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1、注塑模浇口位置优化新方法 经验搜索法 黄晓燕 (成都电子机械高等专科学校,四川 成都610031) 摘要:将数值模拟技术和优化算法相结合,提出了基于数值模拟技术的浇口位置的优化方法:经验搜索法。并对 浇口位置与塑件质量关系进行了分析和总结,归纳出浇口位置设计的基本原则,提出了确定各类塑件浇口位置的具体 准则。通过算例分析和方案比较,证明所提出的优化方法是行之有效的。 关键词:注塑模;浇口位置;经验搜索法 中图分类号: TQ320166+1 文献标识码: A 文章编号: 1005 - 5770 (2006) 05 - 0028 - 03 Experiential Scouting Method
2、: New Method of Optimization of G ate Location of Mold Design HUANG Xiao2yan (Chengdu Electromechanical Polytechnic School , Chengdu 610031 , China) Abstract : By means of the integration of numerical simulation methodology and optimization algorithms , a new method for the optimization of gate loca
3、tion by experiential scouting was put forward1The relationship between gate location and parts quality was analyzed , and the basic rules of the design of the gate location were summed up1Ac2 cording to the analysis and discuss , the new methods was effective1 Keywords : Injection Mould; Gate Locati
4、on; Experiential Scouting Method 在注塑成型工艺及模具设计中,浇口位置是一个 很重要的设计变量,它与塑料性能、塑件形状和尺 寸、模具结构及注射工艺等因素有关。不合理的浇口 位置将会导致塑件产生缺料、熔体破脆、熔接痕、缩 孔、白斑、烧焦、翘曲等一系列质量缺陷,甚至直接 产生废品,因此正确选择浇口位置是提高塑件质量的 重要环节。 浇口位置的确定往往要综合考虑很多因素,在实 际运用中,主要由模具设计者的经验决定或是由相关 的CAE软件分析得到。无论是哪一种,其结果都具 有一定的片面性。因此,本文在数值模拟技术的基础 上,结合了优化浇口位置的常用方法,建立以浇口位 置为
5、设计变量的优化数学模型,并最大程度地融入了 模具设计人员的经验,提出了一种新的实用的浇口位 置优化方法:经验搜索法。 1 浇口位置优化的经验搜索法 优化浇口位置最简单的方法是穷尽法,即对所有 可能的浇口位置逐一进行判定,但在有限元网格模型 中,每个节点都可能是浇口位置,所以这种方法耗时 太大;随机搜索法也是优化浇口位置常用的方法,当 目标函数是纯随机时,这种方法非常有效,但搜索的 盲目性较大,很难找出最优点;还有决策法,通常用 于大范围搜索空间问题,对节点较多时很实用,但搜 索的结果很大程度上取决于最初浇口位置的决策,当 最初浇口位置选择在远离最佳位置的区域,则该算法 只能搜索到局部最优,而无
6、法找出全局最优。 图1 经验搜索法流程图 Fig 1 Flow diagram of experiential scouting method 经验搜索是在搜索法和决策法的基础上,融入设 计者的经验提出的。即由设计者凭经验和浇口设计的 82 塑料工业 CHINA PLASTICS INDUSTRY 第34卷第5期 2006年5月 作者简介:黄晓燕,女, 1971年生,副教授,硕士,从事模具CAD/ CAM、注塑模设计等教学工作。028 - 81987657 , hxyxwj 1261com 实用准则给出可行方案,以这些方案为起点搜索出局 部最优;然后比较各局部最优值得到全局最优值。这 种方法的
7、突出优势有两点:一是保证了最终搜索到的 结果是全局最优,避免了由于搜索空间的局限和初始 浇口位置选择不当而陷入的局部最优;二是大大缩短 了搜索时间,避免了随机搜索的盲目性。图1为经验 搜索法流程图。 经验搜索法的计算机描述如下: 步骤l :输入M个可能浇口位置设计方案,计数 器i值取0。 步骤2 :取出第i个浇口位置设计方案Xi,并计 算该浇口的目标函数值Fi。 令Xnew=Xi,Fnew=Fi,i=i+ 1 ; 步骤3 :如果i为1 ,则令Xopl=Xnew,Fopl= Fnew。 步骤4 :将与方案X1的各浇口相邻的各点组合 成一组新的设计方案,并运行充填模拟程序计算目标 函数值。取所有满
8、足约束条件设计方案中目标函数最 小的值为Flow。Xlow为相应的浇口位置设计方案。如 果FlowFnew,则Xnew=Xlow,Fnew=Flow,重复步骤 4。 步骤5 :如果FnewFopl,则Xopl=Xnew,Fopl= Fnew。 步骤6 :若i=M则停止,否则转至步骤2。 步骤7 :输出最优浇口位置Xopl及目标函数值 Fopl。 上述算法中的第四步,对于多浇口位置优化设 计,一个浇口设计方案的邻域是一个庞大的数目,而 且与下一个可行浇口设计方案的邻域有很大重复,实 际上对于单浇口也存在同样的问题。为了节约计算时 间,我们把分析过的各个方案都记录在案从而避免不 必要的重复分析。
9、2 经验搜索法经验库的建立 从图1可以看出,经验搜索法中初始点的确定是 由经验库来决定的,准确的初始点,可大大避免搜索 的盲目性。经验库中收录了确定浇口位置的具体准 则,这些准则是模具设计人员的经验和智慧的结晶, 具有很强的可操作性。优化产生的新的浇口位置,又 可作为新的准则输入到经验库里,使开放式的经验库 不断得到扩充。 表1 各类注塑件浇口位置准则 Tab 1 Criteria for gate location of different injection2moulded parts 类型特征质量要求浇口位置准则塑件举例 壳体受力 避免应力集中,应力开 裂 浇口位置应使熔体主要流动方向的
10、流动距离一致,使冷 却一致,减少热应力集中 电动机罩盖、电器盒等 薄壁 避免填充不足,翘曲变 形 浇口位置应利于熔体流动;尽可能实现流动平衡仪器仪表盘、水瓶壳等 容器薄壁深腔避免填充不足浇口位置选用容器底部中心位置,顺序充填整理箱等 厚壁深腔避免缩孔、气泡 浇口位置利于补压、补缩;浇口位置利于排气,最后封 分型面 塑料桶、塑料洗澡盆等 结构件受压避免刚度不足弯曲变形 浇口位置应利于流动方向的高分子取向,并使高分子取 向方向垂直于受力方向 齿轮传动轴、汽车保险 杆等 受拉避免强度不足断裂 浇口位置应利于流动方向的高分子取向,并使高分子取 向方向与受力方向一致 联杆、吊灯杆等 平板件薄壁避免翘曲、
11、填充不足 浇口位置应使熔体主要流动方向的流动距离一致;尽量 减少流程 电视机面板、空调面板 等 厚壁 避免翘曲、气泡及表面 凹陷 浇口位置应使熔体主要流动方向的流动距离一致;尽量 减少分子取向倾向 塑料菜板、塑料桌等 装饰件 避免熔接痕、缩孔、缩 松、凹陷、银纹等表面 质量缺陷 浇口位置应在非装饰面或贴标签处,以免留下去浇口痕 迹;浇口位置应使熔料最后融合在非装饰面,以避免熔 接痕;浇口位置应利于排气和补缩 手机壳体、化装品容器 等 透明件 避免熔体破碎、气泡、 焦痕、黑点 浇口位置应为冲击型浇口;浇口位置应利于快速排气; 浇口位置应使流动尽量距离一致 透明面板、透明容器等 经验库是经验搜索法
12、得以实施的关键。不同的塑 件有不同的要求,而同一形状特征的塑件在实现不同 的使用需求时,其质量要求也不相同。也就是说,不 同功能、不同类型的塑件,质量要求不一样;即便是 同一类型的塑件,当其质量侧重点不同时,相应的质 量准则也不一样。例如,同样是壳体件,作为手机壳 体,注重外观质量,故熔接痕位置、表面凹陷、银纹 黑点等是考虑的重点;而电动车的箱盖,因要承受一 定的载荷,应力集中造成开裂是其主要质量缺陷。因 此,我们需要建立一个有层次的经验库。第一层,根 92第34卷第5期黄晓燕:注塑模浇口位置优化新方法 经验搜索法 据注塑件的使用特征,把注塑件分为壳体、容器、结 构件、平板件、装饰件、透明件6
13、类,对于不同类型 的注塑件,相应的浇口位置的设计经验也不相同,表 1列出了各类注塑件实用的浇口位置准则,供用户确 定经验搜索法的初始点时参考。 第二层,针对每一塑料,从不同的角度(主要是 塑件体积大小、浇口大小和原料成型性能三个方面) 建立相应的细则。在经验数据库中,可以用数据文件 记录的形式表达,方便用户查询。因篇幅有限,在此 只列出壳体件浇口位置准则(见表 2) 。 表2 壳体件浇口位置准则 Tab 2 Criteria for gate location of injection2moulded shell parts 特性质量要求浇口位置准则 塑件体积大避免填充不 足、避 免 缩 孔、
14、缩松 浇口位置应使熔体主要流动方 向的流动距离一致;浇口位置 应利于排气和补缩 小避免飞边浇口位置应利于快速排气 浇口大小大避免凹陷浇口位置对应处壁厚减薄20 % 小 避 免 喷 射, 避免受力开 裂 浇口位置应为冲击型浇口;浇 口位置应使冷却一致,减少热 应力集中 原料成 型性能 流动 性好 避免翘曲变 形 浇口位置尽可能实现流动平衡 流动 性差 避免填充不 足 浇口位置应利于熔体流动 3 算例分析 实验用一个薄壁大型平板件来验证经验搜索法的 可行性。 产品如图2所示,外形尺寸较大,壁厚为415 mm ,主要的质量缺陷为翘曲。用Pro2E做出产品的三 维模型,并转换为 1ST L文件。用Mo
15、ldflow Plastics In2 sight (MPI)对模型进行有限元网格划分, 得到1 126 个节点和2 248三角形网格单元。 图2 薄壁大型平板件的结构尺寸图和三维实体图 Fig 2 Diagram of structural size and 3D solid part 塑料原料选用 PP ( 牌号 366) 。主要的工艺参数 为:熔体熔融温度230,模具温度为50。注射 时间为1 s。设备为MPI自动选取的注塑机,其最大 锁模力为7 000122 t ,最大注射速率为5 000 cm3/ s。 根据经验,浇口位置设计方案可能有两个;图3 是方案一,从节点N1123处进浇;图
16、4是方案二,从 节点N625处进浇。方案三是以方案二为初始设计, 采用经验搜索法进行优化计算,在评判了23个方案 后程序结束,得到推荐浇口位置,对应于网格节点 535 ,即从节点N535处进浇(如图5所示)。 图3 方案一浇口位置 Fig 3 Gate location of Plan 1 图4 方案二浇口位置 Fig 4 Gate location of Plan 2 图5 方案三浇口位置 Fig 5 Gate location of Plan 3 表3 三种方案的比较结果 Tab 3 Results of comparisons among 3 plans 项目方案一方案二方案三 网格节点
17、号N1123N625N535 最大注射压力/ MPa701094416434195 过压比例/ %2 %14 %1 % 熔体流动前沿最大温差/317112016 到达最远端的最大时间差/ s121341190108 冷却最大时间差/ s2817526152515 用MPI软件可分别得到三种方案相应的数值模 拟分析等值线图。从方案三的等值线图及详细报表可 (下转第33页) 03塑 料 工 业2006年 =L ( T 1-T2) 式中,为膨胀变形量, mm;为钢材热膨胀系数, 11210 - 5/ - 1;T1为热流道板温度,;T2为模 具型腔板的温度,;L为浇口中心距离, mm。 该热流道板浇口
18、间距分别为160 mm和115 mm , 热膨胀值为01326 4 mm和01234 6 mm;则热流道板的 浇口间距应为L-= 160 - 01326 4 = 1591673 6 mm和 L-= 115 - 01234 6 = 1141765 4 mm ,即在前面板长 度方向上要产生0130135 mm的变形量后盖长度方 向要产生0120125 mm的变形量。因此,采用绝热 喷嘴与制品浇口中心偏置,成型时依靠热膨胀使绝热 喷嘴与制品浇口中心对准,并通过在型腔板上设置的 隔热垫块和两端部的支承销预留出间隙等措施,让热 流道板在长度方向自由伸缩。 416 脱模系统 塑件面积比较大,内部结构比较复
19、杂,在四周内 框内都有对应的内凸和内凹;因此,采用斜顶出进行 内凸和内凹的侧向脱模,并加以普通的顶杆一起顶出 脱模。在设计斜顶时应注意避免成型的斜顶在运动中 由于受翻转力矩的作用而发生卡死的现象;斜顶的斜 推角度不能做得太大,通常为6 10;斜顶的下导 轨的上表面需设计油槽,以保证斜推滑块与斜推下导 轨之间的润滑;为使斜顶在顶出过程中横向移动顺 畅,不至于陷入塑件内,导致塑件与斜顶一起侧向移 动的现象出现,在装配时,应使斜推端面最少低于模 板表面0105 mm。 5 结论 由于制品为浅腔框体和浅腔壳体,设计为叠层式 热流道模具,采用了长颈喷嘴来缩短热流道距离,利 用斜顶杆对制品的内凸、内凹进行
20、侧向抽芯。经生产 验证,该叠层式注射模具结构设计合理、可靠,制品 尺寸一致性好,模具费用降低30 % ,成型效率提高 一倍。 参考文献 1 徐燕君,陈剑玲,刘延华.模具工业, 2004 , (6) : 37 2 Frenkler D , Zawistowski H.Hot Runners in Injection Moulds. UK: Rapra Technology , 2001 3 申智开.塑料成型模具 1 北京:中国轻工业出版社, 2002 4 唐志玉.塑料模具设计师指南.北京:国防工业出版社, 1999 5 王永平.注塑模具设计经验点评.北京:机械工业出版 社, 2004 (本文于2
21、006 - 03 - 03收到) (上接第30页) 以看出(篇幅所限图略 ) , 熔体的两个主要方向的流 程基本一致,最大注射压力由方案二的44164 MPa降 到34195 MPa ,分别是方案一的4919 %和方案二的 7813 % ,符合能量消耗最小的原则,且温差最小,该 设计为合理设计。 表3为三种方案的数值分析比较表。从表中可看 出方案三在最大注射压力、过压、熔体最大温差、流 动平衡、冷却时间等方面都比方案一、二合理,由此 验证出以经验搜索法所确定的浇口位置是优化的结 果,该方法是行之有效的。 4 结束语 浇口位置是浇注系统设计的重点,它直接关系着 塑件的质量,本文将数值模拟技术与设
22、计经验相结 合,提出了经验搜索法,经过理论分析和实例运算, 证明所提出的浇口位置优化方法对于精度高、浇口位 置可行空间小的注塑模,效果明显。 (本文于2006 - 02 - 06收到) 帝斯曼工程塑料的中国江苏新厂正式启用 2006年5月8日,帝斯曼工程塑料今日宣布其位于中国江 苏省江阴市的新工程塑料共混厂于2006年4月26日正式启 用。 该项目投入运营后, Stanyl PA46、Akulon PA6以及Arnite PBT等产品系列的生产能力将实现翻番增长。采用此类材料生 产的关键成型部件被广泛应用于汽车、电子电气、消费及工 业产品领域。 过去十年间,通过为客户提供具有高附加值的创新工业
23、 解决方案,帝斯曼在中国持续稳步发展。新生产工厂的建立 也再次表明了其对中国市场的长期承诺。由此,中国客户在 本地即可获得帝斯曼全球技术的支持,客户服务的水平也得 到进一步提升。 新生产工厂采用领先复合技术,全面配备符合安全、健 康及环境要求的最优体系。它不仅可满足中国市场不断增长 的需求,并还将成为整个亚太地区的主要供应基地。该工厂 的设计允许将来的进一步扩建,以满足未来需求的增长。 帝斯曼全球董事会成员Nico Gerardu表示:“过去几年来, 我们在中国的业务增长迅猛。这一项目是帝斯曼2010愿景- 扬长出击中的一个重要新步骤。它主要服务于两个战略目标: 致力于性能材料市场驱动的增长和创新及扩大在新兴的中国 市场上的存在”该项目包括帝斯曼工程塑料地区发展及服务 中心的扩建。藉此,帝斯曼为客户,特别是中国以及亚太区 客户提供技术与设计支持的能力将得以进一步提高。 目前,帝斯曼正计划于同一基地上建立一家大型PA6聚 合工厂,目前这一项目正处于后期评估研究阶段。 33第34卷第5期王振保等:液晶显示器外壳的叠层式模具设计
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