注塑模具异形冷却水道Moldflow优化设计

朱明 朱荣华 唐维雄 陈新

摘 要：注塑模具冷却水道受加工方法的限制，塑件在冷却过程中易产生热点，使产品冷却不均匀而引变形和表面质量问题。采用3D打印技术制造的模具，其内部异形冷却水道更靠近模具的冷却表面，从而提高了热量转移到冷却水的效率。基于Moldflow模拟软件对传统的冷却水道设计和随形冷却水道设计进行了模具和产品温度场、冷却时间的对比，从而为冷却水道的优化设计提供依据。

关键词：异形冷却水道；Moldflow；随形冷却；3D打印

中图分类号：TQ320.5 文献标志码：A 文章编号：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

随着中国制造业的快速发展和全球经济竞争的加剧，对模具工业提出了越来越高的要求。模具设计和制造的质量会大大影响产品的竞争力，注塑模具作为模具工业的重要组成部分，其质量显得尤为重要。注塑模具的冷却系统通常用来满足注射成型工艺对模具温度的要求，并保证塑料熔体的充模和制品的凝固冷却，其在模具中具有非常重要的作用：加强冷却、减少成型周期，降低生产成本；均匀冷却，改善热点，从而最大程度的减小产品冷却不均匀而引起的变形和表面质量问题[1-2]。

传统模具的冷却通道由于加工工艺的限制，常以钻孔方式制造，或采用高导热性的材料制成铜、高强度烧结钨或特殊的散热孔、隔水片、喷泉管等，其圆管通道只能走直线、须避开结构或组装原件，而模具一般都有曲面，因此冷却通道的设计极受限制，无法保证模具整体的冷却效率一致。近年来，随着3D打印技术在模具制造中的应用，模具冷却系统的制造进入了一个新的时代——随形冷却[3]。随形冷却技术不仅可以使模具局部温度降低或达到均温之外，还可对模具进行更快速的冷却，这样可提高脱模速率和减少成型周期，并且不会因时间缩短而有残余应力及翘曲等问题发生。

随形冷却是在统一连续的方式下快速地降低塑件的温度，如图1所示。在随形冷却的模具内部布满了异形冷却通道，注塑件在模具中充分冷却，然后从模具中分离出来。任何热点都会延迟注塑件的注塑周期[4-5]，可能会导致拆卸后注塑件的翘曲和下沉痕迹，并可能损害组件表面的质量。因此根据塑件的形状和成型工艺特点进行冷却水道的优化设计，成为提高模具成型质量的重要手段。

2 冷却水路方案的设计

以LED灯座的注塑件为例（如图2所示），零件的最大外形尺寸：外圆直径为170mm，高度为133mm，壁厚分布均匀，厚度为3mm，塑件的脱模斜度为1°，材料为聚碳酸酯（PC），塑料熔体温度高且熔体黏度大，需严格控制模具温度，一般在70～120℃为宜。注塑产品为LED灯座，塑件产品表面质量要求高，外观要求美观，无斑点和熔接痕。

LED灯座塑件的结构为回转体塑件，塑件结构中存在四个卡扣，需要设置斜顶来进行抽芯，同时灯座顶部凹陷部分较狭窄，因此对冷却水道的布置有一定的限制，冷却的难点在于此。对于凹模内的冷却水道，按传统的方法一般在产品周围的凹模内设置多条冷却水道（隔水板式冷却水道），在冷却过程中型腔上部靠近灯座凹陷位置容易产生热点（如图3所示），造成冷却不均匀，从而引起翘曲形变。

因此，按照传统方法进行冷却不能从根本上解决LED灯座冷却缓慢及不均的问题。为改善LED灯座塑件的冷却效率及效果，采用随形冷却的方法进行灯座塑件的冷却，即沿着LED灯座的外形空间分布来设置随形冷却水道。LED灯座注塑模具可设计成镶拼式结构，以便于加工。对于传统冷却水道设计方案，冷却水道采用传统的圆环状管道+隔水板。对于随形冷却水道设计方案，冷却水道采用螺旋形随形冷却管道，冷却水路方案如图4所示。

3 基于Moldflow的冷却方案比较

冷却分析：

采用Moldflow軟件分别对灯座塑件、冷却水道、浇注系统进行3D网格划分，并进行冷却分析。分析时采用的工艺参数为：开模时间为5s，注射+保压+冷却时间为40s，熔体温度为300℃，冷却水温度为25℃，模具温度设置为均匀，最大表面温度为70℃。通过冷却模拟分析，得到各方案的冷却时间、注塑件表面温度分布分别如图5a、b所示。

对于该灯座塑件，决定其冷却时间长短和产品温度分布的关键在于灯座上部的狭窄区域的冷却。由图5a可知，传统冷却水道的设计采用隔水板或喷泉式冷却水道，所以在产品的狭窄区域，这种冷却水道易接近模具凹陷的冷却表面，获得较好的温度分布，但在灯座外边面的冷却过程中，温度分布不均匀，接近隔水板或喷泉式冷却水道的产品表面温度较低，而远离该冷却水道的产品表面温度较高，要获得均匀的冷却效果就需要加大隔水板或喷泉式冷却水道的布置密度。而随形冷却，可以统一连续的方式快速地降低塑件的温度，从而获得较好的冷却温度分布（如图 5a所示的产品外边面温度分布）；而由于冷却管道的可达性，在一些狭窄区域（如图 5b产品上部凹腔部位温度分布），较难布置随形冷却管道，造成冷却效果较差，因此需要将随形冷却与隔水板或喷泉式冷却水道方案相结合来获得较好的冷却效果。

改进的LED灯座冷却水道布置方案如图6所示，采用随形冷却方案与隔水板相结合的方法，该方案综合了传统冷却水道方案中隔水板在狭窄区域易布置的特点，弥补了随形冷却方案的缺点，产品塑件冷却表面的温度分布如图7所示。改进方案与随形冷却方案相比，最高温度降低约7度，同时狭窄区域的温度分布更均匀，比随形冷却方案低约5.6度，从而获得了较好的冷却效果。

4 结束语

通过Moldflow软件对传统方法设计的冷却水道以及随形冷却方法设计的冷却水道的冷却效果的对比可以看出，随形冷却由于紧靠产品表面的冷却表面，冷却效率更高。但是在产品中的狭窄区域，传统的冷却水道如隔水片、喷泉管等又显示出其优势，通过模拟结果的对比，为实际应用的冷却水道设计方法提供参考依据。

参考文献：

[1]冯刚，田雅萍，张朝阁.注塑模具冷却系统的关键技术及研究进展[J].工程塑料应用，2014，9（42）：115-119.

[2]宋珂，胡青春，姜晓平.注塑模具冷却水道排布優化设计[J].塑料工业，2014，12（42）：45-48.

[3]谭景焕，刘斌，吴成龙.基于Moldflow和3D打印的注塑模具随形冷却水道设计[J].塑料工业，2015，2：45-48.

[4]史玉升，伍志刚，魏青松，等.随形冷却对注塑成型和生产效率的影响[J].华中科技大学学报（自然科学版），2007，35（3）：60-62.

[5]伍志刚.随形冷却注塑模的设计与制造关键技术研究[D].华中科技大学，2007.