模具溫度直接影響著注塑加工產品的質量和生產效率，它主要通過模具的冷卻系統來進行適當的控制和調節。傳統的冷卻水道只能加工成簡單的直孔，當注塑件形狀復雜時#其冷卻效果差，零件變形大。Jacobs發現使用銅鎳合金材料制作的隨形冷卻注塑模具，其生產效率較傳統冷卻模具提高了70%左右，同時注塑制品的質量也有較大的改善。為此，本研究使用專業注塑過程模擬軟件對注塑冷卻過程進行三維冷卻模擬，以研究隨形冷卻水道對注塑過程和生產效率的影響。
1 材料與方法
1.1 香盒零件的結構
    以一個香盒零件為例，其結構如圖1所示。零件外形尺寸為65mm×65mm×75mm。總體積為5.0×104mm3。該產品利用注塑成型，其材料為ABS，設定收縮率為0.55%。模具采用一模一腔結構，使用盤形澆注系統。

1.2 傳統冷卻方案
    該香盒零件模具采用傳統冷卻水道（DCC）可設計三種冷卻方案。方案一（DCC1）見圖2（a）型腔采用單層冷卻水道，直徑為10mm；方案二（DCC2）見圖2（b）型腔采用雙層冷卻水道，直徑為10mm；方案三（DCC3）見圖2（c）型腔采用三層冷卻水道，直徑為8mm另外，因型芯部分的最小直徑只有35mm，故在三種冷卻方案中均采用隔板式冷卻水道，直徑為18mm。
 

1.3 隨形冷卻方案
    參考制品形狀，模具型腔部位的冷卻區域為圓柱面。對于隨形冷卻水道（CCC）可以設計兩種冷卻方案。方案一（CCC1）如圖3（a）所示，采用螺旋形空間結構，冷卻水道直徑為8mm，方案二（CCC2）如圖3（b）所示，采用圓環形空間結構，冷卻水道直徑為8mm。在兩種隨形冷卻方案中，型芯部位仍然采取隔板式冷卻。

1.4 注塑冷卻有限元模擬
    采用商用注塑模擬軟件MPI進行注塑過程模擬。采用Fusion網格，其網格數為13270，配比率為92.1%，注塑材料選用Lustran ABS Elite HH1287。在MPI中建立的兩種隨形冷卻方案的有限元模型如圖4所示，其與模具冷卻相關的工藝參數為：開模時間5s，保壓時間10s填充時間1.7s，熔體溫度230℃，模具溫度50℃，冷卻介質為水，溫度為25℃，入口雷諾數為10000。

2 模擬結果與分析
    使用MPI軟件的C-W-F分析流程對香盒注塑制品進行注塑過程模擬，得出各冷卻方案的成型周期C、冷卻時間t和由冷卻不均所引起的零件最大翹曲變形w如表1所示。

表1 幾種冷卻方案的模擬分析結果

    從表1可以看出：對傳統冷卻方案，其冷卻時間的大小排列為tDCC1＞tDCC2＞tDCC3，但在三套方案條件下冷卻時間相差只有5%左右，由冷卻不均勻引起的零件最大翹曲變形量w則剛好相反wDCC1＜wDCC2＜wDCC3。DCC1和DCC2相差只有3.7%明顯增大，差距達到42.3%，從以上分析可以看出：使用傳統冷卻方法，隨著冷卻水道分布密度的增加其冷卻效率略有增大，但由于其離型腔表面距離不相等，導致局部溫度差增大，并最終增加了零件的翹曲變形。
    相對于傳統冷卻方法!隨形冷卻方法的冷卻時間縮短了40%，而由冷卻不均勻引起的零件最大翹曲變形量也只有傳統冷卻方法的20%，此外，CCC2的成型周期和冷卻不均勻引起的最大翹曲變形量均小于CCC1，即對該種零件結構，圓環形冷卻結構要優于螺旋形冷卻結構。
    為了研究冷卻過程中零件不同部位的冷卻均勻性，分別選取傳統和隨形冷卻方案中冷卻效率最高、冷卻水道分布密度相當的兩種冷卻方案（即DCC3和CCC2）做進一步對比分析。在香盒注塑模具的型腔表面從上到下均勻選取三個部位x，y，z，位置如圖1所示。從模擬結果中采集溫度數據，分析各個采樣點從1.7-28.0s之間的型腔表面溫度變化規律，兩冷卻方案中x，y，z三采樣點的溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 三采樣點的溫度變化曲線

    從圖5中的溫度變化曲線可以看出：在經過28.0s后，隨形冷卻水道模具的型腔表面溫度為29℃，傳統冷卻水道模具為40℃，所以隨形冷卻水道的冷卻速度明顯優于傳統冷卻水道。另外，分析三采樣點處的溫度變化曲線可以發現：在隨形冷卻水道模具中，三點處的型腔表面溫度差要小于傳統冷卻水道模具，表明隨形冷卻水道的冷卻均勻性更優，這也是由隨形冷卻注塑模得到的注塑件翹曲變形量較小的原因。
3 隨形冷卻水道的實物驗證
    采用隨形冷卻方案CCC2，用選擇性激光燒結（SLS）快速制模工藝完成模具的加工。其大致過程為：將模具模芯部分的三維STL模型導入SLS快速成形機中成型，之后進行脫脂、高溫燒結、滲銅等后處理，處理完成后在模芯表面做簡單機加工，再進行模芯與模架的裝配，即完成了模具的制造過程。利用該模具進行注塑加工，得到香盒零件的注塑件如圖6A所示。實際注塑過程中，冷卻時間為18s左右，與模擬的誤差只有10%最終注塑件變形小，無明顯缺陷。