（材料加工工程专业论文）快速热循环注塑模具设计方法与优化研究.pdf

山东大学硕+ 学位论文 摘要 随着塑料工业的迅速发展，塑料制品被广泛应用于各行各业，渗透到人们生 产生活的各个方面。目前在工程塑料成型加工中，8 0 采用了注射成型。近年来， 汽车、建筑、家用电器、食品、医药卫生等领域对注塑制品日益增长的需求，显 著推动了塑料注射成型技术水平的快速发展和提高，气辅成型、水辅成型、多色 注塑和热流道等各种新技术新工艺在注塑成型中被广泛采用。在塑料制品注射成 型过程中，由于成型材料、成型模具、注射机、辅助设备、成型环境等多种因素 的影响，注塑制品的内在及外观质量经常会出现各种各样的问题。但是，家电、 通讯、消费电子、汽车内饰、光电等产业的发展，却对塑料制品提出了壁厚更薄、 结构更复杂、表面更美观、强度更高等方面的要求。如何获得高质量的塑件成为 工程中需要迫切解决的问题。 快速热循环注塑成型( r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ，r h c m ) 技术利用加热 和冷却介质实现注塑模具的快速加热和冷却，实现熔体的高模温注塑，是一种无 熔接痕、高光洁度的塑料成型技术，可获得外观优越的塑料制品，例如：无熔接 痕、无流痕、无银线，具有高光泽度等。采用该技术可取消后续的喷涂工艺，省 去昂贵的二次加工费用，在大幅降低生产成本的同时，节省能源与材料，消除污 染，达到改善塑件质量、降低生产成本、保护环境的多重效果，实现塑件的短流 程绿色化生产，是一种前景广阔的绿色注塑工艺。 为保证塑件质量，在r h c m 注塑模具加热冷却管道设计时应保证模具型腔 表面的温度分布均匀性和高的加热效率，本文在研究r h c m 注塑的工艺特点和 要求的基础上，提出了加热和冷却管道的主要设置形式以及设计原则，同时，考 虑水蒸汽给模具带来的热量，提出了r h c m 模具设计的基本计算方法，包括模 具与冷却水和水蒸汽的换热系数、冷却管路直径以及注塑周期内的热平衡分析 等。 r h c m 技术的关键是在注塑周期中，能够使模具快速加热和冷却到预定的 工艺温度。模具型腔表面温度的高低和分布直接影响着注塑生产的效率和塑件的 质量。本文建立了4 6 寸液晶平板电视机前壳r h c m 模具传热过程的有限元分析 模型，研究了加热冷却管道的布置对模具型腔表面的温度分布的影响，发现模 摘要 具型腔表面的温度分布呈现出“型腔中间部分温度高，两侧温度低，温度分布不 均 的现象。通过正交试验法分析发现，管道直径和管道中心距型腔表面的距离 对模具加热效率影响最大，而管道问距对型腔温度分布均匀性的影响尤为突出。 通过有限元软件m a r c 与自动集成优化软件i s i g h t 的有机集成，以模具型腔 表面的温度均匀性为目标函数，实现了对模具加热冷却管道布局的优化设计， 显著提高了模具型腔表面的温度均匀性，在实际生产中获得了高质量的高光前壳 塑件，为实际生产中的r h c m 注塑模具设计、加热和冷却系统布局优化设计提 供重要理论依据。 与一般的注塑模具相比，r h c m 注塑模具的加热峰值温度高、产生的温度 梯度大，其主要工作零件承受的热变形和热应力要大得多，更容易产生过量变形 和冷热疲劳破裂现象，影响塑件的几何形状和尺寸精度以及模具寿命。因此，本 课题建立了模具传热和受力分析模型，研究和分析r h c m 模具的应力分布、变 形分布和热力疲劳寿命，在分析的基础上，探讨最佳的模具结构设计、冷热管道 布局以及模具型芯的固定方式。提出了一种带有“部分冷间隙”的r h c m 模具结 构，通过研究不同冷间隙数值对模具型芯热应力与热变形的影响规律发现，冷间 隙可大大降低模具型芯的热应力，实现热变形的有效控制，从而提高了模具寿命。 关键词：快速热循环注塑；数值模拟；优化设计；管道布局；热变形与热应力 i l 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep l a s t i c si n d u s t r y , p l a s t i cp r o d u c t sa l ew i d e l y u s e di na l lw a l k so fl i f ea n dp e n e t r a t ei n t oa l la s p e c t so fp e o p l e sl i v e sa n dp r o d u c t i o n a t p r e s e n t ，i n j e c t i o nm o l d i n gh a s c o v e r e d8 0 o ft h e e n g i n e e r i n gp l a s t i c s m a n u f a c t u r i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h eg r o w i n gd e m a n do fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o d u c t sf o r t h ea r e a so fa u t o m o t i v e ，c o n s t r u c t i o n ，h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，f o o d ，m e d i c i n ea n d p u b l i ch e a l t h ，s i g n i f i c a n t l yp r o m o t e dr a p i dd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e m e n to ft h e t e c h n i c a ll e v e lo f p l a s t i ci n j e c t i o nm o l d i n g g a s a s s i s t e di n j e c t i o nm o l d i n g ， w a t e r - a s s i s t e dm o l d i n g ，m u l t i c o l o ri n j e c t i o nm o l d i n ga n dh o tr u n n e ra n do t h e rn e w t e c h n o l o g i e si nt h ei n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s sh a v eb e e nw i d e l yu s e d i nt h ei n j e c t i o n m o l d i n gp r o c e s so fp l a s t i cp r o d u c t s ，t h e r ew i l la l w a y sa p p e a ra l lk i n d so fq u e s t i o n si n t h ei n h e r e n ta n da p p e a r a n c eq u a l i t y , b e c a u s eo fm o l d i n gm a t e r i a l ，m o l d ，i n j e c t i o n m a c h i n e s ，a u x i l i a r ye q u i p m e n t ，f o r m i n ge n v i r o n m e n ta n do t h e rf a c t o r s h o w e v e r , t h e d e v e l o p m e n to fh o m ea p p l i a n c e s ，c o m m u n i c a t i o n s ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，a u t o m o t i v e i n t e r i o rt r i m ，p h o t o v o l t a i ca n do t h e ri n d u s t r i e s ，h a sm a d em o r ed e m a n d sf o rp l a s t i c p r o d u c t s ，s u c ha st h i n n e rw a l lt h i c k n e s s ，m o r ec o m p l e xs t r u c t u r e ，m o r eb e a u t i f u l s u r f a c ea n dh i g h e rs t r e n g t h h o wt og e th i g h q u a l i t yp l a s t i cp a r t sb e c o m e sa nu r g e n t p r o b l e mt h a ts h o u l db er e s o l v e di ne n g i n e e r i n g r a p i dt h e r m a lc y c l ei n j e c t i o nm o l d i n g ( r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ，r h c m ) t e c h n o l o g ya c h i e v e sr a p i dh e a t i n ga n dc o o l i n go fi n j e c t i o nm o l du s i n gh e a t i n ga n d c o o l i n gm e d i u m ，a n di m p l e m e n to fi n j e c t i o nm o l d i n go fm e l t i n h i g hm o l d t e m p e r a t u r e i ti sa l s oc a l l e da san o n w e l d l i n ep l a s t i cm o l d i n gt e c h n o l o g y t h e r h c mt e c h n o l o g yc a ng e tp l a s t i cp r o d u c t s 、v i t hs u p e r i o rs u r f a c e ，s u c ha sn ow e l d m a r k s ，n of l o wm a r k s ，n os i l v e rl i n e ，w i t hh i g h - g l o s s t h eu s eo ft h et e c h n o l o g yc a l l a b o l i s ht h es p r a y i n gp r o c e s s ，s a v et h ee x p e n s i v ec o s to fs e c o n d a r yp r o c e s s i n g t h e t e c h n o l o g yc a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s ，a tt h es a m et i m e ，s a v ee n e r g y a n dm a t e r i a l s ，e l i m i n a t ep o l l u t i o n ，a c h i e v em u l t i e f f e c t st oi m p r o v et h eq u a l i t yo f p l a s t i cp a r t s ，l o w e rp r o d u c t i o nc o s t s ，p r o t e c tt h ee n v i r o n m e n t ，i m p l e m e n ts h o r tp i e c e s 1 1 1 a b s t r a c t o fp l a s t i cf l o wo ft h eg r e e n i ti sap r o m i s i n gg r e e ni n j e c t i o np r o c e s s t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fr h c m i t s h o u l db ee n s u r e dt h a tt h et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo ft h ec a v i t ys u r f a c ea n dh i g h h e a t i n ge f f i c i e n c yd u r i n gm o l dd e s i g n t h em a i ns e tf o r ma n dd e s i g np r i n c i p l e so f h e a t i n ga n dc o o l i n gp i p e sa r ep u tf o r w a r d a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h eh e a t w a t e rv a p o rb r o u g h tt ot h ed i e ，t h eb a s i cc a l c u l a t i o nm e t h o d so fr h c mm o l dd e s i g n a r ee s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fm o l da n dc o o l i n gw a t e ra n d w a t e rv a p o r d i a m e t e ro fc o o l i n gp i p e ，硒w e l la sh e a tb a l a n c ea n a l y s i si ni n j e c t i o n c y c l e t h er h c mm o l ds h o u l dr e a l i z er a p i dh e a t i n ga n dc o o l i n gt ot h es c h e d u l e d t e m p e r a t u r ei nt h ei n j e c t i o nm o l d i n gc y c l e t h et e m p e r a t u r ea n di t sd i s t r i b u t i o no f t h e m o l dc a v i t ys u r f a c ed i r e c t l ya f f e c t st h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fr h c mp l a s t i cp a r t s t h i sp a p e re s t a b l i s h e saf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo ft h er h c mm o l dh e a t t r a n s f e rp r o c e s so f4 6 一i n c hl c df l a tp a n e lt v , r e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo ft h e h e a t i n g c o o l i n gp i p i n gl a y o u to nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o l dc a v i t ys u r f a c e a n df i n d st h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fm o l dc a v i t ys u r f a c ei sn o tu n i f o r m ，t h e t e m p e r a t u r ei nt h em i d d l eo ft h ec a v i t yi sh i g h e rt h a nt h a to nb o t hs i d e s t h r o u g h o r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n a l y s i s ，p i p ed i a m e t e ra n dd i s t a n c eo fp i p ec e n t e rh a v e s i g n i f i c a n ti m p a c to nh e a t i n ge f f i c i e n c y , a n d t h ee f f e c to fp i p es p a c i n gt ot h e t e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yi sp a r t i c u l a r l yp r o m i n e n t t h r o u g ht h ei n t e g r a t i o no f t h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s es o f t w a r em s c m a r ca n da u t o m a t i ci n t e g r a t i o no p t i m i z es o f t w a r e i s i g h t , t h et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo ft h ec a v i t ys u r f a c ei sr e g a r d e da sa no b j e c t i v e f u n c t i o n ，t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n f o rt h el a y o u tp a r a m e t e r so fh e a t i n g c o o l i n g c h a n n e l si sr e a l i z e d t h eo p t i m u mr e s u l ti m p r o v e st h et e m p e r a t u r eu n i f o r m i t yo ft h e c a v i t ys u r f a c es u r f a c es i g n i f i c a n t l y , a n do b t a i n e sh i g hq u a l i t yp l a s t i c p a r t s i nt h e p r a c t i c ep r o d u c t i o n w h i c hp r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sf o rm o l dh e a t i n ga n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no fh e a t i n ga n dc o o l i n gs y s t e m sf o rt h ea c t u a lp r o d u c t i o n c o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a li n j e c t i o nm o l d ，m a i nw o r k i n gp a r t sh a v em u c hl a r g e r t h e r m a ls t r e s sd u et ot e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt e m p e r a t u r ec h a n g e s ，m o r ee a s i l yl e a d t oe x c e s s i v ed e f o r m a t i o na n df a t i g u ef a i l u r e ，a f f e c tt h eg e o m e t r ya n dd i m e n s i o n a l 【l j 东大学硕十学何论文 a c c u r a c yo fp l a s t i cp a r t sa n dd i el i f e t h e r e f o r e ，t h em o d e lo fm o l dh e a tt r a n s f e ra n d s t r e s sa n a l y s i si se a t a b l i s h e dt or e s e a r c ha n da n a l y s i ss t r e s sd i s t r i b u t i o n ，d e f o r m a t i o n a n dt h e r m a lf a t i g u el i f ed i s t r i b u t i o no fr h c md i e o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ，t h e b e s to ft h ed i es t r u c t u r ed e s i g n ，p i p i n gl a y o u t ，a sw e l la st h ef i x e dm o d eo fm o l dc o r e ， i ss t u d i e d ar h c mm o l ds t r u c t u r ew i t h ”p a r tc o l dg a p ”i sp u tf o r w a r d ，t h ec o l dg a p c a ng r e a t l yr e d u c et h et h e r m a ls t r e s so fm o l dc o r e ，a c h i e v ee f f e c t i v ec o n t r o lo fh o t d e f o r m a t i o n ，t h e r e b yi m p r o v e t h ed i el i f e k e yw o r d s ：r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ； p i p e l i n el a y o u t ；t h e r m a ld e f o r m a t i o na n dt h e r m a ls t r e s s v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨蝴芝! e t 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：批导师签名钍埠日期：毕眵 山东人学硕十学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着科学技术的进步，经济的发展己不再单单依赖于开发、利用现有的自然 资源，而是立足现在、着眼于未来，采用先进的科学技术，用有机合成材料代替 日趋减少的不可再生自然资源，减轻对自然资源的依赖，减少对自然环境的破坏。 塑料材料作为三大合成材料之一，具有密度小、重量轻、强度高、耐腐蚀、绝缘 性好、易成型加工、生产效率高、成本低等优点，已广泛应用于各行各业，成为 国民经济和人民生活中不可或缺的新型材料，“以塑代钢”、“以塑代木”己成为 当今世界发展的趋势。 以塑料、橡胶为代表的聚合物材料由于其优良的加工性能和使用性能在汽 车、家电、仪器仪表、建筑装饰等多个领域得到了广泛的应用。目前其体积消耗 量己超过钢、铜和铝的总和。郑州大学橡塑模具国家工程研究中心曾对广东东莞 市加工企业进行了考察和调研，发现该市现有的1 8 0 0 0 余家企业中，有8 0 0 0 余家 与塑料加工有关，占了将近4 5 。 注塑成型作为一项速度快、自动化程度高的生产技术，能一次成型形状复杂， 尺寸精确的制品，在整个塑料制品生产行业占有非常重要的地位。早期的注塑成 型方法主要用于加工热塑性塑料制品，但是随着塑料工业的迅速发展以及塑料制 品应用范围的不断扩大，注塑成型方法已经推广应用到热固性塑料制品和一些塑 料复合材料制品的生产中。目前，除了少数几种塑料外，几乎所有的塑料都可以 采用注塑成型。据统计，注塑制品约占整个塑料制品总产量的3 0 ，全世界每年 生产的注塑模数量约占所有塑料成型模具数量的5 0 。 但是，注塑成型技术也是能源和物料消耗大、污染严重的加工工艺，因此， 其生产工艺、工艺材料和生产方法的绿色化，对于解决其生产过程中的环境污染 和资源消耗问题，意义重大。目前的注塑技术和产品存在熔痕、流痕、流线、表 面质量不高、表面不光滑、几何尺寸不稳定等问题，在成型材料、成型条件、模 具结构、制品设计等方面采取合理的措施，可以有效地消除上述的部分缺陷，改 善塑件的成型质量，但是对于熔接痕和注塑件经常出现的流痕、银线、表面灰暗 第一章绪沦 无光泽等问题却往往得不到根本的解决。尤其是在复杂塑件和外观件中，熔接痕 导致塑件强度下降，而且显著影响制品的外观，成为阻碍复杂塑件和外观件质量 提升的重要因素。近几年来，气辅、水辅等注塑成型技术的出现在一定程度上提 高了熔体的充填能力，使得可以成型大流长比的塑料制品，但是它们并没有从本 质上改变聚合物熔体的填充环境，制品的表面缺陷，如熔接痕等仍然无法彻底解 决。 随着我国国民经济和科学技术的发展和塑料制品应用的日益广泛，人们对塑 料制品精度、形状、功能、成本等提出了更高的要求，企业对塑料制品的精度、 表面质量、强度的要求也越来越高。对于塑料制品的表面质量和表面强度，目前 主要通过塑料喷涂技术使其得到相应的提高。注塑产品的表面质量对于喷涂后的 质量影响很大，如果注塑产品的表面质量较差，也很难通过喷涂技术得到合格的 零件。喷涂是对塑料产品的二次加工，它不仅浪费生产原料、浪费能源、工时， 大大提高塑料制品的生产成本，而且还会造成严重的环境污染，危害操作人员的 人身健康【。 近年来，为了解决常规注塑制品的缺陷问题，一种新的技术快速热循环 注塑成型( r a p i dh e a t i n gc y c l em o l d i n g ，r h c m ) 新技术在国外悄然兴起，快速 热循环注塑成型新技术是一种无熔接痕、高光洁度的塑料成型技术，可获得外观 优越的塑料制品，例如：无熔接痕、无流痕、无流线，具有高光泽度，塑料制品 表面不暴露玻璃纤维等强化添加剂，转印效果佳，物理性能提高等。可达到近乎 于目前平板电视采用的有机玻璃保护屏的效果，可以用来直接制作平板电视前 壳，取代喷涂及粘贴保护屏等方法。 快速热循环注塑成型技术专为模具设置两个完全独立的温控回路，以使在充 模过程中模具的表面温度保持高于聚合物热变形温度，然后快速冷却，如此完成 一次充模过程。使用这种热循环装置只会给成型周期增加2 3 秒的时间，对生 产效率影响不大，但是却使注塑零件表面的修饰性能得到了显著提高。图1 1 给 出了r h c m 生产的塑件与常规注塑产品的比较，可以看出，由于整个加工过程 模具表面温度较高，不仅消除了熔接痕，而且对模具的转印效果非常好，由此可 获得高光洁度表面的制件，如图1 1 ( a ) 所示。该技术也特别适合加工用玻璃纤维 或矿物填料填充的物料，它能防止增强材料出现在制件的表面，进而影响制件的 表面质量，如图1 1 ( b ) 所示。 2 了团阿 怒 1 2 国内外研究现状及存在问题 自从塑料注射成型技术产生以来，关于注塑模具的设计方法和理论就一卣是 研究的重点，在各方面取得了显著成果。模具设计技术发展到今天，具有了更多 的新技术。首先是模具i 维设计方法，实现了模具虚拟装配和运动仿真，直观盟 不模具实际状况，并u j 直接进行加工，实现了c a d c a m 一体化，模拟装配和 干涉检查等，对模具可制造性评价提供依据，减少了设训失误和修模过程。其次， 逆向工程的应用，使得许多复杂零件设计可以从实体零件、照片等得到，这在消 化吸收国外先进模具技术方面有突出优势，提高了设汁水平。第三，随着人们对 塑料制品提出更高要求，以及新技术出现，又出现了些新的注射成型t 艺，如 气体辅助注射、低压注射、微成型注射等”圳。快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术的发展，尤其是快速模具( r a p i dt o o l i n gr t ) 技术，又促进了模具制造技术 的迅速发展m j 。 1 2 1 注塑模具冷却回路设计技术 根据塑件的形状及其需要的冷却温度，冷却网路可以分为蘸通式、圆周式、 多缎式、螺旋式、喷射式、隔板式等多种样式，在多种情况下，可将这些样式互 相配合，构成冷却回路。常见的冷却回路布置有下面几种f 1 ： ( 1 ) 凹模管道回路 第一章绪论 1 ) 外接直通式 图1 2 用水管接头和橡塑管将模具内管道连接成单路或多路循环，是最简单 的外部连接的直通管道布置，常用于矩形制品的冷却。其管道加工方便，适合于 浅的矩形型腔，但是外接部分容易损坏。 图1 - 2 外接直通式 2 ) 平面回路式 图1 3 所示为凹模板内平面上的管道整体布置。管道加工后必须用孔塞和挡 板来控制冷却液的流动。它适合各种较浅的，特别是圆形的型腔，如图1 3 ( a ) 。 对于长宽比很大的矩形腔，也可以采用图1 - 3 ( b ) 所示的左右两回路的平衡布置。 挡板的安装应便于从模外直接拆卸，方便修理、更换。 l 曼b 一女 诗 一 j 槲- - r _ 4 1 _ 旷r r - 一 、- 1 1 nf ! r 。 l ! 艟l i i l i _ i l iil i i i il i - - j i t 月jl 一 l l1 jjl 一l - i fi 、 一 f - 。 ii ； i 违 t i - 勰蕊 j ； ijll_：1 1 i， il -1 i ( a )( b ) 图1 3 模板内平面回路 3 ) 多层回路式 对深腔的凹模，冷却管道应采用多层的立体布置，如图1 - 4 所示。布置成曲 折的y 形，是为了对主流道和型腔底部进行冷却。型腔四周可采用各平面的单独 整体回路，但这样会使模外管接头，各回路冷却平衡较难。若将各层回路在深度 方向连成一体，对大型模具会造成流程过长而冷却不均匀。还有一种带有密封环 的冷却板，板上铣有冷却槽，用镶块紧固于模具侧面，每板均有一对出入口，检 修很方便，但成本较高。 4 山东人学硕十学位论文 图l - 4 多层同路 4 ) 凹模嵌入式 矩形嵌入凹模，先对嵌入凹模作单层或多层回路布置，尽可能只有一对出 入口，如图1 - 5 ( a ) 所示。然后设计水源的连接。图1 - 5 ( b ) 是用延伸式管接头，穿过 模板直接连接在嵌入凹模上。该嵌入凹模倘若拆卸，会损伤接头。图1 - 5 ( c ) 是在 分型面上开沟槽来容纳延伸接头。注塑时，如有溢料，去除较麻烦。图1 - 5 ( d ) 是 用冷却水孔直接从嵌件底部对接，但必须有0 形圈密封。也有将圆铜管放在嵌件 与模板之间。为保证嵌件凹模与铜管间有效接触面积，可用低熔点合金把铜管四 周空隙填满。 “ 够f o d 图l - 5 矩形嵌入凹模的冷却回路 圆柱嵌入凹模如图1 6 ( a ) 所示，可利用圆柱体上开出的环形沟槽，嵌入模 板后形成矩形冷却管道。必须在沟槽上下方装入o 型密封圈。见图1 - 6 ( b ) 中，一 模多腔的模具中，直线布置的型腔可通过设在模板上的孔道相连。多个嵌件的冷 却沟相连有困难时，可在模板上开沟槽，如图1 - 6 ( c ) 。但其冷却效果不如前者。 如图1 - 6 ( d ) 。应注意沟槽之间的连接和间隔x ，并需要加强模板的刚性。 5 惑憋 第一章绪论 蠢一 0 r ， 图1 6 圆柱嵌入凹模的冷却回路 ( 2 ) 型芯管道回路 对于很浅的型芯，可直接将平面回路开设在型芯下部。对于中等高度型芯， 可在型芯的底端面上开设矩形冷却水槽回路。对圆柱型芯作如图1 7 所示的环形 布置，再加工横沟，安上挡板和防漏橡胶圈。对矩形型芯则铣出相通的矩形布置 沟槽。对于较高的型芯，倘若沿型芯深度方向开设管道，就不得不在型芯侧面打 孔以相互沟通。虽然用孔塞封住，但型芯侧面质量难以保证。对于高型芯，常用 以下五种方式： 孱孰 赆爹 、 图1 7 中等高度型芯的冷却回路 1 ) 型芯中设交叉回路 如图1 8 所示是型芯的一种冷却方式。该结构由于冷却水道距型芯表面的距 离不等，所以冷却效果不均匀。一般用于成型制品壁较薄，尺寸较小的型芯。图 1 - 9 是另一种冷却方式，冷却效果较均匀。常用于尺寸较大的型芯，但该结构不 适用于制件内侧面要求平整，光滑的场合。 6 1jj 东大学硕十学位论文 蠢一 _ - 出 图1 8 型芯中设交又回路1图1 9 型芯中设交叉回路2 2 ) 螺旋式冷却回路 螺旋式冷却回路适合于大直径的圆柱高型芯，在心柱表面车制螺旋沟槽，压 入型芯的内孔中冷却水从中。o ：y l 己j i 向心柱顶端，经螺旋回路从底部流出。心柱使 型芯有较好刚性。这种冷却方式冷却效果好，可使注塑制品具有更高的质量。特 别是对于薄壁制品，但模具结构和加工方式较复杂，如图1 1 0 所示。 进 图1 1 0 螺旋冷却回路 3 ) 隔板式冷却回路 模具内可能有些远离冷却管路区域，无法达到正常的冷却效果，这些区域可 以采用隔板式冷却回路( 如图1 1 1 ) ，可以引导冷却剂流进平常难以冷却的区域。 隔板式是垂直于主要冷却孔道的冷却管路，并且在冷却孔道加入一隔板将其分隔 成两个半圆形流路，冷却液从主要冷却孔道流进隔板一侧，进到末端再回流到隔 板的另一侧，最后回流到主要通道。隔板式冷却回路可以提供给冷却液最大接触 面积，但是其隔板却很难保持在中央位置，型芯两侧的冷却效果及温度分布可能 不同。 7 第一章绪论 图l - 1l 隔板式冷却回路 4 ) 喷流式冷却回路 如图1 1 2 所示，喷流式冷却回路以小口径的内管取代隔板式冷却回路中的隔 板，冷却液从内管流到末端，再像喷泉般的喷出，从外管回流到冷却管路。细长 的型芯最有效的冷却方式是采用喷流式冷却回路，但是其内、外管直径必须调整 到具有相同的流动阻力，才能达到最佳的冷却。 图l - 1 2 喷流式冷却回路 1 2 2 模具优化设计理论研究状况 目前，模具优化设计理论和方法己成为国际上一个前沿研究课题，它涉及高 聚物熔融、塑化过程的模拟仿真、成型过程的模拟仿真、模具优化设计和成型工 艺优化等诸方面。然而，在成型工艺和模具优化设计中，目标和约束函数基本上 是设计变量的隐函数，精细的优化迭代计算需以流固耦合分析为代价。这使得灵 敏度分析和函数计算变得十分困难，计算的时间消耗可能大到不能忍受的地步， 高仿真模拟更是如此。为此，研究模具优化的高性能计算方法，在保证找到最优 解的同时，提高计算效率至关重要。它对模具优化设计以及计算力学的发展起到 推动和促进作用，有重大的理论意义和应用前景。 注塑成型塑料制品的质量取决于材料性能、制品结构工艺性、模具设计和加 工工艺，如何将成型模拟、优化设计理论与注塑模设计方法有机结合来优化和控 制成型过程和制品质量，是模具优化设计理论的研究热点。郑州大学申长雨教授 课题组在这方面做了许多研究0 1 。其中余晓荣在文献【1l 】中详细讨论了这方面 8 尔大学硕十学位论文 的研究状况，并从成型工艺条件对注塑模充填模式的影响、制品壁厚优化设计、 浇口位置优化设计、基于数值模拟的浇注系统尺寸优化等几个方面进行了深入研 究。 最优化设计( 也称优化设计) 它始于上世纪5 0 年代末，而普及应用于上世纪 7 0 年代，是以数学规划理论为基础，以计算机为辅助工具的一种设计方法。由于 人们在生活或者工作中，许多事情总是希望得到一个最佳的方案或者状态，因此， 2 0 世纪6 0 年代以来，最优化理论和方法发展迅速，已成为一门新兴的学科，并得 到了广泛的应用。尤其计算机技术的迅速发展，为最优化方法提供了更为广阔的 发展空间。 目前，优化方法大体分为三类： ( 1 ) 直接法 直接计算目标函数值比较目标函数值，并以此作为迭代、收敛的依据。在无 法得到或者很难得到目标函数对设计参数的灵敏度信息时，传统的解决方法是基 于直接搜索的。直接法种类很多，如穷尽法( e x h a u s t e ds e a r c h ) ，即遍历所有可能 解，通过比较得出最优解，该算法虽然能保证得到全局最优，但效率太低。局部 搜索算法，给定初始值，在邻近的解中迭代搜索，不断优化目标函数值，直到不 再优化为止，该算法虽然简单易于实现，但初始值的选取至关重要。 ( 2 ) 梯度法 利用目标函数和约束条件的函数梯度信息，达到迭代、收敛的目的。这类算 法速度快、效率高，灵敏度分析是关键。最速下降寻优法就是其中的一种，即通 过计算设计灵敏度，采用一般的线性规划或者序列二次规划来优化目标函数。 ( 3 ) 启发式搜索算法 该算法都是以一定的直观基础而构造的算法。该算法种类很多，例如模拟退 火算法( s i m u l a t e da n n e a l i n gm e t h o d ) ，遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 和神经网络 ( n e u r a ln e t w o r k s ) 。 模拟退火算法是基于金属退火的机理而建立起的一种全局最优化方法，优化 的目标函数珩) 相当于金属的内f i 邑e ( i ) ，变量组合状态空间相当于金属的内部状态 空间，优化问题的解相当于金属的一个内部状态，控制参数t 相当于温度t ，优化 问题的求解过程就是寻找一个组合状态使目标函数值最小。由初始解和控制参数 9 第一章绪论 t 开始，对当前解重复“产生新解判断舍弃接受”的迭代，逐渐衰减t 值，直到 算法中止，得到最优解。模拟退火算法与初始值无关，具有渐进收敛性和并行性。 人工神经网络也是启发式算法之一，是用机器模拟人脑智能活动的杰出代 表。它巧妙地将生物神经网络的结构及工作方式用数学形式构造出模型，通过模 拟大脑的某些机理与机制，实现某个方面的功能。人工神经网络具有很强的自学 能力和自适应能力，可以充分逼近任意复杂的非线性关系，其并行分布处理方法 也使得快速进行大量运算成为可能。因此，在模具优化领域中也得到广泛的应用。 遗传算法是由美国h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年提出的一种自适应全局优化概率搜 索算法。它是通过模拟生物进化中的优胜劣汰、自然选择、适者生存和物种遗传 的过程，使种群不断进化，最终收敛于最优解。由于遗传算法优化时不依赖于梯 度，具有很强的鲁棒性和全局搜索能力，因此，在工程科学和计算机科学等领域 获得了广泛应用。 模具种类繁多，要求各异，其中注塑模占有很大的比例和很重要的地位。早 在2 0 世纪5 0 年代初期，g i l m o r e 和s p e n c e r 就对注塑成型进行了研究，这可能是对 注塑成型进行的最早研究。此后，人们的研究重点主要集中在对高聚物在流道、 模具、成型设备中的流动过程的研究，对粘弹性、复杂三维流动模拟，对分子取 向、残余应力的分析和预测，以及成型过程的数值模拟等方面的研究。直n 2 0 世纪9 0 年代末，研究重点才逐步转向大规模数值仿真和优化设计的研究。 在注塑成型和模具结构优化方面：s a h u 等利用修正复形法、遗传算法和 t a g u c h i 方法进行工艺参数和塑件厚度优化，显著减小了塑件的翘曲程度；c h a n g 等采用t a g u c h i 方法和灰色理论研究了短玻璃纤维增强材料的注射成型过程的工 艺参数优化问题；l i n 分别采用遗传算法和梯度法对树脂传递成型过程进行优化， 并对两种算法进行了比较。p a r k 和k w o n 以塑件表面的温度差和冷却时间的全函 数作为目标函数，将冷却介质的入口温度、体积流率及冷却管道的直径和位置作 为设计变量，利用c o n m i n 算法求解优化模型，对注塑成型的冷却系统进行优化； s m i t h 等将数值分析、灵敏度分析和数学规划方法结合对聚合物的挤出、注塑压 塑成型过程进行优化，得出了满足锁模力和注射速率约束条件下，使充填时间最 短的浇口位置和注射压力曲线；g e l i n 等将数值模拟和实验相结合改进模具设计； m c d a v i d 基于熔体前沿位置、速度和压力对形状设计变量的灵敏度，对金属铸造 1 0 i ij 尔大学硕十号：何论文 成型进行了形状优化；c h u m g 等基于热一力耦合模型研究了非等温非稳态成型过 程的优化设计方法【1 2 , 1 3 1 。 1 2 3 注塑模具c a d c a e 技术研究现状 因为塑料成型c a e 技术具有重要的实际意义，很多国家的科研机构和高等 院校与企业集团投入大量人力物力进行研究。 注塑模c a e 技术的发展从2 0 世纪6 0 年代的一维流动和冷却分析开始，至t j 7 0 年代二维流动和冷却分析再至t j 9