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徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 1 附錄 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 2 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 3 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 4 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 5 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 6 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 7 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 8 單澆口優(yōu)化注塑模 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)長度的表面特征來描述零件翹曲 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 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 而且它只不過是提供了簡單的有均勻厚度的 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 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)偏差的流徑長度 標(biāo)準(zhǔn) 差 大 和在成型充填過程中的標(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 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 義特征翹曲來評(píng)價(jià)零件翹曲 這是從 流加翹曲 模擬產(chǎn)出 Mouldflow 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尋找最優(yōu)澆口位置 給 出了一個(gè)例子來說明建議優(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 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 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 9 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 過度包裝的比例問題 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)長度之比 圖 1 1 其中 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 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 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 10 模擬注射成型過程是一種常見的技術(shù) 以預(yù)測(cè)質(zhì)量來設(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) 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)化問題的形成 從質(zhì)量來說 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 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 11 其中 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)化問題 目標(biāo)函數(shù) f 是用來作為函數(shù) E 的能源 而不是找到一個(gè)低能源配置 問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 這是顯而易見的 該算法只需要將極小化 問題列入考慮范圍 因此 在最大化問題上 目標(biāo)函數(shù)是乘以 1 來取得一個(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 并且無視客觀功能參與 在澆口位置優(yōu)化 實(shí)施這一算法的說明圖 圖 3 此算法的詳細(xì)情況如下 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 12 1 SA 算法開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)長度在縱向上的投影 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 13 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 表 1 在仿真中的成型條件 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 零件翹曲是可見的在樣品工件上 這 是制造商不能接受的 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 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 14 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 為無效迭代 使之沒有一個(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 0 97 可說是少于 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)例子來說明所提出的方法 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 參考文獻(xiàn) Courbebaisse G 2005 Numerica1 simulation of injection moulding process and the pre moulding concept Computational Materials Science 34 4 397 405 dol 1O 1O164 commatsci 2004 11 0041 Courbebaisse G Garcia D 2002 Shape analysis and injetion moulding optimization Computational Materia Science 25 4 547 553 dol lO 1016 S0927 0256 000333 6 Jin S Lam Y C 2002 2 5D cavity balancing Journal of Injection Moulding Technology 6 4 284 296 Kirkpatrick S Gerlatt C D Jr Vecchi M 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 15 E 1983 Optimization by simulated annealing Science 220 4598 671 680 dol lO 1126 science 220 4598 671 Lam Y C Seow L W 2000 Cavity balance for plastic injection moulding Polymer Engineering and Science 40 6 1273 1280 doi 1O 1O02 pen 11255 Lam Y C Jin S 200 1 Optimization of gate location for plastic injection moulding Journal of Injection Moulding Technology 5f3 180一l92 Lee B H Kim B H 1995 Optimization 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