基于隨形水路的汽車煙缸缸體注塑優化設計

方俊杰 吳 建

（蕪湖職業技術學院，蕪湖 241000）

塑料因其質輕、耐腐蝕、絕緣性能好等優點，廣泛應用于汽車、電氣、日化、醫療等生產生活領域，且塑料制品的生產與銷售數量逐年增加。隨著人們消費觀念的變化，僅僅滿足基本功能要求的塑件在市場上已不占優勢，美觀的造型和良好的表面質量逐漸成為消費者選購時考慮的重點，這就對模具的設計和制造提出了更加嚴格的要求。塑料制品的質量主要取決于成型模具的設計和制造的質量，其次取決于合理的成型工藝[1]。在注射模具設計過程中，冷卻系統會直接影響成型過程中的模具溫度，因此其設計顯得極為重要。一方面，合適的模具溫度有助于塑料熔體獲得良好的流動性，更易填充到模具的細小區域，使得塑件脫出后的翹曲變形更小，尺寸更加穩定，表面質量更高。另一方面，冷卻時間約占整個注射成型周期的75%，而合理的冷卻系統設計可以保證塑件各處冷卻時間一致，縮短成型周期，提高生產率，降低生 產成本[2]。

目前，注射成型模具中的冷卻水路大多仍為傳統水路。利用鉆床加工若干條直線型通道，結合堵頭形成環路，有時還會輔助以水井或噴流式冷卻通道等方式冷卻型芯部分[3]。這類水路設計加工難度較低，對形狀簡單且規整的塑件冷卻效果較好，應用范圍較廣。但是，對于一些曲面形狀復雜，壁厚不均勻的塑件，傳統冷卻方案很難保證水路中心與型腔內壁之間的距離一致。厚壁處或距離遠的地方冷卻慢、溫度高，薄壁處或距離近的地方冷卻快、溫度低，導致塑件各處冷卻不均，翹曲變形增大。

為解決冷卻不均的問題，可以將傳統的直線型水路變為曲線型，使其能夠依照塑件的內外形均勻環繞在塑件四周形成隨形水路。受限于傳統機械加工方法，早期的隨形水路可通過埋管法或鑲拼法實現。前者是在模型中埋設預先彎制好的銅管，加工較簡單，但水路靈活性較差；后者是使用銑床在型芯鑲塊上切削出預定路徑的溝槽，再通過裝配方式形成水路通道，加工時間較長，工藝復雜，成本較高且易滲漏，后期維護煩瑣，故應用較少[4]。隨著材料科學和增材制造技術的不斷發展，選擇性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）技術在模具制造中的應用使得隨形水路的應用更加廣泛[5]。本文以某型汽車煙缸缸體為對象，對比分析傳統與隨形冷卻兩種方案，以求優化產品的冷卻效果，為后續模具設計提供理論參考。

1 塑件結構分析

該煙缸缸體為汽車內飾件，材料為ABS，結構如圖1所示。外形不規則，內部為較大空腔，內外表面均含有加強筋等細小結構。總體尺寸為101 mm× 57 mm×81 mm，壁厚不均勻，其中底面及三面側壁壁厚2 mm，剩余較矮一面側壁壁厚3 mm。內壁含有兩處凸起片狀結構，使得該處局部壁厚約為4 mm。左右兩側外壁各有一個腰型槽，無法強制脫模，因此模具中需設計對應的側抽結構。因為缸體內表面為外觀面，質量要求較高，不允許出現澆口及頂出痕跡，所以不適合在內表面設計推桿脫模機構，可改為推件板脫模機構以保證外觀質量。

2 Moldflow數值模擬

2.1 模型前處理

使用CAD Doctor軟件對煙缸缸體數模進行簡化處理，刪除影響網格劃分的加強筋結構，之后導入Moldflow軟件中進行網格劃分。采用雙層面網格，網格邊長為1.4 mm，網格數為67556，匹配百分比為94.2%，相互百分比為92.4%，符合分析要求。

該煙缸缸體基本尺寸中等，采用一模兩腔布局且塑件倒置。流動阻力（圖2）分析結果顯示，它的底面流動阻力較小，適合選為澆口位置，所以可在底面外側設計單個點澆口作為進料位置。對澆注系統進行合理性驗證，結果顯示左右兩型腔充填一致性較好，且無短射情況，流動前沿溫度如圖3所示，溫差為 2.7 ℃，小于3.0 ℃，適合進行后續冷卻分析。

2.2 冷卻方案

根據該煙缸缸體的結構特點，分別設計傳統水路和隨形水路兩種冷卻方案，如圖4所示。傳統水路方案中型腔部分采用垂直相交的若干直線型水路并配合堵頭構成環路，用于冷卻塑件的底面。由于塑件高度較矮一邊的側壁壁厚為3 mm，為加強該側壁的冷卻，另在模具左右各設計兩條水路用于輔助冷卻。型芯部分則采用直線型水路配合隔水板的方案。參考模具設計手冊，所有水路直徑均為8 mm，水路中心線距離塑件表面15 mm，隔水板直徑為12 mm，頂部距離塑件表面10 mm。

隨形水路可采用增材制造方式進行加工，所以其水路路徑設計自由度較大。型腔部分依照塑件輪廓設計出彎折的水路1，用以均勻冷卻底面。型芯部分則依照塑件4個側壁的輪廓設計成往復型水路2。此外，為了均勻冷卻塑件較矮一邊側壁，設計了水路 3和水路4，并依照塑件外形單獨設計一條曲線型水路5，用以冷卻塑件的側凹部分。其中，水路1直徑為8 mm，水路2～水路5的直徑均為6 mm，水路 1中心線距離塑件表面15 mm，水路2～水路5的中心線距離塑件表面約為10 mm。

2.3 冷卻分析結果對比

分析材料選擇合肥Orinko公司生產的ABS-3030。根據材料的成型特性，部分工藝參數設置如表1所示，冷卻時間采用軟件自動計算。

達到頂出溫度的時間結果，如圖5所示。該結果直接反映了兩種冷卻方案的冷卻耗時，結果顯示傳統水路方案冷卻時間為44.42 s，隨形水路方案冷卻時間為39.69 s。相較于前者，后者的冷卻用時縮短了10.6%，表明隨形水路可以有效縮短成型周期，提高生產效率。塑件存在積熱點，位置如圖5（c）所示。該處壁厚過厚，加強冷卻效果有限，需要針對性修改塑件結構以改善冷卻效果。

塑件溫度結果如圖6所示。該結果可體現塑件在冷卻周期內的溫度變化范圍，溫差越大說明冷卻均勻程度越低。結果顯示，傳統水路方案塑件溫差為35.47 ℃，隨形水路方案塑件溫差為21.29 ℃，表明采用隨形水路可提高塑件冷卻的均勻程度。

冷卻不均引起的變形結果如圖7所示。結果顯示，傳統水路方案因冷卻不均引起的變形量為0.1425 mm， 隨形水路方案因冷卻不均引起的變形量為0.0475 mm。 后者相較前者減小了約66.7%，表明采用隨形水路方案可以顯著降低塑件因冷卻不均勻而產生的翹曲變形。

3 結語

根據某汽車煙缸缸體的結構特點，采用一模兩腔，設計了含點澆口的澆注系統，分別對傳統水路冷卻方案和隨形水路冷卻方案的冷卻效果進行數值模擬。結果顯示，相較于前者，隨形水路方案的冷卻時間縮短10.6%，塑件表面溫度均勻程度提高40.0%，因冷卻引起的翹曲變形量縮小66.7%。可見，采用隨形水路冷卻方案可以提高該塑件的注塑成型效率，改善其成型質量。

分析結果為改進塑件結構設計提供了參考。塑件冷卻過程中存在積熱點，原因是壁厚不均。局部壁厚過厚會延長冷卻時間，并增大收縮變形量。該處由于空間限制無法布置更有效的冷卻水路，需要針對分析結果修改塑件局部結構，以保證成型質量。