葉輪注塑模具隨形冷卻水道設計探討

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摘要:以某企業葉輪塑件為研究對象，針對塑件腔體內部及柱位冷卻難度大的問題，設計了葉輪注塑模具傳統冷卻水道和隨形冷卻水道方案，并進行了模流分析及對比分析，結果表明，與葉輪注塑模具傳統冷卻水道方案相比，隨形冷卻水道方案的塑件表面溫差降低了22.1%，達到頂出溫度的時間縮短了26.3%，柱位處頂出時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，根據隨形冷卻水道方案設計了葉輪注塑模具結構，進行了試模驗證。對比分析與試模驗證結果表明，設計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，從而改善了塑件質量。

關鍵詞:注塑模具;隨形冷卻水道;冷卻水道設計;模流分析;對比分析

注塑模具冷卻系統優劣對塑件質量、成型周期的影響較大。與傳統冷卻系統相比，隨形冷卻系統的水道可以隨產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，從而實現均勻冷卻，達到有效提升冷卻效率、改善塑件外觀質量、提高塑件尺寸精度的目的［1］。隨著金屬3D打印技術的應用與推廣，隨形冷卻系統在注塑模具中的應用越來越廣泛，可以解決塑件中冷卻難度大的部位的有效冷卻問題［2－4］。文章結合某企業葉輪塑件腔體內部及柱位冷卻難度較大的問題，設計葉輪模具傳統冷卻水道和隨形冷卻水道方案，然后進行模流分析和對比分析，根據隨形冷卻水道方案設計葉輪注塑模具結構，在實現葉輪塑件均勻冷卻的同時，降低模具的制造成本。

1產品實例分析

圖1為某企業葉輪塑件3D模型。高度為100mm、最大直徑為150mm、產品平均厚度為3mm，葉輪塑件腔體分為上、下2部分，腔體內的柱位需要與其他零件進行精密裝配，對此處的尺寸精度及外觀質量要求較高，但是，柱位處于腔體內部，在成型過程中無法有效冷卻，導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構，模具結構復雜。葉輪塑件工作時的高速轉動可以產生離心力，使其內部產生較大的內應力，因此，塑件要求具有足夠大的強度和剛度，但葉輪模具型腔結構復雜、成型難度較大。因此，選擇具有高流動性、高抗沖、高剛性等物理特性的PP/AW564材料。

2冷卻水道設計

2.1傳統冷卻水道設計

傳統冷卻水道采用直通式冷卻水道，這是由于，該水道結構簡單。同時采用加工成本較低的鉆孔等傳統機械加工方法加工［5］。圖2為根據葉輪塑件結構特點設計的傳統冷卻水道方案。水道直徑為8mm，環繞布局在葉輪外廓。葉輪腔體內部采用隔水片的方法冷卻，該方法的結構簡單、加工及組裝方便的特點。

2.2隨形冷卻水道設計

由于受到傳統機械加工方法和葉輪塑件復雜結構的限制，傳統冷卻水道無法對葉輪塑件腔體內部、特別是腔體內部的柱位進行有效冷卻。為了對柱位等區域進行有效冷卻，采用環繞式、螺旋式隨形冷卻水道設計方法設計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部形狀均勻布局，水道外壁與葉輪腔體內部表面相距2～3mm，水道轉向平滑，可對葉輪塑件的腔體內部及柱位外表面進行均勻冷卻。隨形冷卻水道加工主要采用金屬3D打印技術，而金屬3D打印的成本遠高于傳統機械加工成本［6－7］，因此，為了降低模具制造成本，工程應用中大部分水道采用傳統冷卻水道，僅在塑件冷卻難度大的部位采用隨形冷卻水道［8－10］，根據葉輪塑件的內部結構特點和技術要求，綜合考慮了葉輪模具制造成本，葉輪外廓采用傳統冷卻水道冷卻，葉輪腔體內部采用隨形冷卻水道冷卻，圖4為隨形冷卻水道方案。

3模擬結果對比分析

根據葉輪塑件材料要求，在模流分析軟件材料庫中選取材料“PP/AW564”，結合所選材料物性表推薦的成型工藝參數，參考同類產品實際成型經驗，設定了表1所示的模流分析成型工藝參數，并且分別對葉輪注塑模具傳統冷卻水道方案、隨形冷卻水道方案的CAE分析模型進行注塑成型有限元模擬分析，對得到的塑件表面溫度分布、達到頂出溫度的時間、頂出時的體積收縮率、翹曲變形值等分析結果進行對比分析。

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象得到了有效改善［11］。

3.2達到頂出溫度的時間

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

3.3體積收縮率

圖7為傳統及隨形冷卻水道頂出時的體積收縮率圖。由圖7a可知，傳統冷卻水道方案頂出時的最大體積收縮率為12.3%，并且集中在產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的最大體積收縮率為11.26%，柱位大部分區域的體積收縮率下降至8.535%，與傳統方案相比，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，提高其關鍵尺寸精度［13－15］。

3.4翹曲變形

圖8為傳統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，兩者之間的整體區別較小，但是，柱位處的翹曲變形值變化明顯。圖8a中傳統冷卻水道方案中的柱位大部分區域的翹曲變形值為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模具結構設計

根據葉輪隨形冷卻水道方案設計注塑模具結構，圖9為葉輪注塑模具結構圖。從圖中可以看出，隨形水道鑲件21、23中的隨形水道對葉輪腔體內部及柱位進行冷卻，成型滑塊30中的傳統冷卻水道對葉輪塑件外廓進行冷卻，實現了對葉輪塑件各個部位的均勻冷卻。

5試模驗證

采用日本松浦LUMEXAvance－25金屬3D打印機完成隨形冷卻水道鑲件粗坯的3D打印成型，然后利用數控銑對3D打印鑲件粗坯進行精加工。其中，動模隨形冷卻水道鑲件粗坯在數控銑精加工后，還需用慢走絲切割出頂針孔及葉片型腔。圖10為動模隨形冷卻水道鑲件實物。在模流分析基礎上，現場試模確定注塑成型工藝參數，確定的主要成型工藝參數為:熔體溫度240℃、注塑時間1.6s、保壓時間8s、模具溫度50℃，設置多段注塑壓力，最大壓力100MPa，多段保壓，保壓時間8s、保壓壓力為注塑壓力80%，背壓為10MPa。圖11為葉輪成型塑件實物，經過試模驗證，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%，具有較高的生產效率，經測量葉輪各部位尺寸符合精度要求，得到的塑件外觀質量滿足客戶使用需求。

6結論

以某企業葉輪塑件為研究對象，針對塑件的腔體內部及柱位在成型過程中冷卻難度大的問題，設計了葉輪注塑模具傳統冷卻水道與隨形冷卻水道方案，并對兩方案進行了模流分析和對比分析，結果表明，與傳統冷卻水道方案相比，隨形冷卻水道方案的塑件表面溫差降低了22.1%，達到頂出溫度的時間縮短了26.3%，柱位處的頂出時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，同時改善了翹曲變形情況。經過試模證明，采用隨形冷卻水路成型的葉輪塑件的尺寸精度與外觀質量均能滿足客戶的技術要求，塑件的成型周期縮短了約20%，提高了塑件產品的生產效率。

作者：唐春華 張斌 李軍利 單位：珠海城市職業技術學院 機電工程學院