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注塑模具優(yōu)化設計為減小溫度偏差
摘要
模具的冷卻對模具的注塑有很大得影響。因此，這使得它是優(yōu)化模具冷卻回路設計時，設計模具前部分。各種方法優(yōu)化了模具冷卻電路已被先前提出的。在這項工作中，模具的冷卻回路的優(yōu)化自動化的商業(yè)過程集成與優(yōu)化設計工具，稱為過程集成，自動化和優(yōu)化（PIAnO），這是經(jīng)常用于大型汽車零件，如保險杠、儀表板。冷卻渠道和隔板管位于偏移剖面與表面的一部分。冷卻的位置渠道和隔板管的自動生成與輸入到模具冷卻計算機輔助工程程序，Autodesk Moldflow Insight 2010。目標函數(shù)是模具表面溫度偏離一個給定的設計溫度。在優(yōu)化設計變量的深度，距離和冷卻直徑渠道和折流板管。一個更實際的分析，壓降和溫降為限值。優(yōu)化采用逐步二次響應面方法進行。優(yōu)化導致更均勻的溫度分布相比，最初的設計，并利用建議優(yōu)化方法，一個令人滿意的解決方案，可以在一個較低的成本。
關鍵詞：注塑成型，冷卻通道，冷卻分析，pqrsm，優(yōu)化設計
1.導言
冷卻階段是在注射成型過程中的周期時間最長的階段。因此，減少周期時間的最有效的方法是減少冷卻時間。冷卻時間是從根本上的部分的厚度和模具溫度決定，它創(chuàng)建了一個冷卻時間限制。如果模具溫度和厚度的一部分在一個整體均勻，冷卻時間是不是一個問題；然而，非均勻的部分的厚度和模具溫度分布整體冷卻時間延長。一個較長的冷卻時間，溫度均勻性差，從而導致部分經(jīng)。這是特別真實的大型產(chǎn)品，如汽車保險杠、儀表板。正是由于這些類型的零件，在模具設計中的溫度均勻性成為最重要的因素。
我們開發(fā)了一個自動優(yōu)化的冷卻回路的一部分早期為設計檢查設計的有效性。通常早期設計由文件/包裝和翹曲分析沒有冷卻分析。這是因為假設是，模具溫度是均勻的，這是不真實的。提供了一種快速冷卻優(yōu)化電路設計部分將幫助設計師正確的設計優(yōu)化的目的是盡量減少部分的溫度偏差用設計變量如直徑和距離的冷卻通道和導流管和深處的部分從模具表面的冷卻通道和折流板管。商業(yè)計算機輔助工程（CAE）工具，Autodesk Moldflow Insight，用于冷卻分析。我們成功地獲得了優(yōu)化的時間遠短于冷卻電路可以在手冊的設計實現(xiàn)。為了開發(fā)自動優(yōu)化冷卻回路的實際模具設計，實際設計參數(shù)如壓力降的限制和冷卻劑的溫度上升被認為是在優(yōu)化。
優(yōu)化技術的性能可以在響應的數(shù)值噪聲的影響。找到一個最佳的解決方案，有效的數(shù)值時，噪聲的存在，我們進行了優(yōu)化通過施加連續(xù)的近似優(yōu)化regressionbased稱為漸進式的二次響應面法（pqrsm）（Hong等人，2000），這是一個商業(yè)過程集成與優(yōu)化設計部分（PIDO）的工具，稱為過程集成，自動化和優(yōu)化（PIAnO）（framax，2009）。
圖1。用于優(yōu)化產(chǎn)品的有限元模型。
2.模型和信道配置
2.1.模型結構該模型用于優(yōu)化和CAE分析是一種汽車前保險杠（FB）。該部分was1800×600毫米大小，其元素類型是三角形的，然后在模型中的元素數(shù)量約為
26000，與1.5的平均縱橫比。該模型如圖1所示。
2.2.冷卻通道配置用于汽車保險杠模具冷卻電路通常被設計成有林電子冷卻通道的水平面上，從線的冷卻通道的隔板管的安裝。然而，在本設計中，不必要的長板管連接在線冷卻通道可能會導致在冷卻通道的高的壓力降。該線的冷卻通道可能不利于模具冷卻由于從零件表面的大的距離。為了提高設計，線冷卻通道位于沿零件表面的偏移剖面如圖2所示。在隔板管的端點均位于偏移剖面線的冷卻通道。無論是線的冷卻通道或隔板管位于偏移剖面等于電弧距離
他們之間。
3.Formulation
3.1.設計約束的壓力降和冷卻通道的入口和出口之間的溫升的限制也應在模具冷卻回路的設計考慮。一個高的壓降通常發(fā)生在一個不長的冷卻回路。在一個長的冷卻回路，冷卻劑的流動率低，結果在一個較高的模具溫度，在出口處的溫度上升。設計缺陷可能最終會在冷卻分析發(fā)現(xiàn)；然而，優(yōu)化已經(jīng)是耗時的，所以最好是相反的應用限制在優(yōu)化的約束條件。
本文認為，4線的冷卻通道串接為一簇，如圖3所示。集群是由多種并行連接。通常，在一個集群的最大壓降限制在200kPa，和在出口的最大溫升℃（Menges等人。，2001）。在冷卻分析，每個線冷卻通道作為一個獨立的電路，方便。因為有一個電路4線的冷卻通道，對壓降和每一行中的冷卻通道的溫度上升為1.25oc極限，分別。我們也有由于擋板的管的直徑必須大于或等于冷卻直徑附加約束
通道由于擋板管比冷卻通道下的散熱效率。這里G1是對壓力降的約束，G2是對溫升的約束，G3代表從冷卻通道的直徑的管圖2。冷卻通道位于沿偏移剖面結構。
3.2.設計變量，在這項工作中，直徑，間距和深度的線冷卻通道和隔板管作為優(yōu)化設計變量。設計變量的總數(shù)是6。通常，該冷卻通道和導流管直徑根據(jù)自己的經(jīng)驗法則的模具設計師確定（李仁濟等人，2010）。然而，它已被詳細研究，模具設計師之間的。表1顯示了設計變量的范圍和初始值。對冷卻通道的距離的最小值，擋板間距和擋板的加工要求的約束確定的深度。從模具設計經(jīng)驗獲得的最大確定了冷卻通道的距離與擋板間距的最大值。擋板的距離是由于在CAE軟件自動使用約束的離散變量。在這項工作中，優(yōu)化的擋板距離分別為60，90和120毫米。
圖3由4個冷卻通道的隔板管簇。 圖4通過冷卻通道方案的溫度場。
3.3.目標函數(shù)
模具的冷卻回路優(yōu)化的主要目的是在部分實現(xiàn)均勻的溫度分布。溫度分布均勻，冷卻通道的引起的溫度差最小化，如圖4所示。在優(yōu)化的目標函數(shù)是局部溫度的標準偏差如方程（4）。部分的溫度了半模的上、下表面的算術平均值。從零件的有限元計算模具表面溫度。在σ是部分溫度的標準偏差，我是第i個元素的溫度，電子戰(zhàn)是整個三角形單元的平均溫度，和n是元素的數(shù)目。
4.優(yōu)化
4.1.參數(shù)的研究
為了檢驗設計變量對目標函數(shù)的影響，壓力降和溫度上升，進行參數(shù)研究。一個參數(shù)的研究，通過改變一個變量在一定范圍內(nèi)，而所有其他變量保持固定的執(zhí)行。圖5顯示為目標函數(shù)的參數(shù)研究的結果，壓力下降，溫度升高，分別為。在每個圖中，橫軸表示設計變量的水平。每一個設計變量分為11層，從它的下限到上限。5和5的平均的上界和下界，分別在研究的溫度差，冷卻通道的直徑對目標函數(shù)的影響不大。這個結果是因為冷卻通道的影響的部分的溫度要比在汽車保險杠模具擋板管較小的程度。汽車保險杠模具有一個深刻的核心，模具冷卻，而不是取決于隔板管的冷卻通道。對缺乏影響力的另一個原因是，流動狀態(tài)
冷卻通道參數(shù)研究的范圍內(nèi)保持紊流。冷卻通道通常具有比折流板管直徑較小的。當在隔板管的流動處于紊流狀態(tài)，在冷卻通道中的流量將在紊流狀態(tài)。
在隔板管直徑顯示一個有形的影響時，增加到一定值。直徑的增加變化在管內(nèi)的流動為層流狀態(tài)。這是對傳熱系數(shù)低的原因相比，湍流流動狀態(tài)。這就是為什么溫度的偏差變大時，擋管直徑的增加。
在所有的參數(shù)中，擋板深度對目標函數(shù)的影響最大。由于擋板深度的增加，目標函數(shù)的增加。這意味著，該擋板管更深的位置會導致溫度的偏差增加。同時，它證實了汽車保險杠模具冷卻取決于導流管。
的冷卻通道和導流管直徑在冷卻回路壓降的影響最大，而其他變量的影響不大。隨著直徑的增加，壓力降減小一定值后。這也是一個可預測的結果作為一個大直徑的減小壓力降。在出口處的溫度上升的影響如圖7所示。最有影響力的參數(shù)是擋板直徑和通道的距離。該擋板直徑的影響顯示的最高值的范圍從1到3。在小擋板直徑的情況下，表面積減少的傳熱可能會導致一個較小的溫度上升，而較大的擋板直徑可能導致降低傳熱系數(shù)，由于較低的流動率。
增加的信道距離意味著每個冷卻通道占用較大面積的部分表面具有較大的熱量去除。這可能是為什么通道距離溫升的增加給一個物理解釋。
圖5。溫度偏差參數(shù)的研究結果（目標函數(shù)）。
5。結論
在這項研究中，我們進行了冷卻回路的優(yōu)化的汽車前保險杠。設計的目的是最大限度地減少溫度的偏差而滿足所有約束。有三的設計約束條件，包括壓力，溫度的上升和縱橫比，除了約束六設計變量。六個設計變量之間，擋板的距離為離散的設計變量。因此，我們進行了優(yōu)化的擋板距離being60三例，90和120毫米。在60毫米的擋板間距情況下獲得最低的溫度偏差。在這種情況下，溫度的偏差進行比較的基線設計同時滿足所有設計要求，減少19.2%。據(jù)認為，設計優(yōu)化的方法，采用CAE仿真工具，通過本文的研究，可以應用于許多工業(yè)生產(chǎn)過程的設計。
6. 參考
framax公司（2009）。PIAnOtutorial.framax公司（2009）。PIAnO的用戶手冊。
香港，K.J.，Choi，D.H.基姆，碩士（2000）。進行二次逼近的方法，有效的大型系統(tǒng)設計的二階響應面模型的構建。韓國機械工程師學會（一）24，12/12，3040?3052。
koresawa，H.和鈴木，H（1999）。在注射成型中的冷卻通道布局自治安排。過程。1999塑料工程師協(xié)會年度技術會議，1073?1077。
門將，G.，Michaeli，W和mohren（2001），p.。如何使注塑模具。第三版。恒信加德納出版，Inc.。俄亥俄州。298?302。李仁濟，B。，公園，C.S.，昌香港，榮格，H·W·李，大學學報（2010）。大型注塑件的最佳冷卻回路的自動生成。精密工程和制造計算機學報，11，444，439。