CN109986724A - 增材制造模具随型冷却水道的结构功能一体化设计方法 - Google Patents

增材制造模具随型冷却水道的结构功能一体化设计方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

增材制造模具随型冷却水道的结构功能一体化设计方法
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。
目前，对随型冷却水道的研究主要集中于圆形截面的水道形式，并重点考虑如何合理布局等问题。为进一步提高冷却效率，近年来提出了非等截面、非圆形截面的水道孔形设计。如Hearunyakij等【Manat Hearunyakij,Somchoke Sontikaew,DilokSriprapai.Improvement in the Cooling Performance of Conformal Mold Cooling ByUsing Fin Concept.International Journal of Mining,Metallurgy&MechanicalEngineering.2014,2(2):41-46】提出内部带“翅状”结构的水道形式，可增大导热面积、实现紊流，从而提高热交换效率。但针对压铸、热冲压成形等存在高温、高压的应用场合，如何在设计随型冷却水道时同时考虑模块冷却效率与结构强/刚度的要求，目前还缺乏合适的手段。此外，现有的冷却水道设计主要根据经验，难以得到优化方案。因此，有必要建立一套结合制件与模具形状，既能提高模块冷却效率，又兼顾模块结构强/刚度要求的随型冷却水道优化设计方法。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种增材制造模具随型冷却水道的结构与功能一体化设计方法，可以同时考虑模块的传热效率和结构变形，从而满足压铸、板料热冲压等模具高温、高压的恶劣工况下随型冷却水道的应用需要。
本发明所述的一种增材制造模具随型冷却水道的结构与功能一体化设计方法，包括以下步骤：
(1)分析所需成形的制件形状与尺寸，在CAD软件中完成模块的三维造型设计；
(2)确定模块上随型冷却水道的几何形式与尺寸参数，得到随型冷却水道参数的组合方案；在此基础上，建立随型冷却水道参数分析的正交试验表；根据正交试验表，在模块上构建所述各个组合方案的随型冷却水道的三维模型；
(3)按照所述正交试验表的各个随型冷却水道参数的组合方案，将模块以及对应的随型冷却水道的三维模型导入数值模拟软件，输入模块的初始温度、模块材料特性参数与边界条件，完成模块与随型冷却水道的流固耦合传热的数值分析；
(4)根据模块与随型冷却水道的流固耦合传热分析结果，按以下公式计算所述各个组合方案的水道冷却效率指标X：
式中，T0和T分别为经过确定的冷却时间以后，普通圆形截面以及带支撑结构的随型冷却水道的模块型面最高温度。
(5)将模块与对应的随型冷却水道的三维模型输入数值模拟软件，输入模块型面的工作载荷、模块材料特性参数与边界条件，完成模块与随型冷却水道在工作载荷作用下的弹塑性变形的数值分析，并按以下公式计算出所述各个组合方案的结构变形指标Y：
式中，U0和U分别为施加工作载荷后，普通圆形截面以及带支撑结构的随型冷却水道的模块型面的最大弹塑性变形量。
(6)根据冷却效率指标X与结构变形指标Y，得到所述各组合方案的综合评价指标A：
A＝k*X+(1-k)*Y
式中，k为加权系数。
(7)根据所述各组合方案的综合评价指标A，在正交分析表中找出最优的参数组合方案；
(8)分析所述最优参数组合方案的随型冷却水道内部结构是否满足增材制造的工艺性与和清粉操作要求；如果满足要求则设计完成，如果不满足要求则返回步骤(2)，调整随型冷却水道的几何形式与尺寸参数，并重复步骤(2)～(8)，直到获得满足要求的随型冷却水道的最优参数组合。
本发明具有以下有益效果：利用流固耦合传热与弹塑性变形的数值模拟方法，实现增材制造模具随型冷却水道的“结构-功能”一体化设计，得到兼顾模块冷却效率与结构变形的随型冷却水道优化设计方案，从而满足压铸、高强钢热成形模具在高温、高压恶劣工况下的应用需求。
附图说明
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的说明。
图1为本发明设计流程图；
图2～6为本发明随型冷却水道设计方案的横截面示意图；
图7～9为本发明随型冷却水道设计方案的纵向剖视示意图；
图10～12为本发明实施例中，三种冷却水道的设计方案示意图；
图13～15为本发明实施例中，模拟得到的模块温度分布图；
图16～18为本发明实施例中，模拟得到的模块变形图。
具体实施方式
以图10所示的模块及其随型冷却水道设计为例，对本发明进行进一步说明。模具材料为H13钢，冷却介质为水，模具型腔表面施加大小为350MPa的垂直方向均布载荷，模具型腔表面预设温度为800℃，冷却时间10s，冷却水道的有效直径10mm。
利用本发明的步骤如下：
(1)分析所需成形的制件形状与尺寸，在CAD软件中完成模块的三维造型设计；
(2)确定模块上随型冷却水道的几何形式与尺寸参数，得到随型冷却水道参数的组合方案。表1和表2分别为随型冷却水道几何形式与尺寸参数分析的因素水平表和正交试验表。
表1随型冷却水道的因素水平表
表2正交试验表
根据正交试验表，在模块上构建所述各个组合方案的随型冷却水道的三维模型。
(3)按照所述正交试验表的各个随型冷却水道参数的组合方案，将模块以及对应的随型冷却水道的三维模型导入数值模拟软件，输入模块的初始温度、模块材料特性参数与边界条件，完成模块与随型冷却水道的流固耦合传热的数值分析；
(4)根据模块与随型冷却水道的流固耦合传热数值分析结果，计算所述各个组合方案的水道冷却效率指标X，见表2。
(5)将模块与随型冷却水道的三维模型输入数值模拟软件，输入模块型面的工作载荷、模块材料特性参数与边界条件，完成模块与随型冷却水道在工作载荷作用下弹塑性变形的数值模拟，计算所述各个组合方案的结构变形指标Y，见表2。
(6)根据冷却效率指标X与结构变形指标Y，得到所述各组合方案的综合评价指标A，见表2。其中，加权系数k取0.7。
(7)根据所述各组合方案的综合评价指标A，在正交分析表中找出最优的参数组合方案。本例中，由正交试验结果可知，15号方案为所设计因素变量范围内的最优方案。其中，冷却效率较无支撑结构的随型水道模具提高50％，结构强度较无支撑结构的随型水道模具提高80％。由极差比较得，在所设计的因素变量范围内，模具结构对综合评价指标影响最大，冷却水通量影响次之，水道距模面距离影响最小。
(8)由于15号参数组合方案的水道内部支撑结构可满足增材制造的工艺性和清粉操作要求，设计结束。
本发明可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。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (4)

1.一种增材制造模具随型冷却水道的结构与功能一体化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析所需成形的制件形状与尺寸，在CAD软件中完成模块的三维造型设计；
(2)确定模块上随型冷却水道的几何形式与尺寸参数，得到随型冷却水道参数的组合方案；在此基础上，建立随型冷却水道参数分析的正交试验表；根据正交试验表，在模块上构建所述各个组合方案的随型冷却水道的三维模型；
(3)按照所述正交试验表的各个随型冷却水道参数的组合方案，将模块以及对应的随型冷却水道的三维模型导入数值模拟软件，输入模块的初始温度、模块材料特性参数与边界条件，完成模块与随型冷却水道的流固耦合传热的数值分析；
(4)根据模块与随型冷却水道的流固耦合传热分析结果，按以下公式计算所述各个组合方案的水道冷却效率指标X；
(5)将模块与对应的随型冷却水道的三维模型输入数值模拟软件，输入模块型面的工作载荷、模块材料特性参数与边界条件，完成模块与随型冷却水道在工作载荷作用下的弹塑性变形的数值分析，并按以下公式计算出所述各个组合方案的结构变形指标Y；
(6)根据冷却效率指标X与结构变形指标Y，得到所述各组合方案的综合评价指标A；
(7)根据所述各组合方案的综合评价指标A，在正交分析表中找出最优的参数组合方案；
(8)分析所述最优参数组合方案的随型冷却水道内部结构是否满足增材制造的工艺性与和清粉操作要求；如果满足要求则设计完成，如果不满足要求则返回步骤(2)，调整随型冷却水道的几何形式与尺寸参数，并重复步骤(2)～(8)，直到获得满足要求的随型冷却水道的最优参数组合。
2.如权利要求1所述的一种增材制造模具随型冷却水道的结构与功能一体化设计方法，其特征在于，按以下公式计算出所述各个组合方案的水道冷却效率指标X：
式中，式中，T0和T分别为经过确定的冷却时间以后，普通圆形截面随型冷却水道与带支撑结构随型冷却水道的模块型面最高温度。
3.如权利要求1所述的一种增材制造模具随型冷却水道的结构与功能一体化设计方法，其特征在于，按以下公式计算所述各个组合方案的结构变形指标Y：
式中，U0和U分别为施加工作载荷后，普通圆形截面随型冷却水道与带支撑结构随型冷却水道的模块型面最大弹塑性变形量。
4.如权利要求1所述的一种增材制造模具随型冷却水道的结构与功能一体化设计方法，其特征在于，按以下公式得到所述各组合方案的综合评价指标A：
A＝k*X+(1-k)*Y
式中，k为加权系数。
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