注塑模冷却系统设计原则及结构形式

模人原创

随着塑料在汽车领域的使用量持续增长,占到了车身总质量的10%-15%,由于对汽车轻量化设计的追求,塑料在汽车领域的用量将会越来越大。在现代社会,尤其是欧美与德国的汽车主机厂,例如奔驰Smart,莲花Elisey与雷诺Espace,均采用了塑料车身。而且汽车上使用塑料的多少还成为了衡量汽车水平高低的一个重要标准。

2017年上海车展,分别从互联网造车,自动驾驶技术,车联网技术,新能源等方向出发,分析了未来汽车行业的发展方向。随着互联网应用于汽车领域,涌现出了大批新能源汽车研究厂家,汽车工业空前繁荣。汽车工业的繁荣推动了汽车模具工业的发展,带动了世界的经济。塑料大量利用于汽车行业,既减轻了汽车的质量又节能环保,为汽车轻量化设计提供了有力的保障。同时带动了汽车注塑行业与汽车注塑模具行业的高速发展。

2015-2017年,居民消费升级带动了汽车行业持续增长,整车厂在消费者直接感知的汽车内外饰与人机交互等方面进行了重点投入。由于社会的发展,人们对汽车内外饰的要求也越来越高,整车厂在汽车内外饰方面加大了投入,设计出的车型外观更加酷炫,全数字化显示,复古风,功能集成,成像多样化等。针对要求越来越高的汽车内外饰,塑料与塑料合金材料必然是汽车内外饰的最佳选择。

在现代社会,汽车作为主要交通工具之一,对人们的生活影响越来越大。在汽车工业发达国家,汽车产品的市场占有率已超过60%,而且这一趋势还在持续上涨。改革开放后,经过30多年的发展,中国也成为了汽车大国。在中国有一汽、二汽和广汽等等本土汽车企业,外来合资汽车品牌更是遍布全国。据统计,中国目前已经拥有汽车超过一亿辆,预计到2020年左右,中国的汽车将会超过2亿辆。

汽车工业迅猛发展的背后是汽车模具工业的发展。特别是近年来,世界汽车模具工业的发展更是日新月异,汽车对模具的需求量也越来越大。在一款新车中,需要汽车注塑模具约500副,其中包括汽车门板、前后保险杠、车灯、手套箱、中央通道、正副仪表板等大中型注塑模具,以及风箱、水箱各类小型注塑模具,以及接插件等精密注塑模具。可以说注塑模具在汽车模具占的比重最大,重要性不言而喻。

模具质量的好坏80%取决于模具设计与塑件设计,模具工业的发展离不开模具设计师们的辛苦劳动。汽车注塑模具和其他注塑模具没有本质的区别,但也有其自身的很多特点。由于汽车注塑模具的附加值一般都较高,因此很多先进的技术(如顺序阀热流道控制技术、内分型面技术,低压注塑技术等)都优先在汽车注塑模中得到开发和应用。如果把模具设计工程师比喻成一个兵的话,那么汽车注塑模具设计工程师无疑就是一个特种兵。因为汽车注塑模具设计难度大,结构复杂,设计周期长,通常都是半个月到一个多月才能完成。对于中大型汽车模具仪表板、保险杠、门板等模具,设计难度与周期则更大更长。在国内从事汽车注塑模具设计的工程师其待遇也要远高于从事其它模具设计的工程师。

人类文明的发展都是建立在前人的基础之上的,科学技术更是如此。汽车注塑模具发展到今天,都是总结前人经验的结果,单凭个人的闭门造车可能永远也设计不好模具。我们的经验与设计理念都是来自工厂实践,来自像奔驰,宝马以及佛吉亚,伟世通,江森等主机厂与零部件厂,来自像华威,银宝山新,华益盛,海尔,星泰等广大汽车模具公司。

在笔者以前的书籍与公众号文章编辑中,参考了不少笔者工作过的工厂内容,总结他们的优秀理念与结合笔者个人经验,生动形象的展现给读者,目的是帮助大家提高技术水平。汽车注塑模具的设计理念都是相通的,大同小异。小编整理这些干货,并不奢望什么,如果有所斥责,那是人性中卑污阴暗的品质。读者们对技术有任何的意见,小编欢迎之至。大多数的读者朋友们都是认真钻研技术,沟通友善的。

专业术语

1 封料面

封料面又叫封胶面,是指从产品边缘开始封住胶位的这段面。封料面的封料距离根据模具的大小决定。在汽车注塑模具设计中,长宽尺寸600mm*600mm以内,封料位取25mm,长宽尺寸600mm*600mm至1000mm*1000mm以内,封料位一般取30mm,长宽尺寸1000mm*1000mm至1500mm*1500mm以内,封料位一般取40mm,长宽尺寸1500mm*1500mm以上,封料位一般取50mm．

封料面尺寸不可太大,也不可太小,太大会增加钳工配模工作量,配模难度大。太小模具生产久了分型面承受不住注塑机压力,会出现压塌凹陷,从而导致塑件飞边的现象发生。封料面是保证塑件与模具精度的面,CNC加工时需保证加工精度,用最好的刀具与采用合理的工艺来保证加工精度,表面光洁度要求高。

在汽车注塑模具设计中,封料面优先做延伸,能延伸不拉伸。或者先延伸一段距离再拉伸,中间采用R角过渡。或者采用网格,扫略等做面方式做面封胶,从而保证封胶精度,避免分型面飞边,尽量不用或少用拉伸面封胶。

2 避空面

避空面又叫透刀面,是指封料面边缘以外保证模具强度的面。分型面是由封料面,避空面,排气槽,定位面组成,封料面保证模具精度,避空面保证模具强度。避空面是为了减少钳工配模工作量,避免钳工将分型面打磨得很难看,减少CNC精加工时间与精度,可以采用差一点的刀具加工,表面光洁度要求较低,一般用手触摸不刮手,长期生产不起毛即可。

模具上的避空主要是分型面上的避空,一般定动模避空深度各为0．5-1mm左右。在汽车注塑模具设计中,封料面以外的面都需要做避空,用来减少配模工作量与节约加工时间,提高效率。当分型面有热嘴流道与浇口时,热嘴流道与浇口处不能避空,需做一段封料距离再做避空,具体尺寸根据模具大小而定。

3 对插面

对插面又叫插穿面,塑件有很多的通孔,在模具成型时一般采用碰穿,插穿两种方式,碰穿是指定动模通孔分型面在垂直方向对碰的面,插穿是指定动模分型面在水平方向对插的面。对于通孔的成型,要做到能碰不插,即能碰穿不插穿,能大角度插穿不小角度插穿。这是因为碰穿不易飞边,对插面长期生产易飞边。为了减少飞边,因此在汽车注塑模具设计中,优先将分型面的插穿角度做到7度以上,最低也要保证5度以上,3度在特殊情况下才特采。对插角度大,能延长模具使用寿命,不易磨损飞边。

4 倒R角标准

模具的设计必须要考虑加工,设计的模具要能加工出来,主要从好加工,方便加工,节省加工时间提高加工效率等方面考虑。模具的拐角处以及底部为了方便CNC加工,增加模具强度避免模具应力开裂,以及保护配模人员安全作业与增加模具外观美观,都需要设计R角。

目前CNC的刀具加工极限见表1-1,其它的R以加工槽深来确定,一般是刀具直径的5倍。刀头的直径以D80记,需注意避空。刀具使用有效长度为刀具直径的6倍,加长的如表1-1所示,但是不好加工。

在设定R角时尽量多,一个区域的R角尽量一致,减少刀具使用规格,一般CNC选择刀具会根据加工区域最小的R角选择小一号的刀具加工,设计时设定的R角需要比所假定使用的刀具大一号,避免刀具发生弹刀现象的发生。

在汽车注塑模具设计中,设计R角需要兼顾刀具加工极限,同时也需要保证工件有足够的管位,避免不要倒了R角就不考虑管位,如斜顶与滑块的头部四周倒R就要避免斜顶头管位少于10mm．另外,对于汽车仪表板与保险杠等大中型模具,由于模具框特别深,普通机床无法加工,必须采用3+2CNC与5轴CNC机床以及非标刀具来满足加工要求。

5 圆柱与凸台

在汽车注塑件中,通常有很多通孔,一般这些孔有方形与圆形,也有异形孔,需要采用定动模碰穿的方式成型。当塑件有这种孔要成型时,圆柱与凸台优先放在定模,方便模具加工与皮纹,因为圆柱与凸台留在定模,皮纹不容易过界。考虑到后续塑件会有更改,圆柱与凸台需烧焊处理,由于模具定模不允许烧焊,这种情况下优先将圆柱与凸台留在动模。

6 导锁标准

导锁俗称定位面与围边。在汽车注塑模具设计中,模具的定位除了导柱,精定位与边锁外,还有模胚对插锁紧定位,俗称围边与导锁。这种四面围边的方式在汽车注塑模具设计中应用广泛,导锁的主要作用是用来保证模具的强度与加强模具定位的。导锁在汽车中大型模具设计中应用广泛,设计了导锁的模具,分型面不需要做虎口(分型面管位)。

7 基准角

基准边是指加工与测量碰数的起始边,基准角位于模具基准边的角落,主要起尺寸碰数的作用,这是模具设计与加工最重要的依据。基准的符号类似于木匠的角尺,在注塑模具中,产品基准,模胚基准,模仁基准,俗称三基准,这三个基准特别重要,不得有错,否则会导致模具报废。为了方便加工与维修,模具必须设计基准。基准通常包括一次加工基准与二次加工基准,一次加工基准主要为了模具制造新模时用,二次加工后此基准会被加工掉。二次加工基准主要是为了后期的修改模具使用,是用来修改模具而设计的基准。

8 汽车仪表板注塑模具模框要求

汽车仪表板注塑模具是大型．复杂．长寿命注塑模具的典型实例。汽车仪表板注塑模具定动模为了方便加工与设计,一般采用整体式结构。但有些汽车仪表板定模采用整体式结构,动模采用分体式结构,具体根据客户要求与公司要求而定,因模制宜,不拘一格。

9 型腔结构相同或对称的模具设计

型腔结构相同或对称的模具,塑件排位采用1+1的方式,是属于左右镜像关系的塑件。所谓镜像,打个比喻就如同人的左右手与人照在镜子里的影像,这种关系就属于镜像关系。在汽车注塑模具设计中,一般塑件模具的排位方式,大多采用1*1与1+1,采用1*1排位方式的如汽车门板(单门板),副仪表板,仪表板,保险杠等。采用1+1排位方式的如左右车灯,左右门板(双门版),左右挡泥板,左右后视镜等,汽车塑件由于大多为中大型件,因此这两种排位方式占了汽车注塑模具80%以上。

10加强筋标准

加强筋俗称骨位或筋位,主要起加强与支撑的作用。在汽车注塑件设计中,加强筋一般设计在塑件的内侧面,对于内部功能件,塑件外侧面也有加强筋。加强筋的作用是提高塑件的刚性,有时还用于装配和改善熔体流动。成型加强筋的模具容易困气,加工也较困难。在汽车内外饰设计中,加强筋的厚度尺寸一般取塑件主壁厚的1/3,即加强筋大端尺寸保证在0．9mm,塑件小端尺寸保证在0．7mm,因为塑件加强筋太厚,塑件外观易缩水,影响塑件外观,加强筋太薄不利于注塑成型,走胶困难,加强筋易缺胶。加强筋的深度也不宜过深,当加强筋深度内饰件超过10mm时就需做镶件,外饰件加强筋深度超过8mm时就需做镶件,否则会造成塑件排气困难,烧焦等现象发生。

冷却系统

注塑模具冷却系统在模具设计中至关重要,对制品的成型周期与制品质量影响很大,因此均匀合理的设计冷却水道,对提高制品质量与加快制品成型周期影响深远。本章介绍在注塑模具的冷却方式、冷却水路布置以及冷却系统设计的一般规律。

在设计实践中,不同的客户对冷却系统设计有不同的要求,设计师首先要满足客户要求,再结合模具大小结构以及本厂的实际情况综合设计。注塑模具的客户主要分为欧系、美系、日系与国内各大厂商。注塑模具的冷却系统设计理念一般是相通的,但一般欧系、美系注塑模具要求高些,日系与国内注塑模具要求相对低些。

注塑模具冷却系统通常有垂直式冷却水道、倾斜式冷却水道和水井隔片式冷却水道三种形式。垂直式冷却水道是指冷却水道与模具外表面的其中一个表面垂直,倾斜式冷却水道与模具任何一个外表面都不垂直。水井隔片式冷却水道中水井直径明显大于其他水管直径,中间加隔水片分流。

温度控制系统设计的好坏对模具的成型周期与产品成型质量影响很大,对于外观要求较高的注塑模具尤其重要。冷却水道设计原则之一是距离型腔面要大致相等,以达到模具型腔各处温度大致均衡。

注塑模具的冷却水道的设计要点如下:

(1)定动模需冷却充分,冷却水道必须与顶针、镶针、司筒孔保持至少5mm的距离。

(2)水道之间的间距取40～60mm,水道距型腔面取15～20mm。

(3)冷却水道能做直孔就不要做斜孔,斜度小于3度的斜孔,直接改为直孔。

(4)冷却水道长短不能相差太大,以保证模温大致均衡。

(5)冷却面积至少是塑件投影面积的60%。(不包含塑件以外的区域)。

(6)长短相近原则:冷却水道长短做到了大致相等,保证了冷却水出入口温差大致相等,从而保证了模温大致均衡。

(7)模具的水管接头不得安装在码模槽内,避免与码模位置干涉。

(8)水孔尽量不要采用错位接通的方式。因不好清理铁屑。另外,错位太多,过水量会变少。

(9)流道与流道镶件,进胶口需设计足够的冷却。模具设计时冷却水的流动与热塑性达到平衡,要求工作条件下脱模时塑件温度差小于等于10度。

(10)水路的排布要求水路交织的网格要有很好的平衡性,且尽量按照塑件的形状排布。

一、注塑模具冷却系统设计原则
为了提高生产率,保证制品质量,模具冷却系统设计以保证塑件均匀冷却为基本原则。
具体设计时注意以下几点:

①冷却水孔数量尽量多、尺寸尽量大
型腔表面的温度与冷却水孔的大小、疏密关系密切。冷却水孔孔径大、孔间距小,型腔表面温度均匀,如图3-9-3所示。

②冷却水孔至型腔表面距离要适宜
孔壁离型腔的距离要适宜,一般大于10mm,常用12～15mm。太近,型腔表面温度不均匀,参见图3-9-3d ;太远,热阻大,冷却效率低。
当塑件壁厚均匀时,各处冷却水孔与型腔表面的距离最好相同,如图3-9-4,a比b好。

当塑件壁厚不均匀时,厚壁处冷却水通道要适当靠近型腔,如图3-9-4,c比d好。

③水料并行,强化浇口处的冷却
成型时高温的塑料熔体由浇口充入型腔, 浇口附近模温较高、料流末端温度较低。
将冷却水入口设在浇口附近,使冷却水总体流向与型腔内物料流向趋于相同( 水料并行),冷却比较均匀。

④入水与出水的温差不可过大
如果入水温度和出水温度差别太大,会使模具的温度分布不均。为取得整个制品大致相同的冷却速度,需合理设置冷却水通道的排列形式,减小入出水温差。如图3-9-6,a形式会使入水与出水的温差大,b形式相对较好。

⑤冷却水孔布置要合理
冷却水通道尽可能按照型腔形状布置,塑件的形状不同,冷却水道位置也不同,例如:

图3-9-9:扁平塑件, 侧面进浇。
动定模均距型腔等距离钻孔。
图3-9-10 :
浅壳类塑件定模钻孔、动模组合型芯铣槽。

图3-9-11:中等深度壳类塑件。凹模距型腔等距离钻孔,凸模钻斜孔得到和塑件形状类似的回路。

图3．9+1:深腔制品。凸凹模均采用组合式,车螺旋槽冷却,从中心进水,在端面(浇口处)冷却后沿环绕成型零件的螺旋形水道顺序流出模具。

⑥冷却水道要便于加工装配
冷却水道结构设计必须注意其加工工艺性, 要易于加工制造,尽量采用钻孔等简单加工工艺。
对于镶装组合式冷却水道还要注意水路密封,防止冷却水漏入型腔造成型腔锈蚀。
二、冷却系统常用结构形式
如上所述,模具冷却系统要求根据塑件的形状、型腔内的温度分布等合理设计,但受模具上各种结构(顶杆孔、型芯孔、螺钉孔、镶拼接缝等)的限制,只能在满足结构设汁的情况下开设冷却水道。由于塑件的形状多种多样,模具结构各不相同,冷却系统结构也是千变万化的,设计者需根据实际情况灵活掌握。
下面介绍几种在型腔、型芯上设置冷却系统的常用结构形式,供设计时参考。
1)凹模冷却水道的设置
单层冷却回路
对于型腔较浅的模具,通常采用单层冷却回路。
凹模直接加工在模板上的浅腔模具多采用外接直通式(图3．9+2)或平面回路式(图3-9-18、3-9-19、3-9-20)的单层冷却回路。
采用拼镶结构的模具多采用环槽式(图3．9+3、3-9-21、3-9-23)．
①单层外接直通式
外接直通式冷却水道是在模板上打直通孔与模外软管连接构成单回路或多回路。这种冷却水道加工容易,但冷却水道不是围绕型腔设置,在成型过程中,制品的散热不太均匀。

②单层平面回路式
平面回路式冷却水道通常采用打相交直孔, 镶入挡板、堵头等控制冷却水流向的方法构成模内回路。
根据具体情况也可设计成单回路或多回路。
这种水道排列对于模腔的散热略好于外接直通式。

单层平面双回路

③环槽式环槽式冷却
水道是在模板上
打孔与加工在镶件或模板上的环形槽连接构成单回路或多回路。
这种冷却水道正好围绕镶件分布,对于模腔的散热较好。

在模板上打孔将镶件或模板上的环形槽串连,构成用于镶入式多腔模的环槽式水路。

环槽式水路用于镶件紧邻的多腔模,将模板上的环形槽连通。

多层冷却回路
对于型腔较深的模具,常采用多层回路式冷却水道。
采用圆形镶件镶拼的深腔模,在型腔镶件外表面加工螺旋槽,并将其进出口通过模板与模外连通,构成的螺旋式冷却水道(图3-9-22),相当于模内互连的多层冷却回路。
型腔直接加工在模板上的深腔模和非圆形镶件镶拼的深腔模,通常采用多层外接直通式或平面回路式冷却水道(图3．9+4、图3．9+5) ,各层可各自独立,也可用软管在模外互连。
④螺旋式冷却水道
在圆形镶件外表面加工螺旋槽,并将其进出口通过模板与模外连通,构成螺旋式冷却水道。

⑤多层平面回路式冷却水道
沿型腔深度方向布置多层平面回路式冷却水道。

沿型腔深度方向布置多层平面回路式或外接直通式冷却水道。

2)凸模(型芯)冷却水道的设置
在塑件成型过程中,型芯总是被温度高、导热性差的塑料包围着,型芯的热量很难通过自然对流、辐射的方式散发。因此,型芯的散热问题比型腔更关键。也正是因为型芯被塑件包围,不便与模外连通,所以型芯中冷却水道的设置也更困难。
通常,型芯中冷却水道的设置有下列几种方式。
①单层冷却回路
对于直接加工在模板上的低矮型芯,采用加工在模板上的外接直通式或平面回路式单层冷却回路,图3-9-9。
对于采用拼镶结构的低矮大型芯,可在型芯上加工平面回路式单层冷却回路,图3-9-10。
②钻孔式型芯冷却水道
对于中等高度的较大型芯,可采用在型芯上钻斜孔的方法构成冷却回路,图3-9-11、图3-9-5d。
③喷泉式型芯冷却水道(图3-9-12)
在型芯中间装一个喷水管,进水从管中喷出后再向四周冲刷型芯内壁,如图所示。
低温的进水直接作用于型芯顶部(中心进浇的浇口处),冷却效果好。这种方式特别适合冷却细长的圆形型芯。

喷泉式冷却水道也可用于较粗大异型型芯的冷却, 方法是在喷水管出口端设一边缘开口的隔板,控制回水流向(图3-9-15) 。

喷泉式冷却水道不仅可用于单个小型芯,也可用于多个小型芯的串(并)联冷却。
图3．9+6为并联喷泉式型芯冷却水道

④螺旋式型芯冷却水道(图3-9-13)
对于大直径圆柱型芯,可在型芯内开大圆孔,孔中压入中心有进水孔外壁有螺旋槽的
“芯柱”构成螺旋式型芯
冷却水道。
冷却水从中心孔引向芯柱顶端,沿螺旋槽流下进行热交换后从芯柱底部流出,可获得极佳的效果

⑤隔板式型芯冷却水道
在型芯上沿型芯轴向打盲孔,孔与孔间铣连通槽,孔中镶入比孔深略短的隔板,就构成了隔板式型芯冷却水道。
水从隔板一边流入另一边流出,在经连通槽依次进入相邻的孔。
隔板式型芯冷却水道可用于单个细高型芯的冷却,也可用于多个细高型芯的串联冷却,以及各种异型型芯的周圈或整体冷却。

隔板式型芯冷却水道

⑥型芯传导冷却
在对于特别细小无法开设冷却水道的型芯, 可用铍铜合金等导热性良好的材料制造或镶入构成导热型芯,并使冷却水直接与导热型芯接触。使热量经导热型芯传导并由冷却水带走。

三、冷却水道的密封及水嘴连接
1) 冷却水道的密封
模具中的冷却水道经常要穿越不同模具零件的结合处,如模板与模板、模板与型芯(或型腔) 镶件等。这些地方会因配合间隙的存在而产生冷却水泄漏现象。为避免泄漏现象的发生,必须处理好冷却水道的密封问题。
通常采用O型圈对模具结构中那些冷却水道将通过的结合处实行密封。密封用O型圈的选用及使用中需注意的问题和要求与通用机械中的密封设计相同,不再赘述。
2) 水管与模具的连接
模具冷却系统设计中需要注意的另一个问
题,是冷却水管与模具的连接,即水嘴的安装要求。这一问题看上去很小,但是如果处理不当的话,会给用户带来许多不必要的麻烦。
因此,模具设计者在开始设计冷却系统时, 就应该充分考虑“连接”这一环节。
设置模具冷却水道的水嘴(出、入水口)在模具上的位置时,应注意以下问题:
①模具安装在注射机上后,模具上的水嘴不能正对着注射机的拉杆,以免安装水管困难。
②模具上的水嘴最好装在注射机非操作侧, 以免影响操作。
③卧式注射机用模具,水嘴不要设置在模具顶端,以免在拆装水管时残留的冷却水流入型腔。
④对于自动成型的卧式注射机用模具,水嘴不要安装在模具底面,以免水管妨碍制品的脱落,影响自动成型。
⑤动、定水嘴不能相互靠得太近,以便于水管的安装固定。

模流分析内容:

模流分析概述,网格处理单点热流道