基于Moldflow的汽車?yán)鋮s風(fēng)扇注塑模具優(yōu)化設(shè)計*

李曉微 ，鄧玉梅 ，吳麗霞

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院工學(xué)院，湖北 咸寧 437000）

汽車發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的工作性能直接影響發(fā)動機(jī)艙的散熱效果，塑料制成的冷卻風(fēng)扇成型方式通常是注射成型，成型過程中的工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)對塑件產(chǎn)品質(zhì)量的影響較大。冷卻風(fēng)扇在工作工程中不停地高速旋轉(zhuǎn)，故既需要較高的機(jī)械強(qiáng)度，還應(yīng)具有較長的使用壽命。本文針對某款發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了成型工藝性分析，結(jié)合Moldflow軟件模擬結(jié)果對澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，最終得到了優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的注塑模具，大幅度提升了模具的研發(fā)速度和塑件的產(chǎn)品質(zhì)量，同時也增強(qiáng)了模具制造企業(yè)的核心競爭力。

1 塑件工藝性分析

汽車發(fā)動機(jī)散熱器風(fēng)扇可以安裝在散熱器前面或是后面，也可以在散熱器前后各安裝一個，風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)，將氣流吹向散熱器，使散熱器中冷卻液的溫度下降，以此使發(fā)動機(jī)降溫，達(dá)到冷卻發(fā)動機(jī)的目的。其中，風(fēng)扇葉片需要反復(fù)旋轉(zhuǎn)工作，所以注塑成型質(zhì)量相對要求較高。發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)三維圖如圖1所示，風(fēng)扇直徑為240 mm，屬于中等尺寸塑件，產(chǎn)品表面有一定的外觀要求，風(fēng)扇的6個葉片面積大、厚度小，有平整性要求，所以成型過程中既要避免出現(xiàn)翹曲變形，又要保證塑料可以充滿型腔使塑件完整。由于塑料產(chǎn)品具有收縮性，塑件是會貼緊型芯的，所以內(nèi)表面脫模斜度應(yīng)小于外表面脫模斜度。

圖1 發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)三維圖

發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇外觀要求無氣泡、熔接痕以及翹曲變形等明顯缺陷，且需要易于成型加工、不易產(chǎn)生損壞和斷裂、擁有足夠的強(qiáng)度。因冷卻風(fēng)扇要具有以上多種性能，故選擇丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）作為成型原料，ABS是一種三元共聚物，它同時具有三種組分的優(yōu)點，是一種優(yōu)良的熱塑性工程材料，而且ABS原料易獲得且價格低廉[1]。ABS的力學(xué)性能參數(shù)及推薦成型工藝參數(shù)分別如表1、表2所示。

表1 ABS的力學(xué)性能參數(shù)

表2 ABS的推薦成型工藝參數(shù)

2 注塑模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 澆注系統(tǒng)方案

澆注系統(tǒng)是模具中塑料熔體由注射機(jī)噴嘴至型腔之間的進(jìn)料通道。利用澆注系統(tǒng)可以將注射成型機(jī)內(nèi)的塑料熔體和注射壓力快速地充滿整個模具型腔，最后獲得組織致密、輪廓清晰、表面光潔、尺寸滿足要求的塑件產(chǎn)品。正確地設(shè)計澆注系統(tǒng)的每個部位可以較大程度地提升成型產(chǎn)品的質(zhì)量和成型速度[2]。

澆注系統(tǒng)中的主流道在注射成型過程中反復(fù)與注射機(jī)噴嘴接觸和碰撞，容易磨損失效，所以優(yōu)先設(shè)計成可拆卸、可更換的澆口套，并且選擇耐磨、強(qiáng)度高的材料來制造，如果澆口套在使用過程中發(fā)生損壞，只需要單獨更換澆口套，無需更換整個定模座板，這樣就降低了模具后期的維修成本[3]。

澆注系統(tǒng)中，澆口是塑料熔體進(jìn)入模具型腔的位置，所以澆口位置、形式、數(shù)量的選擇是非常重要的設(shè)計環(huán)節(jié)。若澆口設(shè)置不合理，則會造成熔體無法填充滿型腔或是熔體出現(xiàn)噴射的情況，同時也可能導(dǎo)致塑件出現(xiàn)縮孔、熔接痕、翹曲等缺陷，所以正確地選擇澆口形式、數(shù)量和位置對注塑成型模具至關(guān)重要[4]。本模具選擇的是多點進(jìn)料的點澆口，如圖2所示。點澆口是截面面積小如針點的澆口，在塑件上留下的痕跡很小，有利于保證塑件表面質(zhì)量。

圖2 點澆口

2.1.2 模流分析

由于確定澆口位置的難度較大，在充分遵循澆口設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特性和Moldflow軟件分析結(jié)果得出最優(yōu)澆口位置[5]，最優(yōu)澆口位置為藍(lán)色區(qū)域，如圖3所示，在藍(lán)色區(qū)域設(shè)置澆口可以使塑料流體平穩(wěn)快速地充滿整個型腔。

圖3 最佳澆口位置分析

2.2 分型面設(shè)計

分型面是模具上用于取出塑件和澆注系統(tǒng)冷凝料的可分離的接觸表面。要根據(jù)塑件的結(jié)構(gòu)特性選擇合理的分型面，合理的分型面可以簡化注塑模具結(jié)構(gòu)，還可以使塑件順利脫模，保證塑件質(zhì)量良好。因此在設(shè)計分型面時應(yīng)遵循以下原則：

1）分型面應(yīng)有利于簡化模具的結(jié)構(gòu)及塑件的脫模。

2）分型面的選擇不能影響塑件的外觀質(zhì)量且應(yīng)有利于清除溢料及毛刺。

3）優(yōu)先考慮塑件面積最大的截面作為分型面。

4）開模后塑件應(yīng)留在動模一側(cè)。

5）分型面的選擇應(yīng)有利于排氣[6]。

綜合考慮分型面設(shè)計原則和發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特征，本文采用如圖4所示的平面分型面，由于塑件具有收縮包緊力，故開模時留在動模一側(cè)。

圖4 平面分型面

2.3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計原則

冷卻系統(tǒng)的設(shè)置主要是起到冷卻塑料熔體的作用，使塑件的成型周期變短，為了提高冷卻效果，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

1）合理地確定冷卻管道的直徑中心距以及其與型腔壁的距離。若冷卻管道直徑太小，間距太大，則型腔表面溫度變化會很大；若冷卻管道與型腔壁的距離太大，會使冷卻效果下降，而距離太小，又會造成冷卻不均。

2）降低進(jìn)出水的溫度差。冷卻系統(tǒng)兩端進(jìn)出水溫差小，則有利于型腔表面溫度均勻分布。

3）冷卻系統(tǒng)的布置應(yīng)先于脫模機(jī)構(gòu)。

4）澆口處應(yīng)加強(qiáng)冷卻。通常澆口處溫度較其他位置更高，所以將冷卻水回路的入口設(shè)在澆口附近，使?jié)部谠谳^低的水溫下冷卻[7]。

2.3.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇葉片厚度較小，如果冷卻不均勻，就容易出現(xiàn)應(yīng)力不均、翹曲變形等缺陷。傳統(tǒng)冷卻水路主要是采用鉆床等機(jī)加工手段完成的，由于工藝限制，只能加工成直徑大小一致的圓柱直孔，對于形狀不規(guī)則的塑件，是無法使冷卻水路到塑件的距離保持一致的，容易產(chǎn)生因冷卻不均產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而變形的缺陷。而經(jīng)過金屬3D打印技術(shù)加工的隨形水路可以使冷卻水路隨著模具型腔表面幾何形狀的變化而改變，同時還可以根據(jù)需要，改變水路的形狀和截面大小，從而使模具型腔以一致的速度進(jìn)行散熱，以提高散熱的均勻性，避免由于水路至型腔表面距離不一致所引起的冷卻不均勻的現(xiàn)象出現(xiàn)[8]。

本文應(yīng)用Moldflow軟件對傳統(tǒng)冷卻水路和隨形冷卻水路進(jìn)行模擬對比分析，確定最優(yōu)的冷卻水路。本次設(shè)計的冷卻管道的直徑為10 mm，選擇的冷卻液為純水，水溫為25 ℃，雷諾數(shù)為10 000的湍流。通過Moldflow軟件進(jìn)行仿真分析，分別得到傳統(tǒng)冷卻水路和隨形冷卻水路的模具型腔冷卻后的溫度分布情況，如圖5所示。從圖中可以看出，隨形冷卻水路方案模具型腔溫度比較均勻，所以選擇隨形冷卻水路方案設(shè)計作為發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇注塑模具的冷卻系統(tǒng)。

圖5 傳統(tǒng)冷卻水路（上）與隨形冷卻水路（下）冷卻后的模具型腔溫度對比圖

為了驗證隨形冷卻水路可以降低葉片部分因為冷卻不均勻發(fā)生的翹曲程度，將兩種冷卻水路作用后的注塑模具進(jìn)行翹曲分析，通過模擬分析得到冷卻風(fēng)扇的翹曲程度情況對比圖，如圖6所示。從對比圖中可以看出兩種冷卻方案的翹曲趨勢基本相同，都是葉片外端翹曲變形較大。傳統(tǒng)冷卻水道的最大翹曲量為0.207 9 mm，隨形冷卻水道的最大翹曲量為0.139 7 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)隨形冷卻水道的翹曲變形比傳統(tǒng)冷卻水道的翹曲變形小。

圖6 傳統(tǒng)冷卻水路（上）與隨形冷卻水路（下）冷卻風(fēng)扇翹曲程度對比圖

2.4 成型零部件設(shè)計

注塑模具的成型零部件是指構(gòu)成模具型腔的零件，通常包括凸模、凹模、各種成型桿和成型鑲件。成型零件在工作時與塑料直接接觸成型塑件，所以進(jìn)行成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，既要考慮能夠獲得合格的塑件，又要使其便于加工制造，還要注意盡量節(jié)約貴重模具材料，以降低模具成本[9]。

金屬3D打印是一種使用金屬粉末直接打印金屬零件的3D打印技術(shù)，又稱為金屬粉末燒結(jié)（SLM）。打印時，刮刀在成型缸基板上鋪一層金屬粉末，激光束會按照編制的程序完成當(dāng)前層輪廓的加工，在上一層打印完成后繼續(xù)鋪一層金屬粉末，繼續(xù)加工，以此類推，直至完成所有零部件的加工。金屬3D打印的打印層厚一般為0.04 mm～0.10 mm，精度高；燒結(jié)成型的金屬零件密度可達(dá)鑄造金屬零件密度的99%，強(qiáng)度高；打印周期為5 d～7 d，周期短。

本文通過Moldflow軟件優(yōu)化設(shè)計出隨形冷卻水道，再利用金屬3D打印技術(shù)直接將凸模和凹模整體打印出來。帶有隨行冷卻水道的凸模如圖7所示，帶有隨行冷卻水道的凹模如圖8所示。

圖7 發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇注塑模具凸模

圖8 發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇注塑模具凹模

2.5 脫模機(jī)構(gòu)設(shè)計

本模具選用的脫模機(jī)構(gòu)是推桿一次脫模機(jī)構(gòu)，如圖9所示。因冷卻風(fēng)扇的尺寸較大，所以在模具中均勻布置12根直徑為2.5 mm的小推桿。模具是需要重復(fù)進(jìn)行工作的，因此脫模機(jī)構(gòu)在頂出塑件后要復(fù)位，為下一次脫模做準(zhǔn)備，常用的復(fù)位機(jī)構(gòu)有彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)和復(fù)位桿復(fù)位機(jī)構(gòu)，本模具選用的是彈簧復(fù)位機(jī)構(gòu)[10]。為保證頂出時冷卻風(fēng)扇能完全脫離動模，頂出距離設(shè)置為65 mm。模具開模以后，脫模機(jī)構(gòu)就開始工作，主要是將注射成型機(jī)的頂出力經(jīng)由推件板、推件桿傳遞給塑件，使塑件脫離型芯，完成脫模。為保證傳力平穩(wěn)，防止推桿變形或折斷，本模具設(shè)置了脫模導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，除了導(dǎo)向的作用外，還可以兼并支撐作用，以減少中間墊板的彎曲變形。

圖9 脫模機(jī)構(gòu)示意圖

3 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)前期的計算與設(shè)計，結(jié)合模流分析，最終模具結(jié)構(gòu)總裝配圖如圖10所示。

圖10 模具結(jié)構(gòu)總裝配圖

模具的工作原理如下：

1）模具合模。定模和動模在導(dǎo)柱導(dǎo)向的作用下順利完成合模動作。

2）注塑。合模后，注塑機(jī)將熔融的塑料注射入模具型腔內(nèi)，經(jīng)過保壓、冷卻、凝固等過程。

3）模具開模。在注塑機(jī)的拉力下，中間板2和型腔固定板3首先分型，拉斷點澆口并利用拉料桿17將凝料從流道中拉出來，繼續(xù)開模，由于定距拉桿12的作用，使得中間板2與定模座板1分型，澆注系統(tǒng)凝料分別從澆口套及拉料桿17上脫出。

4）取出產(chǎn)品。當(dāng)模具完全打開時，塑件產(chǎn)品留在型芯上，此時注塑機(jī)中設(shè)置的推頂裝置與推件板8接觸，推桿固定板9帶著推桿13對注塑件產(chǎn)生一定的推力，將注塑件從型芯上推下來，完成取件。

5）頂針復(fù)位。注塑機(jī)推桿13向后運動，在復(fù)位彈簧10的作用下推件板8復(fù)位。

6）模具再次合模。注塑機(jī)帶動動模向前運動，定模和動模在導(dǎo)柱導(dǎo)向的作用下順利完成合模動作，為下一次注射成型做準(zhǔn)備。

4 結(jié)論

本文通過對發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇塑件進(jìn)行分析，用UG完成發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的三維建模，同時利用Moldflow仿真軟件對發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇成型過程進(jìn)行了模流分析，完成了最佳澆口位置的選擇和澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等主要部分的分析與設(shè)計，進(jìn)而完成了發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇注塑模具的整體設(shè)計。利用該模具生產(chǎn)出來的產(chǎn)品無明顯缺陷，翹曲情況在允許的范圍內(nèi)，符合各項工藝要求，對同類型塑件注塑模具的設(shè)計具有借鑒意義。