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摘要：提出了一種隨形水道的結構形式；對隨形水道的設計計算和模具總體結構設計過程，以及模具的制造流程進行了研究，確定了隨形水道模具的設計制造規則。使具有隨形水道的模具能更加普遍地運用，從而使制品的精度得到提高，也使大型、薄壁的制品成型成為可能。
關鍵詞：隨形水道；設計與制造；流程規范
在利用模具成型制品的過程中，對制品溫度控制從而保持制品冷卻均勻非常重要。處于凝固過程當中的制品冷卻溫度的差異，將導致之后的制品變形、粗糙，影響制品的尺寸精度和外觀。因此，為了獲得更高質量的制品，設計和制造更加有效控制制品溫度均勻的模具水道是一項重要的課題。傳統的水道由于受設計方法、特別是制造方法的制約，一般都是直通式管道，采用深孔鉆進行鉆削得到，這使水道與模具型腔壁的距離不能完全一致吻合，影響了型腔內制品的均勻冷卻。目前，有采用與模具型腔距離趨于一致的隨形水道對模具型腔進行溫度控制的設計與制造技術提出：有采用真空擴散焊將兩個空間水道的組件焊合，形成隨形水道的方法；有采用3D打印三維水道腹模砂型，再澆注合金材料制造隨形水道模具的方法；也有采用直接將三維水道打印出的直接制模法[1]。在長期的實踐生產中，筆者等人采用一種埋管式的三維水道模具，并形成了相應的設計與制造規范性流程。
1埋管式隨形水道結構
本方法所采用方案的水道由模具型腔板和一塊支撐墊板及軟銅管、石棉等隔熱填塞物構成，如圖1所示，軟銅管依據型腔板上加工好的槽布置，這些槽的底部與型腔壁距離基本一致，將軟銅管布置到槽底部后，再以石棉等隔熱材料填充槽剩余空間，最后以墊板將其固定。水道的形狀與型腔的形狀趨于一致。在材料填充型腔的時段內注入高溫液體，使材料保持足夠的流動性；材料充滿型腔后，再以低溫液體對材料冷卻。因水道與型腔的距離完全一致，材料凝固過程均勻，不致產生應力變形，保障能夠得到完整的尺寸精度極高的產品。本方法所設置的軟銅管水道形狀和型腔壁的形狀完全偏離一個固定的距離，形狀完全相似。型腔的形狀越復雜，可在型腔的底面加工更多的槽，埋置更多的軟銅管水道。軟銅管在市面上很容易獲得，且具有很好的導熱性能。采用這種方法制造的模具，成本低，更可用于高精度、表面要求高的大型薄壁塑料件和壓鑄件制作，有很高的推廣、應用價值。
2水道設計研究
傳統的水道設計是在模具總體設計之后進行，傳統直線形水道本身制約了型腔熱量傳遞的均勻一致性。隨形水道設計可以通過精確的計算、設計并評估水道的熱傳遞效果，以達到溫度均勻提高制品質量的目的。
2.1水道熱平衡計算
當模具達到穩定工作狀態時，成型熔體固化過程釋放的熱量只有少部分由模具傳輸出去，而有超過95%的熱量是通過水道中的介質排出的。因此，在進行注塑成型過程的熱平衡計算時，可以簡單的認為單位時間內熔體固化放出的熱量等于介質帶走的熱量。
2.2介質流量計算
2.3介質流動速率計算
2.4水道長度計算
水道長度應該保持在一定的范圍內。增加水道長度將增大熱傳導表面積，有利于吸收塑件對模具的熱量；但是過長的水道可能導致介質壓力降過大，介質入口和出口處溫度差異過大。為了保證冷卻效果又能避免這類問題發生，可采取將較短的水道進行串聯和將過長水道分成幾段的設計方法。
2.5水道直徑設計
水道直徑的大小對冷卻效果具有一定影響。一般而言，相比采用單根粗的水道，采用多根細的水道冷卻效果更好；但是水道直徑不可太小，否則容易堵塞而影響冷卻效果。直徑較大的水道需要提供更高的壓力以保證介質的流動速度和流動狀態。根據設計經驗，結合水道加工實際，水道的直徑d一般選擇為8mm、10mm、12mm3種。
2.6水道位置參數設計
水道的位置參數包括水道間距和水道與型腔表面距離。水道間距對冷卻效果的影響主要表現為：過大的水道間距導致型腔表面溫度波動過大，冷卻不均；過小的水道間距則引起制品的驟冷，降低產品質量，而且也會降低模具強度。水道距型腔表面的距離對冷卻效果的影響表現為：距離過大將降低傳熱效率。在冷卻系統設計過程中，傾向于把水道安排在距型腔壁較近處，且使水道間距較小，以保證熔體的熱量盡快被冷卻水帶走。但應綜合考慮模具材料強度和剛度的限制及水道尺寸、形狀與型腔內壓力等因素，以防止模具水孔與型腔壁間距離過近，出現變形、壓塌現象。
3隨形水道模具制造方法研究
隨形水道的設計在模具的總體設計之后進行。設計時可同時結合考慮頂桿位置、滑塊等的布置，根據不同結構形式的隨形水道的特點靈活運用。在模具制造過程中，傳統的直線形水道一般是模具整體制造好后，采用深孔鉆進行。而隨形水道模具應在型芯或型腔的基準面加工好后采用數控加工進行：數控程序的編制可將型芯或型腔的表面進行一個偏置，偏置距離為水道到型芯或型腔的距離；再以規劃好的水道路徑為刀具的走刀路線，刀具可選擇比水道直接略大1～3mm的球頭刀。加工好后再進行模具型芯、型腔等的加工，也就是說，隨形水道模具的水道加工是第一步的[3]。圖2為隨形水道模具技術流程圖。
4結束語
隨形水道模具自美國麻省理工學院（MassachusettsInstituteofTechnology，MIT）的Sachs教授于1994年提出以來，目前在實際應用中還未得到普及。采用管道式隨形水道的設計方法及制造，能極大地降低隨形水道的制造難度和模具成本，提高產品質量和生產效率。項目組正在研究將本文所述方案用于鋁鎂壓鑄成型模具等的加熱和冷卻，即在壓鑄充型階段對模具型腔加熱、在冷卻階段通過水道內冷卻介質均勻冷卻：這必將使大型薄壁類制品的高質量、高效率生產成為可能。
參考文獻：
[1]魯中良，史玉升，劉錦輝，等.注塑模隨形冷卻水道設計與制造技術概述[J].中國機械工程，2006（增刊1）：165-170.
[2]樓易.彎曲形冷卻水道型芯的設計與探討[J].浙江科技學院學報，2014，26（1）：15-18.
[3]伍志剛.隨形冷卻注塑模的設計與制造關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學，2007.
作者:黎文峰 盧衍錦 劉瓊 陳鼎寧 單位:福建工程學院 中國科學院福建物質結構研究所
