[发明专利]增材制造模具随型冷却水道的结构功能一体化设计方法

说明书

一种增材制造模具随型冷却水道的结构功能一体化设计方法，包括以下步骤：(1)模具模块的三维造型；(2)建立水道参数分析的正交试验表；(3)进行模具模块与水道的流固耦合传热数值模拟前处理；(4)完成模具模块与随型冷却水道的流固耦合传热数值模拟，得到随型冷却水道的冷却效率指标X；(5)完成模具模块与随型冷却水道的变形模拟，得到结构变形指标Y：(6)得到综合评价指标A；(7)根据各组合方案的综合评价指标A，找出最优的随型冷却水道参数组合；(8)分析最优参数组合是否满足工程要求。本发明可以同时考虑模具模块及其水道的传热效率和结构变形，满足具有高温、高压恶劣工况的压铸、热冲压模具随型冷却水道的应用需要。

技术领域

本发明属于材料成形领域，尤其涉及一种增材制造模具随型冷却水道的结构功能一体化设计方法。

背景技术

材料成形领域的注塑、压铸等“型腔”模具在工作时，熔融的塑料流体或金属液体在压力作用下通过浇道进入模具型腔，再经保温、保压以及冷却、凝固定型后得到制件。为提高生产效率、控制成形质量，模块内需要设有专用的冷却水道。目前，冷却水道的孔加工主要采用机械切削的“钻孔”方法。对于模块内复杂的通道结构，传统上是加工多段的直通孔，采用将直通孔的一端封堵、另一端与其他直通孔串联的组合方法。这种多段直通孔首尾相连的冷却水道形式不仅容易泄漏、可靠性差，而且由于冷却介质的流向和实际需要冷却的模块型面偏离较大，极易导致冷却不均并产生应力集中、翘曲变形等质量缺陷，冷却效果与成型精度差、生产效率低。

1997年，美国麻省理工学院(MIT)的学者Sachs在SFF年会上，提出注塑模具“随型冷却水道”的概念，即冷却水道采用弯曲孔的方式，并沿模具型腔的曲面布置【E Sachs,SAllen,J Guo,et al.Progress on tooling by 3D printing:Conformal cooling,dimensional control,surface finish and hardness.Proceedings of the EighthAnnual Solid Freeform Fabrication Symposium.Austin,1997】。与传统水道相比，随型冷却水道不仅能够取得更均匀的冷却效果，还能大大减少冷却时间、加快生产节拍，从而提高大批量生产的质量和效率。但传统切削加工不能在模块内部实现弯孔加工，随型冷却水道需借助3D打印技术实现。由于当时相关技术尚未成熟，随型冷却水道未能在实际生产中得到应用。

近年来，增材制造、特别是金属3D打印技术的快速发展，为依赖冷却系统的型腔模具随型冷却水道的应用提供了技术支撑。目前，在高分子材料的注塑成型模具中，随型冷却水道已经得到成功应用【Z Shayfull,S Sharif,A M Zain,et al.Milled groove squareshape conformal cooling channels in injection molding process.Materials andManufacturing Processes,2013,28(8):884-891】。德国EOS公司设计的带随型冷却水道的水杯注塑模，与传统模具相比大幅缩短了开模周期，注塑单件水杯的冷却时间从24s缩短至13.8s，生产效率提高70％。但在压铸以及高强钢热成形等同样需要冷却水道的模具中，目前随型冷却水道的应用案例还很少。其主要原因，在于压铸、热冲压成形等工艺比注塑需要更高的温度和压力，使得模具的工况十分恶劣，限制了普通随型冷却水道的应用。