基于随形水路的汽车烟缸缸体注塑优化设计

方俊杰 吴 建

（芜湖职业技术学院，芜湖 241000）

塑料因其质轻、耐腐蚀、绝缘性能好等优点，广泛应用于汽车、电气、日化、医疗等生产生活领域，且塑料制品的生产与销售数量逐年增加。随着人们消费观念的变化，仅仅满足基本功能要求的塑件在市场上已不占优势，美观的造型和良好的表面质量逐渐成为消费者选购时考虑的重点，这就对模具的设计和制造提出了更加严格的要求。塑料制品的质量主要取决于成型模具的设计和制造的质量，其次取决于合理的成型工艺[1]。在注射模具设计过程中，冷却系统会直接影响成型过程中的模具温度，因此其设计显得极为重要。一方面，合适的模具温度有助于塑料熔体获得良好的流动性，更易填充到模具的细小区域，使得塑件脱出后的翘曲变形更小，尺寸更加稳定，表面质量更高。另一方面，冷却时间约占整个注射成型周期的75%，而合理的冷却系统设计可以保证塑件各处冷却时间一致，缩短成型周期，提高生产率，降低生 产成本[2]。

目前，注射成型模具中的冷却水路大多仍为传统水路。利用钻床加工若干条直线型通道，结合堵头形成环路，有时还会辅助以水井或喷流式冷却通道等方式冷却型芯部分[3]。这类水路设计加工难度较低，对形状简单且规整的塑件冷却效果较好，应用范围较广。但是，对于一些曲面形状复杂，壁厚不均匀的塑件，传统冷却方案很难保证水路中心与型腔内壁之间的距离一致。厚壁处或距离远的地方冷却慢、温度高，薄壁处或距离近的地方冷却快、温度低，导致塑件各处冷却不均，翘曲变形增大。

为解决冷却不均的问题，可以将传统的直线型水路变为曲线型，使其能够依照塑件的内外形均匀环绕在塑件四周形成随形水路。受限于传统机械加工方法，早期的随形水路可通过埋管法或镶拼法实现。前者是在模型中埋设预先弯制好的铜管，加工较简单，但水路灵活性较差；后者是使用铣床在型芯镶块上切削出预定路径的沟槽，再通过装配方式形成水路通道，加工时间较长，工艺复杂，成本较高且易渗漏，后期维护烦琐，故应用较少[4]。随着材料科学和增材制造技术的不断发展，选择性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）技术在模具制造中的应用使得随形水路的应用更加广泛[5]。本文以某型汽车烟缸缸体为对象，对比分析传统与随形冷却两种方案，以求优化产品的冷却效果，为后续模具设计提供理论参考。

1 塑件结构分析

该烟缸缸体为汽车内饰件，材料为ABS，结构如图1所示。外形不规则，内部为较大空腔，内外表面均含有加强筋等细小结构。总体尺寸为101 mm× 57 mm×81 mm，壁厚不均匀，其中底面及三面侧壁壁厚2 mm，剩余较矮一面侧壁壁厚3 mm。内壁含有两处凸起片状结构，使得该处局部壁厚约为4 mm。左右两侧外壁各有一个腰型槽，无法强制脱模，因此模具中需设计对应的侧抽结构。因为缸体内表面为外观面，质量要求较高，不允许出现浇口及顶出痕迹，所以不适合在内表面设计推杆脱模机构，可改为推件板脱模机构以保证外观质量。

2 Moldflow数值模拟

2.1 模型前处理

使用CAD Doctor软件对烟缸缸体数模进行简化处理，删除影响网格划分的加强筋结构，之后导入Moldflow软件中进行网格划分。采用双层面网格，网格边长为1.4 mm，网格数为67556，匹配百分比为94.2%，相互百分比为92.4%，符合分析要求。

该烟缸缸体基本尺寸中等，采用一模两腔布局且塑件倒置。流动阻力（图2）分析结果显示，它的底面流动阻力较小，适合选为浇口位置，所以可在底面外侧设计单个点浇口作为进料位置。对浇注系统进行合理性验证，结果显示左右两型腔充填一致性较好，且无短射情况，流动前沿温度如图3所示，温差为 2.7 ℃，小于3.0 ℃，适合进行后续冷却分析。

2.2 冷却方案

根据该烟缸缸体的结构特点，分别设计传统水路和随形水路两种冷却方案，如图4所示。传统水路方案中型腔部分采用垂直相交的若干直线型水路并配合堵头构成环路，用于冷却塑件的底面。由于塑件高度较矮一边的侧壁壁厚为3 mm，为加强该侧壁的冷却，另在模具左右各设计两条水路用于辅助冷却。型芯部分则采用直线型水路配合隔水板的方案。参考模具设计手册，所有水路直径均为8 mm，水路中心线距离塑件表面15 mm，隔水板直径为12 mm，顶部距离塑件表面10 mm。

随形水路可采用增材制造方式进行加工，所以其水路路径设计自由度较大。型腔部分依照塑件轮廓设计出弯折的水路1，用以均匀冷却底面。型芯部分则依照塑件4个侧壁的轮廓设计成往复型水路2。此外，为了均匀冷却塑件较矮一边侧壁，设计了水路 3和水路4，并依照塑件外形单独设计一条曲线型水路5，用以冷却塑件的侧凹部分。其中，水路1直径为8 mm，水路2～水路5的直径均为6 mm，水路 1中心线距离塑件表面15 mm，水路2～水路5的中心线距离塑件表面约为10 mm。

2.3 冷却分析结果对比

分析材料选择合肥Orinko公司生产的ABS-3030。根据材料的成型特性，部分工艺参数设置如表1所示，冷却时间采用软件自动计算。

达到顶出温度的时间结果，如图5所示。该结果直接反映了两种冷却方案的冷却耗时，结果显示传统水路方案冷却时间为44.42 s，随形水路方案冷却时间为39.69 s。相较于前者，后者的冷却用时缩短了10.6%，表明随形水路可以有效缩短成型周期，提高生产效率。塑件存在积热点，位置如图5（c）所示。该处壁厚过厚，加强冷却效果有限，需要针对性修改塑件结构以改善冷却效果。

塑件温度结果如图6所示。该结果可体现塑件在冷却周期内的温度变化范围，温差越大说明冷却均匀程度越低。结果显示，传统水路方案塑件温差为35.47 ℃，随形水路方案塑件温差为21.29 ℃，表明采用随形水路可提高塑件冷却的均匀程度。

冷却不均引起的变形结果如图7所示。结果显示，传统水路方案因冷却不均引起的变形量为0.1425 mm， 随形水路方案因冷却不均引起的变形量为0.0475 mm。 后者相较前者减小了约66.7%，表明采用随形水路方案可以显著降低塑件因冷却不均匀而产生的翘曲变形。

3 结语

根据某汽车烟缸缸体的结构特点，采用一模两腔，设计了含点浇口的浇注系统，分别对传统水路冷却方案和随形水路冷却方案的冷却效果进行数值模拟。结果显示，相较于前者，随形水路方案的冷却时间缩短10.6%，塑件表面温度均匀程度提高40.0%，因冷却引起的翘曲变形量缩小66.7%。可见，采用随形水路冷却方案可以提高该塑件的注塑成型效率，改善其成型质量。

分析结果为改进塑件结构设计提供了参考。塑件冷却过程中存在积热点，原因是壁厚不均。局部壁厚过厚会延长冷却时间，并增大收缩变形量。该处由于空间限制无法布置更有效的冷却水路，需要针对分析结果修改塑件局部结构，以保证成型质量。