外文翻译-注塑模具成型板的冷却道的阵列与优化

注塑模具成型板的冷却道的阵列与优化 冷却系统在注塑成型过程中不仅在生产力和质量方面，而且在模具制造成本方面也起着重要的作用。在本文中，提出了具有挡板阵列的保形冷却通道，用于在模制部件的整个自由表面上获得均匀的冷却。提出了一种通过模制厚度，模具表面温度和冷却时间计算温度分布的新算法。对于给定聚合物，冷却通道的结构，工艺参数，模具材料，模制厚度和模具中的温度分布之间的关系由近似等式的系统表示。这种关系是通过基于适当的物理数学模型，有限差分法和数值模拟的实验和响应面方法的设计建立的。通过应用这种近似的数学关系，获得目标模具温度，均匀温度分布和最小化冷却时间的优化过程变得更加有效。进行了两个案例研究，以验证和验证了该方法。结果表明，与基于试错法的模拟方法相比，目前的方法提高了冷却性能，促进了模具设计过程。 符号含义及单位 =聚合物热扩散率 (m2/s) T =温度分布的标准偏差 d=挡板直径 ( 传热系数 (W/) 模具材料的导热性 (W/mC) 聚合物的导热性 (W/mC) q= 瞬时热流量 (W/ s =成型件厚度 ( =冷却时间 (s) 局部平均温度 (C) 喷射温度 (C) 注射温度 (C) 模具温度 (C) 中心线厚度最高温度 (C) 模压件表面温度 (C) = 冷却液温度 (C) x = 挡板在 (y = 挡板在 (z = 从挡板尖端到腔体表面的距离 (一介绍 由于高效率和可制造性，注射成型是制造塑料制品最流行的方法。注塑过程包括三个重要阶段：灌装和包装阶段，冷却阶段和喷射阶段。在这些阶段中，冷却阶段非常重要，因为它主要影响生产率和成型质量。众所周知，超过三分之二的成型周期被冷却过程所吸收。冷却通道的合适设计减少了冷却时间，提高了生产率，并最大程度地减少了不必要的缺陷，如凹痕，差异收缩，热残余应力和翘曲。 多年来，注塑成型中冷却阶段的重要性得到了研究人员和模具设计师的高度重视。他们一直在努力改进注塑模具中的冷却系统。这个研究领域可以分为两大类：优化常规冷却通道（直接冷却管线） ，并为注塑模冷却通道（保形冷却通道）找到新的架构。第一组重点是如何在冷却系统的形状，尺寸和位置方面优化冷却系统。第二组调查方法，建立冷却布局，即符合模腔表面的保形冷却通道，并检查该冷却系统的有效性。已经提出了固体无制造（ 快速原型（ 术来构建这种复杂的冷却系统。据报道，冷却效果是比常规冷却通道更好。 术，数控铣床制造的铣槽适形冷却通道也已由 人提出，虽然这些冷却通道具有均匀的冷却性能，但中型制造成本仍然很高。 图 （ a）直钻渠道 （ b） 形通道 （ c）带挡板阵列的通道 为了提高冷却系统的性能并降低模具制造成本，本文通过使用挡板阵列在塑料注塑模具中提出了一种保形冷却通道。这种冷却通道布局与其他布置之间的区别如图 1 所示。挡板是替代冷却装置 用于冷却通常没有冷却的模具芯体中的一些小区域建议了一系列用于箱模的核心冷却回路的挡板，对于具有自由形式腔表面的中大型模具，如果从挡板的顶端到模腔的表面保持恒定的距离，这种冷却回路可以被认为是保形冷却通道。不幸的是，它仍然缺乏对这种共形冷却系统执行情况的了解以及如何优化配置为了获得最小的冷却时间，均匀的冷却和合理的模具制作成本。此外，冷却设计通常是基于设计师的经验和学费。当成型几何变得更加复杂时，基于经验的和试错法将是耗时且较少的。 图 2 部署和配置带有阵列挡板的冷却通道 （ a）实际构造挡板冷却通道阵列 （ b） 件中挡板冷却通道阵列的建模 因此，我们的研究重点是一种系统的方法，用于优化所提出的冷却通道的构造，包括冷却剂温度，间距（ x 和 y） ，挡板的距离 z 和直径 d。使用分析方法，实验设计（ ，有限差分法和 具的组合来得出近似方程，显示给定聚合物的冷却通道设计变量，模具材料和工艺参数之间的关系。给定注射成型部件的冷却时间和最佳冷却通道的配置可以在早期设计阶段轻松确定。 本文的其余部分组织如下。第 2 节介绍了冷却通道中挡板阵列的部署和配置。第 3 节描述了聚合物和模具内传热的物理和数学模型。第 3 节中的数学解决方案在第 4 节中得到验证。第 5 节提出了优化方法，第 6 节说明了两个案例研究，以测试塑料盖和汽车塑料部件的方法的设施和可行性。最后，第 7 节给出了对未来工作的一些结论和讨论。 二冷却通道中挡板阵列的部署和配置 挡板是垂直于主冷却线钻出的冷却通道，其中薄板将钻孔分成两个半圆形通道。该板迫使冷却剂在另一侧一侧向上流动（见图 1（ c）和图 2（ a） ） 。通过改变冷却通道中的冷却剂流动的方向，挡板在弯曲周围产生湍流并增加传热系数。然而，与直的或平滑的冷却通道相比，压降增加，并且需要更多的泵功率。有两种挡板：正常挡板和螺旋挡板（图 2（ a） ） 。第一个是简单的，但是很难将薄板（分隔器）精确地安装在通道的中心，并且挡板两侧的温度分布是不同的。另一个更复杂一些，但是将分配器放置在冷却通道的中心是容易的 ;湍流效应和温度分布得到改善。在这项研究中，假设冷却剂的流量足够大以达到有效的湍流，并且流速的增加与热萃取速率几乎没有差别。因此，两种类型的挡板在热提取方面都被处理相同。 挡板被排列成包括行和列的二维阵列。所提出的冷却通道的构造包括挡板之间的间距（ x 和 y） ，从挡板的尖端到空腔表面（ z）的距离以及挡板（ d）的直径（图 2） 。主冷却线的直径与 d 成正比。挡板的尖端符合空腔表面，以便均匀地从热聚合物中除去热量。挡板通道采用钻孔方式加工，降低了制造成本。 三数学物理模型的建立计算 本节介绍了冷却通道的配置，模具中的温度分布和成型部件之间的数学关系，冷却时间和工艺参数。在不失一般性的情况下，提取和检查冷却单元（参见图 3） ，而不是考虑整个模具。冷却室的四个侧面被视为绝热的。使用这种物理模型，由于元素数量的减少，模拟时间显着降低。假设冷却单元的空腔表面具有小的曲率，该表面可以被认为是平面。 在物理方面，冷却过程中的传热是复杂的。为了简化数学模型，本研究中作了以下假设： 模具材料的物理性能是恒定的。 模具 - 聚合物界面的热通量在模腔表面的每个元件上都是恒定的。 使用恒定的循环平均模具温度。 仅填充和冷却阶段，因为填充阶段很短。 聚合物的热分析在一个维度上进行，因为与填充相比较，模制件的厚度较小。 环境空气和外部模具表面之间的自然对流被忽略，因为其占总热损失的不到 5。 主冷却管路的冷却效果被忽略，因为大部分热量被挡板除去。 冷却通道的最小雷诺数应大于 10,000。 结晶过程产生的热效应被忽略。 图 3 冷却池的物理模型（ a） 和典型的温度分布（ b） 在本研究中，应用了循环平均和一维瞬态方法的耦合，因为它对于模具设计目的具有计算效率和足够的精度。模具中的热传递被视为循环平均稳态和 3D 有限元模拟用于分析温度分布。采用循环平均方法是因为在从模制操作开始的某一过渡期之后，实现模具内的稳态循环热传递。模具温度的波动分量与循环平均分量相比较小，因此循环平均温度方法在计算上更多有效率高于周期性转换分析（成型）被认为是瞬态过程，应用有限差分法。 模具中的温度分布由以下等式建模： （ 1） 偏差方程（ 1）可以通过有限差分法方便地求解。使用 法，无条件稳定方案来求解方程（ 1） 。由于聚合物和模具之间的热