增材制造随形冷却压铸模具加工介绍和流程2019
增材制造随形冷却压铸模具加工介绍和流程 2019
第一章引言1.1背景铝合金压铸时，注入模具的金属液温度在600℃左右。在如此高的温度下，传统的冷却水路难以实现压铸模具的均匀冷却，在冷却时极易产生热点和热节，极大地降低了制件的内部和表面质量，成品制品容易出现变形、气孔、内裂纹等缺陷。从压铸的的整个周期来看，冷却时间占整个周期的一半以上，生产效率提高的关键在于如何缩短冷却时间，这就需要提高模具的冷却效率。此外，由于当今压铸件的形状结构越来越复杂，传统冷却水道一般为直线水道，很难做到水路随形状的变化而变化来实现冷却的均匀性，不同部位的冷却速度的差异会造成压铸件的收缩不均匀而产生缺陷。因此模具型腔温度分布的均匀性是控制制件冷却的另一个关键因素，该因素主要影响制件的性能。压铸件冷却所释放的热量一般可通过对流、辐射和热传递三种方式散发掉，其中绝大部分（90%）通过冷却介质的冷却带走。从强化传热技术的角度来看，提高冷却效率可以通过增大模板的传热系数、提高传热温差、增大冷却传热面积等方式来实现。合理的冷却水道布局对冷却也有着重要的影响。为了使压铸制品均匀冷却，提高冷却效率，减少制品缺陷，在进行冷却水道布局时，应尽量保持冷却水道与模具型腔表面的距离相等。但由于传统的冷却水道（喷流式、衬套式、隔板式）的加工都是以钻孔或采用镶拼式的模具结构实现，钻孔只能加工直线状的冷却水道，而压铸制品往往具有复杂的曲面结构，因此直线状的冷却水道距型腔表面的距离是不等的。镶拼式的模具不仅加工上较为麻烦，镶件间的配合精度也较难以控制，在模具工作时，由于温度、压铸压力等因素的作用，镶件产生形变，容易造成冷却水泄露。因此，为了解决这些问题，国内外专家提出了一些新的冷却技术。美国LogicDecices公司研制了一种负压冷却水系统。日本将热管用于模具冷却，实现了标准化和商品化，其导热率约为同样大小铜棒的1000倍[1]。此外还有脉冲冷却技术、CO2气体冷却技术等，这些新的冷却技术很好地改善了压铸成型制品的冷却效果。美国麻省理工学院的Sachs[2]教授在1997年提出了随形冷却技术，认为该技术将是3D打印最主要的四个应用之一
第一章 引言 1.1 背景 铝合金压铸时，注入模具的金属液温度在 600℃左右。在如此高的温度下， 传统的冷却水路难以实现压铸模具的均匀冷却，在冷却时极易产生热点和热节， 极大地降低了制件的内部和表面质量，成品制品容易出现变形、气孔、内裂纹等 缺陷。从压铸的的整个周期来看，冷却时间占整个周期的一半以上，生产效率提 高的关键在于如何缩短冷却时间，这就需要提高模具的冷却效率。此外，由于当 今压铸件的形状结构越来越复杂，传统冷却水道一般为直线水道，很难做到水路 随形状的变化而变化来实现冷却的均匀性，不同部位的冷却速度的差异会造成压 铸件的收缩不均匀而产生缺陷。因此模具型腔温度分布的均匀性是控制制件冷却 的另一个关键因素，该因素主要影响制件的性能。 压铸件冷却所释放的热量一般可通过对流、辐射和热传递三种方式散发掉， 其中绝大部分（90%）通过冷却介质的冷却带走。从强化传热技术的角度来看， 提高冷却效率可以通过增大模板的传热系数、提高传热温差、增大冷却传热面积 等方式来实现。合理的冷却水道布局对冷却也有着重要的影响。为了使压铸制品 均匀冷却，提高冷却效率，减少制品缺陷，在进行冷却水道布局时，应尽量保持 冷却水道与模具型腔表面的距离相等。但由于传统的冷却水道（喷流式、衬套式、 隔板式）的加工都是以钻孔或采用镶拼式的模具结构实现，钻孔只能加工直线状 的冷却水道，而压铸制品往往具有复杂的曲面结构，因此直线状的冷却水道距型 腔表面的距离是不等的。镶拼式的模具不仅加工上较为麻烦，镶件间的配合精度 也较难以控制，在模具工作时，由于温度、压铸压力等因素的作用，镶件产生形 变，容易造成冷却水泄露。因此，为了解决这些问题，国内外专家提出了一些新 的冷却技术。美国 Logic Decices 公司研制了一种负压冷却水系统。日本将热 管用于模具冷却，实现了标准化和商品化，其导热率约为同样大小铜棒的 1000 倍[1]。此外还有脉冲冷却技术、CO2 气体冷却技术等，这些新的冷却技术很好 地改善了压铸成型制品的冷却效果。美国麻省理工学院的 Sachs[2]教授在 1997 年提出了随形冷却技术，认为该技术将是 3D 打印最主要的四个应用之一
随着近年来3D打印技术的发展，随形冷却技术在注塑模具上的应用已经屡见不鲜，由于压铸工况下较注塑工况温度更高，压力更大，模具所需的材料性能要求更高，且3D打印技术的不够成熟，已知压铸模具钢无法适用增材制造，增材制造压铸模具是否满足模具服役使用寿命的要求等问题还有待探究。本文正式在传统压铸模具水路设计的基础上，通过对··材料··，解决随形冷却压铸模具在增材制造过程中存在一些的问题，并探究了随形冷却压铸模具失效形式和失效机理，为随形冷却压铸模具的制造和实际应用提供参考。随形冷却方式与传统的冷却方式的区别在于，其冷却水道的形状随着压铸制品的外形变化，不再是直线状的，如图1-1所示。这种冷却水道很好地解决了传统冷却水道与模具型腔表面距离不一致的问题，可以使得压铸制品得到均匀的冷却，减少热点和热节，冷却效率更高。传统冷却水道随形冷却水道图1-1传统水道与随形冷却水道示意图1.2研究目的与意义压铸模具冷却系统的设计影响着成型制品的质量和生产效率，传统的冷却系统难以实现模具的均匀冷却，模具中存在大量的热点和热节导致成型制品容易出现变形、气孔、内裂纹等缺陷。20世纪90年代提出的随形冷却技术，水路依据制品外形变化，可实现均匀冷却，能显著改善制品的品质，减少冷却时间，具有很强的适用性。随着3D打印技术的发展成熟，随形冷却技术将在模具行业中取得更广泛的应用。但从目前的研究状况来看，大多是在传统冷却系统的研究基础上进行拓展，且缺乏成熟的适用于增材制造的压铸模具材料。选区激光熔化(Selectivelasermelting，SLM)是一种典型的金属增材制造技术，利用高能量激光
随着近年来 3D 打印技术的发展，随形冷却技术在注塑模具上的应用已经 屡见不鲜，由于压铸工况下较注塑工况温度更高，压力更大，模具所需的材料性 能要求更高，且 3D 打印技术的不够成熟，已知压铸模具钢无法适用增材制造， 增材制造压铸模具是否满足模具服役使用寿命的要求等问题还有待探究。本文正 式在传统压铸模具水路设计的基础上，通过对······材料······，解决随形冷 却压铸模具在增材制造过程中存在一些的问题，并探究了随形冷却压铸模具失效 形式和失效机理，为随形冷却压铸模具的制造和实际应用提供参考。随形冷却方 式与传统的冷却方式的区别在于，其冷却水道的形状随着压铸制品的外形变化， 不再是直线状的，如图 1-1 所示。这种冷却水道很好地解决了传统冷却水道与 模具型腔表面距离不一致的问题，可以使得压铸制品得到均匀的冷却，减少热点 和热节，冷却效率更高。 图 1-1 传统水道与随形冷却水道示意图 1.2 研究目的与意义 压铸模具冷却系统的设计影响着成型制品的质量和生产效率，传统的冷却系 统难以实现模具的均匀冷却，模具中存在大量的热点和热节导致成型制品容易出 现变形、气孔、内裂纹等缺陷。20 世纪 90 年代提出的随形冷却技术，水路依 据制品外形变化，可实现均匀冷却，能显著改善制品的品质，减少冷却时间，具 有很强的适用性。 随着 3D 打印技术的发展成熟，随形冷却技术将在模具行业中取得更广泛 的应用。但从目前的研究状况来看，大多是在传统冷却系统的研究基础上进行拓 展 ， 且缺乏成熟的适用于增材制造的压铸模具材料 。 选区激光熔化 (Selective laser melting, SLM) 是一种典型的金属增材制造技术，利用高能量激光
束将粉未逐层熔化成形三维金属实体，具有制作复杂形状、成形件致密度高、节省材料等优点。SLM技术应用于医学领域个性化定制、随形冷却模具、多孔或网状等复杂几何形状构件等方面。3D打印技术所带来的制造方式的变革，还未很好地在压铸模具设计和研究中得到充分体现。目前，随形冷却水道的设计大多针对水道的整体结构，着重于水道的随形性，而水路形状对冷却的影响研究较少。另外，关于3D打印技术的应用探索主要集中在医疗、航空航天等领域，针对模具的3D打印制造，尤其是关于压铸模具材料、压铸模具失效机理、使用寿命和3D打印压铸模具所具有的特征结构的尺寸精度、表面质量等研究较少。鉴于此，本课题通过对三种不同适用于压铸模具的材料并制成粉末的SLM的工艺研究、性能变化、生产实际、寿命评估，对基于3D打印的随形冷却注塑模具的设计和制造的相关问题进行研究，旨在通过本研究，为随形冷却水道的设计和制造提供一定理论上的参考和工程实践指导作用。1.3国内外最新研究进展1.3.1随形冷却最新研究进展传统的冷却水道在设计中需要遵循一定的设计原则，但是水道的设计还是存在很大的自由度，不同的设计者针对某个压铸制件所设计的冷却方式往往不同。随形冷却与制品的几何特征有关，在设计中，将会更加的灵活和自由，目前来说，还未存在统一的设计原则，商业化的CAD软件也没有集成相应的随形冷却水道设计模块。但国内外针对随形冷却水道的设计的研究已取得了一定的进展。2000年，美国麻省理工学院的Xu等[3]对模具随形冷却水道的设计原则进行了探讨，总结出了六个原则：（1）随形冷却条件的设计：（2）冷却剂压降的设计：（3）冷却剂温度均匀性的设计；（4）制件充分冷却的设计；（5）冷却均匀性的设计：（6）模具强度和变形的设计。同时构建了基于划分冷却单元的随形冷却水道设计方式，并制造了模具，测试结果表明，与传统冷却方式相比，该随形冷却水道模具能缩短制件的生产周期20%左右，减少制件的变形约15%。香港理工大学对随形冷却水道的设计进行了较为全面的研究。2005年，Au[4]等以六面贯通的立方体小单元为基体，设计了一种新的随形冷却模具，基
束将粉末逐层熔化成形三维金属实体，具有制作复杂形状、成形件致密度高、节 省材料等优点。SLM 技术应用于医学领域个性化定制、随形冷却模具、多孔或网 状等复杂几何形状构件等方面。 3D 打印技术所带来的制造方式的变革，还未很好地在压铸模具设计和研究 中得到充分体现。目前，随形冷却水道的设计大多针对水道的整体结构，着重于 水道的随形性，而水路形状对冷却的影响研究较少。另外，关于 3D 打印技术的 应用探索主要集中在医疗、航空航天等领域，针对模具的 3D 打印制造，尤其是 关于压铸模具材料、压铸模具失效机理、使用寿命和 3D 打印压铸模具所具有的 特征结构的尺寸精度、表面质量等研究较少。鉴于此，本课题通过对三种不同适 用于压铸模具的材料并制成粉末的 SLM 的工艺研究、性能变化、生产实际、寿 命评估，对基于 3D 打印的随形冷却注塑模具的设计和制造的相关问题进行研究， 旨在通过本研究，为随形冷却水道的设计和制造提供一定理论上的参考和工程实 践指导作用。 1.3 国内外最新研究进展 1.3.1 随形冷却最新研究进展 传统的冷却水道在设计中需要遵循一定的设计原则，但是水道的设计还是存 在很大的自由度，不同的设计者针对某个压铸制件所设计的冷却方式往往不同。 随形冷却与制品的几何特征有关，在设计中，将会更加的灵活和自由，目前来说， 还未存在统一的设计原则，商业化的 CAD 软件也没有集成相应的随形冷却水 道设计模块。但国内外针对随形冷却水道的设计的研究已取得了一定的进展。 2000 年，美国麻省理工学院的 Xu 等[3]对模具随形冷却水道的设计原则 进行了探讨，总结出了六个原则：（1）随形冷却条件的设计；（2）冷却剂压降的 设计；（3）冷却剂温度均匀性的设计；（4）制件充分冷却的设计；（5）冷却均匀 性的设计；（6）模具强度和变形的设计。同时构建了基于划分冷却单元的随形冷 却水道设计方式，并制造了模具，测试结果表明，与传统冷却方式相比，该随形 冷却水道模具能缩短制件的生产周期 20%左右，减少制件的变形约 15%。 香港理工大学对随形冷却水道的设计进行了较为全面的研究。2005 年， Au[4]等以六面贯通的立方体小单元为基体，设计了一种新的随形冷却模具，基
体如图1-2所示。通过立方单元的组合，在模具型腔内部构成冷却空间，利用立方体形成的冷却面近似逼近制品的表面从而实现随形冷却的目的，并通过CAE和CAF软件模拟分析了制品的温度分布、注塑时模具的变形及冷却水的流动。基体还可以根据需要设计成其他形状，如六棱柱。结果表明，以这种方式建立的随形冷却更具有“随形”性，可以为模具型腔提供多层次的随形冷却，同时立方体还可以提供支撑，避免模具在注塑压力作用下的变形。但是，立方体基体的加工制造复杂，精度要求高；相邻基体之间的配合要求严格，否则，不仅会影响冷却，而且注塑时模具也易产生变形；另外，模具制造难度较大，成本高。10101101010-图1-2立方体基体示意图2006年，Au[5设计了可变半径的随形冷却水道（VariableRadiusConformalCoolingChannel)，通过加大冷却水道出口来增加出口处冷却水的冷却面积，补偿因冷却水温度升高引起的冷却效率降低和型腔的冷却不均。此外，他还研究了随形冷却面冷却（ConformalSurfaceCooling）的设计，将这种冷却方式分为Conformal porous pocket cooling(CPPC)和 Conformal scaffold pocketcooling（CSPC），CPPC即是将多孔结构的材料填充到型腔内部替代冷却水道，材料如图1-3所示，该结构可以通过3D打印技术制造。CSPC即是参考文献[4]所述冷却方式。为了便于形象直观地观察模具冷却状况，Au借助计算机辅助工业设计（Computer-aidedIndustrialDesign，简称CAID）软件，用光源模拟冷却水道中的关键节点，以光照强度模拟冷却剂的温度，通过观察模型的显示色差来研究冷却效果。该方式省去了CAE分析的繁琐过程，可以快速直观地了解到冷却状况，对冷却水道的布局和设计具有很好的辅助参考作用
体如图 1-2 所示。通过立方单元的组合，在模具型腔内部构成冷却空间，利用立 方体形成的冷却面近似逼近制品的表面从而实现随形冷却的目的，并通过 CAE 和 CAF 软件模拟分析了制品的温度分布、注塑时模具的变形及冷却水的流动。 基体还可以根据需要设计成其他形状，如六棱柱。结果表明，以这种方式建立的 随形冷却更具有“随形”性，可以为模具型腔提供多层次的随形冷却，同时立方 体还可以提供支撑，避免模具在注塑压力作用下的变形。但是，立方体基体的加 工制造复杂，精度要求高；相邻基体之间的配合要求严格，否则，不仅会影响冷 却，而且注塑时模具也易产生变形；另外，模具制造难度较大，成本高。 图 1-2 立方体基体示意图 2006 年，Au[5]设计了可变半径的随形冷却水道（Variable Radius Conformal Cooling Channel），通过加大冷却水道出口来增加出口处冷却水的冷却面积，补 偿因冷却水温度升高引起的冷却效率降低和型腔的冷却不均。此外，他还研究了 随形冷却面冷却（Conformal Surface Cooling）的设计，将这种冷却方式分为 Conformal porous pocket cooling（CPPC）和 Conformal scaffold pocket cooling （CSPC），CPPC 即是将多孔结构的材料填充到型腔内部替代冷却水道，材料如 图 1-3 所示，该结构可以通过 3D 打印技术制造。CSPC 即是参考文献[4]所述 冷却方式。为了便于形象直观地观察模具冷却状况，Au 借助计算机辅助工业设 计（Computer-aided Industrial Design，简称 CAID）软件，用光源模拟冷却水道 中的关键节点，以光照强度模拟冷却剂的温度，通过观察模型的显示色差来研究 冷却效果。该方式省去了 CAE 分析的繁琐过程，可以快速直观地了解到冷却状 况，对冷却水道的布局和设计具有很好的辅助参考作用
图1-3多孔结构材料2011年，Yu[6]等在Au的基础上，对注塑模随形冷却水道的自动排布进行了研究，提出了自动生成随形冷却水道的算法，并对基于该算法建立的随形冷却模型进行了分析模拟。结果表明，可以有效地减少冷却时间，保持温度的一致性，减少制品的体积收缩。其设计过程如图1-4所示。首先基于几何模型的曲面建立偏移曲面并以此作为随形冷却水道的冷却随形面，然后在该面上生成精细的离散CVD（CentroidalVoronoidiagram）六边形网格模型，最后以网格的边界线作为冷却水道的轨迹线建立冷却水道。Yu等的研究为随形冷却水道的自动设计提供了新的思路。将该方式与CAD软件结合可以较好地解决随形冷却水道的设计，但该方式生成的冷却水道非常复杂，型腔内部的网状结构会降低模具强度，注塑时模具易产生变形，影响制品的质量。同时由于水道支路过多，冷却水难以完全充满所有冷却水道，局部区域甚至无法通过，冷却水压力降较大。香港城市大学也做过此方面的研究，2000年，Li[7]等提出了基于特征的算法，2004年，他们从可加工性和功能性两方面进行了完善，提出了路径搜索算法[8]，该算法虽然是直接针对传统冷却水道的设计，但也可以适用于随形冷却水道的设计。OQQ图1-4随形冷却水道自动生成的步骤2011年，韩国蔚山大学的Park[9]和Dang[10]以传统的机械加工为基础，对随形冷却水道的设计和优化进行了研究。Park使用隔板式的冷却方式，将隔板
图 1-3 多孔结构材料 2011 年，Yu[6]等在 Au 的基础上，对注塑模随形冷却水道的自动排布进 行了研究，提出了自动生成随形冷却水道的算法，并对基于该算法建立的随形 冷却模型进行了分析模拟。结果表明，可以有效地减少冷却时间，保持温度的 一致性，减少制品的体积收缩。其设计过程如图 1-4 所示。首先基于几何模型 的曲面建立偏移曲面并以此作为随形冷却水道的冷却随形面，然后在该面上生 成精细的离散 CVD（Centroidal Voronoi diagram）六边形网格模型，最后以网 格的边界线作为冷却水道的轨迹线建立冷却水道。Yu 等的研究为随形冷却水 道的自动设计提供了新的思路。将该方式与 CAD 软件结合可以较好地解决随 形冷却水道的设计，但该方式生成的冷却水道非常复杂，型腔内部的网状结构 会降低模具强度，注塑时模具易产生变形，影响制品的质量。同时由于水道支 路过多，冷却水难以完全充满所有冷却水道，局部区域甚至无法通过，冷却水 压力降较大。香港城市大学也做过此方面的研究，2000 年，Li[7]等提出了基于 特征的算法，2004 年，他们从可加工性和功能性两方面进行了完善，提出了路 径搜索算法[8]，该算法虽然是直接针对传统冷却水道的设计，但也可以适用于 随形冷却水道的设计。 图 1-4 随形冷却水道自动生成的步骤 2011 年，韩国蔚山大学的 Park[9]和 Dang[10]以传统的机械加工为基础，对 随形冷却水道的设计和优化进行了研究。Park 使用隔板式的冷却方式，将隔板
串联，在模型表面构成随形冷却，如图1-5所示。采用此方式为带自由曲面的大型压铸盖构建了随形冷却水道并进行优化，结果表明，该冷却方式相比3D打印技术，可以在较少的加工成本下获得较好的冷却效果，尤其适用于大型复杂制件的冷却。该方式优点在于加工成本，但由于冷却水道流程过长，冷却水压力降很大，需要较大的泵送力。Dang通过铣削的加工方式，采用镶拼式模具的设计方法，建立了截面为U形的随形冷却水道，以合理的冷却排布和模具温度为目标，利用三维CAE模拟与数值计算公式对不同的冷却水道进行优化，并以汽车挡泥板为例进行验证，结果表明，该优化方式可提高设计效率和生产效率。该研究采用铣削方式制造冷却水道，提供了U形随形冷却水道的模拟计算方法。铣削虽然有良好的可加工性，但是这也限制了水道的设计。镶拼式的模具结构一定程度上影响了冷却效果，也增加了冷却水泄露的可能性，一图1-5隔板式随形冷却水道2013年，台湾国立高雄应用科技大学的张晨峰[11]和卢立轩[12]，基于Lloyd's算法与Voronoi多边形的理论分别为楔形导光板、半球壳模型创建了随形冷却水道，使用Moldflow软件模拟分析了随形冷却水道对制品品质的影响，该研究采用的设计方法与文献[6]类似。在国内，除香港、台湾部分科研院所外，对随形冷却的研究甚少。但从20世纪80年代起，对传统冷却系统的研究从未停止过。总的说来，大致可以分为三个阶段。（1）1985年到1990年之间，主要集中于冷却系统的设计方法和相应理论模型的建立。如：1985年，郑树勋[13]推导了针对复杂冷却过程的一些实用公式，用于确定冷却水道的直径。1986年徐敬一[14提出了冷却水道设计的6个步骤
串联，在模型表面构成随形冷却，如图 1-5 所示。采用此方式为带自由曲面的大 型压铸盖构建了随形冷却水道并进行优化，结果表明，该冷却方式相比 3D 打印 技术，可以在较少的加工成本下获得较好的冷却效果，尤其适用于大型复杂制件 的冷却。该方式优点在于加工成本，但由于冷却水道流程过长，冷却水压力降很 大，需要较大的泵送力。Dang 通过铣削的加工方式，采用镶拼式模具的设计方 法，建立了截面为 U 形的随形冷却水道，以合理的冷却排布和模具温度为目标， 利用三维 CAE 模拟与数值计算公式对不同的冷却水道进行优化，并以汽车挡泥 板为例进行验证，结果表明，该优化方式可提高设计效率和生产效率。该研究采 用铣削方式制造冷却水道，提供了 U 形随形冷却水道的模拟计算方法。铣削虽 然有良好的可加工性，但是这也限制了水道的设计。镶拼式的模具结构一定程度 上影响了冷却效果，也增加了冷却水泄露的可能性。 图 1-5 隔板式随形冷却水道 2013 年，台湾国立高雄应用科技大学的张晨峰[11]和卢立轩[12]，基于 Lloyd's 算法与 Voronoi 多边形的理论分别为楔形导光板、半球壳模型创建了 随形冷却水道，使用 Mol dflow 软件模拟分析了随形冷却水道对制品品质的影 响，该研究采用的设计方法与文献[6]类似。 在国内，除香港、台湾部分科研院所外，对随形冷却的研究甚少。但从 20 世纪 80 年代起，对传统冷却系统的研究从未停止过。总的说来，大致可以分为 三个阶段。 （1）1985 年到 1990 年之间，主要集中于冷却系统的设计方法和相应理论 模型的建立。如：1985 年，郑树勋[13]推导了针对复杂冷却过程的一些实用公式， 用于确定冷却水道的直径。1986 年徐敬一[14]提出了冷却水道设计的 6 个步骤
1987年，倪世俊[151等人研究了计算机辅助冷却系统的设计。1988年，华南理工大学的梁基照[16]在压铸模制品传热状态的基础上建立了简化传热模型进而推导出计算模具冷却时间的公式。（2）1990年至2000年间，主要是对注塑模具冷却系统设计的计算机实现的初步探索，建立了一些算法和分析模型。1992年，上海交通大学的陈焕文，对注塑模冷却系统进行分析，建立了CAD系统的分析模型。1995年，刁庆胜[17]等人提出了关于注塑模具冷却系统的一些简易算法。1997年，吴崇峰[18]等基于传热学和化工原理的基础理论，研究了注塑模具冷却系统的计算机辅助设计，开发设计了模具冷却水道计算模块。1998年，汪琦[19]等对大型注塑模具局部冷却时间的计算方法进行了分析讨论。上述这些对传统冷却系统的研究，提出的一些设计方法和原则，建立的相关模型，开发的自动智能设计模块，对随形冷却的设计都具有很大的借鉴意义，为随形冷却水道的设计与研究奠定了基础。2005年，部分高校的研究机构开始了对随形冷却的研究，其中以华中科技大学为代表。2005年，鲁中良[281等基于国内对注塑模、直线冷却水道设计的研究成果及国外对注塑模随形冷却水道的建立规则，提出了基于塑件均匀冷却的设计方法。根据该设计方法制造出电池盒注塑模具。相对于传统冷却水道而言，采用带有随形冷却水道的注塑模制造的电池盒注塑件，其制造周期减少约20%，变形减少约10%。2007年，史玉升、伍志刚等[29-30]提出了基于离散/聚集模型的随形冷却水道的设计方法，建立了截面为圆形、椭圆形、半椭圆形和U形的冷却水道的传热模型，并使用SLS技术成功制造了香盒模具，模具如图1-6所示。其冷却水道设计思路与文献[3]相似，如图1-7所示，先通过注塑制品的分模信息及制品三维模型，分别取得型腔与型芯部分所需冷却表面的相关信息，划分出冷却区域，之后将冷却区域离散成小的冷却单元，再根据冷却单元的设计规则设计出随形冷却单元，最后将设计好的冷却单元重新聚集起来，沿冷却回路组合得到完整的冷却系统。兰州理工大学的刘鹏[31]对理铸铜管的随形冷却方式进行了研究，模拟分析了铜管直径、铜管分布、冷却水温度和注塑温度等因素对冷却的影响。此外，湖北工业大学、深圳大学[32-34]对随形冷却注塑模具的制造等关键技术进行了探索并制造了模具，但并未涉及随形冷却水道的具体设计方法
1987 年，倪世俊[15]等人研究了计算机辅助冷却系统的设计。1988 年，华 南理工大学的梁基照[16]在压铸模制品传热状态的基础上建立了简化传热模型， 进而推导出计算模具冷却时间的公式。 （2）1990 年至 2000 年间，主要是对注塑模具冷却系统设计的计算机实现 的初步探索，建立了一些算法和分析模型。1992 年，上海交通大学的陈焕文， 对注塑模冷却系统进行分析，建立了 CAD 系统的分析模型。1995 年，刁庆胜 [17]等人提出了关于注塑模具冷却系统的一些简易算法。1997 年，吴崇峰[18]等 基于传热学和化工原理的基础理论，研究了注塑模具冷却系统的计算机辅助设计， 开发设计了模具冷却水道计算模块。1998 年，汪琦[19]等对大型注塑模具局部冷 却时间的计算方法进行了分析讨论。 上述这些对传统冷却系统的研究，提出的一些设计方法和原则，建立的相 关模型，开发的自动智能设计模块，对随形冷却的设计都具有很大的借鉴意 义，为随形冷却水道的设计与研究奠定了基础。 2005 年，部分高校的研究机构开始了对随形冷却的研究，其中以华中科技 大学为代表。2005 年，鲁中良[28]等基于国内对注塑模、直线冷却水道设计的研 究成果及国外对注塑模随形冷却水道的建立规则，提出了基于塑件均匀冷却的设 计方法。根据该设计方法制造出电池盒注塑模具。相对于传统冷却水道而言，采 用带有随形冷却水道的注塑模制造的电池盒注塑件，其制造周期减少约 20%， 变形减少约 10%。2007 年，史玉升、伍志刚等[29-30]提出了基于离散/聚集模型 的随形冷却水道的设计方法，建立了截面为圆形、椭圆形、半椭圆形和 U 形的 冷却水道的传热模型，并使用 SLS 技术成功制造了香盒模具，模具如图 1-6 所 示。其冷却水道设计思路与文献[3]相似，如图 1-7 所示，先通过注塑制品的分 模信息及制品三维模型，分别取得型腔与型芯部分所需冷却表面的相关信息，划 分出冷却区域，之后将冷却区域离散成小的冷却单元，再根据冷却单元的设计规 则设计出随形冷却单元，最后将设计好的冷却单元重新聚集起来，沿冷却回路组 合得到完整的冷却系统。兰州理工大学的刘鹏[31]对埋铸铜管的随形冷却方式进 行了研究，模拟分析了铜管直径、铜管分布、冷却水温度和注塑温度等因素对冷 却的影响。此外，湖北工业大学、深圳大学[32-34]对随形冷却注塑模具的制造等 关键技术进行了探索并制造了模具，但并未涉及随形冷却水道的具体设计方法
图1-6香盒随形冷却注塑模具综上所述，目前，国内外关于随形冷却水道设计的研究取得了一些研究成果，各研究机构也提出了一些设计原则和模拟优化设计的方法，建立了相应的传热模型，其中以美国麻省理工学院提出的设计六原则获得了较为广泛的认可，但这些理论还需要进一步地深化研究，这样才能为随形冷却水道的设计提供统一的参考标准。此外，关于随形冷却水道的CAD自动设计及CAE模拟也是今后研究的重点。1.3.2随形冷却压铸模的制造随形冷却虽然具有传统冷却水道不可比拟的优势，但采用传统的加工方式难以实现，一定程度上限制了随形冷却的运用。随着3D打印技术的发展，该技术在加工复杂冷却水道方面的巨大优势将极大地促进了随形冷却的应用，但其中仍存在不少待解决的问题，如模具强度、寿命和精度等。国内外的研究机构和一些模具制造公司针对随形冷却模具的制造进行了研究，取得了一些进展。总的说来，随形冷却注塑模的制造在工艺方法上可分为传统机械加工和3D打印两种。（1）传统机械加工方法用于加工冷却水道的传统机加工方式主要是钻削和铣削，钻削只能加工直孔，铣削只能在零件表面进行。因此，制造工艺比较复杂，如文献[9]和[10]，文献[9]的随形冷却方式虽然加工简单，但冷却水流程长，压力降大，入口出口温度变化较大，不利于出口处的冷却：文献[10]是大多数采用铣削加工随形冷却水道的方式，其过程为，首先根据制件外形建立随形冷却水道，然后采用嵌套或镶拼式的模具结构将水道分割出来进行铣削加工，最后组合形成随形冷却结构。该方式的
图 1-6 香盒随形冷却注塑模具 综上所述，目前，国内外关于随形冷却水道设计的研究取得了一些研究成 果，各研究机构也提出了一些设计原则和模拟优化设计的方法，建立了相应的 传热模型，其中以美国麻省理工学院提出的设计六原则获得了较为广泛的认 可，但这些理论还需要进一步地深化研究，这样才能为随形冷却水道的设计提 供统一的参考标准。此外，关于随形冷却水道的 CAD 自动设计及 CAE 模拟 也是今后研究的重点。 1.3.2 随形冷却压铸模的制造 随形冷却虽然具有传统冷却水道不可比拟的优势，但采用传统的加工方式难 以实现，一定程度上限制了随形冷却的运用。随着 3D 打印技术的发展，该技术 在加工复杂冷却水道方面的巨大优势将极大地促进了随形冷却的应用，但其中仍 存在不少待解决的问题，如模具强度、寿命和精度等。国内外的研究机构和一些 模具制造公司针对随形冷却模具的制造进行了研究，取得了一些进展。总的说来， 随形冷却注塑模的制造在工艺方法上可分为传统机械加工和 3D 打印两种。 （1） 传统机械加工方法 用于加工冷却水道的传统机加工方式主要是钻削和铣削，钻削只能加工直孔， 铣削只能在零件表面进行。因此，制造工艺比较复杂，如文献[9]和[10]，文献[9] 的随形冷却方式虽然加工简单，但冷却水流程长，压力降大，入口出口温度变化 较大，不利于出口处的冷却；文献[10]是大多数采用铣削加工随形冷却水道的方 式，其过程为，首先根据制件外形建立随形冷却水道，然后采用嵌套或镶拼式的 模具结构将水道分割出来进行铣削加工，最后组合形成随形冷却结构。该方式的
主要问题在于冷却水的渗漏，同时，组合式的模具结构对模具的强度和寿命均会有一定影响。（2）3D打印方法该方法是在3D打印技术的基础上发展起来的一种模具制造方法，可分为间接制模法与直接制模法。间接制模法指利用3D打印技术制造产品原型，基于此模型与传统模具制造工艺相结合翻制模具。直接制模法即是由CAD模型驱动直接由3D打印制造所需要的模具。1）间接制模法早期的随形冷却模具制作方式，是将人工弯制的铜管作为冷却水道埋入模具内部，实现随形冷却，属于间接制模法。Jocobs[35]使用该方式制作了模具，首先根据制品的外形弯制铜管，而后将铜管固定在预先制作的镊制壳状模具中，最后在该壳体内部浇铸铜作为填充材料。结果表明，制品翘曲变小，性能得到提高，模具最高温度降低，冷却速度更快。Dcelles[36将弯制铜管与3D打印技术结合制作了随形冷却模具，将弯制的铜管均匀布置于模腔内部，然后使用3D打印制作出型芯部分。Saurkar[37]基于SLA（StereoLithographyApparatus）技术，弯制铜管制作模具，改善了制品的品质并缩短了冷却时间。Ferreira[38]将铜管置入预制的框架中，然后填充树脂，研究了不同树脂填充的模具的注塑成型状况，模具如图1-8所示。图1-7理铜管式随形冷却注塑模具
主要问题在于冷却水的渗漏，同时，组合式的模具结构对模具的强度和寿命均会 有一定影响。 （2） 3D 打印方法 该方法是在 3D 打印技术的基础上发展起来的一种模具制造方法，可分为 间接制模法与直接制模法。间接制模法指利用 3D 打印技术制造产品原型，基于 此模型与传统模具制造工艺相结合翻制模具。直接制模法即是由 CAD 模型驱 动直接由 3D 打印制造所需要的模具。 1） 间接制模法 早期的随形冷却模具制作方式，是将人工弯制的铜管作为冷却水道埋入模具 内部，实现随形冷却，属于间接制模法。Jocobs[35]使用该方式制作了模具，首先 根据制品的外形弯制铜管，而后将铜管固定在预先制作的镊制壳状模具中，最后 在该壳体内部浇铸铜作为填充材料。结果表明，制品翘曲变小，性能得到提高， 模具最高温度降低，冷却速度更快。Dcelles[36]将弯制铜管与 3D 打印技术结合 制作了随形冷却模具，将弯制的铜管均匀布置于模腔内部，然后使用 3D 打印制 作出型芯部分。Saurkar[37]基于 SLA（Stereo Lithography Apparatus）技术，弯制 铜管制作模具，改善了制品的品质并缩短了冷却时间。Ferreira[38]将铜管置入预 制的框架中，然后填充树脂，研究了不同树脂填充的模具的注塑成型状况，模具 如图 1-8 所示。 图 1-7 埋铜管式随形冷却注塑模具