外文翻譯--單澆口注塑模具的優(yōu)化 中文版

1、<p>　　單澆口注塑模具的優(yōu)化</p><p>　　作者： LI Ji-quan， LI De-qun， GUO Zhi-ying， Lv Hai-yuan</p><p>　　作者單位： Department of Plasticity Technology, Shanghai Jiao Tong University,

2、 Shanghai 200030, China</p><p>　　刊名： 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)A(英文版)</p><p>　　英文刊名： JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY SCIENCE A</p><p>　　年，卷(期)： 2007,8(7)</p><p>　　郵箱：hutli@163.c

3、om</p><p>　　接收時(shí)間：2006年11月22日修改時(shí)間：2007年3月19日</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　這篇文章是研究關(guān)于在注塑模具中優(yōu)化單澆口位置的方法。澆口優(yōu)化的目的是減小注塑件翹曲變形等情況，因?yàn)閷?duì)于大多數(shù)注塑件而言，翹曲是一個(gè)非常重要的質(zhì)量問(wèn)題,而這又顯著影響了澆口位置。翹曲的定義特

4、征是表面的最大位移與表面的投影長(zhǎng)度的比例。優(yōu)化方案就是在模擬退火算法中結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)找到最佳澆口口位置。最后，通過(guò)一個(gè)例子進(jìn)行了探討和分析結(jié)果表明,提出的方法是有效的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：注塑模具 澆口位置 優(yōu)化 翹曲特征</p><p><b>　　簡(jiǎn)介：</b></p><p>　　塑料注射成型是一種廣泛使用的、復(fù)雜

5、的但高效生產(chǎn)、技術(shù)種類繁多的塑料制品方法，</p><p>　　尤其是那些擁有較高的生產(chǎn)要求,緊密的寬容,復(fù)雜的形體塑料制品。注塑件的質(zhì)量是一個(gè)關(guān)于塑膠材料、部分幾何、模具結(jié)構(gòu)和工藝條件的函數(shù)。注塑模具最重要的是以下三個(gè)組成部分：型腔、流道和澆口、以及冷卻系統(tǒng)。</p><p>　　Lam和Seow在2000年以及Jin和Lam在2002年都取得了通過(guò)改變壁厚達(dá)到型腔平衡的方法。在一個(gè)平衡

6、型腔充填過(guò)程中給出一個(gè)均勻分布的壓力和溫度可以顯著減小翹曲變形等情況。但是型腔平衡的只是影響注塑制品質(zhì)量的重要因素之一，特別是，部分在功能上有要求，而且，它們的厚度通常是不變的。</p><p>　　從設(shè)計(jì)注塑模具的觀點(diǎn)看，澆口的特點(diǎn)是它的大小和位置，以及六道系統(tǒng)的大小和布局。交口的尺寸和流道的布局通常設(shè)定為常量。相對(duì)的，澆口位置和流道尺寸更靈活，可根據(jù)不同的角色影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，它們經(jīng)常是作為優(yōu)化產(chǎn)品的參數(shù)。

7、</p><p>　　Lee和Kim 在1996年提出了通過(guò)優(yōu)化流道和澆口尺寸來(lái)平衡多流道系統(tǒng)進(jìn)入型腔。流道平衡被稱為多型腔模具中的相同的型腔提高不同的壓力，由于不同的壓力使融化的塑料在多型腔模具每一個(gè)不同體積和形狀的型腔底部流動(dòng)。這種方法顯示了在整個(gè)多型腔磨具循環(huán)周期中型腔壓力的均勻分布。</p><p>　　Zhai在2005年提出了一種高效率的基于壓力梯度搜索的優(yōu)化澆口位置的兩個(gè)型腔

8、成型的方法，后來(lái)通過(guò)改變多型腔模具的流道尺寸定位了焊縫,作為大型設(shè)備的一部分,需要多個(gè)澆口縮短最大流量的道路，相應(yīng)的減少注射壓力。這種設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)單型腔內(nèi)多澆口的流道和澆口的方法是很有前景的。</p><p>　　許多注塑件都是采用一個(gè)澆口，無(wú)論是在單腔模具或多腔模具。因此,優(yōu)化單澆口注射模具的澆口位置是最常見(jiàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)。Courbebaisse和Garcia在2002年提出了形狀分析方法，以便估計(jì)注塑成型的最好澆

9、口位置。隨后,他們發(fā)展并應(yīng)用該方法通過(guò)一個(gè)L型的例子進(jìn)一步優(yōu)化了單澆口位置，它應(yīng)用起來(lái)簡(jiǎn)單而且節(jié)省時(shí)間。而這僅僅是簡(jiǎn)單的厚度均勻的平面零件轉(zhuǎn)彎。</p><p>　　Pandelidis和Zou在1990年提出了通過(guò)采取直接相關(guān)質(zhì)量措施減少翹曲和材料老化來(lái)優(yōu)化澆口位置的方法，這是被描繪成一個(gè)溫差加權(quán)和的術(shù)語(yǔ),一個(gè)過(guò)度包裝術(shù)語(yǔ)，和一個(gè)摩擦過(guò)熱的術(shù)語(yǔ)，翹曲是受上述因素影響,但是他們之間的關(guān)系尚不清楚。因此，優(yōu)化的效果

10、受到加權(quán)因子測(cè)定結(jié)果的限制。</p><p>　　Lee和Kim在1996年開(kāi)發(fā)了一個(gè)自動(dòng)化的澆口位置的選擇方法，一個(gè)設(shè)計(jì)師在最初的一組澆口位置提出了最優(yōu)的澆口位置相鄰節(jié)點(diǎn)評(píng)價(jià)方法，結(jié)論在很大程度上取決于人類設(shè)計(jì)師的直覺(jué)，因?yàn)榈谝徊降姆椒ㄊ腔谠O(shè)計(jì)師的命題，所以結(jié)果在很大程度上是限于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　Lam和Jin在2001年開(kāi)發(fā)了一個(gè)在成型填充過(guò)程中基于對(duì)應(yīng)的最小標(biāo)準(zhǔn)偏

11、差流路徑長(zhǎng)度和標(biāo)準(zhǔn)偏差的填充時(shí)間澆口位置的優(yōu)化方法。隨后，shen在2004年通過(guò)減少充填壓力、不同流路的填充時(shí)間、溫度差異和過(guò)度包裝的百分比優(yōu)化了澆口位置的設(shè)計(jì)方案。Zhai在2005年研究了在注射最后階段優(yōu)化澆口位置的注射壓力評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。這些研究人員介紹了注塑模具在注塑操作時(shí)的相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)。但性能和品質(zhì)之間的相關(guān)性非常復(fù)雜,他們之間一直沒(méi)有明確觀察的關(guān)系。同時(shí)也很難為每個(gè)術(shù)語(yǔ)選擇合適的加權(quán)因子。</p><p&g

12、t;　　這里提出了一種新方法來(lái)評(píng)估注塑件澆口位置優(yōu)化的翹曲情況，部分直接測(cè)量質(zhì)量，這個(gè)調(diào)查定義了用翹曲特征來(lái)評(píng)估部分翹曲情況，通過(guò)軟件評(píng)估了從流動(dòng)翹曲到模仿輸出注塑成型。目標(biāo)函數(shù)最小化取得最低澆口位置優(yōu)化變形，采用模擬退火實(shí)現(xiàn)尋找最佳澆口位置。最后給出一個(gè)數(shù)值例子說(shuō)明了所提出的優(yōu)化程序的有效性。</p><p>　　質(zhì)量措施：特征翹曲度</p><p><b>　　定義特征翹曲度

13、：</b></p><p>　　運(yùn)用優(yōu)化理論來(lái)設(shè)計(jì)澆口，質(zhì)量的工藝措施部分必須被指定在第一個(gè)實(shí)例?！百|(zhì)量”涉及到產(chǎn)品的許多性能，如：力學(xué)性能、熱塑性、電學(xué)性、光學(xué)性、工效或幾何性質(zhì)等。產(chǎn)品的質(zhì)量有兩種檢測(cè)方法：直接發(fā)和間接法。直接的質(zhì)量檢測(cè)是指一個(gè)模型通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)性能的結(jié)果。相反，間接測(cè)量方法是指測(cè)量相關(guān)部分目標(biāo)的產(chǎn)品質(zhì)量,但是它不能對(duì)產(chǎn)品提供像直接測(cè)量那樣的估計(jì)實(shí)力。</p>&

14、lt;p>　　對(duì)翹曲變形等情況,得到間接質(zhì)量相關(guān)工作的措施之一是在注射成型流動(dòng)性能行為或?qū)@些進(jìn)行加權(quán)和。性能表現(xiàn)在填充時(shí)間沿著不同的填充路徑、不同溫度、包覆比例程度等等而會(huì)有所不同。很明顯,翹曲是受這些因素影響的，但翹曲與這些因素之間的關(guān)系是不明確的，而且確定這些因素是相當(dāng)困難的。因此，上述目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化很可能不會(huì)減少翹曲，即使是非常完美的優(yōu)化技術(shù)。有時(shí)，不適當(dāng)?shù)募訖?quán)因素將導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的結(jié)果。相關(guān)研究表明一些統(tǒng)計(jì)量的節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算

15、表征作為直接質(zhì)量的手段來(lái)達(dá)到最小變形優(yōu)化。統(tǒng)計(jì)量通常是最大的結(jié)點(diǎn)位移，統(tǒng)計(jì)值,在一定程度上代表了變形，很容易獲得的仿真結(jié)果。但不能有效地描述統(tǒng)計(jì)注塑件位移的變形。在工業(yè)中，設(shè)計(jì)師和制造商在注塑成型中通常會(huì)更加注意一些具體部位的翹曲程度。翹曲的定義特征描述是注塑件的變形。翹曲的特點(diǎn)是表面的最大位移與表面投影特征曲面長(zhǎng)度的比值。圖一：</p><p>　　這里的是指注塑件的翹曲度，h是注塑件偏移參考平臺(tái)的最大位移量，

16、l是注塑件在平行于參考面的投影值長(zhǎng)度。</p><p>　　圖1 翹曲特征的定義</p><p>　　對(duì)于復(fù)雜的翹曲特征(這里只討論平面特征)、翹曲特征在參考面上通常分為兩個(gè)情況,代表了一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng)：</p><p>　　這里的是翹曲在X、Y方向的特征值，Lx、Ly是翹在參考面的投影值</p><p><b>　　翹曲特征的評(píng)

17、估</b></p><p>　　結(jié)合相應(yīng)的參考平面與投影方向，在目標(biāo)特性測(cè)定之后，從它們的幾何關(guān)系中可以很快的算出L值（如圖2）.L在具體的表面特征和預(yù)計(jì)方向都是連續(xù)的。</p><p>　　但是對(duì)于h的測(cè)定就比L要復(fù)雜多了。</p><p>　　圖2 投影長(zhǎng)度的評(píng)估</p><p>　　模擬注塑成型過(guò)程是一種常見(jiàn)的預(yù)測(cè)零件設(shè)計(jì)

18、質(zhì)量、模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)定的方法。模擬的結(jié)果表示為翹曲的節(jié)點(diǎn)撓度在X,Y,Z軸方向的分量（）和節(jié)點(diǎn)的位移W。W是向量長(zhǎng)度的矢量之和,i,j,k是在X,Y,Z方向的單位向量，為了計(jì)算h,撓度與節(jié)點(diǎn)首先作如下的評(píng)估：</p><p>　　這里的是撓度在特定方向節(jié)點(diǎn)與參考平面的偏轉(zhuǎn)量。是節(jié)點(diǎn)在X、Y、Z方向的撓度。是在特定方向的向量角。A和B是投影方向的終端節(jié)點(diǎn)（如圖2）。和是節(jié)點(diǎn)A和B的撓度</p>&l

19、t;p>　　在工業(yè)中，翹曲的檢測(cè)是在儀表的幫助下進(jìn)行的，但是測(cè)量部位應(yīng)放置在同一個(gè)參考平臺(tái)上。H是測(cè)量表面和參考面的最大值。</p><p>　　澆口位置優(yōu)化問(wèn)題的形成</p><p>　　質(zhì)量術(shù)語(yǔ)“翹曲”是指永久變形的部分,它不是由一個(gè)載荷引起的。這是由于在整個(gè)成型過(guò)程中存在差動(dòng)收縮，引起聚合物流動(dòng)、包裝、冷卻、結(jié)晶的不平衡。</p><p>　　澆口的放置

20、在注塑模具是其中最重要的變量的總模具設(shè)計(jì)之一。澆口位置極大地影響了注塑件質(zhì)量，因?yàn)樗绊懼⑺芗魅胄颓坏姆绞?。因此，不同的交口位置在取向方面引起密度、壓力、溫度分布不均勻，因此引入翹曲不同的價(jià)值與分配。所以澆口位置的設(shè)計(jì)是減小注塑模翹曲的重要因素。因?yàn)闈部谖恢煤吐N曲分布的相關(guān)性，在很大程度上決定了塑料的融化和模具的溫度，它假定了成型條件是在這次調(diào)查中保持不變。注塑模翹曲部位的量化，在上一節(jié)的翹曲特征中已經(jīng)討論了。為了優(yōu)化單澆口位置，從

21、而制定如下公式：</p><p>　　這里的是指注塑件的翹曲特征，P注塑件在澆口位置的注射壓力，是注塑機(jī)允許的注塑壓力或者是設(shè)計(jì)者和制造商允許的特定注射壓力；X是澆口位置的坐標(biāo)向量，是注塑成型過(guò)程中有限元網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)部分；N是節(jié)點(diǎn)數(shù)目。</p><p>　　在有限元網(wǎng)絡(luò)模型中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能是澆口。因此，可能成為澆口位置的總數(shù)目是一個(gè)關(guān)于總結(jié)點(diǎn)數(shù)N和總優(yōu)化澆口位置數(shù)目的函數(shù)。</

22、p><p>　　在這項(xiàng)研究中，只對(duì)單澆口位置問(wèn)題進(jìn)行了研究。</p><p><b>　　模擬退火算法</b></p><p>　　模擬退火算法是其中一個(gè)功能最強(qiáng)大和最受歡迎的用來(lái)解決優(yōu)化問(wèn)題的元啟發(fā)式算法，因?yàn)樗峁┝私鉀Q現(xiàn)實(shí)世界難題的好方法。該算法源自于Metropolis的思想，他最初提出來(lái)是為了解決在給定穩(wěn)定下找到平衡點(diǎn)收藏的原子結(jié)構(gòu)。該算

23、法之間的關(guān)系和數(shù)字最小化是由Pincus在1970年首次提出的，但是在Kirkpatrick1983年提出的基礎(chǔ)上形成的組合優(yōu)化方法問(wèn)題。</p><p>　　應(yīng)用模擬退火法優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù),采用f作為能量函數(shù)E。問(wèn)題就變成了尋求近似全局最優(yōu)解，而不是找一個(gè)低能量的配置，用配置設(shè)計(jì)變量的值來(lái)代替能源框架結(jié)構(gòu)的值，用溫度來(lái)代替控制參數(shù)的過(guò)程。一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器被當(dāng)做是設(shè)計(jì)變量的有用途徑。很明顯,該算法只需要考慮最小

24、化問(wèn)題。因此,執(zhí)行一個(gè)最大化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)乘以(一1)獲得一個(gè)有用的形式。</p><p>　　退火算法比其他方法好的最主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠避免陷入極值。該算法采用了隨機(jī)搜索，這樣他不僅接受目標(biāo)函數(shù)f的減小，也接受它的增加，而后者則只是接受了一個(gè)概率P：</p><p>　　這里的f是f的增量，k是Boltzman常數(shù)，T是一個(gè)與原系統(tǒng)溫度目標(biāo)函數(shù)應(yīng)用對(duì)比有關(guān)的控制參數(shù)。</p>

25、<p>　　在優(yōu)化澆口位置的情況下，這個(gè)算法的應(yīng)用在圖3中有說(shuō)明，這個(gè)算法的詳細(xì)說(shuō)明如下：</p><p>　?。?）、SA算法通過(guò)一個(gè)指定的溫度參數(shù)T（溫度系數(shù)K初始值設(shè)為零）從最初的澆口位置開(kāi)始，退火工藝的合適的控制參數(shù)C（0< C <1）和Markov 的鏈N都已經(jīng)給出了。</p><p>　?。?）、SA算法在舊的澆口位置附近生成一個(gè)新的澆口位置和計(jì)算出目標(biāo)

26、函數(shù)。</p><p>　?。?）、新澆口位置由目標(biāo)函數(shù)決定</p><p>　　均勻隨機(jī)目標(biāo)在[0 1]內(nèi)產(chǎn)生，如果<，要么被接受，否則就是被拒絕了</p><p>　　、這個(gè)過(guò)程將通過(guò)迭代法重復(fù)相當(dāng)多的次數(shù)。用這種試驗(yàn)方法得到的一系列澆口位置被稱為Markov鏈。</p><p>　　、一個(gè)新的Markov鏈再續(xù)變溫后就產(chǎn)生了（開(kāi)始

27、于上一個(gè)Markov鏈的最后一個(gè)澆口位置）。同樣的過(guò)程一直持續(xù)到溫度降到足夠低致使該算法停止。</p><p>　　圖3 模擬退火算法的流程圖</p><p><b>　　應(yīng)用和討論</b></p><p>　　對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)部門來(lái)說(shuō)，在這部分的應(yīng)用說(shuō)明了我們提出的質(zhì)量檢測(cè)和優(yōu)化方法是可行的。這部分是一個(gè)制造商提供的，如圖四所示。在本部分

28、中，平面基底表面輪廓精度要求是最重要的。因此，翹曲特征論述了所涉及的參考平臺(tái)基底表面被指定為一個(gè)附在基底表面的水平面，縱向被指定為參考方向。參數(shù)h是基底表面的正對(duì)方向、即垂直方向的最大撓度，參數(shù)L是基底表面在縱向的投影長(zhǎng)度 </p><p>　　圖4 廠家提供的工件品</p><p>　　這部分工件的材料是尼龍101L（30%的EGF，杜邦工程聚合物），模擬模具成型的條件都在

29、圖5的表一中，顯示了有限元成型的數(shù)值模擬。它有1469節(jié)點(diǎn)和2492個(gè)部分。目標(biāo)函數(shù),即特征翹曲變形等情況,由Eqs進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從h的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)分析在MPI里的一系列“流動(dòng)+彎曲”。L在工業(yè)里是用來(lái)衡量產(chǎn)業(yè)部門的，L=20.50 mm．</p><p>　　表一 成型的模擬條件</p><p>　　MPI是注塑模具仿真中應(yīng)用最廣泛的一種軟件，可以再平衡流動(dòng)的基礎(chǔ)上找出最佳的澆口位置。澆

30、口位置分析是除了實(shí)證研究方法的設(shè)計(jì)澆口位置的最好工具。對(duì)于這部分，在分析了MPI澆口位置后，建議最好的澆口位置是在N7459節(jié)點(diǎn)附近，如圖5所示。在推薦的澆口位置基礎(chǔ)上進(jìn)行翹曲部分的模擬仿真，從而對(duì)翹曲特征進(jìn)行評(píng)估：這是一個(gè)很大的值，在生產(chǎn)試驗(yàn)中，翹曲現(xiàn)象在工件樣品中是可以看見(jiàn)的。這在大量生產(chǎn)制造過(guò)程中是不能被接受的。</p><p>　　基底表面的翹曲是由表面的玻璃纖維分布不均勻引起的，如圖6a所示。圖6a顯示

31、玻璃纖維因?yàn)橄麡O的澆口位置而朝著積極地方向變化，特別是最大的變化出現(xiàn)在纖維取向靠近澆口的地方。澆口位置引起了嚴(yán)重的不同收縮從而導(dǎo)致了澆口位置纖維取向的多元化變化。因此，翹曲特征很明顯，故澆口位置必須優(yōu)化以便減小翹曲度。</p><p>　　圖5 有限元網(wǎng)格模型的部分</p><p>　　玻璃纖維取向分布的不同澆口位置</p><p>　?。╝）、設(shè)置在N7459

32、的澆口</p><p>　?。╞）、N7379澆口位置的優(yōu)化</p><p>　　在前面“模擬退火算法”章節(jié)討論過(guò)的澆口位置優(yōu)化的搜索應(yīng)用在這部分。為了保證優(yōu)化的精度，迭代法的最大次數(shù)為30，而且當(dāng)沒(méi)有一個(gè)迭代的解決方案時(shí)，隨機(jī)試驗(yàn)的最大數(shù)量允許每個(gè)迭代過(guò)程被選擇10來(lái)作為減少這些迭代的可能性。圖5的節(jié)點(diǎn)N7379是用來(lái)發(fā)現(xiàn)優(yōu)化最佳澆口位置的。翹曲的特征來(lái)自于對(duì)翹曲模擬仿真結(jié)果的評(píng)估。這就

33、是小于MPI推薦的澆口值。在實(shí)試生產(chǎn)中翹曲部分要求滿足廠家的要求。如圖6（b）所示顯示了在模擬仿真中的纖維取向?？雌饋?lái)像澆口位置的優(yōu)化甚至導(dǎo)致了玻璃纖維的取向，從而大大減少在沿縱向垂直方向的收縮偏差。因此，翹曲情況減少了。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　翹曲的定義特征在這次調(diào)查中是用來(lái)描述注塑件的翹曲情況和評(píng)估數(shù)值模擬軟件MPI的。特征

34、翹曲情況評(píng)價(jià)基于數(shù)值模擬結(jié)合模擬退火算法優(yōu)化單澆口位置對(duì)注塑模具。翹曲特征情況的評(píng)估是注塑模具在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上結(jié)合模擬退火算法來(lái)優(yōu)化單澆口位置。我們將工業(yè)部分作為一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明我們提出的方法。該方法的結(jié)果產(chǎn)生了一個(gè)最佳澆口位置，制造商對(duì)這部分很滿意。該方法也適用于優(yōu)化其它的關(guān)于減小翹曲問(wèn)題。，例如澆口位置的優(yōu)化、流道系統(tǒng)的平衡和選擇各向異性材料。</p><p><b>　　參考</b>&

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50、<p>　　作者： LI Ji-quan， LI De-qun， GUO Zhi-ying， Lv Hai-yuan</p><p>　　作者單位： Department of Plasticity Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China<

51、/p><p>　　刊名： 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)A(英文版)</p><p>　　英文刊名： JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY SCIENCE A</p><p>　　年，卷(期)： 2007,8(7)</p><p><b>　　被引用次數(shù)： 2次</b></p><p

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