叶轮注塑模具随形冷却水道设计探讨

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摘要:以某企业叶轮塑件为研究对象，针对塑件腔体内部及柱位冷却难度大的问题，设计了叶轮注塑模具传统冷却水道和随形冷却水道方案，并进行了模流分析及对比分析，结果表明，与叶轮注塑模具传统冷却水道方案相比，随形冷却水道方案的塑件表面温差降低了22.1%，达到顶出温度的时间缩短了26.3%，柱位处顶出时的最大体积收缩率降低了30.6%，柱位处的翘曲变形值降低了51.7%。并且，根据随形冷却水道方案设计了叶轮注塑模具结构，进行了试模验证。对比分析与试模验证结果表明，设计的叶轮模具随形冷却水道有效地改善了塑件的冷却效果，提高了塑件的生产效率，降低了塑件的体积收缩率和翘曲变形值，从而改善了塑件质量。

关键词:注塑模具;随形冷却水道;冷却水道设计;模流分析;对比分析

注塑模具冷却系统优劣对塑件质量、成型周期的影响较大。与传统冷却系统相比，随形冷却系统的水道可以随产品轮廓形状变化而变化，因此，可以得到均匀的温度分布和冷却速率，从而实现均匀冷却，达到有效提升冷却效率、改善塑件外观质量、提高塑件尺寸精度的目的［1］。随着金属3D打印技术的应用与推广，随形冷却系统在注塑模具中的应用越来越广泛，可以解决塑件中冷却难度大的部位的有效冷却问题［2－4］。文章结合某企业叶轮塑件腔体内部及柱位冷却难度较大的问题，设计叶轮模具传统冷却水道和随形冷却水道方案，然后进行模流分析和对比分析，根据随形冷却水道方案设计叶轮注塑模具结构，在实现叶轮塑件均匀冷却的同时，降低模具的制造成本。

1产品实例分析

图1为某企业叶轮塑件3D模型。高度为100mm、最大直径为150mm、产品平均厚度为3mm，叶轮塑件腔体分为上、下2部分，腔体内的柱位需要与其他零件进行精密装配，对此处的尺寸精度及外观质量要求较高，但是，柱位处于腔体内部，在成型过程中无法有效冷却，导致冷却效率低且冷却不均匀，造成收缩不均、翘曲变形较大等缺陷。叶轮注塑模具采用一模一腔，为了便于叶轮塑件叶片成型与脱模，采用四面成型滑块机构，模具结构复杂。叶轮塑件工作时的高速转动可以产生离心力，使其内部产生较大的内应力，因此，塑件要求具有足够大的强度和刚度，但叶轮模具型腔结构复杂、成型难度较大。因此，选择具有高流动性、高抗冲、高刚性等物理特性的PP/AW564材料。

2冷却水道设计

2.1传统冷却水道设计

传统冷却水道采用直通式冷却水道，这是由于，该水道结构简单。同时采用加工成本较低的钻孔等传统机械加工方法加工［5］。图2为根据叶轮塑件结构特点设计的传统冷却水道方案。水道直径为8mm，环绕布局在叶轮外廓。叶轮腔体内部采用隔水片的方法冷却，该方法的结构简单、加工及组装方便的特点。

2.2随形冷却水道设计

由于受到传统机械加工方法和叶轮塑件复杂结构的限制，传统冷却水道无法对叶轮塑件腔体内部、特别是腔体内部的柱位进行有效冷却。为了对柱位等区域进行有效冷却，采用环绕式、螺旋式随形冷却水道设计方法设计了叶轮随形冷却水道，图3为叶轮上、下腔体随形冷却水道布局。随形冷却水道直径为8mm，水道沿着叶轮塑件腔体内部形状均匀布局，水道外壁与叶轮腔体内部表面相距2～3mm，水道转向平滑，可对叶轮塑件的腔体内部及柱位外表面进行均匀冷却。随形冷却水道加工主要采用金属3D打印技术，而金属3D打印的成本远高于传统机械加工成本［6－7］，因此，为了降低模具制造成本，工程应用中大部分水道采用传统冷却水道，仅在塑件冷却难度大的部位采用随形冷却水道［8－10］，根据叶轮塑件的内部结构特点和技术要求，综合考虑了叶轮模具制造成本，叶轮外廓采用传统冷却水道冷却，叶轮腔体内部采用随形冷却水道冷却，图4为随形冷却水道方案。

3模拟结果对比分析

根据叶轮塑件材料要求，在模流分析软件材料库中选取材料“PP/AW564”，结合所选材料物性表推荐的成型工艺参数，参考同类产品实际成型经验，设定了表1所示的模流分析成型工艺参数，并且分别对叶轮注塑模具传统冷却水道方案、随形冷却水道方案的CAE分析模型进行注塑成型有限元模拟分析，对得到的塑件表面温度分布、达到顶出温度的时间、顶出时的体积收缩率、翘曲变形值等分析结果进行对比分析。

3.1塑件表面温度分布

图5为塑件表面温度分布图。由图5a可知，传统冷却水道方案的塑件表面最高温度为111.2℃、最低温度为29.37℃，塑件表面温差为81.83℃。由图5b可知，随形冷却水道方案的塑件表面最高温度为92.83℃、最低温度为29.08℃，塑件表面温差为63.75℃，塑件表面温差降低了22.1%，塑件表面冷却不均匀的现象得到了有效改善［11］。

3.2达到顶出温度的时间

图6为传统及随形冷却水道塑件达到顶出温度的时间图。由图6a可知，传统冷却水道方案的达到顶出温度的时间为39.06s。由图6b可知，随形冷却水道方案的达到顶出温度的时间为28.8s，与传统冷却水道方案相比，随形冷却水道方案的达到顶出温度的时间缩短了26.3%，冷却时间明显减少，从而缩短了塑件的成型周期，提高了塑件的生产效率［12］。

3.3体积收缩率

图7为传统及随形冷却水道顶出时的体积收缩率图。由图7a可知，传统冷却水道方案顶出时的最大体积收缩率为12.3%，并且集中在产品尺寸精度要求最高的柱位处。由图7b可知，随形冷却水道方案顶出时的最大体积收缩率为11.26%，柱位大部分区域的体积收缩率下降至8.535%，与传统方案相比，降低了30.6%，因此，随形冷却水道方案能有效降低塑件柱位的体积收缩率，提高其关键尺寸精度［13－15］。

3.4翘曲变形

图8为传统及随形冷却水道翘曲变形值图。从图8中的最大翘曲变形值可知，两者之间的整体区别较小，但是，柱位处的翘曲变形值变化明显。图8a中传统冷却水道方案中的柱位大部分区域的翘曲变形值为0.5421mm。由图8b可知，随形冷却水道方案柱位大部分区域的翘曲变形值为0.2617mm，两者相差0.2804mm，翘曲变形值降低了51.7%，有效地改善了叶轮柱位的翘曲变形情况，提高了尺寸精度。

4模具结构设计

根据叶轮随形冷却水道方案设计注塑模具结构，图9为叶轮注塑模具结构图。从图中可以看出，随形水道镶件21、23中的随形水道对叶轮腔体内部及柱位进行冷却，成型滑块30中的传统冷却水道对叶轮塑件外廓进行冷却，实现了对叶轮塑件各个部位的均匀冷却。

5试模验证

采用日本松浦LUMEXAvance－25金属3D打印机完成随形冷却水道镶件粗坯的3D打印成型，然后利用数控铣对3D打印镶件粗坯进行精加工。其中，动模随形冷却水道镶件粗坯在数控铣精加工后，还需用慢走丝切割出顶针孔及叶片型腔。图10为动模随形冷却水道镶件实物。在模流分析基础上，现场试模确定注塑成型工艺参数，确定的主要成型工艺参数为:熔体温度240℃、注塑时间1.6s、保压时间8s、模具温度50℃，设置多段注塑压力，最大压力100MPa，多段保压，保压时间8s、保压压力为注塑压力80%，背压为10MPa。图11为叶轮成型塑件实物，经过试模验证，采用随形冷却水路方案的叶轮塑件的成型周期缩短了约20%，具有较高的生产效率，经测量叶轮各部位尺寸符合精度要求，得到的塑件外观质量满足客户使用需求。

6结论

以某企业叶轮塑件为研究对象，针对塑件的腔体内部及柱位在成型过程中冷却难度大的问题，设计了叶轮注塑模具传统冷却水道与随形冷却水道方案，并对两方案进行了模流分析和对比分析，结果表明，与传统冷却水道方案相比，随形冷却水道方案的塑件表面温差降低了22.1%，达到顶出温度的时间缩短了26.3%，柱位处的顶出时的体积收缩率降低了30.6%，柱位处的翘曲变形值降低了51.7%，由此可知，随形冷却水道方案具有较好的冷却效果，提高了塑件表面温度的均匀性、尺寸精度、冷却效率，同时改善了翘曲变形情况。经过试模证明，采用随形冷却水路成型的叶轮塑件的尺寸精度与外观质量均能满足客户的技术要求，塑件的成型周期缩短了约20%，提高了塑件产品的生产效率。

作者：唐春华 张斌 李军利 单位：珠海城市职业技术学院 机电工程学院