单浇口的塑料注塑模具的优化外文翻译资料

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单浇口的塑料注塑模具的优化

李济全，李德群，郭志英，吕海元 （塑性加工技术系，上海交通大学，上海200030，中国） 电子邮件：hutli@163.com

2006年11月22号，修订2007年3月19日

摘要：本文论述一个单一的塑料注塑模具的浇口位置优化方法。栅极优化的目的是最大限度地减少注射成型部件的翘曲，因为翘曲是一个至关重要的质量问题，对于大多数的注射成型的部件，而这是由浇口位置大大影响。特征的翘曲被定义为比最大位移的特性的部件表面上的投影长度的特征表面描述部件翘曲。优化的数值模拟技术的结合，以找到最佳的浇口的位置，在其中的模拟退火算法是用于搜索的最佳。最后，在本文中讨论的示例中，可以得出结论，所提出的方法是有效的。

关键词：注塑模具，浇口位置，优化，功能翘曲

塑料注射成型是一种广泛使用的，复杂的，但高效率的技术，生产多种塑料制品，特别是那些高产量的要求，严密的公差，形状复杂的。注射模制零件的质量是塑料材料，零件的几何形状，模具结构和工艺条件的函数。的注塑模具的最重要的部分，基本上是以下三套组件：腔体，门和亚军，以及冷却系统。

林和刘绍（2000年）和金林（2002年）由不同部分的壁厚腔平衡。在腔体的平衡灌装过程提供了一个均匀分布的压力和温度，可以大大减少翘曲变形的部分。但腔体平衡是部分素质的重要影响因素之一。特别是，部分有其功能要求，其厚度不应更改通常。

从注塑模的设计，其特征在于栅极其大小和位置，以及流道系统的大小和布局。门的大小和亚军布局通常为常数。相对地，浇口位置和流道的尺寸是更灵活的，它可以变化影响的部分的质量。作为结果，他们往往是最优化的设计参数。

李和基姆（1996）优化流道和大门的尺寸为多点喷射腔浇注系统的平衡。流道平衡被描述为一个入口压力的差异，具有相同的腔模多腔，在熔体的流动路径中的每个腔不同空腔体积和几何形状的一个家庭底模压力的差异。该方法已显示出均匀的压力分布之间的空腔，在整个成型周期的多腔模具。

翟等人（2005年）提出了一个成型腔的两个浇口位置优化的基础上由一个压力梯度高效的搜索方法，并随后定位焊线到所需的位置通过改变流道尺寸多闸部件。体积大的部分，多个大门需要缩短最大流路径，在注射压力相应减小。该方法是有前途的多单腔大门和流道设计。

许多注塑件中产生的一个栅极，无论是在单腔模具或在多腔模具。因此，门的单门的位置是最常见的设计参数进行优化。形状分析的方法，提出了，由Courbebaisse和加西亚（2002年），其中最佳的浇口位置的注塑估计。随后，他们开发的这种方法，进一步把它应用到单一浇口位置优化的一个L形的例子。它易于使用，并且不耗时的，而它仅用于具有均匀厚度的简单的平坦部的转动。

pandelidis邹（1990）提出的浇口位置的优化，通过间接的质量措施的翘曲和材料降解有关，这是代表一个温度微分项的加权总和，一组词，和摩擦过热的术语。翘曲变形是由上述因素的影响，但它们之间的关系是不明确的。因此，优化的效果是通过加权因子的确定的限制。

李和基姆（1996）开发的浇口位置的自动选择方法，其中一组初始的浇口位置是由设计师然后最佳浇口的相邻节点处提出评价方法。结论在很大程度上取决于人类设计师的直觉，因为该方法的第一步是根据设计者的构想。这样的结果是在很大程度上限制了设计师的经验。

林金（2001）开发了一个浇口位置的优化方法的基础上最大限度地减少流道长度的标准差（SD[L]）和标准偏差（SD[T]）在成型填充过程中充模时间。随后，Shen等人优化浇口位置设计最小化的加权和充盈压，填补之间的时间差不同的流动路径，温差大，过度包装百分比。翟等人调查与注射压力的评价标准，在尾部填充浇口位置最佳化。这些研究人员提出了作为注塑填充操作，这是与产品质量相关的性能的目标函数。但的性能和质量之间的关系是非常复杂的，并已被观察到它们之间没有明确的关系。它是为每个术语，也难以选择适当的加权因子。

这里介绍一种新的目标函数，以评估注塑件的翘曲优化浇口位置。要测量质量的好坏直接，这项调查定义功能的翘曲评估部件翘曲，这是从“流加翘曲”模拟输出Moldflow塑料洞察（MPI）软件评估。目标函数的最小化，以达到最小的变形浇口位置优化。模拟退火算法来寻找最佳的浇口位置。给出一个例子来说明提出的优化过程的有效性。

定义特征翘曲
要优化理论应用于门设计，质量的措施的一部分，必须指定在第一个实例。 “质量”一词可能是指产品的性能，如力学，热学，电学，光学，符合人体工程学的几何性质。零件质量的措施有两种类型：直接和间接。一个模型，预测的的属性数值模拟结果的特点将直接对质量的措施。与此相反，间接测量的零件质量与质量目标，但它不能提供一个直接的估计
的质量。

翘曲是指相关工作的间接质量措施是注射成型流动行为或这些加权性能。的性能提出了充填时间差异沿不同的路径，温度差，过度包装的百分比，等等。很明显，翘曲是由这些性能的影响关系，但翘曲和这些表演是不明确的，这些权重因子的确定是非常困难的。因此，上述目标函数的优化可能甚至不完美的翘曲最小化的优化技术。有时，不适当的加权因素将导致完全错误的结果。

一些统计量计算节点位移进行了表征，直接质量的措施，以实现最小的变形
相关的优化研究。统计量通常是一个最大的结点位移，平均排名前10位的百分节点位移，和整体平均结点位移（李和金，1995年，1996年b）。这些节点位移从仿真结果的统计值很容易获得，一定程度上，代表了变形。但统计位移不能有效地描述的注射模制零件的变形。

在工业领域，设计师和制造商通常更注重的部分翘曲的程度比整个变形的注塑件上的一些特定的功能。在这项研究中，特征翘曲定义来描述的注塑件的变形。的特征的翘曲的最大位移的特性的部件表面的特性的部件表面（图1）的投影长度的比率：

其中，gamma;为特征的翘曲，h是偏离基准平台的最大位移的特性的部件表面上，和L是表面上的基准方向平行的基准平台的功能的投影长度。

图1功能翘曲的定义

对于复杂的功能（只有平面特性在这里讨论），特征翘曲通常分离成两种成分，在参考平面上，其中一个二维坐标系统中表示的：

gamma;x, gamma;y 是构成要素中的X，Y方向，和Lx，阮文黎的翘曲是在X，Y分量的特性的部件表面的投影长度。

评价功能翘曲
结合相应的参考平面和投影方向的目标特征的测定后，可以立即计算出的L的值，从部分与解析几何的计算方法（图2）。 L是一个常数指定功能的表面和预测的方向上的任何部分。但评价的h是更复杂得多的L。

图2投影长度评估

拟的注塑成型工艺是一种常见的技术，零件设计，模具设计和工艺设置预测的质量。的翘曲模拟的结果表示为在X，Y，Z分量（WX，WY，WZ）节点的挠度，节点位移W. W是的Wx·一，怀俄明州·J的矢量和的向量长度，并WZ·K，其中i，j，k分别为X，Y，Z分量的单位向量。 h为特征的表面，这是与参考平面的正常定向上的节点的最大位移，并且可以衍生自的翘曲模拟的结果。

为了计算h时，第i个节点的偏转首先评价如下：

其中Wi是第i个节点的参考平面的法线方向的偏转中，维克斯，Wiy，Wiz的是在X，Y，Z分量的第i个节点的挠度，alpha;，beta;，gamma;是法线的角度的参考甲乙突出方向（图2）的功能，所述终端节点; WA与WB是节点A和B的挠度：

WAZ X，Y，Z组成部分，节点A上的偏差; WBX，WBY和WBZ是X，Y，Z组成部分，节点B上的偏差;omega;iA和omega;iB是终端节点的权重因子挠度计算如下：

其中LIA是第i个节点和最终节点A的投影机之间的距离，h是最大的绝对值的Wi：

在工业中，翘曲的检查与塞尺的帮助下进行，而测得的部分应被放置在参考平台上。h的值是测得的部分的表面和所述基准平台之间的空间的最大读数。

浇口位置优化问题形成

质量术语“翘曲”装置的一部分，这是不通过所施加的载荷引起的永久变形。它是由整个部分的收缩率差异，由于聚合物流动不平衡，保压，冷却，和结晶。

在注塑模具浇口位置是一个总的模具设计的最重要的变量。模制件的质量是由浇口位置受到很大的影响，因为它影响塑料流入模腔的方式。因此，不同的浇口位置引入的不均匀性取向，密度，压力，和温度分布，因此引入不同的大小和分布，翘曲。因此，浇口位置是减少注塑件翘曲变形的一种有价值的设计变量。由于相关浇口位置和翘曲分布之间的是一个独立的熔体和模具温度很大程度上，它是假定的成型条件保存在这调查常数。由特征翘曲是在上一节讨论的量化部分翘曲的注塑成型。

单浇口位置优化，因此可以制定如下：

最小化：

主题为：

其中，gamma;为特征的翘曲; p是在浇口位置的喷射压力; p0是允许的注射压力，注塑机或由设计者或制造商指定的允许注射压力，X是候选浇口位置的坐标向量;Xi为节点的有限元网格模型的注塑成型过程模拟的部分，N为节点总数。

在有限元网格模型的一部分，每个节点是一个可能的候选人的门。因此，可能的浇口位置的总数Np是节点N和浇口位置的总数要优化Ň的总数的函数：

在这项研究中，只有单一的浇口位置的问题进行了研究。

模拟退火算法

模拟退火算法是最强大和最流行的元启发式算法来解决优化的问题，因为现实世界的问题，提供良好的全球性解决方案之一。该算法根据大都市等。（1953），它最初被提出作为一种手段，在一个给定的温度下找到一个平衡结构的原子的集合。平（1970）所指出的算法和数学最小化之间的连接，但它是柯克帕特里克等人（1983）建议的基础上形成的一种优化技术的组合（和其他）问题。

要应用的模拟退火法的优化问题的目标函数f的能量函数E而不是寻找一个低能量配置被用作，这个问题变得寻求一个近似的全局最优解。身体的能量配置设计变量的值的结构的被取代的，和取代的对温度的过程中的控制参数。一个随机数发生器用于生成新的值的设计变量的一种方式。很明显，这个算法只需要最小化问题的考虑。因此，同时执行一个最大化问题的目标函数乘以（-1），以获得一个有能力的形式。

模拟退火算法比其他方法的主要优点是能够避免陷入局部极小的。此算法采用一种随机搜索，这不仅接受目标函数f的变化，降低，但也接受了一些变化，增加它。后者接受与概率p

其中，Delta;f是f的增加，k是玻尔兹曼常数，T是一个控制参数，通过类似于原来的应用程序被称为系统的“温度”，不论所涉及的目标函数。

在浇口位置最佳化的情况下，图3中示出了该算法的实施，并且该算法详列如下：

1. 开始SA算法从一个初始的浇口位置Xold与指派的值Tk的“温度”的参数T（“温度”计数器k最初设置为零）。适当的控制参数c（0 lt;Clt;1）退火过程和马尔可夫链Ng的的给出。
2. SA算法生成一个新的浇口位置Xnew在附近的Xold和计算出的目标函数f（X）的值是。
3. 新门的位置将被接受的概率由接受功能：

在[0,1]一个统一的随机变量Punif的的产生。如果Puniflt;Paccept, Xnew接受，否则将被拒绝。

（4）重复此过程为一个足够大的迭代次数（Ngenerate）用作Tk。试用浇口位置以这种方式产生的序列是已知的作为马尔可夫链。

（5），然后生成新的马尔可夫链（在以前的马尔可夫链从最后被接受浇口位置开始）减少的“温度”Tk的1=，CTK和相同的过程继续用于降低算法的“温度”的值，直到停止。

图3模拟退火算法的流程图

应用与讨论:

本节中说明所提出的质量测量和优化方法应用到复杂的工业部分。的部分是由制造商提供的，如图4所示。在这一部分中，基底表面的平整度是最重要的配置文件的精度要求。因此，特征翘曲讨论基底表面上，其中参考平台被指定为一个水平附着到基底表面，平面的纵向的方向被指定为预测的基准方向。参数h是最大的基底表面上的法线方向，即垂直方向上，和参数L是在基底表面的纵向方向的投影长度的偏转。

图4工业由生产商提供的部分

材料是：尼龙ZYTEL101L（30％，杜邦工程聚合物EGF）。在模拟中的成型条件在表1中列出。图5显示了有限元网格模型，采用数值模拟中的部分。它有1469个节点和2492枚。目标函数，评价即特征翘曲，由方程（1），（3）〜（6）。 h的评价的结果的“流量 传送点分析”由式（1）序列在MPI，并紧接工业部分，L =20.50毫米上测量的L。

表1在模拟中的成型条件

条件 值

填写时间（s） 2.5
熔体温度（℃） 295
模具温度（°C ） 70
包装时间（s） 10
保压压力（充盈压）（％） 80

MPI是最广泛的注射成型模拟软件，它可以为您推荐最佳的浇口位置均衡流量的基础上。浇口位置分析，浇口位置的设计，除了经验方法是一种有效的工具。对于这一部分，浇口位置分析MPI建议，最佳的浇口位置附近N7459节点，如图5所示。在此基础上，模拟的部分翘曲。因此，推荐的栅

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