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汽車零部件異型冷卻水道設計
摘要
冷卻系統(tǒng)在注射成型過程中扮演著重要的角色決定了生產(chǎn)力和質(zhì)量。與當前的增長的固體成形技術(SFF)技術、模具設計師一直為之奮斗不是只有在冷卻系統(tǒng)性能改進同時尋求一個優(yōu)化方案。在本文中,每一個方案提出一套新的冷卻系統(tǒng),使模具均勻冷卻，整個模具表面冷卻周期時間最低?；谧⑸浜鬁囟确植?模具表面將分區(qū)冷卻的優(yōu)化subconformal渠道獲得的優(yōu)化過程。優(yōu)化過程中該目標函數(shù)最小化與降低邊界冷卻時間,確定冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化布局、通道的大小和位置。最后,通過連接所有的冷卻通道合,生成整個異型的注塑模具冷卻系統(tǒng)。
關鍵詞：注塑模具、異型冷卻水道、優(yōu)化、冷卻時間
簡介
塑料注射成型中應用日益廣泛近年來由于高生產(chǎn)率在創(chuàng)建產(chǎn)品與各種形狀和復雜的幾何在低成本。注射成型過程包括三個重要階段,充填階段、保壓階段,和冷卻階段(林,2002)。在這些階段,冷卻階段非常重要的,因為它大大影響生產(chǎn)率和質(zhì)量的最后一部分(湯等人,1997)。更超過70%的成型周期時間占冷卻階段。一個有效的冷卻系統(tǒng)的設計旨在縮短周期必須最小化意外缺陷等作為凹痕、微分收縮、熱殘余應力威脅,以及部分翹曲變形。在以往的研究中,許多計算機輔助設計(能)和優(yōu)化方法已應用于觀察和調(diào)整熱力系統(tǒng)的影響。研究機構(gòu)主要是開發(fā)熱分析模塊的商業(yè)CAE,比如C-MoldTM或MoldflowTM。 這些研究都是基于最初的設計個人經(jīng)歷所產(chǎn)生的設計師。然而,這些設計并不總是提供好的結(jié)果的工件幾何變得越來越復雜。
一般來說,模具表面溫度被認為是保持恒定，雖然有一個熱分布模具材料表面由于熱跑進了腔。這導致模具之間的差異
仿真結(jié)果和真正的注射成型工藝, 如果相同的冷卻利用相同的通道配置其冷卻效果也不唯一。此外,冷卻系統(tǒng)設計和制造一直局限于相對簡單的配置,主要是因為這個限制的制備方法以及缺乏適當?shù)脑O計方法。一個建議的解決方案應對這一挑戰(zhàn)是一個快速成型過程中進行了熱響應有一個形冷卻系統(tǒng)(李,2001)。異型冷卻水道,顧名思義,指通道符合模具型腔的表面。這些通道,可以在實際制造過程中生產(chǎn),同時比傳統(tǒng)的生產(chǎn)工具提高產(chǎn)率和部分質(zhì)量 (徐等人,2001)。因此,剩下的問題被認為是在冷卻方面,系統(tǒng)設計和加工條件在冷卻階段的注塑過程如下:(a)最小化冷卻時間和(b)的成就是統(tǒng)一的冷卻(例如, 模具表面溫度必須在所有點保持不變)。
首先分析注射成型過程中的傳熱問題。基于充填后溫度分布,模具表面被分成適當?shù)膮^(qū)域。這些區(qū)域?qū)?yōu)化冷卻的仿形渠道派生自優(yōu)化過程,為了獲得獨特的冷卻模具表面。目標函數(shù)的優(yōu)化過程是表達為最小化的冷卻時間,而設計變量選擇的是冷卻通道的大小和位置。最后,這些仿形冷卻集結(jié)合起來創(chuàng)建整個冷卻系統(tǒng)的異型通道注塑模具。
物理建模
在物理意義上,冷卻階段主要涉及非常復雜的問題。為簡化流程,下面是本研究的假設:
?在物理性質(zhì)的,因為變化的模具材料所引起的溫度和壓力不顯著的,他們被認為是為常數(shù)。
?在最初的階段,但是模具和塑料材料被假定為是他們自己的溫度的一致性,和塑料材料被認為不包含固體部分。內(nèi)部的壓力
?模具型腔假定常數(shù)。因此,大容量的塑料材料保持不變在凝固過程。最重要基礎計算出加熱系統(tǒng)模具的是它的熱量平衡因為模具溫度彈性體和熱固性塑料為100 ~ 150攝氏度高于熱塑性塑料。當一個熱量平衡建立了模具及熱塑性塑料在較高的溫度下,一個能量平衡將被設置來考慮熱量通量為擬定態(tài)的操作。在擬定態(tài)、熱通量提供給模具(數(shù)作為積極的)和熱通量移除從模具(統(tǒng)計為負)必須得到平衡。熱通量的平衡如下:
QKS+QE+QC=0 (1)
高溫熔融聚合物是帶走冷卻劑穿越冷卻通道和熱量交流的環(huán)境。冷卻劑流量通過渠道,并與一個特定的流量和溫度進氣冷卻通道是預先分配的。熱交流發(fā)生之間的強制對流冷卻劑和冷卻通道表面在一起換熱與環(huán)境。這個環(huán)境換熱主要由自然對流在環(huán)境空氣和模具表面的外觀(Menges等人,2001)。 外觀表面被認為是絕熱因為熱損失通過這個曲面是更少超過5%的總體損失在大多數(shù)注射成型應用程序(公園和Kwon,1998)。這個近似簡化了問題,同時,指出了事實:95%的高溫熔融聚合物必須刪除的冷卻劑通過冷卻通道。最后,換熱是完全熱量交換的熔融聚合物和冷卻劑。
QKS+QC=0 (2)
據(jù)Rao等(2002),從熱通量聚合物熔融冷卻介質(zhì)可以表述為:
熱通量交換的冷卻劑,在冷卻時間tC相當于:
TW是模具壁溫后右填充階段結(jié)束了。這個溫度,可以獲得實驗和仿真結(jié)果。冷卻通道的形狀也有影響在熱傳導效應,這是考慮到形狀因子Se(索恩,1997)。摘要形狀傳統(tǒng)的冷卻通道被選為圓形。因此,形狀因素Se是:
使用值為水的性質(zhì),熱量傳遞系數(shù)如下(Rao,1991):
雷諾數(shù),可以計算出如下:
在這種情況下,由于直徑的變化冷卻管路,水流流速的調(diào)整,以保持雷諾數(shù)常數(shù)緩解計算。
優(yōu)化策略
這種差異是由于溫度分布模具表面灌漿期后,一個冷卻配置不適合整個模具。為了增加表面溫度的均勻冷卻,模具表面分為區(qū)將冷卻仿形基于溫度冷卻通道分布不同于最小到最大值。發(fā)展中仿形冷卻通道參數(shù)得出下面提到優(yōu)化過程。在本文中,優(yōu)化過程是單獨應用對于每個單獨的分裂冷卻區(qū)。目標函數(shù)定義冷卻時間對冷卻管路地點和他們的半徑為為設計變量。努力的設計目標冷卻通道系統(tǒng),目標函數(shù)的冷卻時間是選擇通過結(jié)合公式(2)(7)
如下:
適當?shù)募s束必須還考慮在所有設計變量來保證設計現(xiàn)實和保證部分質(zhì)量。在這個問題上,上下邊界必須被放置在位置和每個冷卻通道的拉不僅要保持設計現(xiàn)實從制造觀點還保持力量的注入霉也swnsible范圍。 不等式約束與設計變量在上部和下部邊界是表達:
這個約束優(yōu)化問題可以很容易的解決了一些優(yōu)化算法如回應曲面法、模擬退火、遺傳算法、等等。在這項研究中,取得了較好的結(jié)果從解決生成的數(shù)值模型。Matlab編寫開發(fā)來計算值的冷卻時間從嗎每個組內(nèi)的參數(shù)不等式約束的上面提到的。從這些計算,優(yōu)化冷卻時間可以達到連同所需的值的參數(shù)。通過求解上述優(yōu)化問題,我們可以減少冷卻時間通過調(diào)整特性各設計變量如下:
(1)的距離與模具表面的中心
冷卻通道減少。
(2)兩個冷卻通道之間的距離減小。
(3)冷卻通道直徑的增加。
在結(jié)果上面提到的,距離模具表面的中心冷卻通道和冷卻通道之間的距離應該選為最低,而冷卻通道直徑的大小應該選為最大。這些參數(shù)必須彌補一組惟一的參數(shù),以便獲得最好的結(jié)果在冷卻階段,因為一個最低或最大的一個參數(shù)值,不能是一個不錯的選擇。例如,較小的距離從模具表面的中心冷卻通道,更多熱量會被迅速和更短的冷卻時間。但是,生成型腔表面溫度變化可以導致part-quality問題由于不恰當?shù)膬蓚€冷卻通道之間的距離?；谝郧暗慕?jīng)驗和工程分析,這些參數(shù)應該選擇如下:
此外,每個表面參數(shù)必須選擇冷卻通道,以便他們所有的結(jié)果在完全相同的最低冷卻時間。
優(yōu)化程序來確定的值提出的參數(shù)在圖2。最初,參數(shù)相關的特點對模具和塑料潛熱等材料的融合的聚合物,熔化溫度的聚合物,特定的熱量融化、熔體密度、thermo-conductivity熔體、熱電導率的模鋼、初始模壁溫度和形狀因數(shù)的塑產(chǎn)品是輸入。在下一步,充填階段仿真與商業(yè)運行分析軟件來獲取熱量分布。盡管在這個位置的溫度高的選手門(如果使用熱流道),模具壁溫通常被認為是不變的,然而計算處理過的傳熱和冷卻時間。然而,為了達到一個更精確的冷卻時間和獨特的冷卻區(qū),不同的溫度分布必須被考慮的。該位置的更高的溫度應該有能力消散更多的熱量,這意味著它必須有一個不同的冷卻配置。因此,塑料產(chǎn)品是分成更小的部分溫度從基礎上的最小的最大中獲取的值之前步驟。更精細的溫度范圍被分割了,更均勻冷卻區(qū)也有分歧。對于每一個分裂的溫度范圍內(nèi),平均溫度用作模具壁溫太瓦。這種模具墻溫度是一種主要參數(shù)用來計算冷卻配置在方程(8)。接下來,客觀函數(shù)解決了最小的冷卻時間約束。對于每個模具材料,將有一個建議為上、下邊界的形式的方程(10)。這種優(yōu)化可以解決問題任何工程優(yōu)化工具。這個過程結(jié)束參數(shù)a,b,華盛頓為每個分裂的冷卻區(qū)然后重復每個分裂的部分。
4異性冷卻水道的形狀
改善經(jīng)濟快速冷卻過程,而統(tǒng)一的冷卻導致產(chǎn)品質(zhì)量通過阻止微分收縮,內(nèi)部壓力,和脫模問題。兩個快速、均勻冷卻的實現(xiàn)是通過一個足夠數(shù)量的冷卻通道的位置正確。流體通道有效模具和部分冷卻應該被小心地放置以覆蓋大部分的成型表面。冷卻通道的形狀也是一個最在決定的重要因素的有效性系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的成型工藝,在此案這部分是大的塑料或有幾個核心來嗎同時,冷卻,最常用的兩個冷卻系統(tǒng)的冷卻在串聯(lián)及并聯(lián)的冷卻。雖然可能有一個圓形的一部分的形式,冷卻通道在系列用于實踐?；拘问?即:
并行和系列,一個傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)可以應用于形冷卻通道在被適當?shù)匦薷摹?
在本文中,我們提出三種類型的保形冷卻系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的類型與修改保留形性質(zhì);其中包括鋸齒形類型,形并行類型和形螺旋類型,如圖5所示。與保形曲折的類型,單獨的部分產(chǎn)品供應一個接一個的冷卻劑與其他。因為溫度差異的成型和冷卻劑降低面對不斷增加的流長度的冷卻劑,制服冷卻核不提供。因此,這個類型時,才應使用塑料部分不是太大。為了避免這種情況,采用平行冷卻。用平行冷卻、個人提供核心用冷卻劑,從主頻道和另一個收集渠道消除了冷卻劑。因此,每個核心都是美聯(lián)儲用冷卻劑的溫度相同。這提供了一個統(tǒng)一的冷卻,但大量的冷卻劑會使用。
在本文中,我們提出三種類型的異型冷卻系統(tǒng)基于傳統(tǒng)的類型與修改保留形性質(zhì);其中包括鋸齒形類型,并行類型和形螺旋類型,如圖5所示。與保形曲折的類型,單獨的部分產(chǎn)品供應一個接一個的冷卻劑與其他。因為溫度差異的成型和冷卻劑降低面對不斷增加的流長度的冷卻劑,制服冷卻核不提供。因此,這個類型時,才應使用塑料部分不是太大。為了避免這種情況,采用平行冷卻。用平行冷卻、個人提供核心用冷卻劑,從主頻道和另一個收集渠道消除了冷卻劑。因此,每個核心都是美聯(lián)儲用冷卻劑的溫度相同。這提供了一個統(tǒng)一的冷卻,但大量的冷卻劑會使用。
此外,螺旋冷卻模式,可以使用冷卻循環(huán)部分是可以修改的使用保形冷卻系統(tǒng)。從邊緣到冷卻劑流量該中心在螺旋模式。溫度的冷卻劑的增加,因為它流經(jīng)螺旋,而融化已經(jīng)冷卻下來一定程度上是因為流量的長度。
與SFF技術,這些形冷卻系統(tǒng)給更好的冷卻時的結(jié)果比原因為距離的冷卻通道和模具表面總是保持不變結(jié)果在更加統(tǒng)一的冷卻。每個冷卻系統(tǒng)設計應該靈活地應用對于不同形狀的塑料部件,必須依靠模具的工作機理來防止干擾在組件(如彈射別針,液壓線路傳感器,和其他人。
案例分析
程序用于開發(fā)形冷卻頻道已經(jīng)前一節(jié)中介紹。為了證明提出的適用性形冷卻通道系統(tǒng),一項試驗汽車部件產(chǎn)品實施。尺寸和厚度該產(chǎn)品是470×98×65毫米,約3毫米,分別。PA06的高分子材料,采用推薦的處理數(shù)據(jù)表1所示。在這項研究中,Moldflow軟件用于塑料工業(yè)應用CAE分析工具的分析注塑工藝。
首先,汽車部件模型提供所有必需的參數(shù)模具和塑料材料以及初始加工模具表面溫度等參數(shù),熔體溫度等被導入到CAE分析軟件,模擬可以在填充階段實施。
填充階段最大模壁溫和最低模具壁溫是266攝氏度和260攝氏度,分別,如圖5所示。溫度在點附近的跑步者明顯高于那些遠離跑步的門。這些值分成兩個子范圍:(一)從260攝氏度到263攝氏度,(b)從263年到266攝氏度高溫oC。區(qū)域的塑料的一部分氣溫下降到相同的溫度范圍內(nèi)會有同樣的保形冷卻通道配置。在這個用例中,有兩個獨立的冷卻配置兩個范圍內(nèi)的溫度。為了獲得這些兩個獨立的保形冷卻配置優(yōu)化流程將會運行兩次。大多數(shù)的輸入?yún)?shù)需要為運行優(yōu)化過程是同樣,除了一般的模具壁溫。兩不同的值的模具壁溫度是261.5攝氏度和264.5攝氏度。這些值是平均每個值溫度范圍。(即261.5攝氏度。平均的價值溫度范圍從260攝氏度到263攝氏度,264.5攝氏度是平均價值溫度范圍從263攝氏度到266攝氏度。)。這兩個輸出參數(shù)的優(yōu)化過程
如圖6所示。
設定好冷卻通道配置后,下一步是選擇應該使用哪種類型的冷卻通道。根據(jù)前面提到的優(yōu)勢和各自的優(yōu)缺點異型冷卻通道類型,冷卻通道在并行應該不能使用。剩余的解決方案是冷卻通道并行形式和在螺旋形式,如圖7。如果形冷卻通道在系列還在職,模具將會變得很復雜。這樣做的原因有:
?有兩種冷卻配置為整個產(chǎn)品,
?這個區(qū)有更高的溫度分布并不大。
因此,在呈螺旋狀形冷卻通道用于這個產(chǎn)品如圖8。
最后,冷卻階段仿真是完成了選定的異型冷卻通道配置。在這個研究中,傳統(tǒng)的冷卻通道仿真為了使對比提出了
在本文中,由于缺乏一個設施條件進行真正的實驗,模擬結(jié)果如圖9所示,圖10和圖11作為一個近似基金會評估適用性所提出的方法。參數(shù)輸入是同為常規(guī)冷卻通道模擬和形冷卻信道的仿真。對常規(guī)冷卻通道模擬,最小的差距模具表面和冷卻通道是相同的值作為模具表面之間的距離和冷卻通道在形冷卻仿真。
為了預測結(jié)果會出現(xiàn)在一個真正的生產(chǎn)過程,模擬與商業(yè)軟件完成。必要的參數(shù)進行了模擬包括:
1.比熱數(shù)據(jù)和熱導率的數(shù)據(jù)
塑料材料PA06
2.比熱數(shù)據(jù)和熱導率的數(shù)據(jù)
模具鋼材
3.冷卻劑的特征參數(shù)
4.處理數(shù)據(jù)PA06塑料材質(zhì)
5.冷卻通道的形狀
6.冷卻通道的配置
這些數(shù)據(jù)在仿真模擬和大量的試驗中得到證明，顯示出異型形冷卻通道相對于傳統(tǒng)冷卻通道的優(yōu)越性。由于短時間凍結(jié)和低體積收縮,這樣使冷卻通道得到一個較短的周期時間和產(chǎn)品質(zhì)量更好。這個產(chǎn)品還有均勻冷卻通道統(tǒng)一的冷卻。利用傳統(tǒng)工藝表面溫差在1.5-6攝氏度。在實際應用中是可以接受的，也已經(jīng)考慮到充填完全后表面溫差和如何提高表面質(zhì)量。
結(jié)論
自由制造流程可以創(chuàng)建注入成型模具與復雜的冷卻通道,提供潛在的顯著提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量。這種能力提出了挑戰(zhàn)設計復雜的冷卻通道需要實現(xiàn)這些改進。這項工作提出了一個系統(tǒng)保形的設計方法的冷卻通道將能夠更高效地和統(tǒng)一控制的模具通過保角冷卻溫度。熱分析正在開展一個優(yōu)化過程已經(jīng)開發(fā)達到最低冷卻時間,這是一個理想的冷卻通道的位置和直徑。這個熱量分布差異的填充后也被考慮在冷卻通道的設計。在這樣,一個不僅可以降低周期所需的時間當成型機是開始,又達到了統(tǒng)一的冷區(qū)。一項試驗是汽車部件還進行了證明提出的適用性方法。研究結(jié)果表明,這個提議方法可成功應用于提高生產(chǎn)率和部分塑料件生產(chǎn)質(zhì)量。
承認：這項研究受到蔚山大學的研究基金支持 (2007)