彎曲形冷卻水道型芯的設(shè)計與探討

樓 易

隨著對熱固性塑料燒結(jié)法工藝原理的研究越來越深入，其成形模具設(shè)計也已經(jīng)由經(jīng)驗設(shè)計階段逐漸向理論技術(shù)設(shè)計方面發(fā)展，使得產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量都得到了很大的提高。點澆口可以使熔體的表觀黏度下降，流動性增加，有利于型腔的填充，對于薄壁零件有利［1－2］。而注塑模具對溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求：一是要能確定加熱或是冷卻；二是模具溫度要均一，塑件各部分能同時冷卻；三是采用低的模溫，能快速且大量通冷卻水。因此，采用任意曲線形冷卻水道，可最大限度地保證冷卻均勻［3－4］。但是，曲線形水道不能鉆孔，這種內(nèi)有彎曲冷卻水道的型芯用傳統(tǒng)的切削加工方法是不能實現(xiàn)的，所以，只好用直線孔代替。然而，即使是直線孔也要借助于一些工藝孔，鉆好后再封閉，這樣做太麻煩，費時費力。關(guān)于曲線冷卻孔加工也是有先例的［5］，方法是銑出螺旋水道后再套一個構(gòu)件，做成的組合內(nèi)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為此，本研究探索了采用選擇性激光燒結(jié)法（SLS）快速成形工藝。由于快速成形法燒結(jié)成形的材料通常為合成樹脂，無法承受注塑高溫，故繼而提出在快速成形法燒結(jié)成形的材料中混入鐵粉，以提高耐熱性。在材料中混入鐵粉，有別于原有的在快速成形法燒結(jié)成形的材料中混入金屬成分只是為了提高硬度［6］的做法。

1 模具的整體設(shè)計

以警燈燈罩為例，用激光燒結(jié)法的熱固性塑料成形模具的各設(shè)計視圖如圖1所示，其中，凹模的零件圖見圖2。

圖1 模具設(shè)計視圖Fig.1 Design view of mold

2 成形模具冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

由于警燈燈罩外形基本上都是曲面，采用傳統(tǒng)的冷卻水道會使塑料零件各處冷卻不均勻，致使塑料零件變形。所以，此處采用彎曲的冷卻水道，使零件高效冷卻且各處的冷卻速率相近。考慮到零件的形狀，為了使零件充分地冷卻，所以把冷卻水道設(shè)計在型芯中，如圖3所示。

根據(jù)經(jīng)驗，冷卻水口直徑取8 mm。另外，在設(shè)計模具冷卻系統(tǒng)的過程中，還應(yīng)同時遵循在澆口處加強冷卻。

這種內(nèi)有彎曲冷卻水道的型芯，不能用傳統(tǒng)的切削方法加工，本工藝采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)混加高分子黏結(jié)劑粉末的普通鐵粉成形注塑模具形坯，該方法綜合了快速成形制造技術(shù)的快捷性和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)自身的優(yōu)點，不僅可以縮短制造注塑模具的周期，而且能夠隨塑料件的形狀輪廓改變模具中的冷卻水道形狀。

圖2 凹模Fig.2 Concave die

圖3 內(nèi)置彎曲冷卻水道的型芯Fig.3 Core built－in curved cooling water channel

3 內(nèi)置彎曲冷卻水道型芯的加工

3.1 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)是采用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成形的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括：建立三維模型、對三維模型進行數(shù)據(jù)處理、鋪放粉料、激光燒結(jié)及后續(xù)處理等。

首先將鐵粉和ABS工程塑料按一定比例混合均勻，根據(jù)三維模型用激光束對混合粉末進行選擇性掃描，激光的作用使混合粉末中的黏結(jié)劑熔化并與金屬粉末黏結(jié)在一起，形成模具型芯的坯體。其工作原理見圖4。

圖4 選擇性激光燒結(jié)工作原理圖Fig.4 Working principle of selective laser sintering

加工過程是把混合粉末一層層燒結(jié)在一起，最后形成坯體，其大致流程如圖5所示。這時候的型芯坯體是一種多孔材料，它的強度與其密度相關(guān)，根據(jù)這一特性，可以通過成形較細的金屬粉末和減少黏結(jié)劑含量來提高坯體材料的致密度（本工藝采用10%的ABS工程塑料和90%的鐵粉），從而增加其強度。

圖5 坯體加工流程Fig.5 Process flow of mould

3.2 高溫?zé)Y(jié)

把坯體放在真空爐中進行高溫?zé)Y(jié)，可以提高坯體的強度。燒結(jié)的最高溫度為1 180℃。在800℃之前，以20℃／min的升溫速率較快加熱；800℃之后，以200℃／h的升溫速率加熱，直到1 180℃，并保溫1 h。燒結(jié)后形坯的孔隙度為46%左右，燒結(jié)坯的表面粗糙度Ra為2.5～5.0μm。高溫?zé)Y(jié)后還可以做適當(dāng)?shù)暮筇幚恚缃饘偃蹪B（如滲銅）等工序，來進一步加強型芯的強度和力學(xué)性能。這樣得到的零件就可以作為型芯來使用了。

4 結(jié) 語

采用彎曲的冷卻水道，使零件高效冷卻且各處的冷卻速率相近。采用選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)燒結(jié)混加高分子黏結(jié)劑粉末的普通鐵粉成形塑料模具形坯，克服了只能用直線對模具彎曲壁作近似曲面形狀的局限性，設(shè)計出能精確接近曲面形狀和性質(zhì)、能展開到一定階數(shù)的曲面高階冷卻方法，初步探討了可以實現(xiàn)2階或2階以上切觸的密切冷卻理論。

［1］ 朱光力.模具設(shè)計與制造實訓(xùn)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 屈昌華.塑料成形工藝與模具設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］ Fur u moto T，Ueda T，Amino T，et al.Finishing perfor mance of cooling channel with face pr ot uberance inside the molding die［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212（10）：2154－2160.

［4］ Ko D H ，Kang B H，Ko D C，et al.Improvement of mechanical pr operties of Al6061 extr udate by die cooling with N2gas during hot extrusion［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27（1）：153－161.

［5］ 馮炳蕘，蔣文森.模具設(shè)計與制造簡明手冊［M］.上海：科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［6］ 于千，白培康，王建宏.復(fù)合尼龍粉末激光燒結(jié)快速成形技術(shù)進展［J］.工程塑料應(yīng)用，2005（5）：43－48.