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模具溫度直接影響著注塑加工產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，它主要通過模具的冷卻系統(tǒng)來進行適當?shù)目刂坪驼{(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的冷卻水道只能加工成簡單的直孔，當注塑件形狀復雜時#其冷卻效果差，零件變形大。Jacobs發(fā)現(xiàn)使用銅鎳合金材料制作的隨形冷卻注塑模具，其生產(chǎn)效率較傳統(tǒng)冷卻模具提高了70%左右，同時注塑制品的質(zhì)量也有較大的改善。為此，本研究使用專業(yè)注塑過程模擬軟件對注塑冷卻過程進行三維冷卻模擬，以研究隨形冷卻水道對注塑過程和生產(chǎn)效率的影響。
1 材料與方法
1.1 香盒零件的結(jié)構(gòu)
    以一個香盒零件為例，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。零件外形尺寸為65mm×65mm×75mm。總體積為5.0×104mm3。該產(chǎn)品利用注塑成型，其材料為ABS，設定收縮率為0.55%。模具采用一模一腔結(jié)構(gòu)，使用盤形澆注系統(tǒng)。

1.2 傳統(tǒng)冷卻方案
    該香盒零件模具采用傳統(tǒng)冷卻水道（DCC）可設計三種冷卻方案。方案一（DCC1）見圖2（a）型腔采用單層冷卻水道，直徑為10mm；方案二（DCC2）見圖2（b）型腔采用雙層冷卻水道，直徑為10mm；方案三（DCC3）見圖2（c）型腔采用三層冷卻水道，直徑為8mm另外，因型芯部分的最小直徑只有35mm，故在三種冷卻方案中均采用隔板式冷卻水道，直徑為18mm。
 

1.3 隨形冷卻方案
    參考制品形狀，模具型腔部位的冷卻區(qū)域為圓柱面。對于隨形冷卻水道（CCC）可以設計兩種冷卻方案。方案一（CCC1）如圖3（a）所示，采用螺旋形空間結(jié)構(gòu)，冷卻水道直徑為8mm，方案二（CCC2）如圖3（b）所示，采用圓環(huán)形空間結(jié)構(gòu)，冷卻水道直徑為8mm。在兩種隨形冷卻方案中，型芯部位仍然采取隔板式冷卻。

1.4 注塑冷卻有限元模擬
    采用商用注塑模擬軟件MPI進行注塑過程模擬。采用Fusion網(wǎng)格，其網(wǎng)格數(shù)為13270，配比率為92.1%，注塑材料選用Lustran ABS Elite HH1287。在MPI中建立的兩種隨形冷卻方案的有限元模型如圖4所示，其與模具冷卻相關(guān)的工藝參數(shù)為：開模時間5s，保壓時間10s填充時間1.7s，熔體溫度230℃，模具溫度50℃，冷卻介質(zhì)為水，溫度為25℃，入口雷諾數(shù)為10000。

2 模擬結(jié)果與分析
    使用MPI軟件的C-W-F分析流程對香盒注塑制品進行注塑過程模擬，得出各冷卻方案的成型周期C、冷卻時間t和由冷卻不均所引起的零件最大翹曲變形w如表1所示。

表1 幾種冷卻方案的模擬分析結(jié)果

    從表1可以看出：對傳統(tǒng)冷卻方案，其冷卻時間的大小排列為tDCC1＞tDCC2＞tDCC3，但在三套方案條件下冷卻時間相差只有5%左右，由冷卻不均勻引起的零件最大翹曲變形量w則剛好相反wDCC1＜wDCC2＜wDCC3。DCC1和DCC2相差只有3.7%明顯增大，差距達到42.3%，從以上分析可以看出：使用傳統(tǒng)冷卻方法，隨著冷卻水道分布密度的增加其冷卻效率略有增大，但由于其離型腔表面距離不相等，導致局部溫度差增大，并最終增加了零件的翹曲變形。
    相對于傳統(tǒng)冷卻方法!隨形冷卻方法的冷卻時間縮短了40%，而由冷卻不均勻引起的零件最大翹曲變形量也只有傳統(tǒng)冷卻方法的20%，此外，CCC2的成型周期和冷卻不均勻引起的最大翹曲變形量均小于CCC1，即對該種零件結(jié)構(gòu)，圓環(huán)形冷卻結(jié)構(gòu)要優(yōu)于螺旋形冷卻結(jié)構(gòu)。
    為了研究冷卻過程中零件不同部位的冷卻均勻性，分別選取傳統(tǒng)和隨形冷卻方案中冷卻效率最高、冷卻水道分布密度相當?shù)膬煞N冷卻方案（即DCC3和CCC2）做進一步對比分析。在香盒注塑模具的型腔表面從上到下均勻選取三個部位x，y，z，位置如圖1所示。從模擬結(jié)果中采集溫度數(shù)據(jù)，分析各個采樣點從1.7-28.0s之間的型腔表面溫度變化規(guī)律，兩冷卻方案中x，y，z三采樣點的溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 三采樣點的溫度變化曲線

    從圖5中的溫度變化曲線可以看出：在經(jīng)過28.0s后，隨形冷卻水道模具的型腔表面溫度為29℃，傳統(tǒng)冷卻水道模具為40℃，所以隨形冷卻水道的冷卻速度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)冷卻水道。另外，分析三采樣點處的溫度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)：在隨形冷卻水道模具中，三點處的型腔表面溫度差要小于傳統(tǒng)冷卻水道模具，表明隨形冷卻水道的冷卻均勻性更優(yōu)，這也是由隨形冷卻注塑模得到的注塑件翹曲變形量較小的原因。
3 隨形冷卻水道的實物驗證
    采用隨形冷卻方案CCC2，用選擇性激光燒結(jié)（SLS）快速制模工藝完成模具的加工。其大致過程為：將模具模芯部分的三維STL模型導入SLS快速成形機中成型，之后進行脫脂、高溫燒結(jié)、滲銅等后處理，處理完成后在模芯表面做簡單機加工，再進行模芯與模架的裝配，即完成了模具的制造過程。利用該模具進行注塑加工，得到香盒零件的注塑件如圖6A所示。實際注塑過程中，冷卻時間為18s左右，與模擬的誤差只有10%最終注塑件變形小，無明顯缺陷。