698 電器外殼注射模設(shè)計(jì)【全套17張CAD圖+文獻(xiàn)翻譯+說(shuō)明書(shū)】
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注塑模的單澆口優(yōu)化
摘要:本文論述了一種單澆口位置優(yōu)化注塑模具的方法??陀^的澆口優(yōu)化,盡量減少注塑制品翹曲變形,因?yàn)槁N曲是一個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)大多數(shù)注塑件,這絕大部分受澆口位置影響。專題翹曲的定義是用比例最大位移對(duì)特征表面預(yù)計(jì)長(zhǎng)度的表面特征來(lái)描述零件翹曲。優(yōu)化相結(jié)合,數(shù)值模擬技術(shù),以找到最佳的澆口位置,其中,模擬退火算法就是用來(lái)尋找最佳的澆口位置。最后,其中一個(gè)例子是討論有關(guān)文件,并可以得出結(jié)論認(rèn)為,所提出的方法是有效的。
關(guān)鍵詞:注塑模, 澆口位置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,功能翹曲
導(dǎo)言
塑料注塑成型,是一種廣泛使用的,復(fù)雜的,對(duì)大型品種的塑料制品,尤其是那些高產(chǎn)量要求,精密復(fù)雜形狀的有高效率的技術(shù)制作。質(zhì)量注塑件是一個(gè)有功能性,部分幾何,模具結(jié)構(gòu)和工藝條件的塑膠材料。最重要的一部分,注塑模,基本上是以下三組組成:腔,澆口和澆道, 和冷卻系統(tǒng)。
Lam和Seow ( 2000),Jin和Lain( 2002)達(dá)到平衡腔不同壁厚的一部分。平衡充填過(guò)程內(nèi)部腔給出了一個(gè)均勻分布的壓力和溫度,可大幅度減少該部的翹曲。但腔平衡只是其中一個(gè)影響零件質(zhì)量的重要因素。尤其是零件有其功能要求,其厚度通常不應(yīng)該多種多樣。從這個(gè)角度談了注塑模具設(shè)計(jì),澆口是由其尺寸和位置,和澆道系統(tǒng)的規(guī)模和布局表征的。澆口尺寸和澆道布局通常定為常量。相對(duì)地,澆口位置和澆道的大小是比較有彈性的,能夠多樣的影響零件質(zhì)量。因此,他們往往優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。
Lee和Kim(1996年)為多種注射溶洞優(yōu)化了澆道和澆口的大小來(lái)平衡澆道系統(tǒng)。澆道維持平衡可以理解為有相同腔的多腔模具的不同入口壓力,在每一個(gè)腔每一個(gè)熔體流道底部有不同的情體積和幾何形狀。該方法已顯示壓力在整個(gè)多腔模具成型周期中的單腔里均勻分布。
Zhai等(2005年)發(fā)布兩個(gè)澆口位置優(yōu)化,它的一個(gè)成型腔是由一個(gè)在壓力梯度的基礎(chǔ)上的高效率的搜索方法( PGSS) ,為由不同尺寸的澆道多澆口零件定位,熔接線向理想的地點(diǎn)(翟等, 2006 )。作為大容量的一部分,多澆口需要縮短最高流徑,與相應(yīng)減少注射壓力。該方法大可成為設(shè)計(jì)多澆口單型腔的澆口和澆道。
許多注塑件是只制作一個(gè)澆口,無(wú)論是在單型腔模具或多個(gè)腔模具。因此,單澆口的澆口位置是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)。形狀分析方法是由Courbebaisse和Gaarrcia 2002年提出,是最佳澆口位置的注射成型估計(jì)。后來(lái),他們研制的這種理論進(jìn)一步研究和應(yīng)用于單一澆口位置優(yōu)化的一個(gè)L形例子(庫(kù)爾伯貝斯,2005年)。 它易于使用,而不耗費(fèi)時(shí)間,而且它只不過(guò)是提供了簡(jiǎn)單的有均勻厚度的平面零件。
Pandelidis和Zou(1990年)提出的優(yōu)化澆口位置,由間接質(zhì)量相關(guān)引起的翹曲和物質(zhì)降解,這代表著加權(quán)溫度差,摩擦過(guò)熱的時(shí)間。翹曲是受上述因素的影響, 但它們之間的關(guān)系并不明確。 因此,優(yōu)化效果是受制于測(cè)定轉(zhuǎn)歸的加權(quán)因素。
Lee和Kim( l996b )研制出一種自動(dòng)選擇澆口位置的方法,其中一套初步澆口位置,由設(shè)計(jì)師提出,最優(yōu)澆口是位于相鄰節(jié)點(diǎn)。結(jié)論在很大程度上
取決于設(shè)計(jì)師的直覺(jué),因?yàn)榈谝徊绞腔谠O(shè)計(jì)師的主張。 所以在相當(dāng)大的程度上,受限于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。
Lam和Jin(2001)開(kāi)發(fā)了澆口位置優(yōu)化方法,基于最大限度地減少了標(biāo)準(zhǔn)偏差的流徑長(zhǎng)度(標(biāo)準(zhǔn)差[大] )和在成型充填過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的灌裝時(shí)間(標(biāo)準(zhǔn)差[ T ] )。隨后,沈等人( 2004 年 ) ,優(yōu)化了澆口位置設(shè)計(jì)通過(guò)最小加權(quán)充氣壓力,灌裝時(shí)間區(qū)別不同的水流路徑,溫差變化大,以及過(guò)度包裝的百分比。Zhai等 ( 2005 年)在去年底調(diào)查了最佳澆口位置與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的注射壓力。這些研究人員介紹目標(biāo)函數(shù)作為注塑成型灌裝操作,這對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)有益。 但之間的相關(guān)性是非常復(fù)雜和不清晰在它們之間已經(jīng)觀察到。 人們還很難選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)因子為每個(gè)函數(shù)。
一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)注塑制品翹曲變形,以優(yōu)化澆口位置。 直接衡量零件質(zhì)量,這項(xiàng)調(diào)查定義特征翹曲來(lái)評(píng)價(jià)零件翹曲,這是從"流加翹曲"模擬產(chǎn)出Moldflow塑料洞察力(電傳等)的軟件。目標(biāo)函數(shù)最小化,在澆口位置優(yōu)化,以達(dá)到最低變形。 模擬退火算法是用來(lái)尋找最優(yōu)澆口位置。 給出了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明建議優(yōu)化程序的有效性。
質(zhì)量措施:特征翹曲
定義特征翹曲
運(yùn)用優(yōu)化理論設(shè)計(jì)澆口,零件的質(zhì)量措施必須指定在初審。術(shù)語(yǔ)"質(zhì)量"可轉(zhuǎn)介許多產(chǎn)品性能,如力學(xué),熱學(xué), 電子,光學(xué),工效學(xué)或幾何性質(zhì)。有兩種零件質(zhì)量測(cè)量:直接和間接。一個(gè)有預(yù)測(cè)性的模型,從數(shù)值模擬結(jié)果,可作為一個(gè)直接的質(zhì)量測(cè)量。 相比之下,間接測(cè)量的零件質(zhì)量是正相關(guān)目標(biāo)質(zhì)量,但它并不能提供對(duì)其質(zhì)量的直接估計(jì)。
翹曲,在相關(guān)工程的間接質(zhì)量測(cè)量,是一個(gè)注塑成型流動(dòng)行為或加權(quán)。 這種行為是作為填充不同流徑的時(shí)間差,溫度差,過(guò)度包裝的比例問(wèn)題,等等。這是很明顯的,翹曲是受這些因素的影響,但翹曲和這些因素的關(guān)系是不明確的,而且決定這些因素所占的比重是相當(dāng)困難的。因此,用上述目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化大概不會(huì)減低零件翹曲,甚至是完美的優(yōu)化技術(shù)。 有時(shí),不恰當(dāng)加權(quán)因素,將導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的結(jié)果。
一些統(tǒng)計(jì)量計(jì)算,節(jié)點(diǎn)位移被定性為直接質(zhì)量測(cè)量,以達(dá)到最低變形鏈優(yōu)化研究。統(tǒng)計(jì)數(shù)量通常是最多節(jié)點(diǎn)位移,平均每年有10%的節(jié)點(diǎn)位移,而且整體平均節(jié)點(diǎn)位移(李和金, 1995 ; 1996 ) 。這些節(jié)點(diǎn)的位移容易從數(shù)值模擬結(jié)果獲得,統(tǒng)計(jì)值,在一定程度上代表著變形。 但統(tǒng)計(jì)位移不能有效地描述變形的注塑件。
在工業(yè)方面,設(shè)計(jì)者和制造商通常更加注意,部分上翹曲在某些特點(diǎn)上超過(guò)整個(gè)變形注射模塑件的程度。在這項(xiàng)研究中,特征翹曲是用來(lái)形容變形的注塑件。特征翹曲是表面上的最大位移與表面特征的預(yù)計(jì)長(zhǎng)度之比(圖1 ) :
(1)
其中γ是特征翹曲, h是特征表面偏離該參考平臺(tái)的最高位移,L是在與參考方向平行的參考平臺(tái)上的表面特征的預(yù)計(jì)長(zhǎng)度。
對(duì)于復(fù)雜的特點(diǎn)(這里只討論平面特征) ,翹曲的特點(diǎn)是通常在參考平面內(nèi)分為兩個(gè)區(qū)域,它是代表一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng):
(2)
其中,是特征翹曲在X , Y方向, ,是表面特征的預(yù)計(jì)長(zhǎng)度在
X ,Y上的投影。
特征翹曲的評(píng)定
與相應(yīng)的參考平面和投影方向結(jié)合起來(lái)測(cè)定目標(biāo)特征后,,其L的值可以從圖中用解析幾何立即計(jì)算出來(lái)(圖2 ) 。在特定的表面特征和預(yù)測(cè)的方向,L是一個(gè)常量。 但H的評(píng)定比L復(fù)雜得多。
模擬注射成型過(guò)程是一種常見(jiàn)的技術(shù),以預(yù)測(cè)質(zhì)量來(lái)設(shè)計(jì)零件,設(shè)計(jì)模具和工藝設(shè)置。結(jié)果翹曲模擬表達(dá)為節(jié)點(diǎn)撓度上的X , Y , Z分量 ,以及節(jié)點(diǎn)位移W。W是向量長(zhǎng)度的矢量總和:+ + ,其中 i,j,k是在X,Y,Z方向上的單位矢量。H是在特征表面上的節(jié)點(diǎn)的最大位移, 這與通常方向的參考平面相同,并能產(chǎn)生結(jié)果的翹曲仿真。
計(jì)算h時(shí),節(jié)點(diǎn)的撓度提取如下:
其中是撓度在正常方向參考平面內(nèi)提取節(jié)點(diǎn); , , 是對(duì)撓度的X , Y , Z分量的提取節(jié)點(diǎn);α,β,γ是角度的向量參考; A和B是終端節(jié)點(diǎn),可以預(yù)測(cè)方向(圖2 ) ; 和是節(jié)點(diǎn)A和B的撓度:
其中, ,,是對(duì)節(jié)點(diǎn)A的撓度在X,Y,Z方向上的分量; ,和是對(duì)節(jié)點(diǎn)B的撓度在X , Y , Z方向上的分量; 和是終端節(jié)點(diǎn)撓度的加權(quán)因子,計(jì)算方法如下:
是提取節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)A投影間的距離, H是的最大絕對(duì)值。
在工業(yè)方面,視察該翹曲借助了一個(gè)觸角衡量,被測(cè)工件放在一個(gè)參考平臺(tái)上。 H是一個(gè)最大數(shù)值,讀數(shù)在被測(cè)工件表面和參考平臺(tái)間。
澆口位置優(yōu)化問(wèn)題的形成
從質(zhì)量來(lái)說(shuō), "翹曲" ,是指永久變形的部分不是由實(shí)用的負(fù)載引起的。 它是由整體差動(dòng)收縮引起,即聚合物流通,包裝,冷卻,結(jié)晶的不平衡。
安置一個(gè)澆口,在注射模具整個(gè)設(shè)計(jì)中是一個(gè)最重要的步驟。 高質(zhì)量的成型零件受澆口的影響很大,因?yàn)樗绊懰芰狭鬟M(jìn)入型腔的澆道。因此,不同的澆口位置會(huì)引入不均勻的取向,密度,壓力和溫度分布,因而引入不同的值和分配翹曲。 因此,澆口位置,是一個(gè)有用的設(shè)計(jì)變量,以盡量減少注塑零件翹曲。因?yàn)橄嚓P(guān)關(guān)系澆口位置和翹曲分布,是在相當(dāng)大程度上獨(dú)立于熔體和模具的溫度,在這項(xiàng)調(diào)查中它是假定該成型條件保持不變。 注射成型零件翹曲是量化特征翹曲,其中在上一節(jié)討論了。
因此單一澆口位置優(yōu)化,可以依如下制造 :
最小化:
主題:
其中γ是特征翹曲變形; p是在澆口位置的注入壓力; 是注入成型機(jī)器的可允許注入壓力或被設(shè)計(jì)者或制造業(yè)者指定的可允許的注入壓力; x是坐標(biāo)向量的候選澆口位置; 是節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格模型的一部分,為注射成型過(guò)程模擬; N是節(jié)點(diǎn)總數(shù)。
在有限元網(wǎng)格模型中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有可能是一個(gè)澆口。 因此,可能是澆口位置的總數(shù) 是一個(gè)有關(guān)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)目N和總澆口數(shù)n的函數(shù):
在這項(xiàng)研究中,只對(duì)單澆口選址問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查。
模擬退火算法
模擬退火算法是其中最強(qiáng)大和最流行的元啟發(fā)式解決優(yōu)化問(wèn)題,因?yàn)樘峁┝己玫囊詫?shí)際條件全面化解決辦法。 該算法是基于Metropolis ( 1953 ) ,這原本是用來(lái)在原子某一特定溫度找到一個(gè)平衡點(diǎn)的方法。這一算法和數(shù)字最小化的聯(lián)系是Pincus( 1970年)第一個(gè)注意到,但Kirkpatrick( 1983年)等人提議,把它形成一項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)組合(或其他)。
運(yùn)用模擬退火法優(yōu)化問(wèn)題,目標(biāo)函數(shù)f是用來(lái)作為函數(shù)E的能源,而不是找到一個(gè)低能源配置,問(wèn)題就變成尋求近似全局最優(yōu)解。配置的值的設(shè)計(jì)變量是替代能源配置本身,控制參數(shù)的過(guò)程是取代溫度。 一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被用作為設(shè)計(jì)變量產(chǎn)生新的值。 這是顯而易見(jiàn)的,該算法只需要將極小化問(wèn)題列入考慮范圍。 因此,在最大化問(wèn)題上,目標(biāo)函數(shù)是乘以( -1 ) 來(lái)取得一個(gè)可能的數(shù)。
模擬退火算法的主要優(yōu)點(diǎn)是比其他方法更能夠避免在局部極小被困。 這種算法采用隨機(jī)搜索,而不是只接受變化,即減少目標(biāo)函數(shù)f ,而且還接受了一些變化來(lái)增加它。 后者則是接受一個(gè)概率P
其中是f的增量, k是Boltzman常數(shù), T是一個(gè)控制參數(shù),其中原數(shù)分析是眾所周知的"恒溫"制度 ,并且無(wú)視客觀功能參與。
在澆口位置優(yōu)化,實(shí)施這一算法的說(shuō)明圖(圖3),此算法的詳細(xì)情況如下:
( 1 ) SA算法開(kāi)始是從最初的澆口位置,同一個(gè)指定值的"溫度"參數(shù)T ("溫度"計(jì)數(shù)器K最初定為零) 。 適當(dāng)控制參數(shù)( 0 < c < 1 )給出退火過(guò)程與馬爾可夫鏈N。
( 2 ) SA算法在的旁邊生成一個(gè)新的澆口位置來(lái)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)
f( x )的值。
( 3 )新澆口位置由接受函數(shù)決定接受的概率
一個(gè)統(tǒng)一的隨機(jī)變量產(chǎn)生[ 0,1 ] , 如果<, 接受,否則就拒絕。
( 4 ) 這個(gè)過(guò)程重復(fù)是的迭代次數(shù)( ),用這種序列審判澆口位置被稱為馬爾可夫鏈。
( 5 )因?yàn)闇p少的"溫度'',生成一個(gè)新的馬爾可夫鏈,(在先前的馬爾可夫鏈里,從最后接受的澆口位置生成),這一“溫度”減少的過(guò)程將一直持續(xù)直到酸算法結(jié)束。
應(yīng)用與探討
在一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用,在這一節(jié)討論質(zhì)量測(cè)量和優(yōu)化方法。 該部分是由一個(gè)制造商提供,如圖4所示。 在這一部分,平坦的基底表面上是最重要的輪廓精度要求。因此 ,翹曲變形特征在基底表面討論,其中參考平臺(tái)指定為水平面附于基底表面,縱方向指為預(yù)計(jì)參考方向。參數(shù)h是基底面對(duì)正常方向的最高偏轉(zhuǎn)即垂直方向,參數(shù)L是基底表面的預(yù)測(cè)長(zhǎng)度在縱向上的投影。
圖4 制造商提供的工業(yè)產(chǎn)品
該產(chǎn)品的材料是尼龍Zytel 101L( 30 %EGP,杜邦工程聚合物)。 在模擬算法中的成型條件列在表1 。 圖5顯示了有限元網(wǎng)格模型的一部分,是受制于數(shù)值模擬。 它有1469個(gè)節(jié)點(diǎn)和2492元素。 目標(biāo)函數(shù),即特征翹曲,由方程( 1 ),( 3 ) ? ( 6 )定義 。 其中h 是從"流量+流道分析序列中式( 1 )里的MPI所得 ,L在該工業(yè)產(chǎn)品中的測(cè)量值即L = 20.50毫米。
MPI的是注塑成型模擬使用最廣泛的軟件,它可以向您推薦在流動(dòng)平衡前提下的最佳澆口位置。 對(duì)于澆口位置設(shè)計(jì),澆口位置分析是一個(gè)有效的工具,但除了實(shí)證方法。 對(duì)于這點(diǎn),澆口選址分析,MPI認(rèn)為最佳澆口位置是接近節(jié)點(diǎn)N7459 ,如圖5所示。零件翹曲是模擬在此推薦澆口基礎(chǔ)上,因此,特征翹曲評(píng)定: ,這很有價(jià)值。 在實(shí)際制造中,零件翹曲是可見(jiàn)的在樣品工件上。 這是制造商不能接受的。
表1 在仿真中的成型條件
條件 值
填補(bǔ)時(shí)間(秒) 2.5
熔融溫度( ) 295
模具溫度( ) 70
包裝時(shí)間(秒) 10
包裝壓力(充壓) ( % ) 80
在基底表面的最大翹曲,是由不均勻取向分布的玻璃纖維造成的,圖6所示。圖6顯示,玻璃纖維取向的變化,從消極方向到積極方向進(jìn)行,因?yàn)檫@個(gè)澆口位置,尤其是最大的纖維方向轉(zhuǎn)變?cè)谶@個(gè)澆口附近。澆口位置造成的多樣化的纖維取向引起嚴(yán)重的差動(dòng)收縮。 因此,特征翹曲是和澆口的位置有關(guān),必須優(yōu)化,以減少部分翹曲。
在本條中搜索討論優(yōu)化澆口位置,模擬退火, "模擬退火算法" ,是適用于這個(gè)的。 最高迭代次數(shù)選定為30至確保精密的優(yōu)化,而且進(jìn)行多次的隨機(jī)試驗(yàn),讓每一次迭代中被評(píng)為10至跌幅的概率為無(wú)效迭代,使之沒(méi)有一個(gè)重復(fù)的方案。 N7379節(jié)點(diǎn)(圖5) ,是最佳澆口位置。 特征翹曲評(píng)定,從翹曲模擬結(jié)果函數(shù)f(X)= γ= 0.97 % ,可說(shuō)是少于MPI建議的澆口。 在實(shí)際制造中零件翹曲符合制造商的要求。 圖6b 表明,在模擬纖維取向。它是可見(jiàn)的最優(yōu)澆口位置,取決于玻璃纖維取向,因此,減少收縮差異在垂直方向沿縱向發(fā)展。因此,特征翹曲減少了。
結(jié)論
在這項(xiàng)調(diào)查中,特征翹曲是來(lái)描述注塑制品翹曲變形,在數(shù)值模擬軟件MPI的基礎(chǔ)上評(píng)定。 特征翹曲的評(píng)定是為單一澆口位置塑膠注塑模具,基于數(shù)值模擬結(jié)合模擬退火算法優(yōu)化。 工業(yè)產(chǎn)品作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明所提出的方法。 該方法取決于最佳澆口位置,產(chǎn)品是令制造商滿意的。 這個(gè)方法也適合于其它翹曲最小化的優(yōu)化問(wèn)題,例如優(yōu)化多澆口位置,流道系統(tǒng)的平衡,并選擇各向異性材料。
9
課題任務(wù)書(shū)
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
課題名稱
電器外殼注射模設(shè)計(jì)
內(nèi)容及任務(wù)
(1)對(duì)電器外殼進(jìn)行工藝分析,根據(jù)塑件的材料、形狀與尺寸要求確定合適的成型工藝、選擇相應(yīng)的成型設(shè)備和成型工藝參數(shù),完成成型模具的總體設(shè)計(jì);
(2)模具零件的設(shè)計(jì)和裝配圖及主要零件圖的出圖;
(3)整套模具的檢查修改,編寫模具的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。
研究手段主要運(yùn)用沖壓模課程和其它有關(guān)先修課程的理論及生產(chǎn)實(shí)踐的知識(shí)去分析和解決模具設(shè)計(jì)問(wèn)題,通過(guò)計(jì)算,運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料等,使用AutoCAD和Pro/e繪圖軟件對(duì)設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行繪圖。
擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)
按任務(wù)書(shū)要求完成規(guī)定的任務(wù),撰寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文),一律采用計(jì)算機(jī)編輯。內(nèi)容包括設(shè)計(jì)的意義與作用、設(shè)計(jì)方案選擇和計(jì)算、主要零件的受力分析和強(qiáng)度校核、經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析等。
寫出不少于400字的中文摘要;至少翻譯一篇本專業(yè)外文文獻(xiàn)(10000個(gè)以上印刷符號(hào)),并附譯文。
需完成不少于3張零號(hào)圖紙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、裝配圖和零件圖,其中應(yīng)包含一張以上用計(jì)算機(jī)繪制的具有中等難度的1號(hào)圖紙,同時(shí)至少有折合1號(hào)圖幅以上的圖紙用手工繪制,查閱到10篇以上與題目相關(guān)的文獻(xiàn),按要求格式獨(dú)立撰寫不少于12000字的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
進(jìn)度安排
起止日期
工作內(nèi)容
備注
(1)2010年10月~12月
收集資料,確定選題;
(22011年1月21日~ 2月28日
完成開(kāi)題報(bào)告
2011年3月1日~4月30日
進(jìn)行工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制裝配草圖、零件草圖以及中期檢查;
2011年5月1日~5月31日
圖紙及說(shuō)明書(shū)定稿;
2011年6月1日~6月10日
畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
主要參考資料
[1] 中國(guó)紡織大學(xué)工程圖學(xué)教研室.畫法幾何及工程制圖(第四版)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1997.
[2] 孫文煥.機(jī)械CAD/CAM技術(shù)概論[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1995.
[3] 向華,洪光英,張渝.三維動(dòng)畫制作[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.
[4] 戈曉嵐,洪琢.機(jī)械工程材料[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社,2006.
[5] 朱張校.工程材料[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.
[6] 王衛(wèi)衛(wèi).材料成形設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[7] 翁其金,徐新成.沖壓工藝及沖模設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[8] 陳嘉真.塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.
[9] 二代龍震工作室 .Pro/SHEETMETAL Wildfire鈑金設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[10] 《ProCAST 鑄造模擬》(ProCAST)V2005[Bin]. http://lib.verycd.com/2006/12/04/0000130643.html,2009-2-10.
[11] 單巖,王蓓,王剛. Moldflow模具分析技術(shù)基礎(chǔ)(CAD實(shí)用技術(shù)) [M].北京:清華大學(xué)出版社 ,2004.
[12] DiEdifice–模擬軟件下載專區(qū)–中國(guó)鑄造模擬分析網(wǎng).http://castsa2008.com/frame.php?frameon=yes&referer=http%3A//castsa2008.comforumdisplay.php%3Ffid%3D57,2009-2-10.
[13] 《dynaform用戶手冊(cè)》詳細(xì)信息.http://www.netyi.net/training/42deaaba-550d-4c61-82c3-7eb9c601559f,2009-2-10.
教研室
意見(jiàn)
年 月 日
系主管領(lǐng)導(dǎo)意見(jiàn)
年 月 日
開(kāi)題報(bào)告
題 目
電器外殼注射模設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
班級(jí)學(xué)號(hào)
專業(yè)
一、選題的意義和目的
1)綜合運(yùn)用注塑模課程和其它有關(guān)先修課程的理論及生產(chǎn)實(shí)踐的知識(shí)去分析和解決模具設(shè)計(jì)問(wèn)題,并使所學(xué)專業(yè)知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固和深化。
2)學(xué)習(xí)模具設(shè)計(jì)的一般方法,了解和掌握常用模具整體設(shè)計(jì)、零部件的設(shè)計(jì)過(guò)程和計(jì)算方法,培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,特別是總體設(shè)計(jì)和計(jì)算的能力。
3)通過(guò)計(jì)算和繪圖,學(xué)會(huì)運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)和查閱有關(guān)技術(shù)資料等,培養(yǎng)模具設(shè)計(jì)的基本技能。
二. 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
模具是機(jī)械制造業(yè)中技術(shù)先進(jìn)、影響深遠(yuǎn)的重要工藝裝備,具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高、制件質(zhì)量?jī)?yōu)良、工藝適應(yīng)性好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、航天、航空、輕工、電子、電器、儀表等行業(yè)。
我國(guó)塑料模具行業(yè)發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前塑料模具在整個(gè)模具行業(yè)中所占比重約為30%,隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,這一比例將持續(xù)提高。相關(guān)專家預(yù)測(cè),在未來(lái)的市場(chǎng)中,塑料模具的發(fā)展速度將高于其它模具,塑料模具在模具行業(yè)中的比例將不斷提高。
塑料模具已形成完整而強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈。我國(guó)塑料模具近年來(lái)伴隨著高技術(shù)驅(qū)動(dòng)和支柱產(chǎn)業(yè)發(fā)展,形成了一個(gè)完整而強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)鏈條。塑料模具相關(guān)產(chǎn)業(yè)從上游的原輔材料工業(yè)和加工、檢測(cè)設(shè)備到下游的機(jī)械、汽車、摩托車、家電、電子通信、建筑建材等幾大應(yīng)用產(chǎn)業(yè),都顯示出勃勃生機(jī)。
注塑模具(即塑膠模具),注塑模具設(shè)計(jì)(即塑膠模具設(shè)計(jì))不但要采用 CAD 技術(shù),而且還要采用 CAE 技術(shù)。這是發(fā)展的必然趨勢(shì)。注塑成型分兩個(gè)階段,即開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)階段(包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和模具制造)和生產(chǎn)階段(包括購(gòu)買材料、試模和成型)。傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前,由于設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)與直覺(jué)設(shè)計(jì)模具,模具裝配完畢后,通常需要幾次試模,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后,不僅需要重新設(shè)置工藝參數(shù),甚至還需要修改塑膠制品和模具設(shè)計(jì),這勢(shì)必增加生產(chǎn)成本,延長(zhǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。采用CAE 技術(shù),可以完全代替試模,CAE技術(shù)提供了從制品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案,在模具制造之前,預(yù)測(cè)塑膠熔體在型腔中的整個(gè)成型過(guò)程,幫助研判潛在的問(wèn)題,有效地防止問(wèn)題發(fā)生,大大縮短了開(kāi)發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本。
? 注塑模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備,隨著塑膠模具設(shè)計(jì)工業(yè)的迅速發(fā)展以及塑膠制品在航空、航太、電子、機(jī)械、船舶和汽車等工業(yè)部門的推廣應(yīng)用,產(chǎn)品對(duì)模具的要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的塑膠模具設(shè)計(jì)方法已無(wú)法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。電腦輔助工程(CAE)技術(shù)已成為塑膠產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品加工中這些薄弱環(huán)節(jié)的最有效的途經(jīng)。
注塑成型是一種用之甚廣的成型方法,與其他成型技術(shù)相比有許多明顯的特點(diǎn):
1、注塑成型的優(yōu)點(diǎn)
1) 成型時(shí)要先鎖緊模具后才將熔料注入,加之具有良好流動(dòng)性的熔料對(duì)模腔的磨損很小,因此一套模具可生產(chǎn)大批量注塑制品。
2) 一個(gè)操作工常可管理兩臺(tái)或多臺(tái)注塑機(jī),特別是當(dāng)成型件可以自動(dòng)卸料時(shí)還可管理更多臺(tái)機(jī)器,因此,所需的勞動(dòng)力相對(duì)較低。
3)由于成型物料的熔融塑化和流動(dòng)造型是分別在料筒和模腔中進(jìn)行,模具可始終處于使熔體很快冷凝或交聯(lián)固化的狀態(tài),從而有利于縮短成型周期。
4) 成型過(guò)程的合模、加料、塑化、注射、開(kāi)模和脫模等全部成型過(guò)程均由注塑的動(dòng)作完成,從而使注塑工藝過(guò)程易于全自動(dòng)化和實(shí)現(xiàn)程序控制。
5) 由于成型時(shí)壓力很高,因此可成型形狀復(fù)雜,表面圖案與標(biāo)記清晰和尺寸精度高的塑件。
6) 生產(chǎn)效率高,一套模具可包含數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)型腔,因此一次成型即可成型數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)塑件。
7) 成型塑件僅需少量修整即可使用,在成型過(guò)程中產(chǎn)生的廢料可以重復(fù)利用,因此,注塑成型時(shí)對(duì)原料的浪費(fèi)很少。
8) 通過(guò)共注可成型多于一種以上的材料,可有效地成型表皮硬而心部發(fā)泡的材料,可以成型熱固性塑料和纖維增強(qiáng)塑料。
9) 由于成型可采用精密的模具和精密的液壓系統(tǒng),加之使用微機(jī)控制,因此可以得到精度很高的制品,體積公差可達(dá)到1μm。
2、注塑成型的缺點(diǎn)
1) 由于冷卻條件的限制,因此對(duì)于厚壁且變化又大的塑件的成型較困難。
2) 成型制品的質(zhì)量受多種因素限制,因此對(duì)技術(shù)要求較高,掌握的難度較大。
3) 注塑成型的關(guān)鍵器具是模具,但模具的設(shè)計(jì)、制造和試模的周期很長(zhǎng), 投產(chǎn)較慢。
4) 由于注塑機(jī)和注塑模的造價(jià)都比較高,因此啟動(dòng)投資大,故不適合小批量塑件的生產(chǎn)。
3、注塑成型模具的發(fā)展趨勢(shì)可以歸納為以下幾個(gè)方面:
1)加深理論研究;
2)高效率,自動(dòng)化;
3)大型、超小型及高精度;
4)標(biāo)準(zhǔn)化;
5)擴(kuò)大研究各種特殊結(jié)構(gòu)的注塑模具;
6)全面推廣CAD/CAE/CAM技術(shù);
7)進(jìn)一步加強(qiáng)快速原型制造技術(shù);
8)超精加工和復(fù)合加工。
三、選題依據(jù)
由于注塑成型具有許多突出的優(yōu)點(diǎn),因此在工業(yè)生產(chǎn)中,尤其是在大批生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用??梢哉f(shuō),注塑成型加工已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要手段和發(fā)展方向,是提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代的重要保證。
在塑料模具中,由于注塑模具有高效、精密、可成型各種復(fù)雜制品、工藝先進(jìn)等諸多其他模具所不及的特點(diǎn)而成為塑料制品成型工藝中最重要的并且起主導(dǎo)作用的塑料成型工藝設(shè)備。在高速發(fā)展中,注塑模具又將其他成型模具的優(yōu)點(diǎn)吸納、融合和發(fā)展,形成了更加完美,更加優(yōu)越也更加先進(jìn)的一種新的成型技術(shù)。
本課題以電器外殼注射模的模具設(shè)計(jì)為案例,以Pro/E和AutoCAD等繪圖軟件為工具進(jìn)行設(shè)計(jì)研究工作。以熱注塑技術(shù)結(jié)合先進(jìn)的CAD/CAE/CAM技術(shù),進(jìn)而提高提高生產(chǎn)率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和縮短模具的設(shè)計(jì)制造周期。
四 進(jìn)度安排及預(yù)期成果
1.時(shí)間安排
(1)2010年10月~12月 收集資料,確定選題;
(2)2011年1月21日~ 2月28日 完成開(kāi)題報(bào)告;
(3)2011年3月1日~4月30日 進(jìn)行工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、繪制裝配草圖、零件草圖以及中期檢查;
(4)2011年5月1日~5月31日 圖紙及說(shuō)明書(shū)定稿;
(5)2011年6月1日~6月10日 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。
2.預(yù)期成果
(1) 模具總體設(shè)計(jì)。
(2) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。
(3) 設(shè)計(jì)圖紙齊全。
(4) 自選一個(gè)重要模具零件編制加工工藝過(guò)程。
五、參考文獻(xiàn)
[1] 中國(guó)紡織大學(xué)工程圖學(xué)教研室.畫法幾何及工程制圖(第四版)[M].上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,1997.
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[6] 王衛(wèi)衛(wèi).材料成形設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.
[7] 翁其金,徐新成.沖壓工藝及沖模設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.
[8] 陳嘉真.塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995.
[9] 二代龍震工作室 .Pro/SHEETMETAL Wildfire鈑金設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.
[10] 《ProCAST 鑄造模擬》(ProCAST)V2005[Bin]. http://lib.verycd.com/2006/12/04/0000130643.html,2009-2-10.
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[12] DiEdifice–模擬軟件下載專區(qū)–中國(guó)鑄造模擬分析網(wǎng).http://castsa2008.com/frame.php?frameon=yes&referer=http%3A//castsa2008.comforumdisplay.php%3Ffid%3D57,2009-2-10.
[13] 《dynaform用戶手冊(cè)》詳細(xì)信息.http://www.netyi.net/training/42deaaba-550d-4c61-82c3-7eb9c601559f,2009-2-10.
指導(dǎo)教師批閱意見(jiàn)
指導(dǎo)教師(簽名): 年 月 日
注:可另附A4紙
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注塑模的單澆口優(yōu)化
摘要:本文論述了一種單澆口位置優(yōu)化注塑模具的方法。客觀的澆口優(yōu)化,盡量減少注塑制品翹曲變形,因?yàn)槁N曲是一個(gè)關(guān)鍵質(zhì)量問(wèn)題,對(duì)大多數(shù)注塑件,這絕大部分受澆口位置影響。專題翹曲的定義是用比例最大位移對(duì)特征表面預(yù)計(jì)長(zhǎng)度的表面特征來(lái)描述零件翹曲。優(yōu)化相結(jié)合,數(shù)值模擬技術(shù),以找到最佳的澆口位置,其中,模擬退火算法就是用來(lái)尋找最佳的澆口位置。最后,其中一個(gè)例子是討論有關(guān)文件,并可以得出結(jié)論認(rèn)為,所提出的方法是有效的。
關(guān)鍵詞:注塑模, 澆口位置和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,功能翹曲
導(dǎo)言
塑料注塑成型,是一種廣泛使用的,復(fù)雜的,對(duì)大型品種的塑料制品,尤其是那些高產(chǎn)量要求,精密復(fù)雜形狀的有高效率的技術(shù)制作。質(zhì)量注塑件是一個(gè)有功能性,部分幾何,模具結(jié)構(gòu)和工藝條件的塑膠材料。最重要的一部分,注塑模,基本上是以下三組組成:腔,澆口和澆道, 和冷卻系統(tǒng)。
Lam和Seow ( 2000),Jin和Lain( 2002)達(dá)到平衡腔不同壁厚的一部分。平衡充填過(guò)程內(nèi)部腔給出了一個(gè)均勻分布的壓力和溫度,可大幅度減少該部的翹曲。但腔平衡只是其中一個(gè)影響零件質(zhì)量的重要因素。尤其是零件有其功能要求,其厚度通常不應(yīng)該多種多樣。從這個(gè)角度談了注塑模具設(shè)計(jì),澆口是由其尺寸和位置,和澆道系統(tǒng)的規(guī)模和布局表征的。澆口尺寸和澆道布局通常定為常量。相對(duì)地,澆口位置和澆道的大小是比較有彈性的,能夠多樣的影響零件質(zhì)量。因此,他們往往優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。
Lee和Kim(1996年)為多種注射溶洞優(yōu)化了澆道和澆口的大小來(lái)平衡澆道系統(tǒng)。澆道維持平衡可以理解為有相同腔的多腔模具的不同入口壓力,在每一個(gè)腔每一個(gè)熔體流道底部有不同的情體積和幾何形狀。該方法已顯示壓力在整個(gè)多腔模具成型周期中的單腔里均勻分布。
Zhai等(2005年)發(fā)布兩個(gè)澆口位置優(yōu)化,它的一個(gè)成型腔是由一個(gè)在壓力梯度的基礎(chǔ)上的高效率的搜索方法( PGSS) ,為由不同尺寸的澆道多澆口零件定位,熔接線向理想的地點(diǎn)(翟等, 2006 )。作為大容量的一部分,多澆口需要縮短最高流徑,與相應(yīng)減少注射壓力。該方法大可成為設(shè)計(jì)多澆口單型腔的澆口和澆道。
許多注塑件是只制作一個(gè)澆口,無(wú)論是在單型腔模具或多個(gè)腔模具。因此,單澆口的澆口位置是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)。形狀分析方法是由Courbebaisse和Gaarrcia 2002年提出,是最佳澆口位置的注射成型估計(jì)。后來(lái),他們研制的這種理論進(jìn)一步研究和應(yīng)用于單一澆口位置優(yōu)化的一個(gè)L形例子(庫(kù)爾伯貝斯,2005年)。 它易于使用,而不耗費(fèi)時(shí)間,而且它只不過(guò)是提供了簡(jiǎn)單的有均勻厚度的平面零件。
Pandelidis和Zou(1990年)提出的優(yōu)化澆口位置,由間接質(zhì)量相關(guān)引起的翹曲和物質(zhì)降解,這代表著加權(quán)溫度差,摩擦過(guò)熱的時(shí)間。翹曲是受上述因素的影響, 但它們之間的關(guān)系并不明確。 因此,優(yōu)化效果是受制于測(cè)定轉(zhuǎn)歸的加權(quán)因素。
Lee和Kim( l996b )研制出一種自動(dòng)選擇澆口位置的方法,其中一套初步澆口位置,由設(shè)計(jì)師提出,最優(yōu)澆口是位于相鄰節(jié)點(diǎn)。結(jié)論在很大程度上
取決于設(shè)計(jì)師的直覺(jué),因?yàn)榈谝徊绞腔谠O(shè)計(jì)師的主張。 所以在相當(dāng)大的程度上,受限于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。
Lam和Jin(2001)開(kāi)發(fā)了澆口位置優(yōu)化方法,基于最大限度地減少了標(biāo)準(zhǔn)偏差的流徑長(zhǎng)度(標(biāo)準(zhǔn)差[大] )和在成型充填過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)偏差的灌裝時(shí)間(標(biāo)準(zhǔn)差[ T ] )。隨后,沈等人( 2004 年 ) ,優(yōu)化了澆口位置設(shè)計(jì)通過(guò)最小加權(quán)充氣壓力,灌裝時(shí)間區(qū)別不同的水流路徑,溫差變化大,以及過(guò)度包裝的百分比。Zhai等 ( 2005 年)在去年底調(diào)查了最佳澆口位置與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的注射壓力。這些研究人員介紹目標(biāo)函數(shù)作為注塑成型灌裝操作,這對(duì)相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)有益。 但之間的相關(guān)性是非常復(fù)雜和不清晰在它們之間已經(jīng)觀察到。 人們還很難選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)因子為每個(gè)函數(shù)。
一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)注塑制品翹曲變形,以優(yōu)化澆口位置。 直接衡量零件質(zhì)量,這項(xiàng)調(diào)查定義特征翹曲來(lái)評(píng)價(jià)零件翹曲,這是從"流加翹曲"模擬產(chǎn)出Moldflow塑料洞察力(電傳等)的軟件。目標(biāo)函數(shù)最小化,在澆口位置優(yōu)化,以達(dá)到最低變形。 模擬退火算法是用來(lái)尋找最優(yōu)澆口位置。 給出了一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明建議優(yōu)化程序的有效性。
質(zhì)量措施:特征翹曲
定義特征翹曲
運(yùn)用優(yōu)化理論設(shè)計(jì)澆口,零件的質(zhì)量措施必須指定在初審。術(shù)語(yǔ)"質(zhì)量"可轉(zhuǎn)介許多產(chǎn)品性能,如力學(xué),熱學(xué), 電子,光學(xué),工效學(xué)或幾何性質(zhì)。有兩種零件質(zhì)量測(cè)量:直接和間接。一個(gè)有預(yù)測(cè)性的模型,從數(shù)值模擬結(jié)果,可作為一個(gè)直接的質(zhì)量測(cè)量。 相比之下,間接測(cè)量的零件質(zhì)量是正相關(guān)目標(biāo)質(zhì)量,但它并不能提供對(duì)其質(zhì)量的直接估計(jì)。
翹曲,在相關(guān)工程的間接質(zhì)量測(cè)量,是一個(gè)注塑成型流動(dòng)行為或加權(quán)。 這種行為是作為填充不同流徑的時(shí)間差,溫度差,過(guò)度包裝的比例問(wèn)題,等等。這是很明顯的,翹曲是受這些因素的影響,但翹曲和這些因素的關(guān)系是不明確的,而且決定這些因素所占的比重是相當(dāng)困難的。因此,用上述目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化大概不會(huì)減低零件翹曲,甚至是完美的優(yōu)化技術(shù)。 有時(shí),不恰當(dāng)加權(quán)因素,將導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的結(jié)果。
一些統(tǒng)計(jì)量計(jì)算,節(jié)點(diǎn)位移被定性為直接質(zhì)量測(cè)量,以達(dá)到最低變形鏈優(yōu)化研究。統(tǒng)計(jì)數(shù)量通常是最多節(jié)點(diǎn)位移,平均每年有10%的節(jié)點(diǎn)位移,而且整體平均節(jié)點(diǎn)位移(李和金, 1995 ; 1996 ) 。這些節(jié)點(diǎn)的位移容易從數(shù)值模擬結(jié)果獲得,統(tǒng)計(jì)值,在一定程度上代表著變形。 但統(tǒng)計(jì)位移不能有效地描述變形的注塑件。
在工業(yè)方面,設(shè)計(jì)者和制造商通常更加注意,部分上翹曲在某些特點(diǎn)上超過(guò)整個(gè)變形注射模塑件的程度。在這項(xiàng)研究中,特征翹曲是用來(lái)形容變形的注塑件。特征翹曲是表面上的最大位移與表面特征的預(yù)計(jì)長(zhǎng)度之比(圖1 ) :
(1)
其中γ是特征翹曲, h是特征表面偏離該參考平臺(tái)的最高位移,L是在與參考方向平行的參考平臺(tái)上的表面特征的預(yù)計(jì)長(zhǎng)度。
對(duì)于復(fù)雜的特點(diǎn)(這里只討論平面特征) ,翹曲的特點(diǎn)是通常在參考平面內(nèi)分為兩個(gè)區(qū)域,它是代表一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng):
(2)
其中,是特征翹曲在X , Y方向, ,是表面特征的預(yù)計(jì)長(zhǎng)度在
X ,Y上的投影。
特征翹曲的評(píng)定
與相應(yīng)的參考平面和投影方向結(jié)合起來(lái)測(cè)定目標(biāo)特征后,,其L的值可以從圖中用解析幾何立即計(jì)算出來(lái)(圖2 ) 。在特定的表面特征和預(yù)測(cè)的方向,L是一個(gè)常量。 但H的評(píng)定比L復(fù)雜得多。
模擬注射成型過(guò)程是一種常見(jiàn)的技術(shù),以預(yù)測(cè)質(zhì)量來(lái)設(shè)計(jì)零件,設(shè)計(jì)模具和工藝設(shè)置。結(jié)果翹曲模擬表達(dá)為節(jié)點(diǎn)撓度上的X , Y , Z分量 ,以及節(jié)點(diǎn)位移W。W是向量長(zhǎng)度的矢量總和:+ + ,其中 i,j,k是在X,Y,Z方向上的單位矢量。H是在特征表面上的節(jié)點(diǎn)的最大位移, 這與通常方向的參考平面相同,并能產(chǎn)生結(jié)果的翹曲仿真。
計(jì)算h時(shí),節(jié)點(diǎn)的撓度提取如下:
其中是撓度在正常方向參考平面內(nèi)提取節(jié)點(diǎn); , , 是對(duì)撓度的X , Y , Z分量的提取節(jié)點(diǎn);α,β,γ是角度的向量參考; A和B是終端節(jié)點(diǎn),可以預(yù)測(cè)方向(圖2 ) ; 和是節(jié)點(diǎn)A和B的撓度:
其中, ,,是對(duì)節(jié)點(diǎn)A的撓度在X,Y,Z方向上的分量; ,和是對(duì)節(jié)點(diǎn)B的撓度在X , Y , Z方向上的分量; 和是終端節(jié)點(diǎn)撓度的加權(quán)因子,計(jì)算方法如下:
是提取節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)A投影間的距離, H是的最大絕對(duì)值。
在工業(yè)方面,視察該翹曲借助了一個(gè)觸角衡量,被測(cè)工件放在一個(gè)參考平臺(tái)上。 H是一個(gè)最大數(shù)值,讀數(shù)在被測(cè)工件表面和參考平臺(tái)間。
澆口位置優(yōu)化問(wèn)題的形成
從質(zhì)量來(lái)說(shuō), "翹曲" ,是指永久變形的部分不是由實(shí)用的負(fù)載引起的。 它是由整體差動(dòng)收縮引起,即聚合物流通,包裝,冷卻,結(jié)晶的不平衡。
安置一個(gè)澆口,在注射模具整個(gè)設(shè)計(jì)中是一個(gè)最重要的步驟。 高質(zhì)量的成型零件受澆口的影響很大,因?yàn)樗绊懰芰狭鬟M(jìn)入型腔的澆道。因此,不同的澆口位置會(huì)引入不均勻的取向,密度,壓力和溫度分布,因而引入不同的值和分配翹曲。 因此,澆口位置,是一個(gè)有用的設(shè)計(jì)變量,以盡量減少注塑零件翹曲。因?yàn)橄嚓P(guān)關(guān)系澆口位置和翹曲分布,是在相當(dāng)大程度上獨(dú)立于熔體和模具的溫度,在這項(xiàng)調(diào)查中它是假定該成型條件保持不變。 注射成型零件翹曲是量化特征翹曲,其中在上一節(jié)討論了。
因此單一澆口位置優(yōu)化,可以依如下制造 :
最小化:
主題:
其中γ是特征翹曲變形; p是在澆口位置的注入壓力; 是注入成型機(jī)器的可允許注入壓力或被設(shè)計(jì)者或制造業(yè)者指定的可允許的注入壓力; x是坐標(biāo)向量的候選澆口位置; 是節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格模型的一部分,為注射成型過(guò)程模擬; N是節(jié)點(diǎn)總數(shù)。
在有限元網(wǎng)格模型中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有可能是一個(gè)澆口。 因此,可能是澆口位置的總數(shù) 是一個(gè)有關(guān)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)目N和總澆口數(shù)n的函數(shù):
在這項(xiàng)研究中,只對(duì)單澆口選址問(wèn)題進(jìn)行調(diào)查。
模擬退火算法
模擬退火算法是其中最強(qiáng)大和最流行的元啟發(fā)式解決優(yōu)化問(wèn)題,因?yàn)樘峁┝己玫囊詫?shí)際條件全面化解決辦法。 該算法是基于Metropolis ( 1953 ) ,這原本是用來(lái)在原子某一特定溫度找到一個(gè)平衡點(diǎn)的方法。這一算法和數(shù)字最小化的聯(lián)系是Pincus( 1970年)第一個(gè)注意到,但Kirkpatrick( 1983年)等人提議,把它形成一項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)組合(或其他)。
運(yùn)用模擬退火法優(yōu)化問(wèn)題,目標(biāo)函數(shù)f是用來(lái)作為函數(shù)E的能源,而不是找到一個(gè)低能源配置,問(wèn)題就變成尋求近似全局最優(yōu)解。配置的值的設(shè)計(jì)變量是替代能源配置本身,控制參數(shù)的過(guò)程是取代溫度。 一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被用作為設(shè)計(jì)變量產(chǎn)生新的值。 這是顯而易見(jiàn)的,該算法只需要將極小化問(wèn)題列入考慮范圍。 因此,在最大化問(wèn)題上,目標(biāo)函數(shù)是乘以( -1 ) 來(lái)取得一個(gè)可能的數(shù)。
模擬退火算法的主要優(yōu)點(diǎn)是比其他方法更能夠避免在局部極小被困。 這種算法采用隨機(jī)搜索,而不是只接受變化,即減少目標(biāo)函數(shù)f ,而且還接受了一些變化來(lái)增加它。 后者則是接受一個(gè)概率P
其中是f的增量, k是Boltzman常數(shù), T是一個(gè)控制參數(shù),其中原數(shù)分析是眾所周知的"恒溫"制度 ,并且無(wú)視客觀功能參與。
在澆口位置優(yōu)化,實(shí)施這一算法的說(shuō)明圖(圖3),此算法的詳細(xì)情況如下:
( 1 ) SA算法開(kāi)始是從最初的澆口位置,同一個(gè)指定值的"溫度"參數(shù)T ("溫度"計(jì)數(shù)器K最初定為零) 。 適當(dāng)控制參數(shù)( 0 < c < 1 )給出退火過(guò)程與馬爾可夫鏈N。
( 2 ) SA算法在的旁邊生成一個(gè)新的澆口位置來(lái)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)
f( x )的值。
( 3 )新澆口位置由接受函數(shù)決定接受的概率
一個(gè)統(tǒng)一的隨機(jī)變量產(chǎn)生[ 0,1 ] , 如果<, 接受,否則就拒絕。
( 4 ) 這個(gè)過(guò)程重復(fù)是的迭代次數(shù)( ),用這種序列審判澆口位置被稱為馬爾可夫鏈。
( 5 )因?yàn)闇p少的"溫度'',生成一個(gè)新的馬爾可夫鏈,(在先前的馬爾可夫鏈里,從最后接受的澆口位置生成),這一“溫度”減少的過(guò)程將一直持續(xù)直到酸算法結(jié)束。
應(yīng)用與探討
在一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用,在這一節(jié)討論質(zhì)量測(cè)量和優(yōu)化方法。 該部分是由一個(gè)制造商提供,如圖4所示。 在這一部分,平坦的基底表面上是最重要的輪廓精度要求。因此 ,翹曲變形特征在基底表面討論,其中參考平臺(tái)指定為水平面附于基底表面,縱方向指為預(yù)計(jì)參考方向。參數(shù)h是基底面對(duì)正常方向的最高偏轉(zhuǎn)即垂直方向,參數(shù)L是基底表面的預(yù)測(cè)長(zhǎng)度在縱向上的投影。
圖4 制造商提供的工業(yè)產(chǎn)品
該產(chǎn)品的材料是尼龍Zytel 101L( 30 %EGP,杜邦工程聚合物)。 在模擬算法中的成型條件列在表1 。 圖5顯示了有限元網(wǎng)格模型的一部分,是受制于數(shù)值模擬。 它有1469個(gè)節(jié)點(diǎn)和2492元素。 目標(biāo)函數(shù),即特征翹曲,由方程( 1 ),( 3 ) ? ( 6 )定義 。 其中h 是從"流量+流道分析序列中式( 1 )里的MPI所得 ,L在該工業(yè)產(chǎn)品中的測(cè)量值即L = 20.50毫米。
MPI的是注塑成型模擬使用最廣泛的軟件,它可以向您推薦在流動(dòng)平衡前提下的最佳澆口位置。 對(duì)于澆口位置設(shè)計(jì),澆口位置分析是一個(gè)有效的工具,但除了實(shí)證方法。 對(duì)于這點(diǎn),澆口選址分析,MPI認(rèn)為最佳澆口位置是接近節(jié)點(diǎn)N7459 ,如圖5所示。零件翹曲是模擬在此推薦澆口基礎(chǔ)上,因此,特征翹曲評(píng)定: ,這很有價(jià)值。 在實(shí)際制造中,零件翹曲是可見(jiàn)的在樣品工件上。 這是制造商不能接受的。
表1 在仿真中的成型條件
條件 值
填補(bǔ)時(shí)間(秒) 2.5
熔融溫度( ) 295
模具溫度( ) 70
包裝時(shí)間(秒) 10
包裝壓力(充壓) ( % ) 80
在基底表面的最大翹曲,是由不均勻取向分布的玻璃纖維造成的,圖6所示。圖6顯示,玻璃纖維取向的變化,從消極方向到積極方向進(jìn)行,因?yàn)檫@個(gè)澆口位置,尤其是最大的纖維方向轉(zhuǎn)變?cè)谶@個(gè)澆口附近。澆口位置造成的多樣化的纖維取向引起嚴(yán)重的差動(dòng)收縮。 因此,特征翹曲是和澆口的位置有關(guān),必須優(yōu)化,以減少部分翹曲。
在本條中搜索討論優(yōu)化澆口位置,模擬退火, "模擬退火算法" ,是適用于這個(gè)的。 最高迭代次數(shù)選定為30至確保精密的優(yōu)化,而且進(jìn)行多次的隨機(jī)試驗(yàn),讓每一次迭代中被評(píng)為10至跌幅的概率為無(wú)效迭代,使之沒(méi)有一個(gè)重復(fù)的方案。 N7379節(jié)點(diǎn)(圖5) ,是最佳澆口位置。 特征翹曲評(píng)定,從翹曲模擬結(jié)果函數(shù)f(X)= γ= 0.97 % ,可說(shuō)是少于MPI建議的澆口。 在實(shí)際制造中零件翹曲符合制造商的要求。 圖6b 表明,在模擬纖維取向。它是可見(jiàn)的最優(yōu)澆口位置,取決于玻璃纖維取向,因此,減少收縮差異在垂直方向沿縱向發(fā)展。因此,特征翹曲減少了。
結(jié)論
在這項(xiàng)調(diào)查中,特征翹曲是來(lái)描述注塑制品翹曲變形,在數(shù)值模擬軟件MPI的基礎(chǔ)上評(píng)定。 特征翹曲的評(píng)定是為單一澆口位置塑膠注塑模具,基于數(shù)值模擬結(jié)合模擬退火算法優(yōu)化。 工業(yè)產(chǎn)品作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明所提出的方法。 該方法取決于最佳澆口位置,產(chǎn)品是令制造商滿意的。 這個(gè)方法也適合于其它翹曲最小化的優(yōu)化問(wèn)題,例如優(yōu)化多澆口位置,流道系統(tǒng)的平衡,并選擇各向異性材料。
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