第35卷第3期 华中科技大学学报(自然科学版) 0年3月 J. Huazhong Univ. of Sci. Tech. (Nature Science Edition) 随形冷却对注塑成型和生产效率的影响 史玉升伍志刚魏青松黄树槐 (华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074) 摘要:采用有限元模拟方法,利用 Moldflow软件对注塑冷却过程进行模拟以香盒零件为研究对象,对多种 不同冷却方案进行了模拟分析根据模拟结果,比较分析了不同冷却方案的冷却过程,并优化出了香盒零件的 最佳随形冷却水道.利用选择性激光烧结快速制模工艺制造出设计好的具有最优随形冷却水道的注塑模具 应用该模具进行实际的注塑生产,其工艺参数和最终注塑产品质量均验证了模拟结果.采用随形冷却的香盒 零件注塑模,其生产效率提高了30%翘曲变形仅为普通模具的20% 关键词:注塑模具;随形冷却水道;冷却模拟;选择性激光烧结 中图分类号:TQ320.66文献标识码:A文章编号:1671-4512(2007)03-0060-03 Effects of conformal cooling channel on injection molding and production efficiency Shi Yus heng Wu Zhigang Wei jinsong Huang Shuhuai (State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technolo gy Huazhong University of Science and Technolo gy, Wuhan 430074, China) Abstract: Finite element met hod and Moldflow code were to simulate the cooling process of injection tooling. The optimal conformal cooling channel was found by means of the simulating analyses for va- rious cooling schemes. The injection tooling with the designed optimal conformal cooling channels was he selected laser sintering technique. A practical injection was conducted by the injection g,and the technical parameters used and the quality of produced injection parts both verify the simulated results, 1. e. The injection tooling of pomander with conformal cooling cha- nels improves 30 in the production efficiency, and its warpage is only 20 as much as the conver tional injection tooling Key words injection mould; conformal cooling channel cooling simulation; selected laser sintering 模具温度直接影响着注塑制品的质量和生产制作了随形冷却水道模具,也得出了类似的结论 效率,它主要通过模具的冷却系统来进行适当的文献[8,9]通过建立一维传热模型,研究了随形冷 控制和调节.传统的冷却水道只能加工成简单的却水道注塑模的冷却过程,并建立了若干随形冷 直孔,当注塑件形状复杂时,其冷却效果差,零件却水道设计规则,但是其结果存在一定偏差,同时 变形大 Jacobs发现使用铜镍合金材料制作的分析结果也缺乏直观性.为此,本研究使用专业注 随形冷却注塑模具,其生产效率较传统冷却模具塑过程模拟软件对注塑冷却过程进行三维冷却模 提高了70%右,同时注塑制品的质量也有较大拟,以研究随形冷却水道对注塑过程和生产效率 的改善2.文献[3~7]通过其他的快速制模方法的影响 收稿日期:2006-01-16 作者简介:史玉升(1962-),男,教授;武汉,华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室(430074) Email:shiyusheng(@263.net 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA62083);湖北省自然科学基金创新群体项目 (2004ABC001) o1994-2009ChinaAcademicJoumalElectronicPublishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
第35卷 第3期 2007年 3月 华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版) J. Huazhong Univ. of Sci. & Tech. (Nature Science Edition) Vol. 35 No. 3 Mar. 2007 收稿日期 : 2006201216. 作者简介 : 史玉升(19622) ,男 ,教授 ;武汉 ,华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室 (430074) . E2mail : shiyusheng @263. net 基金项目 : 国家高 技术研究发展计划资助项目 ( 2002AA6Z2083 ) ; 湖 北 省自 然 科 学基 金 创 新群 体 项 目 (2004ABC001) . 随形冷却对注塑成型和生产效率的影响 史玉升 伍志刚 魏青松 黄树槐 (华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室 , 湖北 武汉 430074) 摘要 : 采用有限元模拟方法 ,利用 Moldflow 软件对注塑冷却过程进行模拟. 以香盒零件为研究对象 ,对多种 不同冷却方案进行了模拟分析. 根据模拟结果 ,比较分析了不同冷却方案的冷却过程 ,并优化出了香盒零件的 最佳随形冷却水道. 利用选择性激光烧结快速制模工艺制造出设计好的具有最优随形冷却水道的注塑模具. 应用该模具进行实际的注塑生产 ,其工艺参数和最终注塑产品质量均验证了模拟结果. 采用随形冷却的香盒 零件注塑模 ,其生产效率提高了 30 % ,翘曲变形仅为普通模具的 20 % 关 键 词 : 注塑模具 ; 随形冷却水道 ; 冷却模拟 ; 选择性激光烧结 中图分类号 : TQ320. 66 文献标识码 : A 文章编号 : 167124512 (2007) 0320060203 Effects of conformal cooling channel on injection molding and production efficiency S hi Yusheng W u Zhi g ang Wei Qi nsong H uang S huhuai (State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technology , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 , China) Abstract : Finite element met hod and Moldflow code were to simulate t he cooling process of injection tooling. The optimal conformal cooling channel was found by means of t he simulating analyses for va2 rious cooling schemes. The injection tooling wit h t he designed optimal conformal cooling channels was fabricated by using t he selected laser sintering technique. A practical injection was conducted by using t he injection tooling , and t he technical parameters used and t he quality of produced injection parts both verify the simulated results , i. e. The injection tooling of pomander with conformal cooling chan2 nels improves 30 % in t he production efficiency , and its warpage is only 20 % as much as t he conven2 tional injection tooling. Key words : injection mould ; conformal cooling channel ; cooling simulation ; selected laser sintering 模具温度直接影响着注塑制品的质量和生产 效率 ,它主要通过模具的冷却系统来进行适当的 控制和调节. 传统的冷却水道只能加工成简单的 直孔 ,当注塑件形状复杂时 ,其冷却效果差 ,零件 变形大[1 ] .J acobs 发现使用铜镍合金材料制作的 随形冷却注塑模具 ,其生产效率较传统冷却模具 提高了 70 %左右 ,同时注塑制品的质量也有较大 的改善[2 ] . 文献[ 3～7 ]通过其他的快速制模方法 制作了随形冷却水道模具 ,也得出了类似的结论. 文献[8 ,9 ]通过建立一维传热模型 ,研究了随形冷 却水道注塑模的冷却过程 ,并建立了若干随形冷 却水道设计规则 ,但是其结果存在一定偏差 ,同时 分析结果也缺乏直观性. 为此 ,本研究使用专业注 塑过程模拟软件对注塑冷却过程进行三维冷却模 拟 ,以研究随形冷却水道对注塑过程和生产效率 的影响
第3期 史玉升等:随形冷却对注塑成型和生产效率的影响 1材料与方法 1.1香盒零件的结构 以一个香盒零件为例,其结构如图1所示零 (a)螺旋形冷却水道 (b)圆环形冷却水道 件外形尺寸为65mm×65mm×75mm,总体积 为5.0×10mm3.该产品利用注塑成型,其材料 图3随形冷却方案示意图 为ABS,设定收缩率为0.55%模具采用一模 1.4注塑冷却有限元模拟 腔结构,使用盘形浇注系统 采用商用注塑模拟软件MPI进行注塑过程 模拟.采用 Fusion网格,其网格数为13270,配比 率为92.1%,注塑材料选用 Lustran abs elite HH1287在MPI中建立的两种随形冷却方案的 有限元模型如图4所示,其与模具冷却相关的工 艺参数为:开模时间5s,保压时间10s,填充时间 1.7s,熔体温度230℃,模具温度50℃冷却介质 为水,温度为25℃,入口雷诺数为10000 (a)螺旋形方案 (b)圆环形方案 图1香盒零件结构示意图 1.2传统冷却方案 图4随形冷却方案的有限元模型 该香盒零件模具采用传统冷却水道(DCC)可 设计三种冷却方案方案一(DCC)见图2(a),型2模拟结果与分析 腔采用单层冷却水道,直径为12mm;方案二 (DCC2)见图2(b),型腔用双层冷却水道,直径 使用MPI软件的C-FW分析流程对香盒注 为10m:方案三(DCC3)见图2(c),型腔采用三塑制品进行注塑过程模拟,得出各冷却方案的成 层冷却水道,直径为8mm,另外,因型芯部分的最型周期C冷却时间r和由冷却不均所引起的零 小直径只有35mm,故在三种冷却方案中均采用件最大翘曲变形c如表1所示 隔板式冷却水道,直径为18mm 表1几种冷却方案的模拟分析结果 方案 a mm DCC2 29.030.0168 27.370.0239 33.25 0.0047 (a) dCc (c)DCC CCC232.8316210 图2传统冷却方案水道布置示意图 从表1可以看出:对传统冷却方案,其冷却 1.3随形冷却方案 间的大小排列为>bo>la,但在三套方 参考制品形状,模具型腔部位的冷却区域为案条件下冷却时间相差只有5%左右.由冷却不 圆柱面对于随形冷却水道(CCC),可以设计两种均匀引起的零件最大翘曲变形量则刚好相反 冷却方案.方案一(CCCI)如图3(a)所示,采用螺④bcq<<o.DCC1和DCC2相差只有 旋形空间结构,冷却水道直径为8mm;方案二3.7%,DCC3明显增大,差距达到42.3%从以 (CCC2)如图3(b)所示,采用圆环形空间结构冷上分析可以看出:使用传统冷却方法,随着冷却水 却水道直径为8mm.在两种随形冷却方案中,型道分布密度的增加其冷却效率略有增大,但由于 芯部位仍然采取隔板式冷却 其离型腔表面距离不相等,导致局部温度差增大 1994-2009ChinaAcademicJOunalElectronicpUblishinghOuse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
1 材料与方法 1. 1 香盒零件的结构 以一个香盒零件为例 ,其结构如图 1 所示. 零 件外形尺寸为 65 mm ×65 mm ×75 mm ,总体积 为 5. 0 ×10 4 mm 3 . 该产品利用注塑成型 ,其材料 为 ABS ,设定收缩率为 0. 55 %. 模具采用一模一 腔结构 ,使用盘形浇注系统. 图 1 香盒零件结构示意图 1. 2 传统冷却方案 该香盒零件模具采用传统冷却水道(DCC) 可 设计三种冷却方案. 方案一 (DCC1) 见图 2 (a) ,型 腔采用单层冷却水道 ,直径为 12 mm ; 方案二 (DCC2) 见图 2 (b) ,型腔采用双层冷却水道 ,直径 为 10 mm ;方案三(DCC3) 见图 2 (c) ,型腔采用三 层冷却水道 ,直径为8 mm. 另外 ,因型芯部分的最 小直径只有35 mm ,故在三种冷却方案中均采用 隔板式冷却水道 ,直径为 18 mm. 图 2 传统冷却方案水道布置示意图 1. 3 随形冷却方案 参考制品形状 ,模具型腔部位的冷却区域为 圆柱面. 对于随形冷却水道(CCC) ,可以设计两种 冷却方案. 方案一(CCC1) 如图 3 (a) 所示 ,采用螺 旋形空间结构 ,冷却水道直径为 8 mm ;方案二 (CCC2) 如图 3 (b) 所示 ,采用圆环形空间结构 ,冷 却水道直径为 8 mm. 在两种随形冷却方案中 ,型 芯部位仍然采取隔板式冷却. 图 3 随形冷却方案示意图 1. 4 注塑冷却有限元模拟 采用商用注塑模拟软件 MPI 进行注塑过程 模拟. 采用 Fusion 网格 ,其网格数为 13 270 ,配比 率为 92. 1 % ,注塑材料选用 Lustran ABS Elite H H1287. 在 MPI 中建立的两种随形冷却方案的 有限元模型如图 4 所示 ,其与模具冷却相关的工 艺参数为 :开模时间 5 s ,保压时间 10 s ,填充时间 1. 7 s ,熔体温度 230 ℃,模具温度 50 ℃. 冷却介质 为水 ,温度为 25 ℃,入口雷诺数为 10 000. 图 4 随形冷却方案的有限元模型 2 模拟结果与分析 使用 MPI 软件的 C2F2W 分析流程对香盒注 塑制品进行注塑过程模拟 ,得出各冷却方案的成 型周期 C、冷却时间 t 和由冷却不均所引起的零 件最大翘曲变形ω如表 1 所示. 表 1 几种冷却方案的模拟分析结果 方案 C/ s t/ s ω/ mm DCC1 46. 61 29. 91 0. 016 2 DCC2 45. 73 29. 03 0. 016 8 DCC3 44. 07 27. 37 0. 023 9 CCC1 33. 25 16. 55 0. 004 7 CCC2 32. 83 16. 21 0. 004 3 从表 1 可以看出 :对传统冷却方案 ,其冷却时 间的大小排列为 tDCC1 > tDCC2 > tDCC3 ,但在三套方 案条件下冷却时间相差只有 5 %左右. 由冷却不 均匀引起的零件最大翘曲变形量ω则刚好相反 : ωDCC1 < ωDCC2 < ωDCC3 . DCC1 和 DCC2 相差只有 3. 7 % ,DCC3 明显增大 ,差距达到 42. 3 %. 从以 上分析可以看出 :使用传统冷却方法 ,随着冷却水 道分布密度的增加其冷却效率略有增大 ,但由于 其离型腔表面距离不相等 ,导致局部温度差增大 , 第 3 期 史玉升等 : 随形冷却对注塑成型和生产效率的影响 ·61 ·
62 华中科技大学学报(自然科学版) 第35卷 并最终增加了零件的翘曲变形 时间为18s左右,与模拟的误差只有10%最终 相对于传统冷却方法,随形冷却方法的冷却注塑件变形小,无明显缺陷 时间缩短了40%,而由冷却不均匀引起的零件最 大翘曲变形量也只有传统冷却方法的20%.此 外,CCC2的成型周期和冷却不均匀引起的最大 翘曲变形量均小于CCC1,即对该种零件结构,圆 环形冷却结构要优于螺旋形冷却结构 为了研究冷却过程中零件不同部位的冷却均 匀性,分别选取传统和随形冷却方案中冷却效率 最高冷却水道分布密度相当的两种冷却方案(即 图6最终注塑零件 DCC3和CCC2)做进一步对比分析.在香盒注塑 模具的型腔表面从上到下均匀选取三个部位x, y,z,其位置如图1所示.从模拟结果中采集温度 ]李晓棠,李丹阳,孙庆山,等.复杂注塑模冷却系统的 数据,分析各个采样点从1.7~28.0s之间的型 模糊可靠性设计[]机械制造,2001,43(7):1820. 腔表面温度变化规律,两冷却方案中x,y,三采[2] JacobS PF. New frontiers in mold construction:high conductivity materials and conformal cooling channels 样点的温度变化曲线如图5所示 U ]. Society of Manufact uring Engineers, 1999(10) 3] Sachs E, Eylonis E, Allen S, et al. Production of ir jection molding tooling with conformal cooling char nels using the three dimension printing processJ) Polymer Engineering and Science, 2000, 40(8) l232-1247 (a)DCC3方案 (b)CCC2方案 tion injection mould tooling 5三采样点的温度变化曲线 cooling channels via indirect selective laser sintering 从图5中的温度变化曲线可以看出:在经过 [J. Proceedings of the Institution of Mechanical 28.0s后,随形冷却水道模具的型腔表面温度为 Engineers,2001,215(10):13231332 29℃C,传统冷却水道模具为40℃所以随形冷却5] Dimla d e, Camilotto M,MamF. Design and opti- 水道的冷却速度明显优于传统冷却水道.另外,分 nization of conformal cooling channels in injection moulding tools J]. Journal of Materials Processing 析三采样点处的温度变化曲线可以发现:在随形 Technology,2005,164(6):1294-1300 冷却水道模具中,三点处的型腔表面温度差要小 Fred G S. New concepts in mold conformal cooling 于传统冷却水道模具,表明随形冷却水道的冷却 design[ C]//2005- Annual Technical Conference Pro- 均匀性更优,这也是由随形冷却注塑模得到的注 ceedings, Volume 1. Brookfield: Society of Plastics 塑件翘曲变形量较小的原因 Engineers,2005:916-920. [7 Ferrira J C, Mateus A. Studies of rapid solft tooling 3随形冷却水道的实物验证 with conformal cooling channels for plastic injection moulding[J]. Journal of Materials Processing Tech- nology,2003,142(5):508516 结(SLS)快速制模工艺完成模具的加工.其大致I8] Xu xiaorong. Conformal cooling and rapid thermal cycling in injection molding by 3D printed tooling 过程为:将模具模芯部分的三维SIL模型导入 [D. Cambridge, Massachusettes: MIT, 1999 SLS快速成形机中成型,之后进行脱脂、高温烧[91 Xu Xiaorong,shsE, Allen S, The design of cor 结、渗铜等后处理,处理完成后在模芯表面做简单 formal cooling channels in injection molding tooling 机加工,再进行模芯与模架的装配,即完成了模具 U]. Polymer Engineering and Science, 2001, 41(7) 的制造过程.利用该模具进行注塑加工,得到香盒 1265-1278 零件的注塑件如图6所示实际注塑过程中,泠冷却 o1994-2009ChinaAcademicJOumalElectronicPublishingHouseAllrightsreservedhttp://www.cnki.net
并最终增加了零件的翘曲变形. 相对于传统冷却方法 ,随形冷却方法的冷却 时间缩短了 40 % ,而由冷却不均匀引起的零件最 大翘曲变形量也只有传统冷却方法的 20 %. 此 外 ,CCC2 的成型周期和冷却不均匀引起的最大 翘曲变形量均小于 CCC1 ,即对该种零件结构 ,圆 环形冷却结构要优于螺旋形冷却结构. 为了研究冷却过程中零件不同部位的冷却均 匀性 ,分别选取传统和随形冷却方案中冷却效率 最高、冷却水道分布密度相当的两种冷却方案(即 DCC3 和 CCC2) 做进一步对比分析. 在香盒注塑 模具的型腔表面从上到下均匀选取三个部位 x , y , z ,其位置如图 1 所示. 从模拟结果中采集温度 数据 ,分析各个采样点从 1. 7～28. 0 s 之间的型 腔表面温度变化规律 ,两冷却方案中 x , y , z 三采 样点的温度变化曲线如图 5 所示. 图 5 三采样点的温度变化曲线 从图 5 中的温度变化曲线可以看出 :在经过 28. 0 s 后 ,随形冷却水道模具的型腔表面温度为 29 ℃,传统冷却水道模具为 40 ℃,所以随形冷却 水道的冷却速度明显优于传统冷却水道. 另外 ,分 析三采样点处的温度变化曲线可以发现 :在随形 冷却水道模具中 ,三点处的型腔表面温度差要小 于传统冷却水道模具 ,表明随形冷却水道的冷却 均匀性更优 ,这也是由随形冷却注塑模得到的注 塑件翘曲变形量较小的原因. 3 随形冷却水道的实物验证 采用随形冷却方案 CCC2 ,用选择性激光烧 结(SL S) 快速制模工艺完成模具的加工. 其大致 过程为 :将模具模芯部分的三维 STL 模型导入 SL S快速成形机中成型 ,之后进行脱脂、高温烧 结、渗铜等后处理 ,处理完成后在模芯表面做简单 机加工 ,再进行模芯与模架的装配 ,即完成了模具 的制造过程. 利用该模具进行注塑加工 ,得到香盒 零件的注塑件如图 6 所示. 实际注塑过程中 ,冷却 时间为 18 s 左右 ,与模拟的误差只有 10 %. 最终 注塑件变形小 ,无明显缺陷. 图 6 最终注塑零件 参 考 文 献 [1 ] 李晓棠 ,李丹阳 ,孙庆山 ,等. 复杂注塑模冷却系统的 模糊可靠性设计[J ]. 机械制造 ,2001 , 43 (7) : 18220. [2 ] J acobs P F. New frontiers in mold construction : high conductivity materials and conformal cooling channels [J ]. Society of Manufacturing Engineers , 1999 (10) : 992115. [ 3 ] Sachs E , Eylonis E , Allen S , et al. Production of in2 jection molding tooling with conformal cooling chan2 nels using the three dimension printing process[J ]. Polymer Engineering and Science , 2000 , 40 ( 8 ) : 1 23221 247. [ 4 ] Dalgarno K W , Stewart T D. Manufacture of produc2 tion injection mould tooling incorporating conformal cooling channels via indirect selective laser sintering [J ]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers , 2001 , 215 (10) : 1 32321 332. [5 ] Dimla D E , Camilotto M , Miani F. Design and opti2 mization of conformal cooling channels in injection moulding tools [J ]. Journal of Materials Processing Technology , 2005 , 164 (6) : 1 29421 300. [6 ] Fred G S. New concepts in mold conformal cooling design[ C] ∥20052Annual Technical Conference Pro2 ceedings , Volume 1. Brookfield : Society of Plastics Engineers , 2005 : 9162920. [7 ] Ferrira J C , Mateus A. Studies of rapid solft tooling with conformal cooling channels for plastic injection moulding[J ]. Journal of Materials Processing Tech2 nology , 2003 , 142 (5) : 5082516. [ 8 ] Xu Xiaorong. Conformal cooling and rapid thermal cycling in injection molding by 3D printed tooling [D]. Cambridge , Massachusettes: MIT , 1999. [9 ] Xu Xiaorong , Sachs E , Allen S. The design of con2 formal cooling channels in injection molding tooling [J ]. Polymer Engineering and Science , 2001 , 41 (7) : 1 26521 278. ·62 · 华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第 35 卷