimension printing process[J]．Polymer Engineering and Science，2000，40（5）：1232-1247．