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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购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I 学院毕业设计 课程名称： 课题名称： 牛头支架 注塑模具设计 指导教师： 班 级： 姓 名： 学 号： 成绩评定： 指导教师签字： 年 月 日 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 I 摘 要 随着各种性能优越的工程塑料的不断开发，工业、民业的各种塑料制品需要的不断增长，注塑工艺越来越多地用于制造领域成形各种性能要求的制品。而注塑模具的设计质量、注塑机应用等直接影响成形制品的生产效率、质量及成本。一副好的注射模具可成型上百万次，由于其寿命的延长，从另一方面降低了塑件的成型成本，并且好的模具由于更换，检修少，从而提高了其生产效率。为了满足日益发展的工业的要求和民需生活品的需要，我们应不断的研究开发，设计出能提高注射 模性能的注射模，以满足各行各业的需要。 在本设计中，通过运用 头支架 进行一模 四 穴的设计开发，其中包括凸、凹模的设计、推出机构的设计、注射机的选择与校核、浇注系统的设计、冷却系统的设计、模架的选择等各项工作。在本设计中，设计的重点在成型零部件即凸、凹模的设计和浇注系统、冷却系统的设计。其中浇注系统和冷却系统的设计是一副模具的设计灵魂，浇注系统的设计直接影响着塑件的成型质量和生产效率 1。因此，对浇注系统的设计是注射模具设计的重点工作。而与此同时，模具的温度对塑件的质量和生产效率也着直接的影响，模具温 度的控制直接影响着模具的凝固时间和收缩内应力，从而影响模具的成型周期长短和塑件质量好坏，及其表面粗糙度等。在本设计中着重设计了凸、凹模尺寸、浇注系统和冷却系统的尺寸及其系统结构。通过本次设计，我们首先学习了解了我国塑料模具的现状和发展状况、注射模的基本结构和注射模成型工艺过程以及模具设计的基本原理。 关键词： 牛头支架 ；注射模；设计； 买后包含有 纸和论文 ,咨询 of to to is in of of by a on of be a of of on of as a of a In to of of we to of in to of of In AD in a on a of of of In to on of of is of a 1. of is of of At of a of of in we to of in of 买后包含有 纸和论文 ,咨询 I 目录 摘 要 . I . 塑料成型工艺性分析 . 1 塑件分析 . 5 注射成型过程及工艺参数 . 5 性能分析 . 6 2 拟定模具结构形式 . 1 分型面位置的确定 . 1 确定型腔数量和排列方式 . 2 模具结构形式的确定 . 2 3 注射机型号的确定 . 3 所需注射量的计算 . 3 注射机型号的选定 . 3 型腔数量及注射机有关工艺参数校核 . 3 4 浇注系统的形式和浇口的设计 . 7 主流道的设计 . 7 冷料穴的设计 . 9 分流道的设计 . 9 浇口的设计 . 10 浇注系统的平衡 . 11 浇注系统凝料体积的计算 . 11 浇注系统各截面流过熔体的体积计算 . 11 普通浇注系统截面尺寸的计算与校核 . 12 5 成型零件的结构设计和计算 . 14 定模部分的型芯与型腔 . 14 动模部分的型芯 . 15 成型零件的强度及支撑板厚度校核 . 16 6 模架的确定和标准件的选用 . 18 7 导向机构的设计 . 20 8 脱模推出机构的设计 . 21 9 排气系统的设计 . 23 10 温度调节系统的设计 . 24 冷却系统 . 24 加热系统 . 25 设计总结 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 28 1 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 2 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 3 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 4 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 5 1 塑料成型工艺性分析 塑件分析 该塑件为 牛头支架 ， 如图 1示 ， 图 1件零件图 该塑件为 牛头支架 ,所用材料为 颜色要求 ,生产批量为中批量 。 由塑件图分析可知 ,精度未注 ,采用一般 经济级 精度 6 级 。 所用塑料为 聚丙 烯 ,该塑料流动性好 ,注射充型流动平稳 ,塑件外设置有脱模斜度 ,脱模斜度为 30 注射成型过程及工艺参数 聚乙烯为典型的 热塑性塑料 ，是无臭、无味、无毒的可燃性白色粉末。成型加工的 脂均是经挤出造粒的蜡状颗粒料，外观呈乳白色。其分子量在 1 万一 范围内。分子量超 过 10 万的则为超高分子量聚乙烯 f 子量越高，其物购买后包含有 纸和论文 ,咨询 6 理力学性能越好，越接近工程材料的要求水平。但分子量越高，其加工的难度也随之增大。聚乙烯熔点为 10耐低温性能优良。在一 60 下仍可保持良好的力学性能，但使用温度在 80110 。 聚乙烯化学稳定性较好，室温下可耐 稀硝酸 、稀硫酸和任何浓度的盐酸、 氢氟酸 、磷酸、 甲酸 、醋酸、氨水、胺类、过氧化氢、氢氧化钠、氢氧化钾等溶液。但不耐强氧化的腐蚀，如发烟硫酸 浓硝酸、铬酸与硫酸的混合液。在室温下上述溶剂会对聚乙烯产生缓慢的侵蚀作用，而在 90下，浓硫酸和浓硝酸会快速地侵蚀聚乙烯，使其破坏或分解。 聚乙烯在大气、阳光和氧的作用下， 会发生老化，变色、龟裂、变脆或粉化，丧失其力学性能。在成型加工温度下，也会因氧化作用，使其熔体戮度下降，发生变色、出现条纹，故而在成型加工和使用过程或选材时应予以注意。正因为聚乙烯拥有如上特质，容易加工成型，因此聚乙烯的再生回收具有非常深远的价值。 2 注射工艺参数 表 1注射成型机类型 螺杆式 转速 （ 3060） r/筒温度 后 段 160170 中段 200220 前段 180200 喷嘴温度 250260 模具温度 4080 喷嘴形式 直通式 注射压力 70120压力 5060射时间 05s 成型周期 40120s 保压时间 2060s 冷却时间 1550s 注：源自参考文献 1中的表 4 性能分析 使用性能 聚乙烯为白色蜡状半透明材料，柔而韧，比水轻，无毒，具有优越的 介电性 能。易燃烧且离火后继续燃烧。透水率低，对有机蒸汽透过率则较大。聚乙烯的透明 度随结晶度增加而下降在一定结晶度下，透明度随分子量增大而提高。高密度聚乙烯熔点范围为 132，低密度聚乙烯熔点较低（ 112 ）且范围宽。 常温下不溶于任何已知 溶剂 中， 70 以上可少量溶解于 甲苯 、 乙酸戊酯 、 三氯乙烯 等溶剂中。 1 2 拟定模具结构形式 分型面位置的确定 在塑件设计阶段 ， 就应该考虑成型时分型面的形状数量 ， 否则就无法用模具成型。在模具设计阶段 ， 应首先确定分型面的位置 ， 然后才选择模具的结构。分型面选择是否合理 ， 对塑件质量工艺 ， 操作难易程度和模具设计制造有很大 影响。因此分型面的选择是注射模设计中的一个关键因素。 1) 分 型面的 选择 原则 1： (1) 分型面的选择应便于塑件脱模和简化模具结构 ， 选择分型面应尽量使塑件开模时留在动模 ; (2) 分型面应尽可能选择在不影响外观的部位 ， 并使其产生的溢料边易于消除和修整 ; (3) 分型面的选择应保证塑件尺寸精度 ; (4) 分型面选择应有利于排气 ; (5) 分型面选择应便于模具零件的加工 ; (6) 分型面选择应考虑注射机的规格 2) 分型面的选择方案 (1) 分型面选择方案 。分型面与开模方向垂直，位置选在如图 2动模上的型芯凸出 ， 开模后，塑件包紧型芯，留于动模，然后 采用脱模板将塑件 推出 ， 整个塑件成型精度较高，模具也比较简单。 图 2分型面形式与位置 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 2 综上所述 ，分型面选择方案，模具结构相对简单，塑件成型精度可靠，因此采用方案。 确定型腔数量和排列方式 该塑件 为小型塑件， 精度要求不高，又是中等批量生产，可以采用一模 多腔的形式。考虑到模具制造费用、设备运转费用低一些，初定为一模四 腔的模具形式。 如图2 图 2型腔的排列 模具结构形式的确定 从上面分析中可知，本模具拟采用 一模 四 腔，推件板推出，流道采用 平衡式，浇口采用侧浇口，定模不需 要设置分型面，动模部分需要一块型芯固定板和支撑板，因此基本上确定模具结构形式为 件板的单分型面注射模。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 3 3 注射机型号的确定 所需注射量的计算 1) 塑件质量、体积计算 对于 该设计，提供了塑件图样，据此建立塑件模型并对此模型 用建模 分析得： 塑件体积 31 64.8 塑件质量 2) 浇注系统凝料体积的初步估算 可按塑件体积的 估算，由于该模具采用一模 四 腔，所以浇注系统凝料体积为 312 3) 该模具一次注射所需塑料 积 3210 质量 注射机型号的选定 根据以上的计算初步选定型号为 型卧式注射机， 查表 2其主要技术参数见表 3 表 3注射机主要技术参数 额定 注射量 125模力 900杆直径 42杆内间距 260 360定注射压力 150大开 模行程 300射 时间 大模具厚度 300化能力 50kg/h 最小模具厚度 200杆转速 10 140r/位孔直径 100嘴球半径 嘴孔 直 径 4模 方式 液压 注： 该注射机由 上海 塑料 机械厂生产 型 腔 数量及注射机有关工艺参数校核 1) 型 腔数量的校核 (1) 按注射机的最大注射量校核型腔数量 式中 K 注射机最 大注射量的利用系数，结晶型塑料一般取 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 4 25 体积， 上式中 左边 =4; 右边 = 满足要求 (2) 由注射机料筒塑化速率校核型腔数量 12m 式中 K 注射机最大注射量的利用系数，结晶型塑料一般取 M 注射机的额定塑化量，该注射机为 50kg/h=s； t 成型周期，因塑件小，壁厚不大，取 50s； 单个塑件的质量和体积，取 ； 浇注系统所需塑件质量和体积，取 146.0 m 。 上式中 左边 =4; 右边 = 满足要求 2) 注射机工艺参数的校核 (1) 注射量的校核 注射量以容积表示，最大注射容积为 3m a x 式中 V 指定型号与规格的注射机注 射量容积，该注射机为 125a 注射系数，取 定型塑料取 晶型塑料取 处取 倘若实际注射量过小，注射机的塑化能力得不到发挥，塑件在料筒中停留的时间就会过长。所以最小注射容积 3m i n 。故每次注射的实际注射容积 V 应满足，而 30 ，符合要求。 (2) 锁模力 的 校核 当高压的塑料熔体充满型腔时，会产生一个沿注射机轴向的很大推力推T，其大小等于制件 浇注系统在分型面上的垂直投影面积之和乘以型腔内塑料熔体的平均压力。该推力应小于注射机额定的锁模力合T，否则在注射成型时会因锁模不紧而发生溢边跑料现象。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 5 型腔内塑料熔体的推力推T： 0 平均推式中 推 A 塑料与浇注系统在分型面上积 投影面积； 平均一般是注射压力的 30%50%， 动性好，所薄壁容器类，取型腔平均压力为 50 p 型腔内塑料熔体的压力 ； 0 K 压力损失系数，可在 范围内选取，此处选 上式 左 边 =50A 60A=右边 ，符合要求。 (3) 最大注射压力校核 注射机的额定注射压力即为该机器的最高压力 50（见表 3应该大于注射成型是所需调用的注射压力0P，即 0式中 k 安全系数，常取 k 。 0实际生产中，该塑件成型时所需注射压力00120于选用的是螺杆式注射机 ,其注射压力的传递比柱塞式要好 ,同时 动性好 ,因此注射压力00 代值计算 : 左边 =150 右边 = M P 符合要求。 3) 安装尺寸校核 (1) 喷嘴尺寸 1 主流道的小端直径 D 大于注射机喷嘴 d ，通常为 1 对于该模具 ，取 ，符合要求。 2 主流道入口的凹球面半径0R，通常为 21(0 对于该模具 2 30 ，符合要求。 (2) 最大与最小模具厚度 模具厚度 H 应满足式中 00 ， 00而该套模具厚度 6025634032255025 ，符合要求 。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 6 4) 开模行程和推出机构的校核 (1) 开模行程的校核 105(21 式中 H 注射机动模板的开 模行程，取 300表 3 1H 塑件推出行程，取 2H 包括流道凝料在内的塑件高度为 80值为 2 7)105( ，符合要求 (2) 推出机构的校核 该塑件的推出行程为 于注射的机推出行程，符合要求。 5) 模架尺寸与注射机拉杆内间距校核 该套模具模架的外形尺寸为 250 250注射机拉杆内间距为260360 36050合要求。 注：对上面 2、 3、 4、 5 的校核内容是与后面的模具结构设计交叉进行的。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 7 4 浇注系统的形式和浇口的设计 浇注系统是引导塑料熔体从注射机喷嘴到模具型腔的进料通道 ,具有传质、传压和传热的功能 ,对塑料质量影响很大。它分为普通流道浇注系统和热流道浇注系统 。 该模具采用普通流道浇注系统，包括主流道、分流道、冷料穴和浇口。 主流道的设计 主流道置于模具中心塑料熔体的入口处， 它将注射机喷嘴射出的熔体导入分流道或型腔中。主流道的形状为圆锥形，以便于熔体的流动和开模时主流道凝料 的顺利拔出。 1) 主流道尺寸 (1) 主流道小端直径 )11 ）（注射机喷嘴直径d 。取 (2) 主流道球面半径 ）（）（注射机喷嘴球头半径 2112210 。取 30 (3) 球面配合高度 。3 取 (4) 主流道长度 由标准模架结合该 塑料制件 的结构决定 取 L=80 (5) 主流道大端直径 )221(a a ，取为半锥角。取 (6) 浇口套总长 。0250250 2) 主流道衬套的形式 主流道小端入口处与注射机 反复接触，属易损件，对材料要求较严。因而模具主流道部分常设计成可拆卸 更换的主流道衬套形式即浇口套，以便有效的选用优质的钢材单独进行加工和热处理，采用碳素工具钢 处理硬度为 505图 4示。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 8 图 4流道衬套 由于该模具主流道较长，定位圈和衬套设计成分体式较宜，其定位圈结构尺寸如图 4示。 图 4位圈 3) 主流道衬套的固定 主流道衬套的固定形式如图 4示。 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 9 4流道衬套的固定形式 冷料穴的设计 冷料穴的作用是贮存两次注射间隔而产生的冷料及熔体流动前锋冷料 ， 以防止熔体冷料进入型腔。冷料穴一般设置在主流道的末端 ， 当分流道较长时 ， 在分流道的末端有时也设冷料穴。同时冷料穴兼有分模时将主流道凝料从主流道衬套中拉出并滞留在动模一侧。本设计采用推板脱模机构 ， 由于 采用 沟形头 冷料穴， 分流道的 设计 1) 分流道的布置形式 在分型面上与前面所述型腔排列密切相关 ， 有多种不同的形式 ， 但应遵循两个方面的原则 ： 一是排列紧凑 ， 缩小模板尺寸 ， 二是流程尽量短 ， 锁模力均匀。该流道布置采用平衡式 2) 分流道的长度 长度应尽可能短 ， 结合模具尺寸结构 ， 取分流道长度 L = 30) 分流道形状及尺寸 圆形分流道截面积虽然效率高 ， 但其是以分型面为界分成两半进行加工才利于凝料脱出 ， 因而其加工工艺性不佳 ， 不予采用。许多模具设计采用梯形截面 ， 加工工艺性好 ， 且塑料熔体的热量散失 ， 流动阻力均不大 ， 一般采用如下公式（参考文献 3公式 55确定截面尺寸 ， 即 式中 B 梯形大底面的宽度 (m 塑件质量 (g) L 分流道的长度 (H 梯形高度 购买后包含有 纸和论文 ,咨询 10 注 ： 上述公式的适用范围 ， 塑件厚度在 3下 ， 质量小于 200g， 且 B 的计算结果在 合理 。 由于 4 ，不在适用范围，需自行设计。 分流道 设计为 梯 形 ， 由参考文献 2中图 流道直径尺寸曲线一 ） 和参考文献 3中（常用分流道形状及尺寸） 取得分流道直径 ， 考虑到分流道长度系数 f ，所以修正后分流道直径为 ，圆整为 形斜角通常取 105 ，此处取 6 ；底部圆角 R=1 R=1截面形状及尺寸如图 4示。 图 4流道截面形状及尺寸 4) 分流道表面粗糙度 分流道表面不要求太光洁 ， 表面粗糙度常取 m ， 这可增加对外层塑料熔体流动阻力 ， 使外层塑料冷却塑料皮层固定形成绝热层 ， 有利于保温 。 此处取Ra m。 5) 分流道与浇口连接形式 分流道
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