葉輪注塑模具隨形冷卻水道設(shè)計(jì)探討

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摘要:以某企業(yè)葉輪塑件為研究對(duì)象，針對(duì)塑件腔體內(nèi)部及柱位冷卻難度大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了葉輪注塑模具傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道方案，并進(jìn)行了模流分析及對(duì)比分析，結(jié)果表明，與葉輪注塑模具傳統(tǒng)冷卻水道方案相比，隨形冷卻水道方案的塑件表面溫差降低了22.1%，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間縮短了26.3%，柱位處頂出時(shí)的最大體積收縮率降低了30.6%，柱位處的翹曲變形值降低了51.7%。并且，根據(jù)隨形冷卻水道方案設(shè)計(jì)了葉輪注塑模具結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了試模驗(yàn)證。對(duì)比分析與試模驗(yàn)證結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的葉輪模具隨形冷卻水道有效地改善了塑件的冷卻效果，提高了塑件的生產(chǎn)效率，降低了塑件的體積收縮率和翹曲變形值，從而改善了塑件質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:注塑模具;隨形冷卻水道;冷卻水道設(shè)計(jì);模流分析;對(duì)比分析

注塑模具冷卻系統(tǒng)優(yōu)劣對(duì)塑件質(zhì)量、成型周期的影響較大。與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)相比，隨形冷卻系統(tǒng)的水道可以隨產(chǎn)品輪廓形狀變化而變化，因此，可以得到均勻的溫度分布和冷卻速率，從而實(shí)現(xiàn)均勻冷卻，達(dá)到有效提升冷卻效率、改善塑件外觀質(zhì)量、提高塑件尺寸精度的目的［1］。隨著金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用與推廣，隨形冷卻系統(tǒng)在注塑模具中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，可以解決塑件中冷卻難度大的部位的有效冷卻問(wèn)題［2－4］。文章結(jié)合某企業(yè)葉輪塑件腔體內(nèi)部及柱位冷卻難度較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)葉輪模具傳統(tǒng)冷卻水道和隨形冷卻水道方案，然后進(jìn)行模流分析和對(duì)比分析，根據(jù)隨形冷卻水道方案設(shè)計(jì)葉輪注塑模具結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)葉輪塑件均勻冷卻的同時(shí)，降低模具的制造成本。

1產(chǎn)品實(shí)例分析

圖1為某企業(yè)葉輪塑件3D模型。高度為100mm、最大直徑為150mm、產(chǎn)品平均厚度為3mm，葉輪塑件腔體分為上、下2部分，腔體內(nèi)的柱位需要與其他零件進(jìn)行精密裝配，對(duì)此處的尺寸精度及外觀質(zhì)量要求較高，但是，柱位處于腔體內(nèi)部，在成型過(guò)程中無(wú)法有效冷卻，導(dǎo)致冷卻效率低且冷卻不均勻，造成收縮不均、翹曲變形較大等缺陷。葉輪注塑模具采用一模一腔，為了便于葉輪塑件葉片成型與脫模，采用四面成型滑塊機(jī)構(gòu)，模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜。葉輪塑件工作時(shí)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)可以產(chǎn)生離心力，使其內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，因此，塑件要求具有足夠大的強(qiáng)度和剛度，但葉輪模具型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成型難度較大。因此，選擇具有高流動(dòng)性、高抗沖、高剛性等物理特性的PP/AW564材料。

2冷卻水道設(shè)計(jì)

2.1傳統(tǒng)冷卻水道設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)冷卻水道采用直通式冷卻水道，這是由于，該水道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。同時(shí)采用加工成本較低的鉆孔等傳統(tǒng)機(jī)械加工方法加工［5］。圖2為根據(jù)葉輪塑件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)冷卻水道方案。水道直徑為8mm，環(huán)繞布局在葉輪外廓。葉輪腔體內(nèi)部采用隔水片的方法冷卻，該方法的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工及組裝方便的特點(diǎn)。

2.2隨形冷卻水道設(shè)計(jì)

由于受到傳統(tǒng)機(jī)械加工方法和葉輪塑件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)冷卻水道無(wú)法對(duì)葉輪塑件腔體內(nèi)部、特別是腔體內(nèi)部的柱位進(jìn)行有效冷卻。為了對(duì)柱位等區(qū)域進(jìn)行有效冷卻，采用環(huán)繞式、螺旋式隨形冷卻水道設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了葉輪隨形冷卻水道，圖3為葉輪上、下腔體隨形冷卻水道布局。隨形冷卻水道直徑為8mm，水道沿著葉輪塑件腔體內(nèi)部形狀均勻布局，水道外壁與葉輪腔體內(nèi)部表面相距2～3mm，水道轉(zhuǎn)向平滑，可對(duì)葉輪塑件的腔體內(nèi)部及柱位外表面進(jìn)行均勻冷卻。隨形冷卻水道加工主要采用金屬3D打印技術(shù)，而金屬3D打印的成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)械加工成本［6－7］，因此，為了降低模具制造成本，工程應(yīng)用中大部分水道采用傳統(tǒng)冷卻水道，僅在塑件冷卻難度大的部位采用隨形冷卻水道［8－10］，根據(jù)葉輪塑件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，綜合考慮了葉輪模具制造成本，葉輪外廓采用傳統(tǒng)冷卻水道冷卻，葉輪腔體內(nèi)部采用隨形冷卻水道冷卻，圖4為隨形冷卻水道方案。

3模擬結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)葉輪塑件材料要求，在模流分析軟件材料庫(kù)中選取材料“PP/AW564”，結(jié)合所選材料物性表推薦的成型工藝參數(shù)，參考同類產(chǎn)品實(shí)際成型經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定了表1所示的模流分析成型工藝參數(shù)，并且分別對(duì)葉輪注塑模具傳統(tǒng)冷卻水道方案、隨形冷卻水道方案的CAE分析模型進(jìn)行注塑成型有限元模擬分析，對(duì)得到的塑件表面溫度分布、達(dá)到頂出溫度的時(shí)間、頂出時(shí)的體積收縮率、翹曲變形值等分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1塑件表面溫度分布

圖5為塑件表面溫度分布圖。由圖5a可知，傳統(tǒng)冷卻水道方案的塑件表面最高溫度為111.2℃、最低溫度為29.37℃，塑件表面溫差為81.83℃。由圖5b可知，隨形冷卻水道方案的塑件表面最高溫度為92.83℃、最低溫度為29.08℃，塑件表面溫差為63.75℃，塑件表面溫差降低了22.1%，塑件表面冷卻不均勻的現(xiàn)象得到了有效改善［11］。

3.2達(dá)到頂出溫度的時(shí)間

圖6為傳統(tǒng)及隨形冷卻水道塑件達(dá)到頂出溫度的時(shí)間圖。由圖6a可知，傳統(tǒng)冷卻水道方案的達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為39.06s。由圖6b可知，隨形冷卻水道方案的達(dá)到頂出溫度的時(shí)間為28.8s，與傳統(tǒng)冷卻水道方案相比，隨形冷卻水道方案的達(dá)到頂出溫度的時(shí)間縮短了26.3%，冷卻時(shí)間明顯減少，從而縮短了塑件的成型周期，提高了塑件的生產(chǎn)效率［12］。

3.3體積收縮率

圖7為傳統(tǒng)及隨形冷卻水道頂出時(shí)的體積收縮率圖。由圖7a可知，傳統(tǒng)冷卻水道方案頂出時(shí)的最大體積收縮率為12.3%，并且集中在產(chǎn)品尺寸精度要求最高的柱位處。由圖7b可知，隨形冷卻水道方案頂出時(shí)的最大體積收縮率為11.26%，柱位大部分區(qū)域的體積收縮率下降至8.535%，與傳統(tǒng)方案相比，降低了30.6%，因此，隨形冷卻水道方案能有效降低塑件柱位的體積收縮率，提高其關(guān)鍵尺寸精度［13－15］。

3.4翹曲變形

圖8為傳統(tǒng)及隨形冷卻水道翹曲變形值圖。從圖8中的最大翹曲變形值可知，兩者之間的整體區(qū)別較小，但是，柱位處的翹曲變形值變化明顯。圖8a中傳統(tǒng)冷卻水道方案中的柱位大部分區(qū)域的翹曲變形值為0.5421mm。由圖8b可知，隨形冷卻水道方案柱位大部分區(qū)域的翹曲變形值為0.2617mm，兩者相差0.2804mm，翹曲變形值降低了51.7%，有效地改善了葉輪柱位的翹曲變形情況，提高了尺寸精度。

4模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)葉輪隨形冷卻水道方案設(shè)計(jì)注塑模具結(jié)構(gòu)，圖9為葉輪注塑模具結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，隨形水道鑲件21、23中的隨形水道對(duì)葉輪腔體內(nèi)部及柱位進(jìn)行冷卻，成型滑塊30中的傳統(tǒng)冷卻水道對(duì)葉輪塑件外廓進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉輪塑件各個(gè)部位的均勻冷卻。

5試模驗(yàn)證

采用日本松浦LUMEXAvance－25金屬3D打印機(jī)完成隨形冷卻水道鑲件粗坯的3D打印成型，然后利用數(shù)控銑對(duì)3D打印鑲件粗坯進(jìn)行精加工。其中，動(dòng)模隨形冷卻水道鑲件粗坯在數(shù)控銑精加工后，還需用慢走絲切割出頂針孔及葉片型腔。圖10為動(dòng)模隨形冷卻水道鑲件實(shí)物。在模流分析基礎(chǔ)上，現(xiàn)場(chǎng)試模確定注塑成型工藝參數(shù)，確定的主要成型工藝參數(shù)為:熔體溫度240℃、注塑時(shí)間1.6s、保壓時(shí)間8s、模具溫度50℃，設(shè)置多段注塑壓力，最大壓力100MPa，多段保壓，保壓時(shí)間8s、保壓壓力為注塑壓力80%，背壓為10MPa。圖11為葉輪成型塑件實(shí)物，經(jīng)過(guò)試模驗(yàn)證，采用隨形冷卻水路方案的葉輪塑件的成型周期縮短了約20%，具有較高的生產(chǎn)效率，經(jīng)測(cè)量葉輪各部位尺寸符合精度要求，得到的塑件外觀質(zhì)量滿足客戶使用需求。

6結(jié)論

以某企業(yè)葉輪塑件為研究對(duì)象，針對(duì)塑件的腔體內(nèi)部及柱位在成型過(guò)程中冷卻難度大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了葉輪注塑模具傳統(tǒng)冷卻水道與隨形冷卻水道方案，并對(duì)兩方案進(jìn)行了模流分析和對(duì)比分析，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)冷卻水道方案相比，隨形冷卻水道方案的塑件表面溫差降低了22.1%，達(dá)到頂出溫度的時(shí)間縮短了26.3%，柱位處的頂出時(shí)的體積收縮率降低了30.6%，柱位處的翹曲變形值降低了51.7%，由此可知，隨形冷卻水道方案具有較好的冷卻效果，提高了塑件表面溫度的均勻性、尺寸精度、冷卻效率，同時(shí)改善了翹曲變形情況。經(jīng)過(guò)試模證明，采用隨形冷卻水路成型的葉輪塑件的尺寸精度與外觀質(zhì)量均能滿足客戶的技術(shù)要求，塑件的成型周期縮短了約20%，提高了塑件產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

作者：唐春華 張斌 李軍利 單位：珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院