基于隨形水路的汽車煙缸缸體注塑優(yōu)化設(shè)計(jì)

方俊杰 吳 建

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蕪湖 241000）

塑料因其質(zhì)輕、耐腐蝕、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、電氣、日化、醫(yī)療等生產(chǎn)生活領(lǐng)域，且塑料制品的生產(chǎn)與銷售數(shù)量逐年增加。隨著人們消費(fèi)觀念的變化，僅僅滿足基本功能要求的塑件在市場(chǎng)上已不占優(yōu)勢(shì)，美觀的造型和良好的表面質(zhì)量逐漸成為消費(fèi)者選購時(shí)考慮的重點(diǎn)，這就對(duì)模具的設(shè)計(jì)和制造提出了更加嚴(yán)格的要求。塑料制品的質(zhì)量主要取決于成型模具的設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量，其次取決于合理的成型工藝[1]。在注射模具設(shè)計(jì)過程中，冷卻系統(tǒng)會(huì)直接影響成型過程中的模具溫度，因此其設(shè)計(jì)顯得極為重要。一方面，合適的模具溫度有助于塑料熔體獲得良好的流動(dòng)性，更易填充到模具的細(xì)小區(qū)域，使得塑件脫出后的翹曲變形更小，尺寸更加穩(wěn)定，表面質(zhì)量更高。另一方面，冷卻時(shí)間約占整個(gè)注射成型周期的75%，而合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以保證塑件各處冷卻時(shí)間一致，縮短成型周期，提高生產(chǎn)率，降低生 產(chǎn)成本[2]。

目前，注射成型模具中的冷卻水路大多仍為傳統(tǒng)水路。利用鉆床加工若干條直線型通道，結(jié)合堵頭形成環(huán)路，有時(shí)還會(huì)輔助以水井或噴流式冷卻通道等方式冷卻型芯部分[3]。這類水路設(shè)計(jì)加工難度較低，對(duì)形狀簡(jiǎn)單且規(guī)整的塑件冷卻效果較好，應(yīng)用范圍較廣。但是，對(duì)于一些曲面形狀復(fù)雜，壁厚不均勻的塑件，傳統(tǒng)冷卻方案很難保證水路中心與型腔內(nèi)壁之間的距離一致。厚壁處或距離遠(yuǎn)的地方冷卻慢、溫度高，薄壁處或距離近的地方冷卻快、溫度低，導(dǎo)致塑件各處冷卻不均，翹曲變形增大。

為解決冷卻不均的問題，可以將傳統(tǒng)的直線型水路變?yōu)榍€型，使其能夠依照塑件的內(nèi)外形均勻環(huán)繞在塑件四周形成隨形水路。受限于傳統(tǒng)機(jī)械加工方法，早期的隨形水路可通過埋管法或鑲拼法實(shí)現(xiàn)。前者是在模型中埋設(shè)預(yù)先彎制好的銅管，加工較簡(jiǎn)單，但水路靈活性較差；后者是使用銑床在型芯鑲塊上切削出預(yù)定路徑的溝槽，再通過裝配方式形成水路通道，加工時(shí)間較長(zhǎng)，工藝復(fù)雜，成本較高且易滲漏，后期維護(hù)煩瑣，故應(yīng)用較少[4]。隨著材料科學(xué)和增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用使得隨形水路的應(yīng)用更加廣泛[5]。本文以某型汽車煙缸缸體為對(duì)象，對(duì)比分析傳統(tǒng)與隨形冷卻兩種方案，以求優(yōu)化產(chǎn)品的冷卻效果，為后續(xù)模具設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 塑件結(jié)構(gòu)分析

該煙缸缸體為汽車內(nèi)飾件，材料為ABS，結(jié)構(gòu)如圖1所示。外形不規(guī)則，內(nèi)部為較大空腔，內(nèi)外表面均含有加強(qiáng)筋等細(xì)小結(jié)構(gòu)?？傮w尺寸為101 mm× 57 mm×81 mm，壁厚不均勻，其中底面及三面?zhèn)缺诒诤? mm，剩余較矮一面?zhèn)缺诒诤? mm。內(nèi)壁含有兩處凸起片狀結(jié)構(gòu)，使得該處局部壁厚約為4 mm。左右兩側(cè)外壁各有一個(gè)腰型槽，無法強(qiáng)制脫模，因此模具中需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的側(cè)抽結(jié)構(gòu)。因?yàn)楦左w內(nèi)表面為外觀面，質(zhì)量要求較高，不允許出現(xiàn)澆口及頂出痕跡，所以不適合在內(nèi)表面設(shè)計(jì)推桿脫模機(jī)構(gòu)，可改為推件板脫模機(jī)構(gòu)以保證外觀質(zhì)量。

2 Moldflow數(shù)值模擬

2.1 模型前處理

使用CAD Doctor軟件對(duì)煙缸缸體數(shù)模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，刪除影響網(wǎng)格劃分的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，之后導(dǎo)入Moldflow軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用雙層面網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長(zhǎng)為1.4 mm，網(wǎng)格數(shù)為67556，匹配百分比為94.2%，相互百分比為92.4%，符合分析要求。

該煙缸缸體基本尺寸中等，采用一模兩腔布局且塑件倒置。流動(dòng)阻力（圖2）分析結(jié)果顯示，它的底面流動(dòng)阻力較小，適合選為澆口位置，所以可在底面外側(cè)設(shè)計(jì)單個(gè)點(diǎn)澆口作為進(jìn)料位置。對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行合理性驗(yàn)證，結(jié)果顯示左右兩型腔充填一致性較好，且無短射情況，流動(dòng)前沿溫度如圖3所示，溫差為 2.7 ℃，小于3.0 ℃，適合進(jìn)行后續(xù)冷卻分析。

2.2 冷卻方案

根據(jù)該煙缸缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)傳統(tǒng)水路和隨形水路兩種冷卻方案，如圖4所示。傳統(tǒng)水路方案中型腔部分采用垂直相交的若干直線型水路并配合堵頭構(gòu)成環(huán)路，用于冷卻塑件的底面。由于塑件高度較矮一邊的側(cè)壁壁厚為3 mm，為加強(qiáng)該側(cè)壁的冷卻，另在模具左右各設(shè)計(jì)兩條水路用于輔助冷卻。型芯部分則采用直線型水路配合隔水板的方案。參考模具設(shè)計(jì)手冊(cè)，所有水路直徑均為8 mm，水路中心線距離塑件表面15 mm，隔水板直徑為12 mm，頂部距離塑件表面10 mm。

隨形水路可采用增材制造方式進(jìn)行加工，所以其水路路徑設(shè)計(jì)自由度較大。型腔部分依照塑件輪廓設(shè)計(jì)出彎折的水路1，用以均勻冷卻底面。型芯部分則依照塑件4個(gè)側(cè)壁的輪廓設(shè)計(jì)成往復(fù)型水路2。此外，為了均勻冷卻塑件較矮一邊側(cè)壁，設(shè)計(jì)了水路 3和水路4，并依照塑件外形單獨(dú)設(shè)計(jì)一條曲線型水路5，用以冷卻塑件的側(cè)凹部分。其中，水路1直徑為8 mm，水路2～水路5的直徑均為6 mm，水路 1中心線距離塑件表面15 mm，水路2～水路5的中心線距離塑件表面約為10 mm。

2.3 冷卻分析結(jié)果對(duì)比

分析材料選擇合肥Orinko公司生產(chǎn)的ABS-3030。根據(jù)材料的成型特性，部分工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示，冷卻時(shí)間采用軟件自動(dòng)計(jì)算。

達(dá)到頂出溫度的時(shí)間結(jié)果，如圖5所示。該結(jié)果直接反映了兩種冷卻方案的冷卻耗時(shí)，結(jié)果顯示傳統(tǒng)水路方案冷卻時(shí)間為44.42 s，隨形水路方案冷卻時(shí)間為39.69 s。相較于前者，后者的冷卻用時(shí)縮短了10.6%，表明隨形水路可以有效縮短成型周期，提高生產(chǎn)效率。塑件存在積熱點(diǎn)，位置如圖5（c）所示。該處壁厚過厚，加強(qiáng)冷卻效果有限，需要針對(duì)性修改塑件結(jié)構(gòu)以改善冷卻效果。

塑件溫度結(jié)果如圖6所示。該結(jié)果可體現(xiàn)塑件在冷卻周期內(nèi)的溫度變化范圍，溫差越大說明冷卻均勻程度越低。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)水路方案塑件溫差為35.47 ℃，隨形水路方案塑件溫差為21.29 ℃，表明采用隨形水路可提高塑件冷卻的均勻程度。

冷卻不均引起的變形結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，傳統(tǒng)水路方案因冷卻不均引起的變形量為0.1425 mm， 隨形水路方案因冷卻不均引起的變形量為0.0475 mm。 后者相較前者減小了約66.7%，表明采用隨形水路方案可以顯著降低塑件因冷卻不均勻而產(chǎn)生的翹曲變形。

3 結(jié)語

根據(jù)某汽車煙缸缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用一模兩腔，設(shè)計(jì)了含點(diǎn)澆口的澆注系統(tǒng)，分別對(duì)傳統(tǒng)水路冷卻方案和隨形水路冷卻方案的冷卻效果進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果顯示，相較于前者，隨形水路方案的冷卻時(shí)間縮短10.6%，塑件表面溫度均勻程度提高40.0%，因冷卻引起的翹曲變形量縮小66.7%?？梢?，采用隨形水路冷卻方案可以提高該塑件的注塑成型效率，改善其成型質(zhì)量。

分析結(jié)果為改進(jìn)塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。塑件冷卻過程中存在積熱點(diǎn)，原因是壁厚不均。局部壁厚過厚會(huì)延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，并增大收縮變形量。該處由于空間限制無法布置更有效的冷卻水路，需要針對(duì)分析結(jié)果修改塑件局部結(jié)構(gòu)，以保證成型質(zhì)量。