复印机支架的注塑模具设计【毕业论文+CAD图纸通过答辩】
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用配置空间的方法对注塑模冷却系统进行设计 香港城市大学制造工程及工程管理部，香港 2007 年 5月 3日收到 ; 2007年 11月 18日接纳 摘要 注塑模的冷却系统对注射模具的成型过程和塑料零件质量影响是非常重要的。尽管已有各种针对冷却系统的分析、优化和制作的研究，但冷却系统的布局设计方面并没有得到很好的发展。在规划设计阶段，我们主要关注的是冷却系统的可行性和其他模具组件插入是否发生干预。本文介绍了利用配置空间（ 方法来解决这一重要问题。然而高维配置空间方法 一般需要处理一个如冷却系统般复杂的系统，冷却系统的特殊特点设计目前正在探索研究中，利用 种新方法是由作者对以前启发式方法的改善，因为 动生成候选布局设计的一个简单的遗传算法是 C 空间代表性的实施和综合。遗传算法所产生的设计实例，给这 种方法提供了可行性证明。 c 2007 留所有权利。 关键词 : 冷却系统设计 ； 注塑模具 ； 配置空间的方法 注塑模的冷却系统 对 注射 模具的 成型 过程 和塑 料零件 质量 影响 是非常重要的。 大量涉及对 冷却系统分析 1,2 ，及商业 3 和 4 的 研究被广泛应用于工业。以优化某一特定的冷却系统 的 研究技术亦已报道 5 。最近，通过使用新形式的制造技术以建立更好的冷却系统 的研究 已 被 报告。徐等人 9 报道 了他们的 模具 意念： 保持 一定 距离的冷却 水 道 的 设计和制作。孙等人 10,11 用数控铣床铣削生产 12 提出了一个棚架形冷却结 构的设计。 尽管各种研究的 重点 主要集中 在 冷却系统的初步设计过程 中冷却系统的功能 实现 问题，布局设计阶段 过程中 没有得到很好 发展的 冷却系统的可行性和可制造性设计 问题 。关注 的重点 主要 是：在初步 设计阶段冷却系统 的 可行性 且与其他的 模具部件是否 干预。 如 图 1所示 。 从中 可以看 到 注塑模的各子 系统许多不同的组成部分，如喷射器的管脚， 滑块 等等，都必须装入模具 中 。 为 每个回路冷却 水道 寻找最佳位置以优化冷却性能并避免 与 其他组件干扰不是一项简单的任务。另一个 让规划 布局设计 更 复杂的问题是， 单独 的冷却 水 道 需要和出水 道和 进水道 连接 而形成一条 环形水道 。因此，改变一 条水 道 的 位置，其他 水 道可能 也 需要改变。 在图 2所示 。优化冷却系统的每个 水 道的理想位置 都如 图 2（ a） 所示 。假设 当 冷却系统及其他模具组件 都装入 模具 内部时 ，模具组件 水 道 干扰的。 因为 其他组件可能的干扰 而 无法移到附近的一个位置， 它必须被 缩短 长度 。因此， 通过移动 长 他们 保持连接，如图 2（ b）所示。 基于 其新的长度， 与其他 模具组 件 干扰，进一步修改是必要的，最后的设计结果 如 图 2（ c） 所示 。鉴于一个典型的注塑模具可能有 10 条 以上 的 冷却 水 道，每个 水 道 与其他模 具 组件 都可能存在着 潜在的干扰，手 工 找 出 一个优化布置设计是非常繁琐 的 。 本文 介绍了 一种 在 设计过程 中 支持自动布局的新技术。 对于 这 种 新技术，配置空间（ C 空间）的方法是用来 在 所有可行的设计中 提供一个简洁的 有 代表性 的 布图设计。 C 空间的代表性是 通过 利用 解决 布局设计问题 这个特殊特点 的 有效方法 构建的， 而不是采用启发式规则来生成的布局设计， 这就就好比 以前作者开发 的 自动 布局 设计系统 13,14 ，这个新的 C 空间方法 能 使自动布局设计系统 在 所有可行的布图设计中进行更系统的搜索。 一般 来 说 ， 一个 系统 的 当 该系统 的 每个自由度被视为一个层面 的结果而导致的 空间。配置空间 中的区域被标记为堵塞区域 或自由 区域 。在自由地区的点对应 于组件间 没有相互干扰的系统 的 有效配置。在被 堵塞区域的 点对应 于组件间相互 干扰的系统的无效配置。 洛萨诺 形 15 以解决机器人路径规划 的 问题和关于 这方面的研究一项调查已 被 明智和鲍耶 16 报道 。 面的 问题（例如 ， 17,18 ）和运动装置的自动化分析与设计（例如， 19 ） 。作者在 由 多个国家 组成的 自动设计 机构做研究时 22 ， 23 日 研究 了一种 （ a） 冷却 水 道 模具组件 （ b） 短， （ c） 图 3冷却系统的自由度 个冷却系统的 C 空间 一个 高维 示给定的 某一冷却系统的初步设计 中 所有可行的布图设计。 图 3给出了一个例子。冷却系统的初步设计 由 4冷却 水 道组成。从初步设计 中 生成一个布局设计，渠道的中心和长度 需要被 调整。 正如 图 3所示 ，该 水 道 c 1 的中心可沿着 X 2 方向 移动 ，其长度可以沿 X 3 方向调整。同样地 ， 度的可以沿 X 4方向调整，而其中心 可以按 X 3所描述的调整 ，因此必须 与 调整 C 1 保持连接 性的 情况 相同。 通过 运用类似的 观 点 对 其他 水 道，可以看出，冷却系统有 5个 自由度，它们都是标注为 i= 1 ， 2 ， 5 。原则上， 这个空间的 自由 区域 中的任何一点 都 给 定 了一 个 对 应的 坐标值 在 X 可以用来界定渠道的几何 位置且 没有与其他模具组件造成干扰。在一个冷却系统的高维 确定 一个自由区域 ，第一步是 在独立水 道的 建 自由区域。 立水道的 c 空间构造 当 一个独立的水 道 独 时 ，它 有 三 个 自由度， 则 X 1和 X 2 为 其中心位置 而 X 3是 它的长度。 因 为理想的中心位置和长度已经 在 初步设计 中 指明， 因此 假定一个固定的允许最大变化 量 C 为 合理 的 。 的 最初 确定 的自由 区域 ，是一个尺寸 为 ccC 的 三维立 方体 。为 避免与模具组件 生 任何可能的干扰当 水 道 通过 钻 孔 插入模具 内部时 ，钻 头 直径 D 和沿 钻 孔 深度 必须 考虑。 假设 直径 D ， 始时用 D/2 + 抵销，其中 道 内 壁和 附近 的一个组 件间 所允许的最 短 距离。 增长有效的减少了水道 长度对于直线 说 。 以 图 4 为 例子 。图 4（ a）表明 了水 道 三模 具 组件 能会 与 扰。图 4（ b）显示了模具组件 O , O , O 和 O 的偏移 及 段 与 如果 他 组成部分没有交 汇点，那么，原来的水 道 会与 模具组件 相交 。 （ a） 水道 （ b） 模具组件和 i 的偏移 三个组件 （ c） 模具组件和 （ d） （ e） （ f） 4在一个通道 水 道是 通过 钻 孔 从对模具 的表 面插入 的 ，任何 如 障碍 以及 钻 孔 深度 将会 影响 水 道的构建 。钻 孔 深度 及 补偿 O沿钻 孔 的方向 延伸 ，直到 钻到 模具对 应的另一 面 生成水道为止。 如 图 4（ c） 所示 ，如果点 i之外 ，沿 产生 水道 水 道 下 方法 取得。 首先 ，初 始自由 地区 如 图 4（ d）所示 的 作为 中心构建 的。 然后插入与模具交叉取得 B 0 。 B 0 代表 有可能 的变化 当仅 考虑插入的模具几何形状 时 。 然后 从所有障碍 的 去 4（ e）和（ f）显示 了这种 减法以及 这种 例子 的结果 本接近法构建冷却系统的 C 空间 在一个冷却系统 的 C 空间 中 确定 自由区域 个冷却 水 道的自由 区域必须以一个适当的方式 “ 交叉 ” ， 以 使障碍的效果 能恰当的通过 有 水 道 来说 。然而 在 两个不同 水 道之间 的自由区域的 标准布尔交叉口无法执行，因为他们的 一般跨距 于 不同的轴线。 以 图 3为 例子 ， 2 的 别为（ X 3 ）和（ X 1 ， 。为 了更 方便 在 不同的 C 空间中的 自由 区域 之间 确定 交叉口，从一个渠道 和 另一个渠道的 推算一个地区是必要的。以下批注首先介绍了 并 将用于随后的讨论和其余的文件。 标记法用于描述高维空间 S 过坐标定义的 = X 1, X 2, . . . , X n. 过坐标定义的 X , X , . . . , X . 指在 一个点 p n = (x 1, x 2, . . . , x n) n(R n S n) 标记法用于描述冷却系统 n 水道的 数目。 n 。 s 空间。 由地区。也就是说，它是 独立水道 由 区域 。 空 间。 自由区域 。也就是说，它是冷却系统的自由 区域 。 假设 5（ a）用一唯和三唯的的空间点明了突出的例子 (i) ( 而 ( 对 (i) 坐标是一样的如果 同一区间时。对 ( (n 在区 间。因为 ，当点位于 时 于 对另一坐标 可以是任意值；特别对 ( (假设水道 m，因为它们相近所以必须连接。这样它们的 n、 假设 那是一个 结论？对应到在 S n 中 一个点 P n 已选定为 保持连通性，结论呢？ 选择 在以使 应点 同坐标 在 共同 的 轴线。这意味着 以是任何点 在区间 ，该方法 已经在前面予以定义。 在 区域 区域 一点 的简化。 图 5（ b ）说明 了相应的 区域 。 投影的正式定义 如 下面 所示 。 定义 1 （投影） m X n, m ( 是一个点 (x 1 ,x2 , ,x m ),因为 X i = xi = 为 i 1,m。 为了在随后的讨论中简化符号，这一 投影 是被视为 单独点 间。也即是 m ( = . m X n， m ( 是一个区间 n ( = . m Xn , X n Xm ,并且 X n X m , m( 是一个区间 I( = I( ,其中 n X m ，如果 n X m = ， m( 则定义为 n) 定义在区间 m n), 正如在 讨论 的，在 的任意点 冷却系统的每个自由度给 定了一个 值，使 水 道与其他模具组件 在几何空间 是不 会发生 任何干涉。 另一方面， 对 每个 点 s 个 自由区域 。 因此， 义 如下。 定义 2 （一个冷却系统 C 空间的自由区域） = P R O i 1, 图 5 点和 区间 在 根据定义 从 区间投影 始终只包含一个单一的点，因为跨 距 s s 每一个 自由 区域 构造 ，已经在第 解释。 从 面的定理是 很有用的 。 定理 1 . 这定理 很直观表明为 找 出 所有的 先投影 到冷却系统 以从投影的布 尔交叉口得到。定理 1的 证明和所用的引理， 都已 在附录 中标出 。 空间的表示和计算 为了表示 自由 区域 便 于 在一个高维空间 的区域 布尔 交叉 口之间的计算，我们可以利用类似 21,24 中的 一种细胞枚举法。基本思路是 用 一 高维立方体 在 逐渐靠近 一高维 区间 每个 立方体 是 通过 对每个轴指定间隔 来确定的。 两个 区间的 交汇点是 通过 两 个立方 块交汇点所取得的。两个高维 立方体 的交叉 点 只不过是在每个轴 的立方体 之间间隔的 普通 交叉 点 。 假 设每个 近似由 维 立方体组成 ， 投影 （ 便可近似 由 立方体组成 。使用定理 1 对 构建 ，需要 三维 立方体中 交叉， 用一个 三维 立方体只中的最大值表示 。虽然用来代表 交叉点 中间结果的 立方体的 数量和 可 通过特殊技术 减少， 可以预料到 记忆和计算的要求仍然是 这种方法的 主要问题 。 在下一节中 将介绍一种更先进的 方法。 （ 二） 在 配置空间 个 水道的 自由 区域 （一） 一个 拥有 四个 水 道和四 个 自由度 的 简单冷却系统 间构建的一种有效率技术 对 表示 和 构建时 为了避免高的内存和计算的要求 ，我们选择不 表示和 不计算相反，我们专注于 对 每一 独立水 道 的 C 否有效的 技术。首先，我们看 显示在图 6的简化设计例子 。假设在这个例子中模具沿 在 不存在变异， 那么 冷却系统有四个 如 图 6（ a ）所 示 的 自由度。每个 水 道 图 6（ b ） 所示 。 为水道 虑一个简单的设计方法。首先，点 1P 可以从 选择， 以使 会和 任何障碍 发生 干涉。然而， 1S 由 X 1 和 X 2确定 ， 而 2 中 。因此 那 些在 S 2 中的 障碍所施加的 约束 ，还必须考虑。 为了找出 设计 1C 的所有可行点， 1与 2“ 交叉 ” 。这个 “ 交叉点 ” 结果 如 图 6（ c ） 所示 ，这是通过移动区间 x 2 6 得到 的 ，因为该自由 区域 2 2 6 ， 10 。现在 ，如图 6（ c ） 所以 示 给定 一个 与任何 障碍 不发生干涉的水 道 1C ，并在其 自由 区间的 任何一点的选定，始终为 C 2 存在着 这样 一种设计 ： 例如，它可以连接到 1C （他们都有一个共同的 2 值 ）并 和任何障碍 不发生干涉 。然而 ， 这个简单方法 的 一个主要问题是 在 为C 1 和 C 2 进行 有效的设计 时并 不保证冷却系统其他 水 道存 在 有效的设计 。 例如，如果一个点 1P 选定 如 图 6（ d） 所示 ， 则 2 8 ,10 ,那么 由 2 3 6 ， 8 ，在 4没有有效点 和3个区间。 上述例证表明，在为 水 道 1C 设计时，只考虑 与 1C 相邻并有 一个共同轴 的 2C 的 自由 区域 1 2 不恰当的 。事实上，其他所有 的 必须加以考虑， 尽管 他们 的 C 空间并 没有共同轴 和 1C （ 且 他们 也不和 C 1 相邻 ）， 因为组成 冷却系统的冷却 水 道 是相接 的 。一个自由度 的 选 择会 影响 冷却系统另一自由度的 选择 。 为 每一个 独立水 道 的 C 空间 发展一个设计的过程 ， 主要关注的是 ： 在一个 水 道 C 的空间选择一个点 后 ，必须始终存在 和 所有其他 s i 相应的点， 以使 所有的 水 道可以连接到 一起 形成一个有效的冷却系统。为解决这一问题， 每 个 量 s 必要的。 （ c）在与 2交以后的自由区间 （ d） 为 计的一个有效点 为 无效的设计。 图 6 定义 3 。 义为 影 = ( 显然，对 在 定 的 任何点 始终存在着相应的点 ，因为 点 投影 ， 在 选中的 任何点， 很明显 总是有一些相应的设计 对应 其他所有的渠道 以使 这些 水 道可以连接在一起形成一个有效的冷却系统。因此， 为了 保证冷却 系统能 有效的设计 ， 构建 是 很重要的 。 根据定理 3， 影 。然而，如在 第 讨论 的 ，我们 并 不想 构建 于 大容量 空间 和 繁琐 计算要求。另一种可供选择的更有效的 方法是直接 构建 而不是 作用 在高维空间 这个方法 通过 一个工作在空间三 维 或更少 维数的 序列 运行来 建构 该方法正式介绍之前，在图 6所举的例子再次 被 使用 来 说明 这种方法 的基本概念。为了开始 一个设计过程， 在 1 点 P 1 =（ 1 ， 2 ） 首先被选择如 图 7所示 。因为 1P 有一点 2x 在 2X 中 ， 2x 必须有一个值， 以 使我们可以 找到 2P =（ 2 ， 3 ）在 2 又 2P 有一个坐标3标3以 使我们可以 找到3P=（ 3 ， 4 ） 在3外， 因为在 43X ， 4P =（3x， 4x ） 必须在 4 图 7显示 了 为 水道 1C 构 建 一个有效设计 的 点 1P 、 2P 、3P 的顺序。 上述例子显示， 为了 在代表 1C 所有的有效设计的 1S 中 确定有效的 区间 ， 自由区域 44影响应该 可以 “ 促使 ”3间在3然后 是 2S ，最后 是 1S 。在 1S 的有效区域产生 的结果 包括 1 234所有影响。 为达到这一目的 ， 组 合 的运作正式 被 界定。 定义 4 （组成） 对于 在一个冷却系统 里的 两个相邻 水 道 1iC ，他们从 1iC 的自由 区域的 组合 ，标注为而 他们 从 1iC 到 由区域的组合 ，标注为1，定义如下： (b)个通道的自由地区 配置 空间 图 6 冷却系统设计的一个简化的例子 对于 冷却系统一个 水 道 列的构成， 从 域的 组成，标注为R，定义 如 下文。 如果 如果 如果 图 8显示 了促使 4,1列。第一步是要 构建4,3就像 图 8（ a）所示 这已被给定在4,3 。然后 如 在图 8（ b）所示 的构建由公式 =,3 。最后 ， ， 由 =) 如图 8（ c）所示 。 从图 8（ c）很明显的得出 ， 对组成 冷却系统的所有 水 道 的 自由 区域存在着 影响。因此， 对于 中的任意 一点， 可以 保证冷却系统 的 一个有效设 计 可以 被 构造。 通过组合序列的 运用，一个有效的设计可以 通过 在每个择点 获得。在其他所有水道的 自由 区域已经组合到不过，我们也想确保没有 将 有效的设计 从 自由 区域中 排除 ，当组合序列被 应用 以后 。否则， 有 些可能提供更佳的冷却性能 的 有效设计 将不能 用 这个方法得到。以 设计为例， 图 8（ c）的 不仅 仅 代表着 部份有效设计，而且代表着 有的有效设计 ，这对 说尤为重要 。为了解决这一问题，我们提出以下定理 ：应用水 道 的 一个序列 ,i 1, 冷却系统 。 定理 2 定理 2 说明 代表 水道 有有效的设计 可以 通过1，间的一个布尔交 点 得到。这定理的一个重要特点是 以在三维立体空间 中 计算得到，因1，在 所以 交 点在 此外1，可以通过在这 样 ， 以通过 在三维立体空间 的 序列得到。如果在第 中的 假设说明再次 被 使用，即是 说 如果每个 过 维立 方体 近似 得到 ， 那么j，可以 用 M 个 三维 立方体表示 。 所以 ， 有的 三维立 方体 需要代表所有的 因此可以 证明三维立 方体 之间 的 交 点 O 需要产生所有 的 因此，使用定理 2 可以防止在 高维空间存储 区域的 需要， 并可以 避免高 容量 和 繁琐 计算的要求 如 在定理 1所证明的 。 图 8 构建所用的序列 以下给出了定理 2的 证明 。它由两部分组成 ： 该引理中 所 使用的证明 如 附录 所示 。 理 2 证明 （ 1） 为了证明： （ i） 由 1i，1i，CR 1有相同的坐标 在 1用同样的方法，我们可以确定一点 2 2使 1 2有相同的坐标 在 12 使用这种方法，我们 也 可以 确定 一系列点 k 1,i 以使 那么 1 具有相同的坐标在轴线 1kS 。 （ （ b） 4,2 ,3 2建 用类似的方法，我们可以 确定 另一系列点 k i+1,以使 那么 1 具有相同的坐标在轴线 1kS 。 由（ i）及（ 知 ，我们 确定 了一系列的点 k 1,以使 在连续的任何两个相邻的点具有相同的坐标在他们的共同轴线。 对于由一系 列冷却 水 道 构成的冷却系统，在两相邻 水 道 1iC 的 1一些共同 的轴线由于它们 之间的 空间 联系。此外，如果在 空间有一个 公共 轴cX，在于 有 水道 的 C 空间 。 所以， 由上述方法 构建的 一系列点 k 1,为 每个轴提供 唯一的坐标 。 令 由 坐标 构建的 点。很明显 ： （ c） 4,1 ,2 1建 用类似的方法，可以得到 ： 初始设计 给定一个为 冷却系统指定 一系 列 水 道和他们理想几何 尺寸的 初步设计，第一步是 为 每个水 道建构一个后，每个 水 道的 以通过 应用定理 2的组 合操作 得到。 为 冷却系统产生 初始 设计 的 一个方法 是 ，是要从 选出一套坐标。为了简化解释，假设每个 水 道 拥有 自由度 1而1iC 有着相同的坐标 。 为了 生成一个设计，在 点 （ 1X ， 2X ）必须被 选择。然后， 点3择 为了让（ 2X ，3X）在 2 。此选择 4候选设计产生 由于冷却系统初始设计对水道系列和它们的理想几何结构进行了具体化，第一步要做的是为每个水道建立 后通过将复合应用应用到定理 2中得 到每个水道的 个产生冷却系统候选设计的方法是从如后 简化阐述，假设每个水道 自由度为 1 1邻近水道 1用。为得到一个设计，选择了 然后，选择一个 （ 个选择过程在下一个水道 到确定所 有的自由度时停止。此方法的一个重要的特点是在一个步进中无论坐标值如何选取，后续步骤中总存在一个下一坐标可选有效值。 5应用源运算法则的自动化设计过程 为测试 25。在实施 由一系列 成，其中 1之间， 得带一个形状设计，用到了前面部分提到的方法和应用 如， 中坐标 的有效值的在区间 和 ，其中， 就得 的选取值为 ，（也就是 在第一区间）否则 就设置为 （也就是 在第二区间内）一个单点交叉操作，一个转化操作和转迹线轮选择方法 26被用于 前研究中提到的模糊记值方法 13,14对相对于机构的候选设计的适合性进行快速评定。必须注意的是在在 立起每个水道的 ， 经过一次建立得到，因此不会影响 一部分给出了一些由 图 9（ a）显示出了实例部分的 2个观察结果。图 9（ b）显示了当只考虑系统冷却效果时，具体给出每个冷却水道的理想位置的冷却系统的初始设计。（为了便于表征，只给出了行腔部分冷却系统的图示）。在理想位置上，水稻 生干涉现象。用提出的方法进行布局设计， 自动化，就建立起了每个水道的 。例如，图 9（ g）和（ h）显示了水道 的 和 。值得注意的是 是通过将 和其他 复合得到，因此 是 亚设置，如数据明显指出。在所有的 计算完成之后， 9（ j）显示了演变过程中得到的初始设计最大适合值。最大适合值在产生值接近 600时开始收敛。如图 9（ c）所 示，冷却系统由 15个 自由度组成，他们的值在表 1中列出。叫“初始设计”的行显示初始设计 的值。下一行显示设计 1的值，它是 000生产后得到最好的设计。如表中明显之处，涉及 1通过 减小 9（ d）显示设计 1，这个调整对应于 沿着 之间的干涉。这个调整对水道 和 到 也适用。表 1 也显示设计 1中所有其它的 值都保持在规定初始至 为更好的表征 成分 沿着 截，如图 9（ e）所示。这个新障碍增加了自由区域 的约束以至于 方向体 移动性受到很大限制。这个效应在更新 中显示出来，如图 9（ i）所示，其中只有 的上部分在图 9（ h）中显示出来。以所有水道新的 再次调用 。适合值在图 9（ k）中显示。值得注意的是最佳适合值比设计 1中获得的要小。这很合理，因为约束的增加，偏移量与真实值的差距很大。又 程获得的 值在表 1的最后一行中显示出来。如表中所示，调整 5干涉。这同沿 相对应。现在 和 截面不能通过调整 使其光亮。而调整 和 ，相应地将 沿 沿 （ e）所示。为保持连结性， 和 也作相应的调整。设计 2显示，当一个水道的约束数（如 ）变化时，提出 和 ）中去，以至于所有这些水道的可行设计组得到相应的调整。 图 10（ a）到（ d）可见，两个设计中，冷却时间为 20高模 上。它们的最大温度偏差小于 ，这 表明两种情形下，提出的方法能够得到满意的设计布局。从图 10（ c）和（ d）观察得到，同设计 2比较，涉及 1中工件大部分没有产生变色。这表明在设计 1中很多工件的温度偏差在 以内。这是因为在设计 2中，随着空腔中的水道向模压移动了 5却效果变得不均匀，这表示当施加很多约束时，保持初始理想冷却效果很困难。它也解释了为什么设计 2的最大适切性稍微小于设计 1的最大适切性。 （ a）示例零件 （ b）冷却系统的初始设计 （ a）冷却系统的 15 个自由度 （ b）设计 1 （ b）移动 2O 和 13C 相交 （ b） 设计 2 图 9 分层设计 表 7 讨论与结论 在执行 个单元列举方案被用于简化这个方法的执行，在目前的执行中， 冷却系统设这个分辨率是足够的，因为对一个好的调整，如 却系统的功能变化是很难发现的，然而，该研究中所发展 的理论与方法并不局限于相应的表现项目。实际上，基于理论 2的方法，所有 维空间内完成，因此标准校核模型技巧可以应用。 该研究的一个主要贡献是发展了一个特别的支持布局设计的 用这个 有的可行布局设计很好的被显示出来。同时我们得出了该方法不仅可以用于冷却系统设计的优化设计支持，还可以用于生产制造。该方法克服特殊启发产生布局设计的局限，如前面的方法 13， 14。这个 使设计者在不用检查冷却系统截面和其它模型插件能够开发出设计方法。 该研究主要目的集中在冷却系统设计的几何形状构成方面。在设计冷却系统时，其它参数如冷流率，冷却时间，包装时间，挤出时间都需要被考虑进来。一个可行的方法就是将这些所有参数进行考虑插入配备更复杂的 8报道所示。需要对该方法进一步研究，其他研究方向包括 初始设计选择水道之间的变化几何形状和拓扑约束扽。 鸣谢 该文章中所完成的工作得到香港城市大学战略研究部（项目 大力支持。 （ a）设计 1的模具温度 （ b）设计 2的模具温度 （ c）设计 1零件的不同温度 （ d）设计 2零件的不同温度 图 10。 用 具冷却分析 系统 比较这两个布 图设计 引理 2 在 如果 那么 引理 3 在那么 引理 4 在 给定任意两个 果 它们对 引理 5 给定两个区间 足 在 的区间 足： 引理 6 给定三个区间 足 在 的区间 足： 引理 7 引理 8 给定两个区间 足 中点 ，点 ，如果 那么： 定理 1 参考文献： 0 (2008)of of In a is a to a is to a as a of in in or is an on by an to a of A is by to 2007 of an is of of of 1,2, AE 3 4 in to a 58. to by of Xu et 9 a et 10,11 of in is of in A in is of 1. It be of of as to be of to 007; of an is to to u 12 a of 0010 - c 2007 by 007of of of to is a is to to a of a 2(a). 1 be is as is to is to a is is in 2(c). a a) 11 at c) C3 is 2 2. An a in of 16. to in 17,18)(b) 1 is C2 is 3 0 (2008) 334349as 2. of of is is to to a to it is As a is to 2(b). to O2,a an a of of of is of as in by 13,14, an of of a of of a of as to is no in 15 to e)a 3 an of of a of As 3, of 1 be 12 be 32 be is 13 be as 1 By to it be (a) i b) of by d) 4. in To , Oi is + M to is of a i in i to a 4. 4(a) i 3, i. 4(b) of i i is i. is no i of i i.(c) of i by (f) Ri 0 (2008) 3343493. An of of a of 921)of 22, in of a be to of a i,i = 1,2,.,is a in of a of on i be to in of of an i is it of 1 2 3 As in it to a 1, 3. in i is a i c c a i is by a to Ri of a or of an in 15.A is by a of i of To i is of is to in i to a at i. As 4(c), if i to i is Ri of i is as i is i as 4(d). Bi to of i of is by of of 4(e) f) Ri of to of RF in of of in a so to of of be in by to 3, 2 To of a of to of is be on of in an by of n = ., Sm an by of m = ., pn a n (x1,., a on a n( Rn is a of of a pn n n) of a n n in a of in of of of 0 (2008) 334349 337i. it is of F. it is of a pn n to a pm 5(a) of to i) Xn;Xm Xn Xm . i), is to a of pn is on of pn is a pm m, a of pm is to pn if is on a n of be of is as n m. As m a a pn n n. To m be pm m pn on be of pn m, of is of n n m of n m. 5(b) of is ( is a (., X j, xj i 1,m. To in is as a of = is a m = . Xm Xn Xm , pn)m = = , is ,is n) is as m = pm| As pF RF of of so of is In of i is in Ri of i. as (in of a i 1,i i is a of is to be by in to a of 21,24. F is of of m 5. of n of of Ri of i To RF Ri,to of Ri F. of a to is to a by a of an on is by in Ri is by 0 (2008) 334349RF of to An in i 6(b)1. a(a) A of b) Ri of in 6. A of a RF is by of be by In to RF on a on of 6. of is no as 6(a). i Ri a we 0 (2008) 334349 339p1 be R1 so 1 is S1 is 1, ( an in a of a a of To is . a as a be 1, R3,1. of i an to 1), to be up in of of of of on is of o购买后包含有 咨询 1 摘要 本设计是 复印机支架 的注塑模具设计， 塑料模是一门新兴工业越来越广泛的在各行各业中应用。本课题设计了复印机支架的整个过程，通过对塑件的工艺分析确定了一模两腔的基本方案。叙述了模具成型零件包括型腔、型芯等设计，重要零件的工艺参数的选择与计算，浇注系统、冷却系统以及其它结构的设计过程，模架的选择原则。并利用 对设计完成的塑料模具进行了塑料流动分析。 介绍了我国当前模具技术的发展状况以及 模具上的应用，其内容包括塑料注塑模具的工作原理及应用，设计准则。塑料注塑模的设计计算，包括模具结构设计， 注塑机的选用，浇注系统的设计，动、定模，浇注系统，脱模机构，顶出机构，冷却系统等设计等方面。如此设计出的结构可确保模具工作运 行 可靠。 关键词： 注射模；侧浇口；顶杆推出机构； 及 买后包含有 咨询 2 ie by be A of le oh of of a in ss of of of of in E . ； 买后包含有 咨询 3 目录 一 绪 论 . 4 料简介 . 4 射模发展状况 . 4 射模的分类 . 4 二 塑件工艺分析 . 5 . 5 件结构分析 . 5 件材料选取及介绍 . 5 . 6 . 6 . 6 三 设计方案确定 . 7 . 8 注系统设计 . 9 . 9 . 10 料管的设计 . 11 . 11 出机构设计 . 12 向复位机构设计 . 12 却系统设计 . 13 气系统设计 . 13 第四章 模具成型零部件设计 . 14 模凹模结构分析 . 14 . 14 芯的结构设计 . 14 模凹模成型尺寸计算 . 15 具强度校核 . 15 第五章 注射模标准模架选取 . 15 择模架型号 . 15 架及其零件外形尺寸 . 16 第六章 模具总体结构分析 . 19 . 19 射模工作原理 . 20 结论 . 22 参考文献 . 23 购买后包含有 咨询 4 一 绪 论 料简介 塑料是以 树脂为主要成分，在一定温度和压力下塑造成一定形状，并在常温下能保持既定形状的高分材料 ， 它大多采用合成树脂。在一定温度和压力下，塑料具有可塑性，可以利用模具将其成型为具有一定几何形状和尺寸精度的塑料制件。塑料密度小、质量轻、耐好，此外塑料还具有透光性能和绝热性能以及防水、防透气和防辐射等特殊性能，因此它能够在工业生产中得到广泛应用。塑料作为一种新的工程材料，其不断被开发与应用，加之成型工艺的不断成熟与发展，极大地促进了塑料成型方法的研究与应用和塑料成型模具的开发与制造。 射模发展状况 模具是工业生产 中的重要工艺装备，模具工业是国以经济各部门发展的重要基础之一。塑料模是指用于成件的模具，模的一种 ,利用 术，可以在模具加工前，在计程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压和冷却情况，以及制力分布、分取向分布翘曲变形等情况，以尽并及时，而不是等再这不传统模具设计方 法的一次突破，而且在减模报废、提和方面，都有着重大的技术、经济意义在国外， 70年代末期 射模的分类 注射模是保证塑件形状，尺寸，精度和表面质量的主要工具，是塑模三大要素之一。注射模 的结构形式多样分类方法很多。按照塑料制件的成型方法不同可以分为以下几类。 (1) 注射模 (2) 压注模 (3) 挤出模 (4) 压缩模 按注射成型工艺可分：注射模 射模 低发泡注射模和射模。按注分为卧有以下几种典型的结构 : （ 1）单分型面注射模。 (2) 双分型面注射模。 （ 3）斜销侧向抽芯注射模。 购买后包含有 咨询 5 二 塑件工艺分析 课题 :复印机支架注射模设计 (图一 ) （零件实物图一） （零件二维图一） 内容： 1. 编写设计说明书。 2. 测绘塑件绘制塑件图。 3. 绘制手表托架塑料模具的零件及装配图 要求 : 1了解塑料成型过程中的物理、化学变化及塑料的组成、分类极其性能。2了解塑料成型的基本原理和工艺特点，正确分析成型工艺对模具的要求。 件结构分析 （图二） （ 1） 由（图二）可以看出，该塑件结构形状具一般对称性，结构总体相对简单。在塑件上有几个垂直孔，这部分由型腔镶件成型即可，其余部分由凹模与凸模直接注射成型。 (2)该的工有寸，塑件的精度，塑件的表面质量。尺寸件的总体规格而不是壁厚，孔径等结构尺寸。 （ 3）塑件的几何形状有 :塑件的形状，塑件的壁厚，塑件的脱模斜度及塑件的圆角与孔等，设置了塑件的脱模斜度为 1 件材料选取及介绍 塑料成型原料的选取应该综合考虑多方面因素，应充分了解制品的用途、特性、购买后包含有 咨询 6 设计参数及要求，通过分析，比较可选用聚丙烯（ 为些制品的材料。 下面将对 1基本特性 聚丙烯无味，无毒，无色。外观似聚乙烯，但比聚乙烯更透明更轻。密度为 3。它水，光泽好，易着色。 2主要用途 聚丙烯可用于各种机械零件如法兰、汽车零件和自行车零件；可作水、蒸汽、各种酸的输送管道。 3成型特点 聚丙烯成型收缩范围大，易发生缩孔、凹痕及变形；聚丙烯热容量大，注射成型模具必须设计能充分进行冷却的冷却回路；聚丙烯成型的适宜模温为 80左右。 根据的几何形状，尺寸精 度，塑件壁厚，工艺特性及材料性质因此可确定设置复印机支架的注射工艺参数如表 2 2印机支架的工艺参数 材料 脱模斜度 尺寸精度 壁厚 圆角 (收缩率 注射模具是安装在注射机上的。计注射模时，必须注射机的处注射模与注射机系，才能设计出合乎要求的模具。 该产品的材料为 手册可知其密度 收缩率为： 计算出其平均密度为 平均收缩率为 2。用 件计算出塑件的体积为 310 量为 从实际注射量在额定注射量的 20%80%之间考虑，初选额定量在 100 3的卧式注射成型 00。根据塑件的体积与质量， 查注塑模设计与制造应用一书中附录部分国产注射机技术规格，最终选定注射机型号为： 00，其参数如表 2 表 200 的参数 项目 项目 注射型号 螺杆式 理论注射容量 175 3 螺杆直径 40射压力 182射速率 85g/s 喷嘴口孔径 2杆转速 0 200r/模力 800杆内间距 320 320 模板行程 270大模具厚度 300小模具厚度 170板最大开程 570嘴球半径 注射机参数校核 购买后包含有 咨询 7 因为所选的注射机必须能够正常工作，且符合所设计的模具的要求。 （ 1）注射最大量的校核 为了保证正常的注射成型，注射机的最大注射量应稍大于 塑件的质量或者体积。通常注射机的实际注射量最好在注射机的最大注射量的 80%以内。 因此，当塑料注射成型机最大注射量以最大注射容积标定时，按下式校核 : 机 V 机 注塑机的最大注塑量 V 塑件 塑件的体积， V 浇 浇注系统体积， 本次设 计采用 件辅助设计，塑件经由该软件分析，103浇注系统的体积为 102 代入式 ( 2可得： （ (2 故 V 塑件 +V 浇 因此注射机的最大注射量满足要求。 ( ) 注射压力的校核 注射压力的校核是核定 注射机的额定注射压力是否大于成型时所需的注射压力，其目的是校核注射机的最大注射压力能否满足塑件成型的需要。即需满足： （ P P (2 P 注射机额定最大注射压力 模具成型时所需的注射压力 据塑料模具技术手册提供的经验数据， 体需注射压力在 70 120 代入式 ( 2 2 )计算得：（ 180=20 此符合标准 (3) 锁模力的校核 当高压的塑模具型时，会分型的力，这个力的大小等和统在分的投影和乘以型腔的压力 即： P (n A （ 2 式中 熔融塑料在分型面上的涨开力， N； n 型腔数量； A 单个塑件在模具分型面上的投影面积， 浇注系统在模具分 型面上的投影面积， P 塑料熔体对型腔的成型压力，其大小一般是注射压力的 80%。 由软件测得浇注系统在分型面上的投影面积为 :137 个塑件在模具分型面上的投影面积为 :于 0 120这里取最大购买后包含有 咨询 8 值 120 入式（ 2 3）得： P=120 96 z P (n A 96 (2 137) N 800 因此符合标准。 (4)开模行程的校核 塑件从模 具中取出时所需的开模距须小于注射机的最大开模距离，否则塑件无法从模具中取出。因此 注的开模行程应满足下式： S (5 10) (2式中 推出距离 模具实际厚度 包括浇注系统在内的塑件高度 S 注塑机最大开模行程 其中 122 =52m =185代入上式得 (5 10)=12 52 185 10 259 S 270因此符合要求。 第三章 注射模设计方案分析确定 型面选择 由于此塑件体积小，如果采用单型腔模具，虽以保证制品的质量，但不适合大批量生产 1 综合以上因素，本制品采用一两腔的多型腔模具。模具的型腔排列方 图 3 1）分型面不仅应选择在制品有影响的位置，而必须考能比的清生地边。同时，还应避免分产生飞边。分型面一般选择在塑件的尺寸的最大处。 （ 2）分型面的选择应有利于脱模。否则，模具结构便会变得比较复杂，通常分型面的应尽制品在开模留在动模一侧。 （ 3）分型面不影响制品状和尺寸精度。 购买后包含有 咨询 9 （ 4）分 型面量与最后溶体的型腔表面重合，以利于排气。 综合以上各因素，得分型面如图 3 注系统设计 浇注系统是塑料熔体自注射机的喷嘴射出后，到进入模具型腔以前所流经的一段路程的总称。普通浇注系统由主流道、分流道、冷料穴和浇口组成。 浇注系统的设计原则： 1. 选择在不影件外观的部位。 2. 浇口应不影件的使用性能。 3. 应尽量避免产生喷射和蠕动现象。 为了使模具安装在 注射机上，其道中心线应与嘴中心线重合，料和注塑机喷嘴反复撞，通常不直接开在定模板上，而是将它单独设计成主流道衬套镶入定模板内。浇口套常用 淬火处理到洛氏硬度 50口套的设计尺寸如图 3 图 3分流道的设计 分流道是指主流道末端与浇口之间这一段塑料熔体的流动通道。它是浇注系统中熔融状态的塑料由主流型腔之前，并且流动过程中压力损失及热量损失尽可能购买后包含有 咨询 10 小，能将塑料熔体均衡地分配到各个型腔。 分流道开设在动模分型面的两 侧或任意一侧，其截面形状应尽量使其 在本设计中的分流道如图 3： 图 3浇口的设计 浇口的位置与塑料的质量有直接影响。在确定进料口位置时，应考虑以下几点： （ 1）浇口的位置应使填充型腔的流程最短 （ 2）浇口设置应有利于排气和补缩 （ 3）浇口的要避免塑变形 （ 4）浇口位置的设置应减少或避免产生熔接痕 （ 5）浇口的位冲击细长的型芯或镶件 浇口的结构形式较多，按结构形式和特点、常用的浇口可分成以下几种形式 2另外，这于单型腔模具。直，塑料和浇注力均匀。 当筒类或壳类 塑件的底部中心或 腔底面中心部位流不易点，使排气通畅。这样的浇口形式，使塑件和浇注力均匀。 当塑件的底部中心或接近于中心的部位有通孔时，这型的的一种特殊形式，为非限制性型浇口；反之 侧浇口一般开设在分型塑件的底部中心或接面上，塑料熔体从内侧或外侧充满模具型腔改变浇的冻结时间。件的形状特征选择其位置，加工和修整方便，因此它是应用较广泛的一种浇口形式，普遍用于中小型塑件设计模 表 3分塑料所适应的浇口形式 浇口形式 塑料种类 直接 浇口 侧浇口 平缝 浇口 点浇口 潜伏 浇口 环形 浇 口 硬聚氯乙烯（ 聚乙烯（ 聚丙烯 ( 聚碳酸脂 ( 聚苯乙烯 ( 橡胶改性苯乙烯 聚酰胺 ( 聚四醛 ( 购买后包含有 咨询 11 丙烯脯 丙烯酸酯 综合对比以上几种浇口形式，并根据本次设计塑件选用的材料，及制品的使用环 3 料管的设计 为了使主流从主流道衬套中脱出冷料穴兼有开模一边的作用，根据拉料的 具体结构如图 3 图 3料管的示意图 为了使模具主流道的中心线与注射机喷嘴的中心线相重合，模具定模板上凸出的定位圈应与注射机固定模板上的定位孔呈较松动的间隙配合。 购买后包含有 咨询 12 图 3出机构设计 注射模的推出机构有推杆、推管、推件板三种形式。注射成型后的塑料制件及称机上顶杆或液压缸完成的。注射模的 构有推杆、推管、推件板三种形式。，机构简单可靠，又因为零大，为防止零件变形，故在本设计当中，通过具体分析后，采用了顶杆更换方便，滑动阻力小，脱模效果好，设置的度大，且容易实现标准化。整个脱模过括开模、推出机构复位等过程。 图 3向复位机构设计 推出机构在注射模工作时，每开合模一次，就往复运动一次，除了推杆和复位杆与模板的滑动配合以外，其余部分均处于浮动状态。推，但是必须注意弹力要足够，一旦弹簧失效，要及时更换。其设在本模具设计当 中，采用了弹簧复位机构，将弹簧直推杆复位 ,设计效果如图 3购买后包含有 咨询 13 图 3却系统设计 为了缩短成型周期，需模具进行冷却。即在注塑零件上或型腔零件上的孔内，以便迅速使模具冷却。冷却水孔的设计原则： 1） 冷却水孔的数量应尽可能的中心线与型腔（通常 12 15 5倍。 2） 冷却的相等。 3） 浇口处要加强冷却。 4） 冷却水部位，以防止漏水。 表 3件壁厚与冷却时间的关系 制件 厚度（ 冷却时间 （ s） A P 据上表可查的，本塑件材料为 厚为 冷却时间为 8s。 气系统设计 当塑料熔体充具型腔时，必须将浇注系统内的空气以及塑料在成型 程中产生的低分子挥气体顺利地排出模外型腔各种原因产生的气体不能被排除干净，塑会产生熔接不牢、填不满型缺陷，另外的存在还会产生反压力而降低充模速度具时必须考虑排气问题。于排气不畅而造成型腔局部充 填表困难时，除了设计排气系统外，还可以考虑开设溢流槽，用于在容纳冷料的同时也容纳一部分气体有时种措施是十分有效的。 注射模通常以如下三种方式排气： 购买后包含有 咨询 14 (1) 利用配合间隙排气 对的小可以利杆、活动芯、活件以支点部与模板的隙进行排气。这型的排气配合间隙不能超一般为 0 性性能的好差而定。 (2) 在分型面上开设排气槽 分型面上开设排气槽是注射模排气的主要形式。 (3) 利用排气塞排气 充填的部位不在分型面上，而其附近又没有活动型芯或推杆，可以在型腔深处镶入排气塞，排气塞可以用烧结金属块 (2) 排气槽设在塑料 流末端。 (3) 应设在主分型面凹模一侧：便于加和修整。若气起边，容脱模。 在本模具是设计中，并不需要另开设排气槽，利用分型面和型芯 、型腔镶件分型面之间 的间隙、以顶杆与模板的隙进行排气。 第四章 模具成型零部件设计 模凹模结构分析 模结构设计 凹模亦称型腔，是成型塑件外表面的主要零件，按结构不同可分为整体式和组合式两种结构形模结构是在属模板上加工而成的，不会产生拼接线痕迹。但是由于整体式型困难热处理不方便于形状简单的中、小型模具上。组合式凹模结构 是指型腔两个以上的零部件组合而 成的。按组合方式不同，组在设计过程中可以用三维软件直接设计生成凹模，它的具体形状结构如图 3 图 4模设计示意图 芯的结构设计 成型塑件内表面的零件称凸模或型芯，其主要小型芯、螺纹型芯和螺纹型环等。对于结塑件，成型其分内表面的零件称主型或凸模，而成型其他小孔的型芯称为小型芯或成型杆。 本次设计的塑件并不是很复杂，所以选择整体镶入结构的凸模最为合适。应用 件设计的整体凸模如图 3 购买后包含有 咨询 15 图 4模示意图 模凹模成型尺寸计算 凹模的工作尺寸，由于塑件的尺寸不均匀，所以应该取最大的尺寸作为计算对象，我们取 据公式 1： L 模具 =L 塑件 (1+K)-(3/4) + （ 4 其中 L 塑件 塑件外形最大尺寸； K 塑件的平 均收缩率； 所以： L 模具 =(1+-(3/4) 于塑件高度最大 H=为 H 模具 =H 塑料 （ 1+k） + (4公式中 H 塑料 塑件高度方向的最大尺寸。 凸模的工作尺寸，对于塑件 。 64来计算，根据公式： 对于塑件 H=据公式： h 模具 =h 塑料 （ 1+k） +2/3 + (4 由于在此设计当中，塑件的其他尺寸并没有精度要求 ,则模具型腔可直接按制品有关尺寸加工制作。 具强度校核 整体型腔结构的型腔壁厚 43 ()c p 厘 米 （ 4 式中 P 型腔压力，一般取 250 450（ / 2）； a 型腔深度 ( ); E 弹性模数 ,钢取 106 ( / 2); 第五章 注射模标准模架选取 择模架型号 选用标准模架应设计的内容： 1) 选择标准模架型号； 购买后包含有 咨询 16 2) 确定模架的长度和宽度； 3) 确定模架
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