張維合１ 馮國(guó)樹２ 宋東陽(yáng)２ 杜海２ 王靖２ 魏海濤２
（１．廣東科技學(xué)院，廣東 東莞，523000；２．廣東華睿智連電子科技有限公司，廣東 東莞，523777）
摘要：針對(duì)汽車多功能旋鈕傳統(tǒng)水路冷卻方案存在的問題，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于３Ｄ 打印的隨形水路冷卻系統(tǒng)，顯著提高了模具的冷卻效率和溫度分布均勻性，尺寸精度達(dá)到了 ＭＴ３，模具型腔達(dá)到十六腔，綜合產(chǎn)能大幅提高。
關(guān)鍵詞： 汽車多功能旋鈕３Ｄ打印 隨形水路 注塑模具
３Ｄ 打印是一種綠色環(huán)保的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)化增材制造技術(shù)，3Ｄ打印在模具領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大意義。由于鉆削工藝和成型塑件形狀的限制，傳統(tǒng)的注塑模具冷卻水路很難做到均勻冷卻和快速冷卻。基于３Ｄ打印的隨形水路是一種新型模具冷卻水路，其截面形狀和分布能夠更貼近模具型腔表面，達(dá)到更好的熱傳導(dǎo)作用，有效均衡模具溫度和提高制品質(zhì)量［１］。下面通過汽車多功能旋鈕（以下簡(jiǎn)稱旋鈕）注塑模具隨形水路溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，介紹了３Ｄ 打印隨形水路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和技巧。
一、 汽車旋鈕結(jié)構(gòu)分析
圖１ 豐田汽車旋鈕和裝配示意
原材料為丙烯腈－丁二烯－苯乙烯三元共聚物（ＡＢＳ）（ＰＡ－777Ｂ，臺(tái)灣奇美實(shí)業(yè)股份有限公司），具有優(yōu)異的耐熱性和高抗沖擊性能。塑件尺寸小但內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺 寸精度不低于 ＭＴ３（ＧＢ／Ｔ 14486—2008），要求很高，成型零件中冷卻水道的設(shè)計(jì)是難點(diǎn)和重點(diǎn)。
二、傳統(tǒng)旋鈕注塑模具冷卻水道
由于常規(guī)鉆削加工工藝的限制，傳統(tǒng)冷卻水路只能為圓柱形直孔，無法完全貼近模具型腔表面，冷卻效率低且冷卻不均衡，導(dǎo)致注塑周期長(zhǎng)、成型制品變形量大。
為了提高冷卻效率，汽車旋鈕注塑模具溫度控制系統(tǒng)通常采用如下方案（如圖２所示）：ａ）采用強(qiáng)化的冷卻水路設(shè)計(jì)方案，增加模具零件中冷卻回路的密集程度或覆蓋率；ｂ）采用導(dǎo)熱性能良好的鈹銅（Ｂｅ－Ｃｕ）鑲件替代冷卻水路［２］。
圖２ 傳統(tǒng)冷卻水路
強(qiáng)化冷卻水路設(shè)計(jì)方案對(duì)模具零件形狀和模具零件重點(diǎn)區(qū)域的尺寸都有要求，如果模具零件太小，會(huì)影響冷卻水路的尺寸和模具裝配。汽車多功能旋鈕零件形狀奇特，利用常規(guī)的直通式等截面冷卻水路無論是形態(tài)、尺寸還是位置均無法達(dá)到滿意的冷卻效果。Ｂｅ－Ｃｕ鑲件剛性和強(qiáng)度無法和優(yōu)良的模具鋼媲美，會(huì)影響模具壽命，其冷卻效果也有限。
由于溫度控制系統(tǒng)無法做到均衡冷卻和快速冷卻，成型零件溫差高達(dá)2０℃左右，塑件脫模后有明顯變形，尺寸精度只能達(dá)到ＭＴ５（ＧＢ／Ｔ１４４８６—２００８），注塑周期最短為２５ｓ，生產(chǎn)效率低。
三、汽車旋鈕注塑模具３Ｄ 打印隨形水路
為了提高汽車旋鈕的尺寸精度和模具的生產(chǎn)效率，采用了基于３Ｄ打印的隨形水路技術(shù)，即模具的成型零件采用３Ｄ打印。由于其內(nèi)部水路截面和流向幾乎不受任何加工工藝限制，故水路分布可以更貼近成型制品表面，達(dá)到更好的熱傳導(dǎo)效果，實(shí)現(xiàn)均衡模具溫度和提高制品精度的目的。３Ｄ打印的隨形水路如圖３所示，定模鑲件隨形水路直徑為４ｍｍ，沿型腔表面布置，動(dòng)模型芯則采用４ｍｍ×２ ｍｍ 橢圓截面隨形水路，沿型芯表面布置［３］。
圖３ 隨形水路
采用３Ｄ打印隨形水路后，汽車旋鈕注塑模成型周期由25ｓ降至13ｓ；模具鑲件溫差由20 ℃降至5 ℃。說明3Ｄ打印隨形水路具有良好的冷卻效果。 成型塑件變形量由 0.35ｍｍ減至0.10ｍｍ，尺寸精度達(dá)到了ＭＴ３。
優(yōu)異的冷卻效果顯著減少了剪切熱效應(yīng)，可以一模生產(chǎn)更多塑件而不會(huì)變形。為了保證成型塑件質(zhì)量，傳統(tǒng)汽車旋鈕注塑模具僅能實(shí)現(xiàn)一模四腔，繼續(xù)增加型腔數(shù)量會(huì)因冷卻不良等問題導(dǎo)致制品嚴(yán)重變形。采用３Ｄ打印隨形水路后，可以增至一模十六腔，而且注塑周期大幅縮短，其綜合產(chǎn)能可提高約５倍以上。同時(shí)，汽車旋鈕注塑模3Ｄ打印隨形水路的成功應(yīng)用為今后設(shè)計(jì)其他精密塑件注塑模具提供了經(jīng)驗(yàn)。
四、汽車旋鈕注塑模具３Ｄ 打印隨形水路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
３Ｄ 打印隨形水路設(shè)計(jì)很重要，關(guān)乎制得的注塑模具質(zhì)量高低。
要點(diǎn)如下：
ａ）水路與型腔之間的距離
冷卻水路與模具型腔表面的距離沒有一個(gè)確定的數(shù)值。對(duì)于大多數(shù)隨形冷卻水路來說，與模具型腔表面的距離取決于零件的大小和幾何形狀。一個(gè)需要遵守的原則是：隨形水路與模具型腔表面始終保持相同的距離，達(dá)到均勻冷卻的 效果。
為了兼顧冷卻效果和模具的強(qiáng)度及使用壽命，汽車旋鈕注塑模具３Ｄ 打印隨形水路水孔與型腔和型芯表面距離（Ｍ 和 Ｎ）約為３ ｍｍ，距內(nèi)部頂針孔或螺孔約為２ｍｍ［４］，如圖４所示。
１— 旋鈕；２—３Ｄ 水路；３— 推管；４— 型芯；
５— 動(dòng)模鑲件；６— 定模鑲件
圖４ ３Ｄ 打印隨形水路與型腔表面的距離
ｂ）截面的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的冷卻水路受機(jī)械加工工藝限制，一般設(shè)計(jì)成圓形截面。３Ｄ 打印隨形水路截面則不受限制，可以根據(jù)型腔和型芯形狀設(shè)計(jì) 成圓形、橢 圓形、長(zhǎng)圓形、Ｕ 字形等。不同的橫截面形狀對(duì)模具強(qiáng)度的影響不同，橫截面形狀越接近圓形的水路，對(duì)成型零件的強(qiáng)度影響越小，采用圓弧形水路的鑲件強(qiáng)度大于采用橢圓形或方形的鑲件；長(zhǎng)方形截面水路的長(zhǎng)邊側(cè)對(duì)鑲件強(qiáng)度影響要大于寬邊側(cè)。為保證模具的壽命，鑲件水路長(zhǎng)邊側(cè)的厚度（Ｂ）要大于寬邊側(cè)厚度（Ａ）［５］，如圖５所示。
圖５ 隨形水路截面對(duì)鑲件的影響
需要注意的是，在設(shè)計(jì)３Ｄ 打印隨形冷卻水路時(shí)，應(yīng)盡量保持水路的橫截面積不變，保證冷卻介質(zhì)流速大致恒定不變。有的隨形冷卻水路按照毛細(xì)管的思路設(shè)計(jì)，即一條大的冷卻水路被分為多條小而短的水路，然后再匯入一條大的水路。這時(shí)，多條小水路的橫截面積總和應(yīng)大致等于大水路入口和出口的橫截面積，從而確保各處冷卻水的流速和阻力大致相等，降低成型塑件翹曲變形的風(fēng)險(xiǎn)。
ｃ）避免出現(xiàn)死水區(qū)域
模具冷卻水路中的水量影響模具冷卻時(shí)間的長(zhǎng)短，水量越大，冷卻時(shí)間越短。另一個(gè)影響因素是冷卻水的流動(dòng)狀態(tài)：湍流有利于熱量傳出，層流則不利于熱量傳出。３Ｄ 打印隨形冷卻水路的內(nèi)表面沒有經(jīng)過拋光，容易產(chǎn)生湍流，而且在設(shè)計(jì)隨形水路時(shí)再多增加拐彎結(jié)構(gòu)，雷諾系數(shù)更大，可以產(chǎn)生更多湍流，冷卻效果更好；但應(yīng)避免直角或過急拐彎，因?yàn)橹苯腔蜻^急拐彎處會(huì)產(chǎn)生死水區(qū)域，如圖６所示。
圖６ 隨形水路死水區(qū)示意
ｄ）長(zhǎng)度設(shè)計(jì)
受限于鉆頭的長(zhǎng)度、加工工藝和冷卻效果，傳統(tǒng)的水路長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，冷卻水路越短，冷卻效果越好。利用３Ｄ 打印技術(shù)制造隨形冷卻水路，雖然不受鉆頭和加工工藝等影響，但是在設(shè)計(jì)時(shí)仍要控制隨形水路的長(zhǎng)度，使冷卻水迅速進(jìn)出，并控制冷卻水出入口的溫差為２～３ ℃，保證模具各處溫度更均勻［６］。
汽車旋鈕注塑模具隨形水路形狀復(fù)雜，彎曲環(huán)繞的水路清理困難，易堵塞，因此，使用３Ｄ 打印隨形水路時(shí)要注意保養(yǎng)，防患于未然，避免水路堵塞。如果直接使用工廠水塔里的冷卻水，堵塞風(fēng)險(xiǎn)較高，必須使用３Ｄ 打印隨形水路專用模溫機(jī)，模溫機(jī)外掛水箱閉路循環(huán)。如果水路堵塞，使用隨形水路專用清洗設(shè)備進(jìn)行清洗，如果使用鐵棒疏通，極易導(dǎo)致型腔表面變形而損壞模具。
五、汽車旋鈕注塑模具３Ｄ 打印鑲件材料選用
汽車旋鈕注塑模隨形水路由選區(qū)激光熔化并采用立體光固化成型技術(shù)（ＳＬＡＤＬＰ）３Ｄ 打印獲得，模具鑲件材料采用１．２７０９模具鋼（又稱 ＭＳ１）。 １．２７０９模具鋼是馬氏體時(shí)效鋼，主要優(yōu)點(diǎn)有：ａ）熱處理變形小；ｂ）加工性能及焊接性能好；ｃ）熱處理工藝簡(jiǎn)單方便，固熔后先進(jìn)行機(jī)械加工再進(jìn)行時(shí)效處理。表１ 為１．２７０９ 模具鋼與一般模具鋼（１．２３１１ 和１．２７３８）的主要力學(xué)性能。由表１ 可以看出，１．２７０９金屬粉末經(jīng)３Ｄ 打印成型熱處理后，其各項(xiàng)性能與模具鋼相當(dāng)。
表１ 模具鑲件材料的力學(xué)性能
六、隨形水路對(duì)模具壽命的影響
與傳統(tǒng)水路相比，隨形水路具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但以下２點(diǎn)會(huì)降低模具壽命：ａ）復(fù)雜的水路會(huì)降低零件的剛性；ｂ）冷卻水中沉積物和鐵銹在形狀復(fù)雜的冷卻通道中容易積聚，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致水路開裂漏水［７－１１］。比如：以1.2709模具鋼為原料，通過3Ｄ打印制造的型芯，在生產(chǎn)了40萬個(gè)塑件之后，由于冷卻通道腐蝕，會(huì)破裂漏水。解決的辦法有：ａ）設(shè)計(jì)時(shí)加大尺寸，提高3Ｄ打印零件的強(qiáng)度和剛性；ｂ）使用專用模溫機(jī)對(duì)冷卻水進(jìn)行過濾處理，減少異物在冷卻通道中積聚；ｃ）在冷卻通道中鍍鎳，防止腐蝕發(fā)生；ｄ）3Ｄ 打印時(shí)多做１～２個(gè)零件庫(kù)存，出現(xiàn)問題后立即更換；ｅ）采用更好的３Ｄ打印材料，奧地利聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)旗下的材料制造商開發(fā)了一款耐腐蝕的３Ｄ 打印模制鋼粉末材料Ｕｄｄｅｈｏｌｍ ＡＭＣｏｒｒａｘ，該材料可以防止冷卻通道中沉積物堆積，防止腐蝕［１２］。
七、結(jié)語(yǔ)
3Ｄ打印的模具隨形水路優(yōu)點(diǎn)很多，汽車旋鈕注塑模具采用3Ｄ打印隨形水路取得了巨大成功，冷卻時(shí)間大幅縮短，模具鑲件溫差顯著降低，成型塑件的尺寸精度達(dá)到了ＭＴ3，模具型腔可以達(dá)到一模十六腔，綜合產(chǎn)能大幅提高。
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