注塑模大赛模具冷却系统优化设计及分析

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　　摘  要：職业院校技能大赛高职组注塑模具赛项受限于现场条件，注塑试模时不接通冷却水，且要求加工完成的成型零件必须与模具设计一致，所以参赛队员都采用简单的冷却管道布局，既不影响最终的塑件质量，又节省冷却系统的分析、设计、加工、装配的时间以便完成其它任务。作者经过精确测算，对型芯镶块采用隔水板冷却方式，使冷却系统设计趋于合理。多消耗的时间约为15分钟，能在大赛规定的时间内完成所有任务，在预期取得更好成绩的同时，更贴近企业生产实际。
　　关键词：大赛;注塑模;冷却;隔水板
　　中图分类号：TQ320.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）07-0088-04
　　Abstract： The injection mold competition of the vocational college skill contest is limited by the on-site conditions， the cooling water is not connected during the injection mold test， and the finished parts must be consistent with the mold design， so the participants all adopt a simple cooling pipe layout， which not only does not affect the final quality of the plastic parts， but also saves the time of analysis， design， processing and assembly of the cooling system in order to complete other tasks. After accurate calculation， the author adopts the water barrier cooling method for the core insert， which makes the design of the cooling system more reasonable. The extra time is about 15 minutes， and it can complete all the tasks within the time specified in the competition， which is not only expected to achieve better results， but also closer to the actual production of the enterprise.
　　Keywords： competition; injection mold; cooling; water barrier
　　职业院校技能大赛（全国赛和江苏省赛）高职组“模具数字化设计与制造工艺”赛项（简称：大赛），已经举办了多届，赛项成果得到了学界和业界的高度认可。从2017年开始，组委会对竞赛内容作了重大调整，新赛制尽量贴近企业实际生产，同时兼顾信息化、智能化。要求竞赛选手参照现代企业的生产条件和要求，完成塑料制品生产的全流程，包括塑件设计、模具设计、主要模具零件加工制造、模具装配调试、试模成型等多项任务。
　　本文以近两届江苏省赛的样题（与国赛样题类似）为案例，重点分析竞赛结果中模具冷却系统设计不合理的原因并提出优化方案，力求使选手既能完成所有竞赛任务，又使模具设计方案更趋合理。
　　1 塑件分析
　　按照赛项规程，现场提供的试题为某产品及其安装下盖，要求选手设计安装上盖。也就是说，不同选手设计的上盖塑件主要尺寸和特征基本相同，只是个别细节特征不完全一致。一般来说，完成的上盖塑件主要尺寸及特征如图1所示。
　　塑件材质为PS，收缩率取0.5%，一模一腔。要求表面光洁无毛刺、无缩痕。可以看出，塑件结构较为简单，塑件高度13～14，侧面需设计侧型芯及斜顶，四个凸柱（有些选手设计了加强肋）需设计型芯及推管。要求选手完成CAE分析、模具设计、主要零件的加工、钳工装配等任务。三名选手分工协作完成，全部时间为不间断的6小时。模架实物给定且各个型孔已经加工好，即后续的设计和加工必须在给定条件基础上完成。动模板、定模板上的冷却管道孔已经加工完成，选手设计的型芯镶块和型腔镶块上的冷却管道孔必须与其对应才能准确装配模具。
　　2 冷却系统设计
　　竞赛主要的数控加工任务是型腔镶块（100×100×35）、型芯镶块（100×100×42）、侧滑块（xxx），斜顶（10×10×120）四个成型零件。型芯水路离塑件最小距离16.5;型腔水路圆心离塑件8.5，水路直径6，间隔24。型芯是整体式镶块，斜顶孔已加工。评分要求型芯镶块、型腔镶块与三维设计必须完全一致，也就是说，即使三维设计合理，但如果成型零件过于复杂，或存在特殊形状难以加工，那么从竞赛策略来说，还是不明智的。在此特定条件下，笔者研究了所有已经展示的获奖作品，发现大多数选手冷却管道布局不合理，尤其是型芯的冷却管道，见图2。不合理之处主要有：（1）型芯镶块的冷却管道离塑件较远，冷却效果差。虽然动模板上的冷却管道孔已经给定，型芯镶块的冷却管道孔必须要与之对应，但是仍然可以设计得更合理。（2）内腔的4个凸柱没有重点冷却。4个凸柱的根部为厚大部位，必须要重点冷却，才可能不会留下缩痕，尽管有些选手设计了加强肋和根部的减料（俗称“火山口”），但是针对此重点部位的冷却却鲜见处理。
　　多数选手选择忽视型芯镶块冷却管道的设计是有原因的，主要有以下两点。（1）塑件质量。竞赛试模时只试10腔，自选其中最好的1～2个塑件参加评分，而且在赛场注塑时是不接冷却液体的。由此可以看出，冷却管道的合理与否对最终的塑件质量分值几乎没有影响。（2）时间成本。国赛既比技能水平也比操作速度，可以说是寸秒寸金。按照竞赛要求，所有加工件必须与设计件完全一致。当型芯镶块采用较为复杂的冷却管道布局时，必须要在数控加工环节加工出来才能得分，否则反而扣分。多数参赛队伍对冷却管道的加工方法是，由加工选手在数控机床上点孔确定中心位置，再由钳工选手在钻床上加工完成。可以看出，复杂的冷却系统在设计与分析、数控加工、钳工修配等环节全部都有耗时。在取舍之下，几乎都采用简单的冷却系统就不难理解了。 　　以上分析可知，在竞赛时权衡难点有所取舍是可行的，而且是正确的，也是可以取得优异成绩的。但笔者在练习过程中发现，完全可以采取既合理设计又能耗时较少的方案，这样既能满足竞赛成绩需要，又更贴近真正的企业生产实际。
　　3 冷却系统优化设计
　　在与模架冷却管道适配的基础上，对型芯镶块采用隔水板冷却方式，重点冷却凸柱根部区域，经过实际操作测算后发现还是能在规定的时间内全部完成竞赛任务。
　　如图3所示，在4个凸柱根部附近采用隔水板冷却方式，管道离凸柱距离短，对厚大部位加强了冷却;离塑件最短距离只有4.5，这样设计的合理性显而易见。从竞赛时间来说，在三维设计环节增加了4个盲孔，需多装配添加8个冷却标准件（4个隔水板和4个密封圈），对于1个熟练的3D设计选手来说，在2～3分钟之内能完成。在CAE冷却分析环节，软件自带隔水板标准件，修改冷却管道也能在1～2分钟之内能完成。也就是说，在设计分析阶段需要增加约5分钟的时间。在数控加工阶段处理冷却管道的方法一般是编程点中心孔;密封圈的安置沟槽需加工，尺寸为5×2.75。点孔和加工密封沟槽，经实操测算这个环节总共需要约8分钟。
　　真正耗时较多的是钳工修配环节。（1）需要钻床加工4个盲孔（M10的螺纹底孔，孔深25），工艺为钻、扩、铰;（2）需要攻4个螺纹（M10，深8～10）;（3）需要装配自备的4个隔水板和4个密封圈，整个过程经实操测算约需15分钟。
　　以上时间并不累积，因为三名选手是并行完成任务的。即，采取隔水板冷却方式比直通式冷却方式多耗时约15分钟。正常情况下，多数优秀选手是能提前30分钟左右完成所有任务的，所以在模具设计更合理的情况下，多消耗的時间是可以接受的，因为这种方案能获得更高的模具设计分值。
　　4 CAE冷却分析
　　在竞赛现场不接通冷却液（仅吹气确定通不通）的情况下，通过CAE分析来评估冷却系统的合理性是可行的方案[1，2]，本文使用Moldflow软件对两种冷却方案进行分析比较。
　　采用系统提供的PS塑料默认工艺设置，即溶体温度230℃，开模时间5s，注射+保压+冷却总时间为30s，冷却介质为常温水。图4仅列出重要的分析结果，方案1为直通式冷却布局，方案2为隔水板冷却布局。
　　判断冷却系统是否合理的主要依据是，（1）成型冷却时间短;（2）塑件表面温度均匀，变形小[3，4]。冷却时塑料的收缩，使塑件包紧型芯，此时绝大多数的热量依靠型芯冷却传导，所以型芯镶块的冷却系统尤为重要[5]。
　　由分析结果可知，两种冷却方案的冷却时间都超过预设的5s，说明冷却效果都不好，主要是因为大赛的竞赛规程中某些规定（是必要的）限制了型芯冷却系统的设计。但方案2的冷却系统达到顶出温度的时间是7.461s，方案1的冷却系统达到顶出温度的时间是7.614s，两者相差0.153s，对于大批量生产而言，方案2显然更具优势。两种方案的塑件最高温度都是在凸柱根部，但方案2比方案1的制品温度低约3.7℃，说明针对厚大部位的冷却有了显著效果。塑件对应的4个指定点的温度和塑件等温线也表明凸柱部位得到了一定程度的重点冷却。
　　总体上，方案2的冷却效果比方案1好，原因是方案1的型芯冷却管道离塑件较远，而厚大部位热量集中，当热传导的距离较远时，热量难以在短时间内传导出去。采用方案2更靠近难冷却部位（凸柱根部）的冷却系统使模具结构更合理，可以在耗时能接受的范围内取得更好的竞赛成绩。
　　5 结束语
　　在大赛模式下，在效率与成绩之间需要作出权衡，在确保能完成所有任务的基础上，通过练习，尽量使模具设计更合理，是设置赛项的目的，也是培养优秀选手的目的。在型芯冷却管道离塑件较远，冷却效果不理想的情况下，改用隔水板冷却方式更为合理，而时间消耗也在可以接受的范围之内。显然，这种策略能取得更好的成绩，也使竞赛过程更符合企业生产实际，尤其能使选手获得更多的实用工艺经验。
　　参考文献：
　　[1]谢金林，盛希龙，王小新.基于CAE支架的浇注系统与冷却系统的优化设计[J].模具工业，2014，40（6）：25-28.
　　[2]孙寿云，王辉.基于CAE技术的注塑制品冷却系统的优化[J]. 模具技术，2011（6）：41-45.
　　[3]屈华昌，吴梦陵.塑料成型工艺与模具设计（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2018：249-255.
　　[4]史勇.Moldflow模流分析实例教程[M].北京：化学工业出版社，2019：106.
　　[5]郑浩勇，刘嗣斌，吴念.聚氨酯弹性体引射筒注射模设计[J].模具工业，2019，45（3）：36-41.
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