彎曲形冷卻水道型芯的設計與探討

樓 易

隨著對熱固性塑料燒結法工藝原理的研究越來越深入，其成形模具設計也已經由經驗設計階段逐漸向理論技術設計方面發展，使得產品的產量和質量都得到了很大的提高。點澆口可以使熔體的表觀黏度下降，流動性增加，有利于型腔的填充，對于薄壁零件有利［1－2］。而注塑模具對溫度調節系統的要求：一是要能確定加熱或是冷卻；二是模具溫度要均一，塑件各部分能同時冷卻；三是采用低的模溫，能快速且大量通冷卻水。因此，采用任意曲線形冷卻水道，可最大限度地保證冷卻均勻［3－4］。但是，曲線形水道不能鉆孔，這種內有彎曲冷卻水道的型芯用傳統的切削加工方法是不能實現的，所以，只好用直線孔代替。然而，即使是直線孔也要借助于一些工藝孔，鉆好后再封閉，這樣做太麻煩，費時費力。關于曲線冷卻孔加工也是有先例的［5］，方法是銑出螺旋水道后再套一個構件，做成的組合內模結構復雜。為此，本研究探索了采用選擇性激光燒結法（SLS）快速成形工藝。由于快速成形法燒結成形的材料通常為合成樹脂，無法承受注塑高溫，故繼而提出在快速成形法燒結成形的材料中混入鐵粉，以提高耐熱性。在材料中混入鐵粉，有別于原有的在快速成形法燒結成形的材料中混入金屬成分只是為了提高硬度［6］的做法。

1 模具的整體設計

以警燈燈罩為例，用激光燒結法的熱固性塑料成形模具的各設計視圖如圖1所示，其中，凹模的零件圖見圖2。

圖1 模具設計視圖Fig.1 Design view of mold

2 成形模具冷卻系統的設計

由于警燈燈罩外形基本上都是曲面，采用傳統的冷卻水道會使塑料零件各處冷卻不均勻，致使塑料零件變形。所以，此處采用彎曲的冷卻水道，使零件高效冷卻且各處的冷卻速率相近。考慮到零件的形狀，為了使零件充分地冷卻，所以把冷卻水道設計在型芯中，如圖3所示。

根據經驗，冷卻水口直徑取8 mm。另外，在設計模具冷卻系統的過程中，還應同時遵循在澆口處加強冷卻。

這種內有彎曲冷卻水道的型芯，不能用傳統的切削方法加工，本工藝采用選擇性激光燒結技術燒結混加高分子黏結劑粉末的普通鐵粉成形注塑模具形坯，該方法綜合了快速成形制造技術的快捷性和選擇性激光燒結技術自身的優點，不僅可以縮短制造注塑模具的周期，而且能夠隨塑料件的形狀輪廓改變模具中的冷卻水道形狀。

圖2 凹模Fig.2 Concave die

圖3 內置彎曲冷卻水道的型芯Fig.3 Core built－in curved cooling water channel

3 內置彎曲冷卻水道型芯的加工

3.1 選擇性激光燒結

選擇性激光燒結是采用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成形的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。其整個工藝過程包括：建立三維模型、對三維模型進行數據處理、鋪放粉料、激光燒結及后續處理等。

首先將鐵粉和ABS工程塑料按一定比例混合均勻，根據三維模型用激光束對混合粉末進行選擇性掃描，激光的作用使混合粉末中的黏結劑熔化并與金屬粉末黏結在一起，形成模具型芯的坯體。其工作原理見圖4。

圖4 選擇性激光燒結工作原理圖Fig.4 Working principle of selective laser sintering

加工過程是把混合粉末一層層燒結在一起，最后形成坯體，其大致流程如圖5所示。這時候的型芯坯體是一種多孔材料，它的強度與其密度相關，根據這一特性，可以通過成形較細的金屬粉末和減少黏結劑含量來提高坯體材料的致密度（本工藝采用10%的ABS工程塑料和90%的鐵粉），從而增加其強度。

圖5 坯體加工流程Fig.5 Process flow of mould

3.2 高溫燒結

把坯體放在真空爐中進行高溫燒結，可以提高坯體的強度。燒結的最高溫度為1 180℃。在800℃之前，以20℃／min的升溫速率較快加熱；800℃之后，以200℃／h的升溫速率加熱，直到1 180℃，并保溫1 h。燒結后形坯的孔隙度為46%左右，燒結坯的表面粗糙度Ra為2.5～5.0μm。高溫燒結后還可以做適當的后處理，如金屬熔滲（如滲銅）等工序，來進一步加強型芯的強度和力學性能。這樣得到的零件就可以作為型芯來使用了。

4 結 語

采用彎曲的冷卻水道，使零件高效冷卻且各處的冷卻速率相近。采用選擇性激光燒結（SLS）技術燒結混加高分子黏結劑粉末的普通鐵粉成形塑料模具形坯，克服了只能用直線對模具彎曲壁作近似曲面形狀的局限性，設計出能精確接近曲面形狀和性質、能展開到一定階數的曲面高階冷卻方法，初步探討了可以實現2階或2階以上切觸的密切冷卻理論。

［1］ 朱光力.模具設計與制造實訓［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］ 屈昌華.塑料成形工藝與模具設計［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］ Fur u moto T，Ueda T，Amino T，et al.Finishing perfor mance of cooling channel with face pr ot uberance inside the molding die［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212（10）：2154－2160.

［4］ Ko D H ，Kang B H，Ko D C，et al.Improvement of mechanical pr operties of Al6061 extr udate by die cooling with N2gas during hot extrusion［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2013，27（1）：153－161.

［5］ 馮炳蕘，蔣文森.模具設計與制造簡明手冊［M］.上海：科學技術出版社，2010.

［6］ 于千，白培康，王建宏.復合尼龍粉末激光燒結快速成形技術進展［J］.工程塑料應用，2005（5）：43－48.