（材料加工工程专业论文）注塑冷却工艺参数对冷却质量的影响及多目标综合评价研究.pdf

武汉理工大学学位论文独创性声明及使用授权书 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究- t 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对木研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名，：么逊曰翌2 蚪 学位论文使用授权书 木人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向困家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部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或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大 学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信 息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 鼍 导师( 签名) ：班日期2 坐生竺导师( 签名) 至盟日期鲨! ：! ：! ： 武汉理工大学硕士论文 摘要 传统的注塑成型工艺设计和调整主要依靠设计者的经验和直 觉，缺乏理论依据和科学计算，而且工艺参数之间存在交互影响， 依靠经验很难得到最佳的工艺条件；另外，注塑工艺控制最大的难 点在于对注塑工艺参数与质量指标之间的关系缺乏了解，造成工艺 参数调整的盲目性，加大了制品质量控制难度。而注塑冷却阶段占 了整个成型周期8 0 ，而且，型腔温度分布直接影响着塑件的质量， 因此有必要研究冷却工艺参数与冷却质量之间的关系，以及利用现 代优化算法进行冷却工艺参数优化设计，从而提高塑件质量。 论文选用的材料分别是无定型材料a b s 和半结晶型材料p p ， 首先应用部分因子实验设计方法分别针对成型周期和型腔温度分布 均匀性两个冷却质量指标，研究了冷却工艺参数之间的交互影响。 研究发现，在注塑成型过程中，冷却工艺参数对冷却质量确实存在 着交互影响，有的交互作用甚至大于单个因子；另外，筛选出了重 要工艺参数因子和交互作用因子，为后续的正交实验设计的因子选 取提供科学依据。 基于部分因子实验设计结果，应用正交实验设计方法分别研究 了冷却工艺参数因子及其交互作用因子对成型周期和型腔温度均匀 性指标的影响规律。研究结果表明交互作用因子和结晶材料特殊的 热属性对冷却质量指标随单因子变化曲线产生影响。 由于成型周期和型腔温度分布均匀性指标在实际生产中依情况 重要程度不同，也不可能同时达到最优。因此，有必要建立一种使 两个指标尽可能好的综合评价方法，基于部分因子实验结果选择合 适的实验因子，应用正交实验设计方法得到冷却综合指标最优的工 艺参数组合，利用b p 神经网络技术建立起冷却工艺参数与综合指标 之间的关系模型，达到在线预测的目的，为注塑工艺参数的设计和 调整提供了方便。 关键词：注塑成型，析因分析，正交试验，综合评价，交互作用 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ld e s i g na n da d j u s t m e n to fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s h a sb e e nl a c ko ft h e o r e t i c a lb a s i sa n ds c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，m a i n l y d e p e n d so nd e s i g n e r se x p e r i e n c ea n d i n t u i t i o ni ni n je c t i o nm o l d i n g ， a n dt h e r ea r ei n t e r a c t i o n sa m o n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i ti s d i f f i c u l tt o g e t t h eb e s tc o m b i n a t i o n o f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s r e l y i n g o n e x p e r i e n c e i na d d i t i o n ，t h em o s td i f f i c u l t yo fp r o c e s s i n gc o n t r o l l i e s i nt h el a c ko fu n d e r s t a n d i n g t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa n dt h ec o o l i n gq u a l i t yi n d i c a t o r s ，w h i c hc a u s eb l i n d n e s so f t h ea d ju s t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，i n c r e a s ed i f f i c u l t y o fc o o l i n g q u a l i t yc o n t r 0 1 t h ec o o l i n gs t a g ea c c o u n t e d f o r8 0 o ft h ee n t i r ec y c l e t i m e a n dt h ec a v i t yt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yd i r e c t l ya f f e c t t h eq u a l i t yo ft h ep l a s t i cp a r t s ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ec o o l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dc o o l i n gq u a l i t y ，a n db a s e o nm o d e r no p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t o o p t i m i z e t h ec o o l i n gp r o c e s s p a r a m e t e r sd e s ig n e dt 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 i nt h i sp a p e r ，a b s ( s e m i a m o r p h o u s ) a n dp p ( c r y s t a l l i n e ) w e r e s t u d i e d f i r s t l y ，t w o - w a y i n t e r a c t i o n so fc o o l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ( m e l tt e m p e r a t u r e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，e j e c t i o nt e m p e r a t u r e , a m b i e n t t e m p e r a t u r e ，c o o l a n ti n l e tt e m p e r a t u r e ，c o o l a n tr e y n o l d sn u m b e r ，a n d m o l d o p e nt i m e ) t o t h ec y c l et i m ea n dt h ec a v i t yt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y i n d e xw e r es t u d i e db yf r a c t i o n a l f a c t o r i a l d e s i g nm e t h o d i tw a sf o n dt h ec o o l i n gq u a l i t yi ni n j e c t i o nm o l d i n g i s a f f e c t e db yf a c t o r si nm u t u a li n t e r a c t i o n s ，s o m ei n t e r a c t i o n sa r em o r e i m p o r t a n t t h a n s e p a r a t e f a c t o r w h a t m o r e ，t h ei m p o r t a n tp r o c e s s p a r a m e t e r sa n d t h ei n t e r a c t i o n sw e r es c r e e n e d o u t b y f r a c t i o n a l f a c t o r i a ld e s i g nm e t h o d ，p r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i so fs e l e c t i n gf a c t o r s f o rt h ef o l l o w u po r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n b a s e do nt h er e s u l t so ff r a c t i o n a lf a c t o r i a le x p e r i m e n t a ld e s i g n ， o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nw a se m p l o y e d t os t u d yt h ee f f e c to ft h e - i l - 武汉理工大学硕士论文 p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s a n dt h e i rm a i ni n t e r a c t i o n so nt h e c y c l e t i m ea n dt h e c a v i t yt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t yi n d e x t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e r a c t i o n sa n dt h es p e c i a lt h e r m a lp r o p e r t i e s o ft h ec r y s t a l l i n em a t e r i a lp p a c t u a l l y a f f e c t e d c o o l i n gq u a l i t y i n d i c a t o r sc u r v ew i t ht h ec h a n g e so fas e p a r a t ef a c t o r t h et w oc o o l i n gq u a l i t yt a r g e t si st h em i n i m u mc y c l et i m ea n dt h e m i n i m u m c a v i t yt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n u n i f o r m i t yi n d e x ，t h e i r i m p o r t a n c ei sd i f f e r e n td e p e n d i n go nt h es i t u a t i o n s ，a n di ti sd i f f i c u l tt o a c h i e v et h eo p t i m u ms i m u l t a n e o u s l y t h e r e f o r e ，i ti s n e c e s s a r yt o e s t a b l i s hac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm e t h o dt or e a l i z et h et w ot a r g e t s a sg o o da sp o s s i b l e t h e n ，b a s e do nf r a c t i o n a lf a c t o r i a le x p e r i m e n t a l r e s u l t ss e l e c t e dt h ea p p r o p r i a t ef a c t o r s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n m e t h o dw a sp r o p o s e dt og e tt h eb e s tc o m b i n a t i o no fp r o c e s sp a r a m e t e r s a p p l i c a t i o no fb pn e u r a ln e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h er e l a t i o n s h i pm o d e l s b e t w e e nt h ec o o l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h ec o m p o s i t ei n d i c a t o r w a su s e dt op r e d i c tc o o l i n gc o m p o s i t eq u a l i t yo n l i n e ，t h ed e s i g na n d a d ju s t m e n tf o rt h ei n je c t i o nm o l d i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw o u l db em o r e c o n v e n i e n t k e yw o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n g ；f r a c t i o n a lf a c t o r i a l ；o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n ；c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；i n t e r a c t i o n - m 武汉理工大学硕士论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章概论1 1 1 研究意义1 1 2 注塑模冷却数值模拟及冷却优化设计研究进展2 1 2 1 注塑模冷却分析数值模拟研究进展2 1 2 2 冷却工艺优化设计国内外研究概况3 1 3 本论文的主要研究内容6 第2 章注塑模冷却系统设计及温度场的数值计算7 2 1 引言7 2 2 注塑模冷却系统设计7 2 2 1 注塑模冷却系统设计的质量目标7 2 2 2 注塑模冷却系统设计9 2 3 注塑模温度场1 4 2 3 1 塑件与模具之间的热传导1 5 2 3 2 模具与冷却管道之间的对流换热1 7 2 3 3 模具与周边环境之间的热交换1 7 2 4 冷却分析理论及数值计算1 8 2 4 1 数值计算的理论基础1 8 2 4 2 冷却分析的数学模型1 8 2 4 3m o l d f l o w 在注塑冷却分析中的应用及策略2 0 2 5 本章小结2l 第3 章注塑冷却工艺参数之间的交互影响2 2 3 1 引言2 2 3 2 有限元模拟方法的建立2 2 3 2 1 析因分析2 2 3 2 2 有限元模拟方案2 4 3 3 冷却工艺参数对成型周期的交互影响2 9 3 3 1 工艺参数之间的交互作用2 9 武汉理工大学硕士论文 3 3 2 工艺参数及交互作用的影响程度 3 4 冷却工艺参数对型腔温度均匀性指标的 3 4 1 工艺参数之间的交互作用 3 4 2 工艺参数及交互作用的影响程度 3 5 本章小结 第4 章工艺参数及其交互作用对冷却质量的 4 1 引言 4 2 模拟实验设计及结果的计算 4 2 1 正交实验设计 4 2 2 实验结果的分析方法 4 3 工艺参数及其交互作用对成型周期的影 4 - 3 1 对成型周期的影响趋势 4 3 2 方差分析 4 4 工艺参数及其交互作用对型腔温度均匀 4 4 1 对型腔温度均匀性指标的影响趋势 4 4 2 方差分析 4 5 本章小结 第5 章冷却质量多目标综合评价研究 5 1 引言 5 2 建立冷却质量多目标综合评价方法5 2 5 3 基于多目标综合评价方法冷却工艺参数优化设计5 3 5 4 冷却质量多目标综合评价快速预测及优化结果验证5 6 5 4 1 利用神经网络建立快速预测模型一5 6 5 4 2 优化结果验证5 9 5 5 本章小结6 0 第6 章总结和展望6 1 6 1 主要结论61 6 2 研究展望6 2 参考文献6 3 致谢6 7 附录6 9 武汉理工大学硕士论文 1 1 研究意义 第1 章概论 注塑成型因为可以大批量生产结构复杂、尺寸精确的塑料产品 而得到广泛应用，随着注塑产品在汽车、电子消费品上的应用越来 越广泛，以及人们对外观质量要求的提高，产品升级换代日益加速， 对塑料制品的质量和生产效率提出了更高的要求。由于冷却阶段占 据了8 0 的成型周期，而且，型腔温度分布直接影响着塑件的质量， 因此，提高冷却质量成为注塑成型越来越重要的课题【1 1 。 h a = 集液歧管；b = 模具；c = 供液歧管；d = 泵： e = 冷却管道；f = 软管：g = 隔水板；h = 温度控制器 图1 1 注塑模冷却系统典型组成机构 注塑冷却质量控制是一个复杂的过程，它涉及到塑料类型、模 具和冷却回路控制模块及注塑成型设备等诸多要素的影响，图1 1 是注塑模冷却系统典型的组成机构【2 】。当模具设计优化好后，塑件 的质量主要取决于注塑成型工艺过程的控制，因此工艺参数需要设 计和调整，以期望在最短的时间内生产出质量合格的产品。 传统的工艺设计和调整主要依靠设计者的经验和直觉，缺乏理 论依据和科学计算，而且工艺参数之间存在交互影响，依靠经验很 难得到最佳的工艺条件，从而导致生产效率低，塑件质量难以保证 武汉理工大学硕士论文 p j 。为了确定冷却系统参数对成型周期及型腔温度分布均匀性的影 响，优化冷却系统设计和工艺条件，国内外学者展开了大量的研究 工作。2 0 世纪8 0 年代以来，由于c a d 技术以及有限元、边界元等 数值计算方法的广泛应用，对冷却过程进行模拟取得了较大进展， 出现了一些商品化的冷却模拟软件。利用这些软件，在给定冷却系 统工艺参数后，即可计算模拟出冷却介质的流动状态，型腔温度分 布状态及冷却时间等，来判断冷却系统工艺参数设置的合理性，从 而为冷却工艺参数的设计与调整提供了科学依据。目前，注塑模c a e 模拟软件已经成为模具设计和成型工艺设置有利工具，但是，还仅 仅停留在校核设计方案的合理性，最终的设计方案仍需要依靠设计 者通过交互式的反复计算，比较多个方案的设计结果来确定较为合 理的方案，而且，设计方案的确定在很大程度取决于对输出结果的 正确判断，很难到达最优化【4 】。 现代优化理论与数值模拟技术结合，解决了这一难题，突破了 传统只能在注塑机进行反复调试的束缚，为注塑工艺设计人员设计、 修改工艺参数提供了科学理论依据【5 】。给定冷却系统设计参数后， 通过数值模拟技术可以计算得到成型周期、型腔温度分布等信息， 利用现代优化设计方法对冷却工艺参数进行优化，从而使得塑件在 短时间内实现均匀冷却。 1 2 注塑模冷却数值模拟及冷却优化设计研究进展 1 2 1 注塑模冷却分析数值模拟研究进展 在注塑成型数值模拟领域，国内外许多高等院校和科研机构与 企业投入相当的精力进行了研究，经过几十年的发展，这一领域研 究趋于成熟，数值模拟的精度也越来越高。注塑成型数值模拟研究 大致精力了以下几个阶段： 7 0 年代以前，由于受到计算机水平的限制，有限元分析也处于 发展阶段，英国、美国、加拿大等国的学者完成了一维流动和冷却 数值模拟，r o t h e z 6 】对熔体在等直径圆管内的流动进行了模拟研究， k a m a l 7 】和k e n i n g 8 】对半圆盘的流动过程进行了模拟，一维分析采用 有限差分法可以得到熔体压力，温度分布及注射压力等信息，计算 武汉理工大学硕士论文 速度快，但只能用于简单，规则的几何模型中。 7 0 年代开始到8 0 年代中期，流动模拟和冷却模拟采用二维模 拟分析，而二维模拟技术难点不仅是数值模型的构建上，另外一个 难点就是如何确定熔体流动前沿位置这种移动边界问题，b r o y e r 、 g u t f i n g e r 和t a d m o r 9 】利用流动网格分析法对完成了二维流动分析， 对保压、固化及分子取向问题进行了探索。h i e b e r 和s h e n 1 0 】将 h e l e s h a w 流动推广到非牛顿流体的非等温流动情况，并完成了采用 有限元法和有限差分法混合法进行求解，实现了将流道系统与二维 型腔相连接的流动分析。有限差分法将模具和制件划分成不同网格 大小的单元，冷却管道以一维单元近似，绘制出模具与制品的二维 温度场。 8 0 年代后期开始开展了三维流动分析和冷却分析，把研究扩展 到保压、分子取向、纤维取向以及制品的翘曲预测等领域【1 1 1 。9 0 年 代以后，开展了成型过程流动、保压、冷却、应力分析及翘曲的注 塑全过程的集成化模拟研究，考虑了它们的相互作用，提高了c a e 分析软件的精度以及适用性。与此同时，结合人工智能技术在c a e 应用中也取得了长足的进步。 国内在注塑成型数值模拟技术上的研究起步较晚，但是发展比 较迅速，华中理工大学模具国家重点试验室自行开发出了国内第一 个注塑模c a e 分析系统h s c 2 0 ，郑州大学橡塑模具国家工程研究 中心开发的z m o l d 软件，还有其他一些科研院校在这一领域做了 很多有益的探索。不管是国内还是国外，虽然注塑模数值模拟软件 获得了长足的进步，有了相当高的预测精度，但是仍然未达到尽善 尽美的地步，比如说有很多物理现象如粘弹性、结晶度、分子取向 等很难用数学描述的清楚，因此，在塑料的高分子物理、结晶度、 流变学等基础理论研究领域还有很多工作要做【1 3 】。 1 2 2 注塑模冷却优化设计国内外研究概况 整个注塑成型的过程包括了填充、保压、冷却和开模四个阶段， 其中冷却阶段占了成型周期的8 0 左右，模具型腔温度的高低及分 布的均匀性影响到塑件的生产效率和质量，由此可见，冷却阶段的 优化设计显得尤为重要【l4 1 。注塑模冷却系统影响的参数有很多，总 武汉理工大学硕士论文 的来说，主要考虑两方面的变量：一是模具设计变量，如冷却水管 设计的位置参数、冷却管道直径；二是冷却工艺设置变量，如冷却 剂入口温度及流速，熔体温度、模具目标温度等与模具温度场密切 相关的变量。 注塑模的冷却优化设计大多集中在对模具设计变量的优化研究 上，而利用现代优化算法和数值计算的结合来优化模具冷却系统的 设计成为热点问题。 h q i a o j 综合利用边界元法( b e m ) ，灵敏度分析，以及一种 混合d f p 和模拟退火( s a ) 的优化算法来优化冷却系统设计。 史帝文斯科技学院l iq t a n 9 1 1 6 】以型腔温度分布均匀和温度梯 度最小化为目标，利用雅可比共轭梯度有限元分析方法来求解瞬态 热传导问题，提出一种新的多腔注塑模具冷却系统优化设计方法。 台湾虎尾科技大学j c l i n t l 7 】利用c a e 模拟技术、模糊神经网 络和模拟退火算法，以实现塑料件最小翘曲为目标，来确定冷却管 道的位置参数。 郑州大学申长雨、祈东霞【”l 在注塑成型过程中应用边界元法温 度场数值模拟的基础上，推导出优化函数公式，并运用基因遗传算 法来优化注塑模冷却系统参数，从而确定冷却管道的半径和位置， 使得在尽可能短的冷却时间实现注塑模型腔温度分布均匀，达到最 佳的状态。 中南工业大学杨宁【1 9 】等利用灵敏度分析方法，通过判断注塑模 温度场对冷却参数的敏感程度，实现对已有设计的动态修改。 在冷却系统模具优化设计上，有的学者通过冷却系统设计的规 则知识( c b r ) 和事例知识( r b r ) 进行了合理的表示，并利用智 能化推理机制根据塑件结构自动设计出冷却系统，目前的主要研究 成果有： 香港大学的c l l i 【2 0 】采用特征技术和规则知识推理、事例知识 推理相结合的方法，进行注塑模冷却系统的设计，其创新点在于将 复杂形状的塑件分解为具有简单形状的特征，通过实例推理或规则 推理获得简单形状特征的冷却系统，并对简单形状特征的冷却系统 进行组合，生成完整的冷却系统。 大连理工大学的孙茜【2 l 】采用基于模糊理论的知识模型和基于特 武汉理工大学硕士论文 征的编码体系，分别对冷却系统设计的规则知识和事例知识进行了 合理的表示，建立了具有层次结构的冷却系统知识库。并采用模糊 推理和事例推理两种方式引导冷却系统智能化推理机制进行推理。 华中科技大学的华都【2 2 】通过分析注塑模具各模板水孔和水道及 其相关结构件的关系，采用关联设计技术，简化了模板水孔的设计 过程，提高了冷却系统的设计精度和效率，保证设计结果的一致性。 冷却系统优化设计在模具制造技术方面也有创新，韩国学者 h s p a r k 2 3 】利用自由实体制造技术，可以制造出形状复杂的随形冷 却管道，大大改善生产效率和注塑件的质量。 图1 2 自由实体制造技术冷却管道布置模型 而在注塑工艺优化这一方面，研究的重点在为了降低塑件的翘 曲变形、收缩、熔接线、沉降斑等质量缺陷，运用一种或混合t a g u e h i 试验设计、响应面法、神经网络、遗传算法和模拟退火算法等优化 算法来优化注塑模工艺参数。比如有： k u r t a r a nh a s a n 2 4 】等利用响应面法和遗传算法结合的方法，来优 化薄壁塑料制品的翘曲变形。 b o z e e l i k 2 5 】利用c a e 模拟分析方法，结合正交试验，神经网 络和遗传算法，以最小翘曲为目标，来优化注塑模工艺参数。 m i r i g u la l t a n 2 6 1 利用t a g u c h i 试验设计方法，变量分析 ( a n o v a ) 和神经网络方法，通过优化熔体温度、注射压力、保压 力和保压时间来减小注塑件的收缩。 在这方面的研究很多，也日趋成熟。就目前掌握的资料来看， 对于将现代优化算法与数值模拟技术结合起来对注塑模冷却工艺参 数进行优化，国内外还没有十分成功的例子。 武汉理工大学硕士论文 1 3 本论文的主要研究内容 注塑工艺控制最大的难点在于对注塑工艺参数与质量指标之间 的关系缺乏了解，造成工艺参数调整的盲目性，导致制品质量控制 难度【2 7 】。因此，本文研究了冷却工艺参数与冷却质量指标之间的影 响关系，确定各工艺参数对冷却质量的影响程度，为控制变量的选 取和调整提供了科学依据。在此基础上，通过筛选出对冷却质量影 响较为显著的因子，基于正交实验设计方法多目标优化冷却工艺参 数，并建立了工艺参数与多目标综合指标之间的关系模型。主要工 作内容如下： ( 1 ) 冷却工艺参数对冷却质量指标的交互影响分析。由于模具 温度场热传导过程是一个循环往复的过程，各工艺参数之间必然会 存在交互关系，而交互作用是否对冷却质量指标存在影响，因此， 通过析因分析研究了冷却工艺参数的交互影响，筛选出工艺参数之 间重要的交互作用。本文主要研究了无定型材料a b s 和半结晶型材 料p p 的冷却工艺参数对成型周期和型腔温度分布均匀性指标的交 互影响。 ( 2 ) 研究了冷却工艺参数及其交互作用对冷却质量的影响。分 别研究了a b s 材料和p p 材料冷却工艺参数及其交互作用对成型周 期和型腔温度均匀性指标的影响规律，以及它们对质量指标的影响 程度。 ( 3 ) 研究了冷却质量多目标综合评价的方法。衡量冷却系统好 坏有两个指标分别是成型周期和型腔温度均匀性指标，根据这两个 质量指标的重要性分别赋予不同的权值，并研究得到可靠的s 型映 射函数将两个目标值映射到【0 ，1 】空间，从而得到加权综合评分，并 基于正交实验设计优化方法，得到一组综合指标质量最优的工艺参 数组合。 ( 4 ) 冷却工艺参数与综合质量指标之间的关系模型的建立。由 于正交实验设计获取冷却综合质量的过程太复杂，如果能够快速得 到冷却综合质量指标，为工程师在线质量控制提供方便。本文根据 前面实验分析结果，利用b p 神经网络强大的函数逼近能力，建立了 冷却工艺参数与综合指标之间的关系模型。 武汉理工大学硕士论文 第2 章注塑模冷却系统设计及温度场的数值计算 2 1 引言 为了使塑件安全的从模具中项出而不发生变形，必须对高温的 熔融塑料进行冷却。一方面，冷却时间占据整个注塑周期8 0 左右， 优秀的冷却系统设计能显著地减少冷却时间从而提高生产效率。另 一方面，均匀的模具型腔温度分布有利于减少翘曲变形，降低塑件 的内应力，提升表观质量【2 8 1 。 2 2 注塑模冷却系统设计 2 2 1 注塑模冷却系统设计的质量目标 注塑模冷却系统的设计包括模具冷却系统的设计和注塑成型工 艺的设计。涉及到从模具设计到注塑成型整个过程的冷却质量控制， 直接影响塑件的质量和生产效率。衡量冷却系统设计好坏应该有两 个最主要的目标【2 9 】：一是成型周期最短；二是型腔表面温度分布均 匀。 2 2 1 1 成型周期 一个完整的注塑成型过程包括了填充、保压、冷却和开模四个 阶段，其中，冷却阶段的时间占据了成型周期8 0 的时间，如图2 1 所示，当填充和保压阶段已经被优化，改善冷却系统设计能有效减 少冷却时间，从而能显著的减少成型周期，并降低成本。 冷却时间 8 0 图2 1 成型周期 l 填充时间i l 目保压时间i l 一冷却时间l i 口开模时间i 武汉理工大学硕士论文 下面给出两种典型塑件的冷却时间【3 0 1 公式： 1 平板形塑件 假如宽厚度比( w h ) l0 15 ，或长高比( l h ) 1 0 15 ，l 、 w 和h 是分别表示塑件的长，宽和高，如图2 2 所示。 气 图2 2 平板形塑件 塑件壁厚中心层温度达到顶出温度时需要的冷却时间为： = 刍砌 氧箍) ( 2 - 1 ) 式中：h 是塑件厚度，口塑料熔体热扩散率，瓦是模具温度，乙 是冷却阶段开始时的温度，是顶出温度。从( 2 1 ) 可以看出，冷 却时间与壁厚是平方倍的关系，当厚度加倍，就需要4 倍的冷却时 间，成型周期也要增加。 2 圆柱形塑料 假如长径比l d 1 0 1 5 ，l 是圆柱形塑件的长度，d 是直径。如 图2 3 所示。 图2 - 3 圆柱形塑件 塑件截面中心层温度达到顶出温度时需要的冷却时间为： 删3 等砌 0 6 9 6 ( 箍) 协2 ， 武汉理工大学硕士论文 式中：只是圆柱形塑件的半径，口塑料熔体热扩散率，已是模 具温度，已是冷却阶段开始时的温度，z 是顶出温度。 2 2 1 2 型腔表面冷却均匀 模具型腔表面的均匀程度对制件质量有直接而显著的影响【3 ， 当模具冷却不均匀时，就会产生以下质量缺陷： 1 翘曲变形 尺寸的稳定性是衡量塑件质量的一个重要指标，因此，减少不 同方向和区域的收缩差异是消除翘曲变形的重要手段，须从产品结 构设计、模具设计及注塑工艺过程控制几个方面来控制塑件的翘曲， 其中，模具的均匀冷却极为重要，塑件从熔融状态慢慢固化过程中， 塑件与模具紧密贴合，不均匀的型腔温度会造成收缩的不一致而导 致翘曲。 2 表面质量 表面质量缺陷主要是塑件表面无光泽、凹凸不平或者有明暗相 间条纹等情况。一般来讲，这些表面质量缺陷是由模温控制不当产 生的，高模温可改善塑件的表观质量。 3 塑件内部应力 塑件内部应力主要有取向应力和温度应力。取向应力一般与注 塑工艺条件有关( 如熔体温度、保压时间及注塑压力等) ，也与冷却 系统的模具温度不均有关，在模具温度较低区域，聚合物的大分子 运动容易冻结，取向能力减少，取向程度增加，而模具温度高的区 域刚好相反，取向程度的不同会造成取向应力。温度应力则是由于 温度变化，塑件产生伸或缩，而当伸缩受到限制时，内部便产生应 力，温度应力一般是因为冷却不均匀而产生的。 2 2 2 注塑模冷却系统设计 2 2 2 1 冷却系统模具设计 1 冷却管道的布置形式 冷却管道通常有两种排列形式( 见图2 4 ) ，一种是串行，另一 种是并行，由于冷却管道并行，每个冷却管道的流动阻力不一样， 武汉理工大学硕士论文 并行冷却管道的流速不一致会导致冷却不均，而串行的冷却剂流速 基本保持不变，因此，串行冷却管道最为常见。 嗍中 图2 - 4 冷却管道布置方式 2 冷却管道的布置原则 冷却管道的设置通常受到很多因素的影响，比如模具型芯的几 何尺寸，分模面的设计，顶出杆等，因此没有严格的设计规范。但 是对于大多数等壁厚的简单塑件，冷却管道的布置应尽可能均匀； 对于那些容易产生热积聚的模具角落，冷却管道的设置应尽量靠近 较厚、较热的区域，且远离容易冷却的位置，如图2 5 所示。 a b c a b ( a ) 常规布置( b ) 均匀冷却布置 a 等温线；b 热积聚；c 冷却管道 、 图2 5t 型塑件冷却管道布置 3 冷却管道离型腔的距离 冷却管道离型腔壁距离越近，吸收的热量多，冷却时间缩短， 但是型腔表面温度分布不均匀；如果冷却管道离型腔壁距离太远， 虽然型腔壁温度均匀了，但是吸收的热量少，成型周期增加，如图 5 冷却管道的特殊形式 当一些需要冷却区域无法用常规的冷却管道布置时，应该采用 隔板式或喷管式，如图2 8 、图2 - 9 所示。 武汉理工大学硕士论文 图2 - 8 隔板式图2 - 9 喷管式 2 2 2 2 冷却系统工艺设计 1 熔体温度与模具温度 熔体温度和模具温度是影响成型周期的两个主要因素，两者都 需要优化以获取高质量的塑件。增加熔体温度和模具温度都延长了 冷却时间是因为冻结层达到所需的厚度需要更长的时间。图2 10 显 示的是成型周期与模具温度的关系，从图中可以看出，降低模具温 度有利于提高生产率从而降低成本。 图2 1 0 成型周期与模具温度的关系 2 顶出温度 顶出温度是可将零件从模具中安全顶出而对塑件没有不良影响 时的塑料温度。通常，成型周期是由将塑件温度降低到能够安全顶 出的程度所耗费的时间决定。 3 环境温度 模具与周围环境有两种形式：一是模具与周围环境的对流换热； 二是模具表面对周围环境的辐射换热。在冷却分析中只考虑模具与 周围环境的对流换热。 武汉理工大学硕士论文 4 冷却剂温度及流速 、 通过使用冷却水或其它冷却介质流过冷却管道，来控制型腔表 面温度，常用的冷却介质及温度范围如表2 - 1 所示。 表2 1 常用的冷却液及温度范围 冷却液温度 水源或冷却塔的普通水 加热器循环器装置的普通水 冻水机的冷水 冻水机与防冻剂混合的水 加热器循环器装置的油 2 0 2 5 3 0 1 0 5 8 0 冷却管剂的流动行为影响模具与冷却管道之间对流换热能力， 冷却液流动状态可呈层流、湍流或层流与湍流之间的过渡状态( 见 图2 1 1 ) 。图2 1 2 显示的是冷却管道与模具之间的换热能力与流速 之间的关系，显然，提高冷却水流速能提高换热能力，但是泵送功 率是冷却水流速的立方倍，冷却流速加倍，泵送功率就要提高8 倍， 需要消耗更多的能量。通常用雷诺数来表达冷却剂的流速，雷诺数 大于4 0 0 0 可视为湍流状态。 图2 11 层流和湍流 # , o i l 燕际擀s 图2 1 2 冷却剂的对流换热能力与流速之间的关系 武汉理工大学硕士论文 5 开模时间 延长开模时间会增加成型周期，同时使得塑件与模具之间的热 传导中断时间延长，从而对模具型腔温度场产生一定的影响。 2 3 注塑模温度场 注塑成型过程是一个循环往复的周期性过程，这也决定了模具 温度场的变化规律也是一个周期性变化的过程。 从图2 1 3 可以看出，在微观上，由于塑件与模具之间的热传导 会在开模时暂时性中断，使得模具表面瞬态温度会在循环周期内波 动，因此曲线呈锯齿形。在宏观上，在注塑循环初期，循环周期平 均温度随时间( 或注塑次数) 的增加而逐渐升高，该阶段工况不稳 定；经过一段时间( 或注塑次数) 后，进入稳定的工况期，循环周 期平均温度基本保持不变，但模具型腔壁温度仍然进行周期性波动。 模具任一点的温度变化都服从上述规律【3 2 1 ，区别在于瞬态温度波动 幅度不一样而已。 滠 度 图2 1 3 模具型腔温度变化示意图 时闻 高温熔体带给模具的热量经过模具传递给冷却管道，然后由冷 却介质带出模具，其余一些热量经过模具外表面以对流、辐射的方 式传给模具周边环境。如图2 1 4 所示，模具的热交换有以下三种形 武汉理工大学硕士论文 式： ( 1 ) 熔体通过模具型腔表面，以热传导的方式将热量传递给模 具，如图2 1 4a 点所示； ( 2 ) 模具通过冷却管道将绝大部分热量传递给冷却介质，冷却 剂以对流换热的方式将热量带走；如图2 1 4c 点所示； ( 3 ) 周边空气与模具外表面以对流换热的方式，以及模具辐射 换热的方式将部分热量释放掉，如图2 1 4b 点所示。 、 r - 彳 婆过1 瀚 ；= ：n 黧；鬈纂 i i 1 llll 弋、) ：小、? 。叫 芳享；涔旁蓼 孓： 惑 、f “1 一_；彩7 ，4 , - 。j 惑 o 、一；形 钐 隔 芴万 。乡，勿 慧 多参譬? j ? ，7勇 黪兹 ：塑件： 球夕： 遵蕊饔； - ，+ ，。，以 、， 啊、卜、i 。：、警粼 一一一n 翊卜v 、上l l 图2 1 4 注塑模具截面图 2 3 1 塑件与模具之间的热传导 在注塑冷却过程中，型腔温度随时间不断改变，这个过程完整 的数学描述非常复杂，按照以下原则进行简化： ( 1 ) 忽略相变潜热，将物性参数当成常数，把这一过程当作纯 导热过程。 ( 2 ) 假设热流只沿型腔表面法向方向传递。 在模具型腔表面，塑件的导热满足傅里叶定律： q = - 2 g r a d t f ( 2 3 ) ，1 或：q = 等= - a g r a d t ( 2 - 4 ) 武汉理工大学硕士论文 式中：q 为塑件在单位时间内释放的热量；a 为塑件的导热系 数；f 为塑件表面积；q 为单位时间、通过单位面积所传递的热量， 即热通量；g r a d t 为温度梯度。 当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导 热热阻。模具型腔与冷却水道之间的热传导，可以建立如图2 1 5 所 示模型，计算公式如下： 尺= 击 而筛爿l g ( 詈一i b ) 5 ， 式中：r 表示热阻，乃模具材料导热系数，彳和召是冷却管道 表壁尺寸，a 和b 是型腔面尺寸，模具型腔面到冷却管道壁表面之 间的距离。 有a b = a