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一种使注射成型冷却更有效的系统设计方法
摘要
对于热塑性磨模具来说,零件的质量和周期在很大程度上由冷却阶段决定。
为了尽量减少产生不必要的冷却翘曲和收缩等缺陷现象,在设计中需要进行大量的研究。
我们在本文中提出了优化冷却系统的设计方法,立足于几何分析之上,指出冷却线是利用冷却形态的概念并且定义了冷却水道的位置。
在这里它们是恒定不变的,我们只用专注于流体温度沿冷却线的分布和强度。
由于两方面组成的目标函数最小化,我们制定的这个温度分布测定表明必须选出最优的这种方法。
本文所期待的是收缩零件质量以及改善翘曲条件。
关键词:
逆向问题;
热传导;
注塑成型;
冷却设计
1引言
热塑性注塑模具在塑料产业领域被广泛地使用。
这个过程基本分为四个阶段:
模腔填充,塑料固化,冷却以及推出塑件。
在这些阶段中,专门为零件的冷却时间约占了进程总时间的百分之七十。
并且塑件的部分质量会被这个阶段直接影响。
因此,必须尽可能均匀地冷却零件,这样的话,如凹痕、翘曲、收缩等不良缺陷会减少,而热残余应力也将会达到最小化。
冷却时间、数量、位置和水道的大笑的关键因素是最佳进水参数,对冷却液温度和流体之间的传热和内表面的水道系数。
设计冷却系统主要是根据设计者的经验,然而新的快速成型工艺的发展有可能使得在制造形状复杂的水道时这个经验显得不够用。
所以,冷却系统的设计必须归结于一个优化问题。
1.1热传导分析
用热传导注入工件传输的研究是一个非线性问题是由于对温度参数的依赖。
然而,影响模具的等热物理参数,如热导率和热容量保持在不变的温度范围内。
此外,聚合物的结晶作用往往被忽视,以及与模具和零件热接触电阻被认为是恒定的。
温度场的演化通常是通过求解傅立叶周期边界条件方程而得到的,这种演变可分为两个部分:
一个是循环的一部分,另一个是平均短暂的一部分。
由于热穿透深度并没有影响到温度场,循环部分常常很容易被忽视[3]。
许多人用平均循环来分析,这样可以简化微积分,但忽略了周围的波动影响,这些影响平均有15%和40%[3]组成。
零件的水道分布越接近就会导致周围的平均波动就越高。
因此,这种配置就显得非常重要,瞬态传热模型是指在静止的定期状态。
但即使是这样,定期的瞬间温度分析还是将被优先考虑在平均周期分析之前。
瞬间温度分析应该注意在研究实践中的设计冷却系统是否用于冷却的设计。
无论零件的质量好坏,本设计的第一阶段也是最重要的阶段之一都应是热传导设计。
1.2成型优化技术
在参考文献中,各种优化程序已经被使用,但这些都是以同样的目标为重点。
Tang[4]等人从一个优化的过程中获得了最小的梯度和冷却时间。
Huang试图获得在温度分布均匀状态时的最高生产效率,即最小的冷却时间[5],同时温度分布处于均匀状态。
Lin[6]总结了3个实际的模具设计师的目标,最冷的部分温度均匀,达到理想的模具温度,以便下一个零件可以被使用,以减少周期时间。
多个循环之间的一致性的最佳选择是冷却系统的最优配置。
而事实上,时间越长,模具表面之间的型腔和冷却水道的距离越近,模具的温度分布也将更高。
相反的是,模具表面之间的型腔和冷却水道的距离越短距离,更快的热量变化会产生聚合物,但模具表面的非均匀温度可导致部分缺陷。
这里首先应控制参数,然后是控制型腔的位置和水道的大小,最后是冷却液流速和流体温度。
此时有两种方法将被引用,第一种为了尽量减少目标函数[4]和[7]而去寻找水道的最佳位置。
第二种方法是基于形冷却线的研究。
Lin[6]定义了一种冷却线代表所在的冷却通道,这个冷却线性表示了位于流道口的最佳条件(在冷却水道的位置)。
Xu[8]等人进一步的研究表明能够降低冷却部位的单元,并执行每个冷却单元的优化。
1.3算法的实现
为了得出答案,我们要用数值方法来计算。
传热分析是由边界元素之一[7]或有限元法[4]组成的。
这种分析的第一个主要优点是未知数的数目计算低于有限元素分析的数目的将计算,只是它的界限是网状的是一个问题,因此用这种解决方案来计算所花费的时间比利用有限元分析要短。
然而此方法仅限于某些问题上,有限元方法对于另一些问题来说是首选的,因为里面的温度需要之前有经验的研究来制定最佳的界限。
为了计算最优参数的最小化目标函数,Tang[4]等人使用鲍威尔的共轭方向搜索法,马西[7]等人使用在序贯二次规则的基础上的梯度方法,它不仅可以找到解决问题的关键所在,而且还确定了线性进化方法。
Huang[5]等人通过遗传学算法来得到解决方案,最后的这种算法试图解决的范围包括了很多方面,所以是非常耗时的。
要想模具设计的设计时间花费达到最小化,就必须确定方法(共轭梯度)来达到一个可接受的、更迅速的、优先的解决方案。
2研究方法
2.1目标
本文所介绍的方法适用于优化的冷却T形部分(图1)系统设计。
这种情况在许多论文中可能会比较容易实现,尤其是在与Tang[4]等人所做的研究中。
通过对部分形态的分析,两个平面Γ1和Γ3分别介绍了侵蚀和扩张(冷却线)部分(图1)。
作为第三类的温度条件,固定的流体温度是冷却线Γ3热传导的边界条件。
寻找这些流体的温度是该优化的关键所在,避免使用冷却线方法来优化冷却水道的数量和大小。
这显示了在哪些位置是不理想的水道,复杂的零件在此种情况下具有更好的优势,因为该部分中的侵蚀线的位置相对应的最低聚合物固化厚度的冷却阶段更容易得到。
图1:
半T形几何图
2.2目标函数
在冷却系统最优化设计,质量应该是最重要的一部分。
因为在这一过程中的最小冷却时间是由模具厚度和材料特性所影响的,在给定时间达到最高质量是很重要的。
流体温度直接影响模具的温度和组成部分,湍流流动的唯一参数是控制冷却液温度。
接下来,流体温度和周围的零件优化分布的测定是需要优化的参数,作为一个目标函数S在冷却期结束时生成,第一个任期S1的目标是达到一个温度水平的侵蚀作用。
3结论
本章中,开发的一种优化方法确定冷却的温度分布线获得均匀温度场。
从而导致部分最小梯度和最小的冷却时间。
与文献中的方法相比,可以显示其效率和效益。
值得注意的是它不需要指定一个预先冷却通道的数量。
进一步的工作将包括在决定后验所需的最少数量的渠道相匹配的解决方案最佳的流体温度曲线。
一种使用设计特征和工艺参数来估计模具成本的集成框架
模具是一种基本没有废料的生产工具,例如注塑模和压铸模。
它可能占超过25%的产品总成本和开发时间,特别是当订单数量很小。
结合一个科学家模具成本估算和控制方法,发展快速和低成本的工具成为至关重要的问题。
本文提出了一种集成方法和模具成本估算,基于成本驱动的概念和成本修饰的方法。
成本驱动包括腔的几何特征和核心,由分析成本估算方法估算基本模具成本。
成本修饰则包括模具参数,例如分型线、表面纹理、顶出机构、模具材料和模具制造的总成本。
这种方法已经在十三个工业生产中测试过,平均偏差在0.40%。
该模型可以很容易地估算各种模具的成本和实施成本修饰,通过自定义使用质量功能展开方法,这也是在本文中主要描述的。
成本估算;
压铸模具;
注射成型;
质量功能部署。
1引言
当今产品生产周期通常是不到1980年代一半的,由于频繁的新产品有更多的功能进入市场。
制造业竞争力对衡量缩短更换模具的市场而言,没有划线质量和成本。
减少更换模具的一种方法是采用净形状附近(NNS)制造工艺,例如注塑,压铸等涉及更少的步骤来获得所需的形状。
但是,模具(压铸或注塑)是一个NNS生产的基本方要,消耗了成本、时间和专业知识等大量的资源。
一个典型的压铸模具或注塑模具由两部分构成:
固定部分和移动部分对接在一起,分开在弹射一部分。
建设的一个典型的冷室压铸模具图1所示。
模具的主要工作部件是型芯和型腔,传递所需熔料到几何腔内,这些可能是制造单块或组合的插入。
第二部分包括进料系统、脱模系统,核心执行机构和紧固件。
充料系统的转轮,喷嘴和流道,包括从注射机喷嘴的熔模腔。
喷射机制用于排出核心或腔的模制品。
上面所有的元素被安置在一套模块,由块的支持、指导和其他元素支撑。
部分零件,包括型芯、型腔和充料系统在工厂专门制作。
其他零件可以从供应商获得标准配件。
模具装配和功能试验可询问经验丰富的工匠与工具设计师。
模具行业目前由日本、德国、美国、加拿大、韩国、台湾、中国、马来西亚、新加坡和印度支配。
模具的主要需求包括汽车、电子、消费品和电气设备行业。
塑料模具占模具行业的主要份额,大约60%的厂房属于全球中小规模[1]。
模具需求在印度每年就超过6亿美元,年增长率超过10%在过去十年间。
在印度,不同类型模具所占份额为:
板材塑料模具为33%、冲压模具为31%、压铸模具为13%,夹具为13%,模具供应商为10%[2]。
图1典型的压铸模具结构
工具行业正日益面临的压力,减少模具开发的时间和成本,提供更好的精度和表面粗糙度,提供可行性,以适应未来的设计变更和满足要求,缩短了生产周期。
为满足这些需求,新技术例如高速加工、淬硬钢加工、流程建模工具设计自动化、并行工程、快速原型和快速模具已被应用。
要成功操作以及保持竞争优势,有必要建立量化的成本估算的方法。
我们当前研究的目标是开发一个系统,集成框架开发的快速工具(注塑模具和模具)和压力压铸应用程序。
依照我们所提出的方法,在未来一段时间里,一个比较合理的系统的成本估算将会实现,对不同模具使用不同的开发路线也是我们要考虑的。
2以前的作品
用于产品和模具在技术文献报道的成本估计方法有相当大的相似性。
这些方法可以归类为:
直观法,类比法,分析法,几何特征法和基于参数的方法。
在直观的方法上,成本估算的准确性取决于成本评估师的经验和理解的能力。
估价通常是在与模具设计师协商进行的。
通过长期的合作,可以获得与模具和模具开发成本有关的估计,但这种方法仍然是在小作坊和小工厂里的做法。
在类比的方法上,模具的成本估计基于以前的模具制造的RM的相似性系数。
在这项技术中,模具编码考虑模具尺寸,模具材料,复杂性,喷射器和门控机制的因素。
估价的人开始比较新的模具设计与所有以前的设计中最接近的匹配。
其基本假设是:
类似的问题也有类似的解决方案,再利用上述[3]来解决实际问题。
然而,这种方法,也被称为基于案例的推理,它需要一个完整的案例库和一个适当的检索系统。
到目前为止,这个检索系统并没有为模具成本估算作出报告。
在分析成本估算上,整个制造业的活动分解成多个基本任务,每个任务是一个经验公式计算制造成本。
例如,一个用于加工成本的普遍方程:
加工成本=(切割长度/每分钟进给量)×
机器操作成本
威尔逊(在引言4,第6章,第121页)在用于集成车削和铣削操作中,提出了用于复杂的几何因子的数学模型:
di=尺寸的特征;
ti=相应尺寸的公差;
N=尺寸的总数量。
这是借助一个例子之后所解释的。
另一种方法称为基于活动的成本核算(ABC),其所涉及应用到制造特定产品的所有步骤的分析方法,在每一步中所涉及去估计的资源(材料,劳动力和能源)。
这样一个详细的方法用于各种过程,包括克里斯【5】所开发的铸件。
在工具室,这种方法被使用于复杂型腔几何形状的模具的情况下。
模具成本的来源可以分为三类:
模具的基本成本,功能元件(型芯,型腔镶块)的成本和二次元件成本。
在每个类别中,需要通过加工获得所需的时间和其几何形状作为成本[4]的参考条件。
可以预期的是,建立和验证成本方程,以及在实际中运用它,都是非常繁琐的任务。
在基于特征的方法上,模具的几何特征(缸,槽,孔,筋,等)作为成本动因所使用。
模具制造的成本估计使用经验公式或工具,如基于知识的系统和动脉神经网络。
陈、刘[6]用特征识别的方法来评估一个新
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