注塑模具異形冷卻水道Moldflow優化設計

朱明 朱榮華 唐維雄 陳新

摘 要：注塑模具冷卻水道受加工方法的限制，塑件在冷卻過程中易產生熱點，使產品冷卻不均勻而引變形和表面質量問題。采用3D打印技術制造的模具，其內部異形冷卻水道更靠近模具的冷卻表面，從而提高了熱量轉移到冷卻水的效率。基于Moldflow模擬軟件對傳統的冷卻水道設計和隨形冷卻水道設計進行了模具和產品溫度場、冷卻時間的對比，從而為冷卻水道的優化設計提供依據。

關鍵詞：異形冷卻水道；Moldflow；隨形冷卻；3D打印

中圖分類號：TQ320.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0096-03

Abstract： The cooling water channel of injection mould is limited by the processing method， and the plastic parts are apt to produce hot spots in the cooling process， which makes the product cooling uneven and causes deformation and surface quality problems. The mold made by 3D printing technology， whose internal special cooling channel is closer to the cooling surface of the mould， improves the efficiency of heat transfer to cooling water. Based on Moldflow simulation software， the design of traditional cooling channel and the design of conformal cooling channel are compared in terms of the mold and product temperature field and cooling time， thus providing the basis for the optimization design of cooling channel.

Keywords： special cooling channel； Moldflow； conformal cooling channel （CCC）； 3D printing

1 概述

隨著中國制造業的快速發展和全球經濟競爭的加劇，對模具工業提出了越來越高的要求。模具設計和制造的質量會大大影響產品的競爭力，注塑模具作為模具工業的重要組成部分，其質量顯得尤為重要。注塑模具的冷卻系統通常用來滿足注射成型工藝對模具溫度的要求，并保證塑料熔體的充模和制品的凝固冷卻，其在模具中具有非常重要的作用：加強冷卻、減少成型周期，降低生產成本；均勻冷卻，改善熱點，從而最大程度的減小產品冷卻不均勻而引起的變形和表面質量問題[1-2]。

傳統模具的冷卻通道由于加工工藝的限制，常以鉆孔方式制造，或采用高導熱性的材料制成銅、高強度燒結鎢或特殊的散熱孔、隔水片、噴泉管等，其圓管通道只能走直線、須避開結構或組裝原件，而模具一般都有曲面，因此冷卻通道的設計極受限制，無法保證模具整體的冷卻效率一致。近年來，隨著3D打印技術在模具制造中的應用，模具冷卻系統的制造進入了一個新的時代——隨形冷卻[3]。隨形冷卻技術不僅可以使模具局部溫度降低或達到均溫之外，還可對模具進行更快速的冷卻，這樣可提高脫模速率和減少成型周期，并且不會因時間縮短而有殘余應力及翹曲等問題發生。

隨形冷卻是在統一連續的方式下快速地降低塑件的溫度，如圖1所示。在隨形冷卻的模具內部布滿了異形冷卻通道，注塑件在模具中充分冷卻，然后從模具中分離出來。任何熱點都會延遲注塑件的注塑周期[4-5]，可能會導致拆卸后注塑件的翹曲和下沉痕跡，并可能損害組件表面的質量。因此根據塑件的形狀和成型工藝特點進行冷卻水道的優化設計，成為提高模具成型質量的重要手段。

2 冷卻水路方案的設計

以LED燈座的注塑件為例（如圖2所示），零件的最大外形尺寸：外圓直徑為170mm，高度為133mm，壁厚分布均勻，厚度為3mm，塑件的脫模斜度為1°，材料為聚碳酸酯（PC），塑料熔體溫度高且熔體黏度大，需嚴格控制模具溫度，一般在70～120℃為宜。注塑產品為LED燈座，塑件產品表面質量要求高，外觀要求美觀，無斑點和熔接痕。

LED燈座塑件的結構為回轉體塑件，塑件結構中存在四個卡扣，需要設置斜頂來進行抽芯，同時燈座頂部凹陷部分較狹窄，因此對冷卻水道的布置有一定的限制，冷卻的難點在于此。對于凹模內的冷卻水道，按傳統的方法一般在產品周圍的凹模內設置多條冷卻水道（隔水板式冷卻水道），在冷卻過程中型腔上部靠近燈座凹陷位置容易產生熱點（如圖3所示），造成冷卻不均勻，從而引起翹曲形變。

因此，按照傳統方法進行冷卻不能從根本上解決LED燈座冷卻緩慢及不均的問題。為改善LED燈座塑件的冷卻效率及效果，采用隨形冷卻的方法進行燈座塑件的冷卻，即沿著LED燈座的外形空間分布來設置隨形冷卻水道。LED燈座注塑模具可設計成鑲拼式結構，以便于加工。對于傳統冷卻水道設計方案，冷卻水道采用傳統的圓環狀管道+隔水板。對于隨形冷卻水道設計方案，冷卻水道采用螺旋形隨形冷卻管道，冷卻水路方案如圖4所示。

3 基于Moldflow的冷卻方案比較

冷卻分析：

采用Moldflow軟件分別對燈座塑件、冷卻水道、澆注系統進行3D網格劃分，并進行冷卻分析。分析時采用的工藝參數為：開模時間為5s，注射+保壓+冷卻時間為40s，熔體溫度為300℃，冷卻水溫度為25℃，模具溫度設置為均勻，最大表面溫度為70℃。通過冷卻模擬分析，得到各方案的冷卻時間、注塑件表面溫度分布分別如圖5a、b所示。

對于該燈座塑件，決定其冷卻時間長短和產品溫度分布的關鍵在于燈座上部的狹窄區域的冷卻。由圖5a可知，傳統冷卻水道的設計采用隔水板或噴泉式冷卻水道，所以在產品的狹窄區域，這種冷卻水道易接近模具凹陷的冷卻表面，獲得較好的溫度分布，但在燈座外邊面的冷卻過程中，溫度分布不均勻，接近隔水板或噴泉式冷卻水道的產品表面溫度較低，而遠離該冷卻水道的產品表面溫度較高，要獲得均勻的冷卻效果就需要加大隔水板或噴泉式冷卻水道的布置密度。而隨形冷卻，可以統一連續的方式快速地降低塑件的溫度，從而獲得較好的冷卻溫度分布（如圖 5a所示的產品外邊面溫度分布）；而由于冷卻管道的可達性，在一些狹窄區域（如圖 5b產品上部凹腔部位溫度分布），較難布置隨形冷卻管道，造成冷卻效果較差，因此需要將隨形冷卻與隔水板或噴泉式冷卻水道方案相結合來獲得較好的冷卻效果。

改進的LED燈座冷卻水道布置方案如圖6所示，采用隨形冷卻方案與隔水板相結合的方法，該方案綜合了傳統冷卻水道方案中隔水板在狹窄區域易布置的特點，彌補了隨形冷卻方案的缺點，產品塑件冷卻表面的溫度分布如圖7所示。改進方案與隨形冷卻方案相比，最高溫度降低約7度，同時狹窄區域的溫度分布更均勻，比隨形冷卻方案低約5.6度，從而獲得了較好的冷卻效果。

4 結束語

通過Moldflow軟件對傳統方法設計的冷卻水道以及隨形冷卻方法設計的冷卻水道的冷卻效果的對比可以看出，隨形冷卻由于緊靠產品表面的冷卻表面，冷卻效率更高。但是在產品中的狹窄區域，傳統的冷卻水道如隔水片、噴泉管等又顯示出其優勢，通過模擬結果的對比，為實際應用的冷卻水道設計方法提供參考依據。

參考文獻：

[1]馮剛，田雅萍，張朝閣.注塑模具冷卻系統的關鍵技術及研究進展[J].工程塑料應用，2014，9（42）：115-119.

[2]宋珂，胡青春，姜曉平.注塑模具冷卻水道排布優化設計[J].塑料工業，2014，12（42）：45-48.

[3]譚景煥，劉斌，吳成龍.基于Moldflow和3D打印的注塑模具隨形冷卻水道設計[J].塑料工業，2015，2：45-48.

[4]史玉升，伍志剛，魏青松，等.隨形冷卻對注塑成型和生產效率的影響[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007，35（3）：60-62.

[5]伍志剛.隨形冷卻注塑模的設計與制造關鍵技術研究[D].華中科技大學，2007.