含玻璃纤维空调风叶模具的热流道系统开发及应用

曾 炬

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519000）

0 引言

空调的制冷环节中，有2个零件发挥关键作用，一个是位于室外机上的轴流风叶[1]，另一个是位于室内机上的离心风叶。高速运转的轴流风叶不断将室内产生的热量排出室外，而离心风叶将空调冷却的空气不断地输送室内。空调的噪音量取决于这2个零件高速运转下的动平衡系数。为了保证低的风叶动平衡系数，除了要求零件具有良好的结构性能外，还对模具的浇注系统有严格要求，要求各浇口必须平衡进料。由于风叶含玻璃纤维[2]，材料硬度高，使用传统热流道系统容易磨损铍铜嘴芯和浇口，造成各浇口进料不一致、成型的零件动平衡不稳定现象。因此，针对含玻璃纤维的风叶，开发一款合适的热流道系统具有重要意义。

1 风叶零件成型

风叶零件（包括轴流风叶、离心风叶）是空调制冷的关键零部件，如图1所示，为保证风叶高速运转过程中的质量稳定性，必须保证风叶在高速运转试验环境下其动平衡系数低于0.5。风叶模具成型过程中，平衡进料是保障零件运行动平衡的关键。由于风叶零件的强度要求，对注射成型材料的选择也较严格，普通材料无法满足要求，必须使用高强度的材料，一般采用AS-GF20，即玻璃纤维增强AS材料，玻璃纤维是非结晶的无机增强纤维材料，其特征是在纤维方向的抗拉强度高[3]、材料硬、流动性差，容易磨损螺杆，导致螺杆崩角，形成铁屑，因此成型过程容易夹带铁屑。

图1 空调风叶零件

2 热流道系统介绍

模具采用普通流道会产生凝料，浪费成本，而热流道具有节约材料、生产自动化等优点[4-6]，从成本方面考虑，热流道更受欢迎。热流道按结构区分，可分为针点式和针阀式[7]。针阀式热流道采用时序控制针阀开启和封闭，由于AS-GF20材料磨损阀针，且混在塑料熔体里的铁屑容易卡住阀针，造成浇注不顺，针阀式热流道不适用于风叶模具。风叶模具一般使用针点式热流道，如图2所示。针点式热流道包含主流道喷嘴、流道板、喷嘴三部分，其中主流道喷嘴连接注塑机喷嘴，注塑机料筒注入的熔体经过主流道喷嘴后进入流道板，再通过流道分流到各浇口，最后流入模具型腔。

图2 风叶针点式热流道

根据塑料模设计规范[8]，风叶热流道喷嘴前端设在定模镶件上，浇口形状通过数控加工中心与电火花放电加工形成，如图3所示，定模板硬度为30～35 HRC，注射AS-GF20一段时间后，浇口因硬度低会出现腐蚀磨损现象，导致进料量出现差异。当各叶片进料量不一致时，叶片运行时动平衡容易出现差异。

图3 风叶针点热流道浇口形状

传统喷嘴由本体、加热器、绝热壳体、嘴芯、绝热套等组成，如图4所示，其中嘴芯采用铍铜材料，由于铍铜具有良好的导热性，加热器产生的热量可以通过铍铜传递到浇口前端，使浇口前端保存热量，保证塑料熔体流动顺畅。但是铍铜材料耐磨性与耐腐蚀性一般，注射玻璃纤维材料时铍铜嘴尖腐蚀严重，当嘴尖消失时，浇口前端便会因热量传递不足而导致塑料熔体流动不顺畅。因此传统喷嘴不适合用于生产高质量要求的空调风叶。

图4 传统喷嘴结构

3 含玻璃纤维风叶模具的热流道系统

3.1 新型嘴芯

针对铍铜嘴芯受玻璃纤维影响腐蚀磨损的现象，特设计一款新型嘴芯，如图5所示，新型嘴芯由2种材料组成，前端为钨钢嘴芯，后端为铍铜垫子，采用铍铜+钨钢的嘴芯结构，同时将钨钢嘴芯出料孔设计成单孔大直径结构，解决了铍铜嘴芯易被铁屑堵塞的问题。

图5 新型嘴芯

钨钢也称为碳化钨钢结硬质合金[9-11]，具有硬度高、强度高、耐磨、耐腐蚀等优良性能，但导热性差。由表1可知，钨钢的导热性约铍铜的1/5，若嘴芯部分都使用钨钢材料，加热器产生的热量难以通过钨钢传热到浇口前端，导致浇口位置的塑料熔体冷却快，影响其流动性。而铍铜具有良好的导热性，钨钢与铍铜相结合，既能保证嘴芯前端的耐腐蚀性与耐磨性，同时也保证塑料熔体不会因钨钢的过冷而滞留，提高塑料熔体的整体流畅性。

表1 钨钢与铍铜性能对比

3.2 3种结构嘴芯温度试验比较

将嘴芯分为3种：全铍铜嘴芯（即传统嘴芯）、铍铜+钨钢嘴芯（即新型嘴芯）、全钨钢嘴芯（即传统嘴芯采用钨钢），对不同嘴芯进行有限元热分析。将加热圈温度设定为230℃作为分析条件，考虑喷嘴与嘴芯之间存在热对流，设定对流参数为5×106W/（mm²·℃)，喷嘴周围的模具冷却水路设定为25℃。3种材料的嘴尖温度结果如表2所示，在相同工况下，3种嘴芯嘴尖的温度不同，其中，全铍铜嘴芯温度传递效果最佳，热量损失最小，嘴尖温度为223℃；全钨钢嘴芯温度传递效果最差，热量损失最大，嘴芯的前端嘴尖部位温度为191℃；铍铜+钨钢嘴芯嘴尖温度介于两者之间。

表2 3种结构嘴尖温度

3.3 新型绝热套

针对传统喷嘴浇口因硬度不足导致磨损的问题，设计一款新型绝热套，如图6所示，设计成标准件，使用S136淬火加硬材料，对口部设置凸台并进行圆角处理，以降低浇口位置所受的应力。新型绝热套硬度为58～61 HRC，硬度高，浇口处不易磨损，尺寸稳定，同时喷嘴内部的半圆形凹坑作为塑料熔体的绝热仓，整体隔热效果更好，并对喷嘴前端的浇口区域起保温作用。传统绝热套保温功能差（见图4），传统结构喷嘴前端的半圆形凹坑，即绝热仓是由定模镶件组成，而定模镶件受模具冷却水路影响，凹坑中塑料熔体热量会被定模镶件带走，因此喷嘴前端温度下降严重，影响塑料熔体的流动性。

图6 新型绝热套

3.4 新型热流道系统生产效果

新型喷嘴是在传统喷嘴结构的基础上改良升级，如图7所示。新型热流道系统如图8所示，其浇口前端设计在绝热套上，解决了定模浇口易磨损的问题，另外定模镶件浇口不用加工成型部分，只需加工直孔，使定模加工简单。

传统的喷嘴生产风叶1 000模次，嘴芯和浇口已经出现轻微磨损，生产10 000次时，腐蚀磨损已经对风叶运行时动平衡产生影响，当生产20 000次时，已经无法满足技术要求，如表3所示。而新型喷嘴的嘴芯、绝热套更耐磨，生产20 000次还能继续使用，零件运行时动平衡满足技术要求。

图7 新型喷嘴结构

图8 新型热流道系统

表3 2种喷嘴生产风叶情况

4 结束语

将钨钢嘴芯和铍铜垫子相结合的新型嘴芯代替铍铜嘴芯、新型绝热套代替传统绝热套并运用于风叶模具热流道系统，经生产验证，可以解决嘴芯磨损、生产易被铁屑堵塞、进料不平衡的技术难题。空调风叶零件（包括轴流风叶和离心风叶）使用新型热流道系统后，无浇口凝料，节约材料成本，成型的叶片平衡性好、噪音小，合格率达到98%以上，提升了企业的竞争力。