多功能牙刷架的结构创新和塑料模具设计【全套包含CAD图纸三维建模】
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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 C 空间的代表性能使自动布局设计系统在所有可行的设计中进行更系统的搜索。自动生成候选布局设计的一个简单的遗传算法是 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 司有限公司,保留所有权利。 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) ( 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 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 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 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。 直线 i 的终点 。 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 用如 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 减去 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 C 空间 . 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 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 列中选出坐标系。为简化阐述,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 。这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 g 作为一个百分比值来选择坐标。例如, 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 差以内。 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 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包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 X 学校 毕业设计说明书 课题名称: 多功能牙刷盒注塑模具设计 学生姓名 学 号 所在学院 专 业 班 级 指导教师 起讫时间: 年 月 日 年 月 日 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 摘 要 根据塑料制品的要求,了解塑件的用途,分析塑件的工艺性、尺寸精度等技术要求,考虑塑件制件尺寸。本模具采用一模一腔,直接浇口进料,注射机采用 置冷却系统, 择模具合理的加工方法。附上说明书,系统地运用简要的文字,简明的示意图和和计算等分析塑件,从而作出合理的模具设计。 关键词: 机械设计;模具设计; 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 i o of in of of of of of a a G a a of in to a UG D 含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 录 摘 要 . I 1 绪论 . 4 料简介 . 4 塑成型及注塑模 . 4 2 塑件分析 . 7 件图 . 7 件的材料分析 . 7 . 7 . 9 . 9 件的结构和尺寸精度表面质量分析 . 9 件的结构设计 . 9 件尺寸及精度 . 10 件表面粗糙度 . 11 算塑件的体积、质量 . 11 3 塑件成型方案设计 . 12 型面选择 . 12 腔数的确定 . 12 腔布局 . 13 注系统的类型和位置的选择 . 13 . 14 定浇注系统的 原则 . 14 型零件结构设计 . 14 . 15 . 16 模机构的设计 . 16 模机构的选择 . 16 . 17 模力的计算 . 17 向与定位机构设计 . 19 气及引气系统的设计 . 20 . 21 温度调节对塑件质量的影响 . 21 . 23 定模具的基本类型 . 23 架的选择 . 23 4 模具零件设计 . 26 具成型零件尺寸计算 . 26 模宽度尺寸的计算 . 26 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 凹模长度尺寸的计算 . 27 模高度尺寸的计算 . 27 模宽度尺寸的计算 . 27 模长度的计算 . 27 模高度尺寸的计算 . 27 . 28 . 28 . 29 流道的设计 . 29 . 30 . 31 . 32 向抽芯机构类型选择与设计 . 32 . 32 数的确定 . 34 5 注射机的选用及相关参数的校核 . 37 注射成型工艺过程分析 . 37 关参数 . 39 表 塑机参数 (部分 ) . 39 . 39 模力校核 . 40 具与注塑机安装部分相关尺寸校核 . 40 模行程校核 . 41 6 模具结构总图 . 42 总结 . 43 致谢 . 44 参考文献 . 45 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 1 绪论 模具制造是国家经济建设中的一项重要产业,振兴和发展我国的模具工业。日益受到人们的重视和关注。“模具是工业生产的基础工艺装备”也已经成为广大业内人士的共识。在电子、汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通信等产品中。 60% 80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生产制件所具备的高精度。高复杂程度、高一致性、高生产率和低消耗。是其它加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”。用模具生产的最终产品的价值,往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具工业是制造业中的一 项基础产业,是技术成果转化的基础,同时本身又是高新技术产业的重要领域。 料简介 塑料是以树脂为主要成分的高分子材料,它在一定的温度和压力下具有流动性。可以被模塑成型为一定的几何形状和尺寸,并在成型固化后保持其既得形状而不发生变化。塑料有很多优异性能,广泛应用于现代工业和日常生活,它具有密度小,质量轻,比强度高,绝缘性能好,介电损耗低,化学稳定性高,减摩耐磨性能好,减振隔音性能好等诸多优点。另外,许多塑料还具有防水、防潮、防透气、防辐射及耐瞬时烧蚀等特殊性能 1。塑料以从代替部分金属、木材、皮革 及无机材料发展成为各个部门不可缺少的一种化学材料,在国民经济中,塑料制作已成为各行各业不可缺少的重要材料之一。 塑成型及注塑模 将塑料成型为制品的生产方法很多,最常用的有注射,挤出,压缩,压注,压延和吹塑等。其中,注射成型是塑料成型加工中最普遍采用的方法。除氟塑料外,几乎的有的热塑性塑料都可以采用此方法成型。它具有成型周期短,能一次成型外形复杂、尺寸精度较高、易于实现全自动化生产等一系列优点。因此广泛用于塑料制件的生产中,其产口占目前塑料制件生产的 30%左右。但注射成型的设备价格及模具制造费用较 高,不适合单件及批量较小的塑料件的生产。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 要了解注射成型和注射模,首先得了解注射机的一些基本知识,注射机是注射成型的主要设备,依靠该设备将粒状塑料通过高压加热等工序进行注射。 注射机为热塑性或热固性塑料注射成型所用的主要设备,按其外形可分为立式、卧式、直角式三种,由注射装置、锁模装置、脱模装置,模板机架系统等组成。 注射成型生产中使用的模具叫注射模,它是实现注射成型生产的工艺装备。 注射模的种类很多,其结构与塑料品种、塑件的复杂程度和注射机的种类等很多因素有关,其基本结构都是由动模和定模两大部分组成的。定模 部分安装在注射机的固定板上,动模部分安装在注射机的移动模板上,在注射成型过程中它随注射机上的合模系统运动。注射成型时动模部分与定模部分由导柱导向而闭合。一般注射模由成型零部件、合模导向机构、浇注系统、侧向分型与抽芯机构、推出机构、加热和冷却系统、排气系统及支承零部件组成 2 。 注射模、塑料原材料和注射机通过注射成型工艺联系在一起。注射成型工艺的核心问题就是采用一切措施以得到塑化良好的塑料熔体,并把它注射到型腔中去,在控制条件下冷却定型,使塑件达到所要求的质量。注射机和模具结构确定以后,注射成型工艺条件的 选择与控制便是决定成型质量的主要因素。 注射成型有三大工艺条件,即:温度、压力、时间。在成型过程中,尤其是精密制品的成型,要确立一组最佳的成型条件决非易事,因为影响成型条件的因素太多,有制品形状、模具结构、注射装备、原材料、电压波动及环境温度等。 塑料模具的设计不但要采用 术,而且还要采用计算机辅助工程( 术。 目前国际市场上主要流行的,运用范围最广的注射模流动模拟分析软件有澳大利亚的 国的 中科技大学的 中 产品优化顾问,简称 注射成型模拟分析,简称 注射成型过程控制专家,简称 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 采用 术,可以完全代替试模, 术提供了从制品设计到生产的完整解决方案,在模具制造加工之前,在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析,准确预测熔体的填充、保压、冷却情况,以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况,以便 设计者能尽早发现问题。都有着重大的技术经济意义 3。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 2 塑件分析 件图 在模具设计之前需要对塑件的工艺性如形状结构、尺寸大小、精度等级和表面质量要进行仔细研究和分析,只有这样才能恰当确定塑件制品所需的模具结构和模具精度。 本设计课题 图所示,具体结构和尺寸详见图纸,该塑件结构较为简单,生产量大,要求较低的模具成本,成型容易,精度要求不高。 多功能牙刷盒三维立体图 件的材料分析 丙烯 苯乙烯共聚物 ( 简称 : 是日常生活中最常用的高分 子材料之一 , 丙烯 苯乙烯共聚物抗多种有机溶剂,抗多种酸碱腐蚀,但是不抗氧化性酸,例如硝酸。在氧化性环境中丙烯 苯乙烯共聚物会被氧化。丙烯 苯乙烯共聚物在薄膜状态下可以被认为是透明的,但是在块状存在的时候由于其内部存在大量的晶体,会发生强烈的光散射而不透明。丙烯 苯乙烯共聚物结晶的程度受到其枝链的个数的影响,枝链越多,越难以结晶。丙烯 苯乙烯共聚物的晶体融化温度也受到枝链个数的影响,分布于从 90 摄氏度到 130 摄氏度的范围,枝链越多融化温度越低。丙烯 纸和三维建模及说明书 ,咨询 烯 晶通常可以通过把高密度丙烯 苯乙烯共聚物在 130摄氏度以上的环境中溶于二甲苯中制备。 丙烯 苯乙烯共聚物有 : 高密度丙烯 苯乙烯共聚物( 称低压丙烯 苯乙烯共聚物,因为在低压下生产,含有较多长链,因此密度高。主要用于制造各种注塑、吹塑和挤出成型制品。 中密度丙烯 苯乙烯共聚物 ( 低密度丙烯 苯乙烯共聚物 ( 高压法 ( 生产 , 支链较多 , 强度低 , 多用来生产薄膜制品。 线性低密度丙烯 苯乙烯共聚物 ( 等多种产品。 高密度丙烯 苯乙烯共聚物通常使用 齐格勒 聚合法制造 , 其特点是分子链上没有支链 , 因此分子链排布规整 , 具有较高的密度。该过程在管式或釜式低压反应器中以乙烯为原料,用氧或有机过氧化物为引发剂引发聚合反应。高密度 丙烯 苯乙烯共聚物属环保材质,加热达到熔点,即可回收再利用。须知塑胶原料可大分为两大类: “热塑性塑胶 ”( “热固性塑胶 ”( “热固性塑胶 ”是加热到一定温度后变成固化状态,即使继续加热也无法改变其状态,因此,有环保问题的产品是 “热固性塑胶 ”的产品(如轮胎),并非是 “热塑性塑胶 ”的产品(如:夹板),所以并非所有 “塑胶 ”皆不环保。 低密度丙烯 苯乙烯共聚物通常使用高温高压下的自由基聚合生成,由于在反应过程中的链转移反应,在分子链上生出许多支链 。这些支链妨碍了包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 分子链的整齐排布,因此密度较低。 线性低密度丙烯 苯乙烯共聚物是通过在丙烯 苯乙烯共聚物的主链上共聚一些具有短支链的共聚物 生成的。 吸水,使成型塑件表面出现斑痕、云纹等缺陷。因此,成型加工前应进行干燥处理; 升温时黏度增高,黏度对剪切速率的依赖性很强,因此模具设计中大都采用直接浇口形式,成型压力较高,塑件上的脱模斜度宜稍大;易产生熔接痕,模具设计时应该注意尽量减小浇注系统对料流的阻力;在正常的成型条件下,壁厚、熔料温度对收缩率影响及小。要求塑 件精度高时,模具温度可控制在 50 60,要求塑件光泽和耐热时,模具温度应控制在 60 80。 热容低,塑化效率高,凝固也快,故成型周期短。 在机械工业上用来制造高温电气制品、风筒壳、火牛壳、电工用具、电机壳、工具箱、奶瓶、冷饮机壳、照相机零件、安全帽、齿轮、食品盘子、医疗器材、导管、发夹、吹风筒、理发用品、鞋跟 、纤维增强后可作结构更强的工程零件、 件的结构和尺寸精度表面质量分析 件的结构设计 ( 1)、脱模斜度 由于注射制品在冷却过程中产生收缩,因此它在脱模前会紧紧的包住模具型芯或型腔中突出的部分。为了便于脱模,防止因脱模力过大拉伤制品表面,与脱模方向平行的制品内外表面应具有一定的脱模斜度。脱模斜度的大小与制品形状、壁厚及收缩率有关。斜度过小,不仅会使制品尺寸困难,而且易使制品表面损伤或破裂,斜度过大时,虽然脱模方便,但会影响制品尺寸精度,并浪费原材料。通常塑件的脱模斜度约 取 ,塑件材料 型腔脱模包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 0 斜度为 1 30/ ,型芯脱模斜度为 30/ 1 。 ( 2)、塑件的壁厚 塑件的壁厚是最重要的结构要素,是设计塑件时必须考虑的问题之一。塑件的壁厚对于注射成型生产具有极为重要的影响,它与注射充模时的熔体流动、固化定型时的冷却速度和 时间、塑件的成型质量、塑件的原材料以及生产效率和生产成本密切相关。一般在满足使用要求的前提下,塑件的壁厚应尽量小。因为壁厚太大不仅会使原材料消耗增大,生产成本提高,更重要的是会延缓塑件在模内的冷却速度,使成型周期延长,另外还容易产生气泡、缩孔、凹陷等缺陷。但如果壁厚太小则刚度差,在脱模、装配、使用中会发生变形,影响到塑件的使用和装配的准确性。选择壁厚时应力求塑件各处壁厚尽量均匀,以避免塑件出现不均匀收缩等成型缺陷。塑件壁厚一般在 1 4最常用的数值为 2 3本产品壁厚均匀,周边和底部壁厚均为 1右。 ( 3)、塑件的圆角 为防止塑件转角处的应力集中,改善其成型加工过程中的充模特性,增加相应位置模具和塑件的力学角度,需要在塑件的转角处和内部联接处采用圆角过度。在无特殊要求时,塑件的各连接角处均有半径不小于 1圆角。一般外圆弧半径大于壁厚的 圆角半径应是壁厚的 ( 4)、孔 塑料制品上通常带有各种通孔和盲 孔,原则上讲,这些孔均能用一定的型芯成型。但当孔太复杂时,会使熔体流动困难,模具加工难度增大,生产成本提高,困此在塑件上设计孔时,应尽量采用简单孔型。由于型芯对熔体有分流作用,所以在孔成型时周围易产生熔接痕,导致孔的强度降低,故设计孔时孔时孔间距和孔到塑件边缘的距离一般都尖大于孔径,孔的周边应增加壁厚,以保证塑件的强度和刚度。 件尺寸及精度 塑料制品外形尺寸的大小主要取决于塑料品种的流动性和注射机规格,在一定的设备和工艺条件下流动性好的塑料可以成型较大尺寸的制品,反正成型出的制品尺寸就比较小。 从节约材料和能源的角度出发,只要能满足制品的使包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 1 用要求,一般都应将制品的结构设计的尽量紧凑,以便使制品的外形尺寸玲珑小巧些。该塑件的材料为 动性较好,适用于不同尺寸的制品。 塑件的尺寸精度直接影响模具结构的设计和模具的制造精度。为降低模具的加工难度和模具的制造成本,在满足塑件要求的前提下尽量把塑件的尺寸精度设计得低一些。由于塑料与金属的差异很大,所以不能按照金属零件的公关等级确定精度等级。根据我国目前的成型水平,塑件尺寸公差可以参照塑件的尺寸与公差数值标准来确定。根据任务书和图纸要求,本产品采用 精度。 件表面粗糙度 塑件的表面要求越高,表面粗糙度越低。这除了在成型时从工艺上尽可能避免冷疤、云纹等疵点来保证外,主要是取决于模具型腔表面粗糙度。塑料制品的表面粗糙度一般为 m 之间,模腔表壁的表面粗糙度应为塑件的 1/2,即 m 。模具在使用过程中 由于型腔磨损而使表面粗糙度不断增加,所以应随时给以抛光复原。本次产品表面粗糙度为 外表面 表面 算塑件的体积、质量 本次设计中,塑件的质量和体积采用 3D 测量,在 用塑模部件验证功能,可以测得塑件的体积 因 ,即可以得出该塑件制品的质量约为 225g 。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 2 3 塑件成型方案设计 型面选择 将模具适当地分成两个或几个可以分离的主要部分,它们的接触表面分开时能够取出塑件及浇注系统凝料,当成型时又必须接触封闭,这样的接触表面称为分型面,它是决定模具结构的重要因素,每个塑件的分型面可能只有一种选择,也可能有几种选择。合理地选择分型面是使塑件能完好的成型的先决条件。 选择分型面时,应从以下几个方面考虑: 1)分型面应选在塑件外形最大轮廓处; 2)使塑件在开模后留在动模上; 3)分型面的痕迹不影响塑件的外观; 4)浇注系统,特别是浇口能合理的安排; 5)使推杆痕迹不露在塑件外观表面上; 6)使塑件易于脱 模。 综合考虑各种因素,并根据本模具制件的外观特点,受用平面分型面,并选择在塑件的最大平面处,开模后塑件留在动模一侧。 分型面的选择 腔数的确定 因为本设计多功能牙刷盒结构简单,生产量大,塑件的尺寸较大,为提高塑件成功概率,并从经济型的角度出发,节省生产成本和提高生产效率,采用一模一腔,进行加工生产。 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 3 腔布局 型腔的布局与浇注系统的布置密切相关 ,型腔的排布应使型腔每个区域都通过浇注系统从总压力中均等的分得所需的压力 ,以保证塑料熔体均匀地充满型腔 ,使塑件内在质量均一稳定。这就要 求型腔与主流道之间的距离尽可能短,同时采用平衡流道,以求达到良好的浇注质量。型腔布局由图所示。 型腔布局方式 注系统的类型和位置的选择 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 4 浇注系统是指注射模中从主流道始端到型腔之间的熔体进料通道,浇注系统可分为普通流道浇注系统和无流道凝料浇注系统两类,本设计中采用普通直接浇口浇注系统。正确设计浇注系统对获得优质的塑料制品极为重要。 普通流道浇注系统的组成一般包括以下几个部分: 1主浇道 2第一分浇道 3第二分浇道 4第三分浇道 5浇口 6型腔 7冷料穴 定浇注系统的原则 在设计浇注系统时应考虑下列有关因素: a)、塑料成型特性:设计浇注系统应适应所用塑料的成型特性的要求,以保证塑件质量。 b)、模具成型塑件的型腔数:设置浇注系统还应考虑到模具是一模一腔或一模多腔,浇注系统需按型腔布局设计。 c)、塑件大小及形状:根据塑件大小,形状壁厚,技术要求等因素,结合选择分型面同时考虑设置浇注系统的形式、进料口数量及位置,保证正常成型,还应注意防止流料直接冲击嵌件及细弱型芯受力不均 以及应充分估计可能产生的质量弊病和部位等问题,从而采取相应的措施或留有修整的余地。 d)、塑件外观:设置浇注系统时应考虑到去除、修整进料口方便,同时不影响塑件的外表美观。 e)、冷料:在注射间隔时间,喷嘴端部的冷料必须去除,防止注入型腔影响塑件质量,故设计浇注系统时应考虑储存冷料的措施 6。 型零件结构设计 模具闭合时用来填充塑料成型制品的空间称为型腔。构成模具型腔的零部件称成型零部件。一般包括型腔、型芯、型环和镶块等。成型零部件直接与塑料接触,成型塑件的某些部分,承受着塑料熔体压力,决 定着塑件形状与精度,因此成型零部件的设计是注射模具的重要部分。 成型零部件在注射成型过程中需要经常承受温度压力及塑料熔体对它们的包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 5 冲击和摩擦作用,长期工作后晚发生磨损、变形和破裂,因此必须合理设计其结构形式,准确计算其尺寸和公差并保证它们具有足够的强度、刚度和良好的表面质量。 成型零部件结构设计主要应在保证塑件质量要求的前提下,从便于加工、装配、使用、维修等角度加以考虑。 型腔是用来成型制品外形轮廓的模具零件,其结构与制品的形状、尺寸、使用要求、生产批量及模具的加工方法等有关,常用 的结构形式有整体式、嵌入式、镶拼组合式和瓣合式四种类型。 本设计中采用整体式型腔,其特点是结构简单,牢固可靠,不容易变形,成型出来的制品表面不会有镶拼接缝的溢料痕迹,还有助于减少注射模中成型零部件的数量,并缩小整个模具的外形结构尺寸。不过模具加工起来比较困难,要用到数控加工或电火花加工。 型腔 包含有 纸和三维建模及说明书 ,咨询 6 本设计中零件结构较为简单,深度不大,经过对塑件实体的研究,采用嵌入式型芯。这样的型芯加工方便,便于模具的维护型芯与动模板的配合可采用6/7 型芯 模机构的设计 塑件从模具上取下以前还有一个从模具的成型零部件上脱出的过程,使塑件从成型零部件上脱出的机构称为脱模机构。主要由推出零件,推出零件固定板和推板,推出机构的导向和复位部件等组成。 模机构的选择 脱模机构按其
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