在非矩陣塑料平板注塑模具中冷卻通道設(shè)計(jì)

1、江蘇大學(xué)2015級畢業(yè)設(shè)計(jì)翻板式印章殼體塑料模具設(shè)計(jì) 英文翻譯譯文在非矩陣塑料平板注塑模具中的冷卻通道設(shè)計(jì)班級 模具1102 學(xué)號 3110305054 姓名 袁斌Design of the Cooling Channels inNonrectangular Plastic Flat Injection Mold在非矩陣塑料平板注塑模具中的冷卻通道設(shè)計(jì)Journal of Manufacturing Systems Vol.21/No.3Zone-Ching Lin and Ming-Ho Chou, Department of Mechanical Engineering,National

2、Taiwan University of Science and Technology, Taipei, Taiwan, R.O.C.摘要 本文對復(fù)雜的相對于在非矩形塑料平板注塑模具的冷卻通道的變量和參數(shù)進(jìn)行了研究。矢量和簡單的數(shù)學(xué)計(jì)算被用來解決相關(guān)的冷卻所造成的成形品的不同幾何尺寸的通道的部署問題。此外，基本幾何特征的表面符號和數(shù)據(jù)庫是成立。接著，基本幾何特征的表面被用來組成并將模制產(chǎn)品的形狀呈現(xiàn)在矩形塑料平面的基礎(chǔ)上。等效面積的轉(zhuǎn)換概念也被用于簡化模型和部署冷卻通道包含在外形溫和的變化非矩形塑料扁平的選擇。在第一階段中的冷卻時間的優(yōu)化是基于能量平衡。作為優(yōu)化設(shè)計(jì)約束的經(jīng)驗(yàn)算法，簡明公式被使

3、用于找到最佳的冷卻時間和所需的最佳幾何因素的制約。然后，通道分布的優(yōu)化被導(dǎo)出來達(dá)到模具的快速和均勻冷卻的要求。通過轉(zhuǎn)換為等效矩形區(qū)域的方式，本文提出的方法能夠處理一個非矩形的塑料平板產(chǎn)品。此方法簡化了導(dǎo)致熱源的不均勻分布的模制產(chǎn)品的通道分布問題，并減少試驗(yàn)和錯誤的實(shí)例。此外，提出了系統(tǒng)的框架中的方法能夠完成優(yōu)化比常規(guī)有限差分法，從而節(jié)省了在設(shè)計(jì)冷卻通道中花費(fèi)的時間并達(dá)到成品快速和均勻的更快的冷卻速度。關(guān)鍵詞 注塑模具 能量守恒 優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹 一個最佳的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和冷卻過程的操作條件是對注塑制模過程非常關(guān)鍵的（羅薩托和羅薩托1985）因?yàn)樗鼈兌加绊懩Ｖ破愤@一過程的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。一個高效的冷卻

4、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)減少了所需的冷卻時間。均勻冷卻改進(jìn)了這種模具產(chǎn)品收縮的缺陷，熱殘余應(yīng)力和翹曲變形收縮。因此，最佳的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，必須在同一時間盡可能實(shí)現(xiàn)最短的冷卻時間和均勻冷卻的目標(biāo)。在注塑過程相關(guān)的冷卻過程中有許多參數(shù)。影響的模具產(chǎn)品的均勻冷卻的最重要的因素是冷卻系統(tǒng)的通道的分布。設(shè)計(jì)良好的冷卻通道的布置，加上適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件，可以實(shí)現(xiàn)快速和均勻的冷卻的目標(biāo)，從而縮短工藝周期，并提高模具的產(chǎn)品質(zhì)量。 從早期的1980s起，研究的注意力轉(zhuǎn)向?qū)鋮s系統(tǒng)和模具型腔之間的熱相互作用。在此期間，大部分的模擬程序處理僅一維或二維的平均穩(wěn)態(tài)分析或該周期的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析（奧斯汀1985）。使用的方法包括有限差分法，有

5、限元法，周期平均邊界元法（辛格1987年，辛格和王1982年，巴羅和填縫198 1，1982）。出現(xiàn)在1985年以后發(fā)表的研究，一般分析步驟已經(jīng)通過了所謂的兩階段，三階段分析（權(quán)，慎，王1986）。最初的分析大多使用的形狀系數(shù)的方法來評估所述冷卻系統(tǒng)的效率（權(quán)沉，王1986;陳，1990年胡達(dá)維多夫）。此時間的分析結(jié)果已經(jīng)控制的基礎(chǔ)上，冷卻系統(tǒng)的操作條件的冷卻通道和位置和大小。該分析方法都是一維或二維的穩(wěn)態(tài)或準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)分析（權(quán)，慎，王1986;陳，胡，大衛(wèi)杜夫1990; Himasekhar，王Lottey 1989; Himasekhar Hiber，王1989：陳和胡1991）。一個成品仿真分

6、析軟件包數(shù)1990年以后面世（Himasekar 1989; Himasekhar和王1991年，包括MCAP，MOLDCOOL，MOLDTEMP，POLYCOOL2和C-COOL3D的分析方法包括有限差分法，有限元法，邊界元法（Turng和王1990; Himasekhar，Lottey，王1992）。有限元法和形狀因子的方法有時組合使用（Glavill和丹頓1977）。這些分析程序是所有發(fā)達(dá)國家的減排記，并試圖以產(chǎn)生匹配的實(shí)際情況（Himasekhar，Lottey，王1992）的分析結(jié)果的存儲空間和CPU時間。本文結(jié)合能量平衡和經(jīng)驗(yàn)的算法來構(gòu)建系統(tǒng)模塊。它也采用矢量和簡潔的數(shù)學(xué)計(jì)算來處理

7、這種復(fù)雜的系統(tǒng)和擺脫的復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算和分析。按照慣例，模具制造依賴于經(jīng)驗(yàn)和直覺之后無數(shù)次“試錯”。因此，它常常導(dǎo)致性能和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。如今，由于計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，模具可通過理論和數(shù)值方法的設(shè)計(jì)，其結(jié)果可以預(yù)測或通過模流打包軟件直接模擬，從而提高了成本效益和產(chǎn)品質(zhì)量。間的數(shù)值方法，所述有限元法具有比有限差分法更好的穩(wěn)定性和收斂性。但它也有更復(fù)雜的理論，需要更大的計(jì)算機(jī)內(nèi)存空間。雖然所使用的工業(yè)包裝軟件可以迅速地解決模具設(shè)計(jì)的問題，就不能有效地幫助工程師簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性和模糊性。另外，打包的軟件仿真，實(shí)際上，僅能夠解決在設(shè)計(jì)中遇到的問題的6070的。在“試錯”的一部分是不可避免的，而且缺乏工程師在設(shè)

8、計(jì)中的經(jīng)驗(yàn)還是成為一個有影響力的變量。使用矩形塑料平板為研究對象，本文簡化設(shè)計(jì)變量并通過冷卻通道分布的設(shè)計(jì)在模具中，以幫助設(shè)計(jì)工程師快速完成最佳流程圖和程序的寫入相對于所述冷卻通道中遇到有影響的參數(shù)并獲得最佳的冷卻時間和冷卻通道部署。這個概念被用以簡化在注塑模具冷卻通道的部署。本研究結(jié)合簡潔能量平衡算法，形狀因子和經(jīng)驗(yàn)值來構(gòu)造作為冷卻通道的優(yōu)化配置的設(shè)計(jì)的參考模塊的模塊化關(guān)系。在注塑模具中的冷卻系統(tǒng)理論 如果模具冷卻系統(tǒng)通常包含一個與溫度控制單元，泵，冷卻液供給歧管，軟管，冷卻通道和收集多方面的。間部署在模具中的溫度控制系統(tǒng)的影響模具溫度和穩(wěn)定性的程度的均勻分布，在溫度控制系統(tǒng)中的冷卻效率的提

9、高增加了它的生產(chǎn)效率。注塑模具的冷卻在注射成型中，模具冷卻時間通常需要的整個循環(huán)的時間高達(dá)約7080。圖1示出了模具的冷卻時間和一個成型周期（周1999）之間的關(guān)系。有效的冷卻回路的設(shè)計(jì)減少冷卻時間，有效地增加了生產(chǎn)速度和降低了成本。此外，均勻的冷卻防止產(chǎn)品從患有因熱應(yīng)力，然后增大，尺寸精度和成形品的可靠性，同時提高產(chǎn)品的質(zhì)量等缺陷的收縮，翹曲和變形。圖2示出了有效的冷卻的存在和模制品，并大量生產(chǎn)（1999周）的質(zhì)量之間的關(guān)系。在一般情況下，一個模具由模體的三個部分的，冷卻通道和塑料材料。圖3示出一個簡化的模具冷卻機(jī)構(gòu)。在本文中，冷卻是沒有熱能通過模塑產(chǎn)品的邊緣丟失的假設(shè)下進(jìn)行分析。也就是說，

10、冷卻（熱傳導(dǎo)率）僅發(fā)生在厚度方向。圖4示出了在一般模具中的熱導(dǎo)率的情況。還假設(shè)該熱能量是所有直接帶走的冷卻劑，即，熱能僅由塑料材料，但不包括能源的模具外，由于輻射，對流和傳導(dǎo)熱傳遞的5所帶來的傳輸。因此，熱導(dǎo)率的路徑可以被簡化為以下：熱能從熔化的塑料材料，通過熱傳導(dǎo)性轉(zhuǎn)印到熔融的塑料材料和模具之間的接口。通過此接口，則模體，然后對模具和冷卻劑之間的界面上，通過熱傳導(dǎo)性的熱能傳遞。接著，它通過對流從接口傳遞到冷卻劑。最后，該熱能被完全帶出的模體的冷卻劑通過流動。圖1模具之間的冷卻時間和成型周期的關(guān)系 圖中開模注射時間與合模注射時間所占比例差別不大都占不大，而冷卻時間占很大比重。圖2正確有效的冷卻

11、，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)數(shù)量之間的關(guān)系 圖中正確的冷卻可以在更短的時間內(nèi)得到更好的產(chǎn)品。圖3模具冷卻機(jī)制的說明 冷卻通道分布在厚度方向圖4普通模具的熱導(dǎo)率在注塑模具中的冷卻通道設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)注塑幾乎總是用在大量生產(chǎn)。因此，最重要的問題是如何提高生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效果。提高產(chǎn)量的最直接，最有效的方法是通過減少冷卻時間，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速冷卻。同時，為確保均勻的產(chǎn)品的溫度和維持質(zhì)量，維持均勻的冷卻的方式也是一個必不可少的要求。至于模具冷卻而言，模具設(shè)計(jì)工程師需要確定以下設(shè)計(jì)參數(shù)：冷卻通道的位置;冷卻通道的大小;冷卻通道類型;冷卻通道的部署和連接;冷卻通道環(huán)路的長度;和流動的冷卻劑的速率。有必要在這里指出，冷

12、卻通道的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，必須使用以允許使用工作工具和連接的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并快速模具更換零件。的快速和均勻的冷卻是為模具冷卻設(shè)計(jì)的主要準(zhǔn)則。因?yàn)槔鋮s過程需要的整個模制周期的時間達(dá)7080，如果冷卻系統(tǒng)能迅速降溫的產(chǎn)品，也就是說，在冷卻時間小的改進(jìn)，可大大縮短整個成型循環(huán)的時間并提高產(chǎn)量，因此，為了縮短冷卻時間的方式是至關(guān)重要的設(shè)計(jì)者和還討論本文的主題。如果在模塑制品的冷卻過程中發(fā)生不平衡冷卻時，它們產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而引起收縮和翹曲。因此，有必要維持模塑制品的均勻冷卻，以便減少由所述產(chǎn)品和隨后的收縮和翹曲所遭受的熱應(yīng)力。換句話說，在模制產(chǎn)品的兩側(cè)之間的溫度差要小，以實(shí)現(xiàn)均勻的模具溫度。憑經(jīng)驗(yàn)，溫差不得超過1

13、0。最簡單和最有效的方法是，以匹配所述冷卻通道（A，。），并且所述模制產(chǎn)品（AJ，這是保持產(chǎn)品均勻冷卻在本文的基礎(chǔ)（揚(yáng)和1990年秦）的熱導(dǎo)率的表面積。注塑模具冷卻通道的簡明計(jì)算理論在注射成型過程的每個階段包含了冷卻過程。因此，冷卻時間一般解釋如下：“熔融塑料材料開始盡快冷卻，因?yàn)樗蛔⑷氲娇涨恢?，并且在填充，后填充的階段的冷卻繼續(xù)，并且在整個模制周期的冷卻直到模制產(chǎn)品是足夠硬以推出空腔，這被認(rèn)為是冷卻時間的結(jié)束“。如圖，冷卻時間t的，占用了約7080，整個模塑周期。因此，冷卻時間t，通過幾個百分點(diǎn)的縮短可以對整個成型效果產(chǎn)生巨大的影響。冷卻時間的縮短是影響模制產(chǎn)品的成本的最直接和顯著因子。在

14、本文中，最佳的冷卻時間被用作在注射成型的冷卻系統(tǒng)的冷卻通道的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。注塑模具冷卻通道設(shè)計(jì)的基本假設(shè)圖5影響冷卻時間的因素。注塑模具設(shè)計(jì)的目標(biāo)是盡量減少冷卻時間。有許多影響冷卻時間的因素。這里，涉及到的冷卻時間等因素都列在簡要圖5中，作為設(shè)計(jì)考慮的基礎(chǔ)。這些因素描述如下（昌1985）：1. 模制產(chǎn)品的一厚度h。越厚的成型品需要更長的冷卻時間。2. 模塑制品的形狀。如果該模制產(chǎn)品具有復(fù)雜的形狀，則在某些部分的冷卻效果，可能會出現(xiàn)以下鮮明，其可以反過來影響了整個成型制品的冷卻時間。3. 塑料熔體質(zhì)量。因?yàn)椴煌N類的塑料材料具有不同的熱擴(kuò)散率，其熱導(dǎo)率的影響也不同。具有更大的熱擴(kuò)散系數(shù)的塑料材料具

15、有更大的熱傳導(dǎo)速率，并且需要更短的冷卻時間。4. 注射溫度和脫模溫度。較高的注射溫度，需要較長的冷卻時間。與此相反，在較低的噴射溫度時，需要較長的冷卻時間。5. 模具材料。因?yàn)槟＞叩牟煌慕饘俨牧暇哂胁煌膶?dǎo)熱系數(shù)，其熱導(dǎo)率的影響也不同。具有更大的熱導(dǎo)率進(jìn)行熱更快金屬和需要更短的冷卻時間。6. ，冷卻通道的數(shù)量，位置和大小。冷卻通道的設(shè)計(jì)對整體的冷卻時間的決定性的影響。一般來說冷卻通道，數(shù)字越大，越接近所述冷卻通道的模制產(chǎn)品或較大的通道直徑，更好的冷卻效果，并在較短的冷卻時間。7.冷卻液的質(zhì)量。不同的冷卻劑具有不同的傳熱系數(shù)，比熱，密度和粘度，并且因此，不同的熱傳遞效果。8.冷卻劑的流速和溫度

16、。的冷卻劑流率必須達(dá)到湍流，以增加傳熱效果。此外，較低的冷卻劑的溫度，冷卻時間越短。冷卻階段涉及非常復(fù)雜的問題。為了簡化該過程，以下假設(shè)在此研究中取得了：1.由于模具材料的物理性質(zhì)的溫度和壓力的結(jié)果的變化并不顯著，它們被認(rèn)為是常量。2.由塑料材料所釋放的能量被假定為完全由冷卻劑和模具材料所吸收。3.模具表面溫度被假定為常數(shù)，所以是冷卻通道壁的溫度。4.假定在初始階段，無論是模具與塑料材料有自己的均勻的溫度，并且該塑料材料不包含任何固體部分。5.模腔的內(nèi)壓力被假定為常數(shù)。因此，壓力降低，在該邊界層的影響將被忽略和塑料材料的體積保持在凝固過程中恒定。6.凝固潛熱被計(jì)算為比熱的一部分，而不考慮邊界層

17、的位移。7.塑料材料被假定為處于靜止?fàn)顟B(tài)的整個冷卻過程。因此，從流衍生的熱效應(yīng)將被忽略。8.在這項(xiàng)研究中從結(jié)晶過程得到的熱效應(yīng)被忽略了。冷卻時間的計(jì)算冷卻時間為液體塑料在模具內(nèi)的計(jì)算一度被認(rèn)為由鮑爾曼和蘇斯曼（1959）的研究。一些研究人員（克寧和卡邁勒1970年）已經(jīng)發(fā)表了關(guān)于這個問題的進(jìn)一步研究。在本文中，一個簡潔的計(jì)算是用于計(jì)算冷卻時間。在此，塑料材料的冷卻和固化在模具中的問題被寫入的3-D瞬時熱傳導(dǎo)率如下等式：其中，C= C，（T）：表示的塑料材料的熱容量K：塑料材料的熱導(dǎo)率P：塑料材料的塑料密度X1，X2和X3：所述模制產(chǎn)品的熱傳遞導(dǎo)率的方向，分別表示為X2，表示厚度方向。在此，塑料

18、材料的結(jié)晶速率和塑料材料的潛熱，都沒有考慮。此外，在大多數(shù)情況下，冷卻主要發(fā)生沿厚度方向（X2方向）。在注射成型過程中，主要的熱能被在冷卻過程中刪除。因此，在對填充的短時間內(nèi)冷卻可以忽略，并且假定所述塑料材料從一個均勻的溫度在冷卻過程中冷卻下來。因此，下面簡要方程式可以推導(dǎo)：其中，p表示塑料材料的熱擴(kuò)散系數(shù)（厘米*/秒）。邊界條件示于圖6（張1985）。冷卻時間關(guān)系式（3）和（4）可以通過傅立葉發(fā)展式（昌1985）中的第一項(xiàng)來獲得:1. 冷卻時間t，即它需要為均勻的溫度冷卻到T，在模制產(chǎn)品的厚度方向是：2.如果需要在產(chǎn)品厚度方向的中央點(diǎn)冷卻至T，以此為基礎(chǔ)，然后冷卻時間：這里tc：冷卻時間（秒

19、）Tm：塑料材料的初始溫度（）Tw：模具壁溫度（）Te :脫模溫度，即成型品溫度（）（在X2厚度方向上的平均氣溫）H:模制品的平均厚度（mm）2. 導(dǎo)電形狀因子：S的尺寸的長度或非維度示出了在圖7（羅斯淄和哈特尼特1973）。其中，d：冷卻直徑D：冷卻通道的中心和熔融的塑料材料之間的距離P：兩個冷卻通道之間的間距。圖6成型產(chǎn)品的邊界條件圖7冷卻通道位置的說明能量平衡原理在本文中，冷卻來自于方程（3），由能量平衡原則上支持（常1985，格拉維爾和丹頓1977），被用作冷卻過程的數(shù)學(xué)理論。冷卻時間的解決方案使用花費(fèi)的平均溫度在產(chǎn)品厚度方向，冷卻到T中的時間，為依據(jù)。的溫度和在模具的各個部分的熱能量

20、，如示于圖4中，是作為一般的熱傳遞方法（常1985）。q1：從塑料材料在一個時間單元傳導(dǎo)到所述模腔表面的平均熱能。q2：從腔面?zhèn)鲗?dǎo)到冷卻通道壁面的熱能。q3:從冷卻流路壁面到冷卻劑進(jìn)行的熱能。q4:冷卻液帶走的熱能。其中Tw,:平均溫度m：熔融的塑料材料的初始溫度Te：成型品的溫度Tin：溫度，冷卻液入口Tout：溫度冷卻液出口Tc:冷卻通道的平均溫度T:平均水溫W:塑料材質(zhì)重量q：冷卻劑的流速p:冷卻液的密度L:冷卻通道的長度d：冷卻通道的直徑S：導(dǎo)電形狀因子冷卻通道的位置和大小冷卻劑通道的位置和大小可以使模具形狀變得非常復(fù)雜。在大多數(shù)情況下，鉆頭被用來鉆孔，然后由一個徑向鉆孔機(jī)精制。確定冷

21、卻系統(tǒng)的規(guī)模是沒有簡單的任務(wù)。作為用于熱轉(zhuǎn)移的問題，問題的一部分，現(xiàn)在可以通過計(jì)算機(jī)使用解決。但是，很難找到一個解決方案仍然存在的邊界條件各不相同。鑒于此，冷卻通道的位置和大小都在本研究中，在上述段落中介紹簡明的熱導(dǎo)率的理論和經(jīng)驗(yàn)的算法在業(yè)界中使用的設(shè)計(jì)，以獲得更好的冷卻的基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)上，討論了效率。是在研究中的直徑和冷卻通道的位置中使用的經(jīng)驗(yàn)的算法如下：1.直徑冷卻通道（d）：冷卻通道的直徑必須允許冷卻劑的足夠的流量，以產(chǎn)生湍流。一般地，冷卻通道的直徑取決于模制產(chǎn)品的平均厚度。給定的H平均產(chǎn)品厚度和冷卻通道直徑d，則經(jīng)驗(yàn)算法寫成：其中，通常它被設(shè)置dmax14毫米來保持紊流并獲得較高的冷卻效

22、率。 2. 將冷卻通道的：在一般情況下，以獲得更高的冷卻效率，冷卻孔應(yīng)該盡可能接近產(chǎn)物，為可能的和冷卻孔之間的距離的所述模腔表面應(yīng)保持在最低限度，如圖7。實(shí)證算法冷卻通道的位置順序如下：（1）的冷卻通道之間間距（P）：這是更好的三角形狀，通過冷卻通道和模腔表面的中心形成覆蓋所述模腔表面，如圖7 3d和5d之間的值通常被推薦為間距P的值。（2）軟管和產(chǎn)物（D）之間的距離：在一般情況下，越接近所述冷卻通道是在產(chǎn)品表面，冷卻效果越好。然而，如果D16mm,溫度變化容易顯著產(chǎn)生。因此，1.5D和3d之間的值通常被推薦為距離D的值。（3）長度（L）和數(shù)目（N）的冷卻通道的：在一般情況下，這些變量的排列是

23、根據(jù)具有有效的冷卻通道的長度(Ac)和產(chǎn)品的總傳熱面積幾乎相同的總表面面積（Ae） ，也就是說，AcAe，（揚(yáng)和秦1990年）。非矩形塑料平板冷卻通道的分布不僅是一種理想的冷卻系統(tǒng)，以滿足經(jīng)濟(jì)憂慮（冷卻時間短），但也達(dá)到均勻，徹底的產(chǎn)品冷卻。冷卻質(zhì)量取決于冷卻通道的設(shè)計(jì)。一般來說，為了得到更好的結(jié)果，設(shè)計(jì)是基于基礎(chǔ)，所述冷卻劑應(yīng)該能夠帶走的產(chǎn)物產(chǎn)生的所有熱量。讓由冷卻劑帶走的能量是q4和通過熔融塑料材料帶到模具中的能量是ql，則q，Tq的，（揚(yáng)和秦1990）。如果冷卻通道的表面上代表一個“冷卻表面”，并且產(chǎn)品的表面或模腔表示“升溫面”，然后兩個平面之間的熱氣流時在表面上。不考慮壓降的因子，實(shí)證

24、算法基于方程（IO）（揚(yáng)和秦1990年）用作基本條件的設(shè)計(jì)，以便保持更好的均勻溫度，在產(chǎn)品中的任何給定位置之一。其中 1：由模具與冷卻通道之間的距離換熱產(chǎn)生的溫度變化 2：由冷卻液流動產(chǎn)生的溫度變化 1+ 2：表示的總的溫度變化根據(jù)一般的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)冷卻通道Ac的總面積，等于產(chǎn)品Ae的總熱擴(kuò)散面積,一簡要和最佳排列可制得。因此，Ac最好等于或大于Ae,如下（羅斯淄和哈特1973）：其中 Ae:產(chǎn)品的總散熱面積 Ac:冷卻通道的總表面積 其中，d：冷卻通道的直徑 L：冷卻通道的總長度此外，冷卻通道的總長：在一般情況下，塑料產(chǎn)品的厚度相對于它的大小是非常小的。此外，假定熱量僅在厚度方向進(jìn)行的。因此，為

25、了解決產(chǎn)品面積Ae的總熱擴(kuò)散，我們首先確定的基本形狀特性（表面特性）。然后設(shè)計(jì)者可以繼續(xù)進(jìn)行相當(dāng)于矩形和長度根據(jù)產(chǎn)品的形狀發(fā)展的轉(zhuǎn)化。接著，基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算時，根據(jù)能量平衡原則，通過對表面特性的組合，以獲得總熱擴(kuò)散面積Ae的值，。最后，它能夠獲得冷卻通道，L由公式的相應(yīng)的總長度。 （13）?；拘螤钐卣髅嬖诒疚闹校d體和簡單的數(shù)學(xué)方程的叉積用來推導(dǎo)所有基本特征的表面的面積。然后這些基本特性的表面被組合，以獲得模塑制品的熱消散區(qū)。下面的章節(jié)描述了計(jì)算基本特征表面的面積。1. 形狀：三角 特征符號：A 2.形狀：平行四邊形特征符號：B 3. 形狀：不規(guī)則四邊形特征符號：C 4. 形狀：n多邊形（n5

26、整數(shù)）5. 形狀：圓形 特征符號：E其中如果a=b=d/2,那么就是一個圓并且d是直徑。如果ab,那么就是一個橢圓。表1特征形狀的形式特征曲面組合在本文中討論的產(chǎn)品形態(tài)主要包括形狀沒有劇烈的造型變化溫和的變化。含有較多的劇變產(chǎn)品不在本研究的范圍。這里，一個簡單的平的一些基本的幾何形狀構(gòu)成的作為一個例子來解釋特性表面的組合。符號列于表的產(chǎn)物的形狀示于圖8.在組合物中，在表中列出的所有基本特征的表面I的衍生建立數(shù)據(jù)庫的面積。接著，特征表面之間的相關(guān)性被清楚地描述基于建立的特性表面數(shù)據(jù)庫和樹狀結(jié)構(gòu)上，如圖9。然后的模塑制品的熱消散區(qū)域可通過數(shù)計(jì)算的簡單組合來得。圖8非矩形PS平板的尺寸圖9特性表面之

27、間的的樹狀組合關(guān)系非矩形塑料扁平的矩形等效轉(zhuǎn)換如果該模制產(chǎn)品是一個平面在同一平面上并且其形狀屬于輕度改變幾何形狀，沒有劇烈的變化，它必須被認(rèn)為是一些簡單的基本特征的形狀，三角形，四邊形和圓形的，以組成的形狀。之間的平相對于所述產(chǎn)品的形狀的形狀因素，對稱矩形達(dá)到相同域內(nèi)的最均勻的熱導(dǎo)率的行為。在本文中，一個矩形用作基本特性的表面，以實(shí)現(xiàn)信道的部署。至于非矩形產(chǎn)品形狀，等效矩形用于更換。圖10示出了非矩形的塑料平板，而圖11示出了圖10所示的非矩形塑料平板的各個域的等效矩形形狀。圖10非矩形塑料平板圖11塑料平板的等效矩形形狀執(zhí)行步驟三個區(qū)域被用于解釋矩形形狀的引出。第一，模具制品被分為三個區(qū)域。

28、這些區(qū)域的劃分是基于形狀的改變。然后，一個特征標(biāo)準(zhǔn)值Zei用做矩形區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)。這個特征值Zei被用于矩形長度Lei的決定。最后這個長度被用作通道改善來獲得一個完美的熱量傳遞，這個矩形特征值Zei根據(jù)所討論的域的最大寬度C來確定。執(zhí)行步驟如下：1. 從圖10和11中推導(dǎo)熱擴(kuò)散區(qū)和等效面積其中 Ae1,Ae2和Ae3:熱量傳遞區(qū)域Ae1,Ae2和Ae3不同當(dāng)量矩形區(qū)域形狀2. 決定矩形特征值3. 計(jì)算不同區(qū)域的當(dāng)量長度Lei其中 4.決定通道各曲域的長度分配比例系數(shù)5. 獲得來自優(yōu)化程序所需的最佳的冷卻時間和設(shè)計(jì)變量6. 通過對話窗口，連接到幾何形狀因子優(yōu)化搜索程序，并找到最佳通道位置P和D.7.

29、 計(jì)算所需的各個域的冷卻通道的長度Li。冷卻通道總長其中8.計(jì)算冷卻通道的分配Mworki實(shí)際上所需要的各種域的數(shù)量。在現(xiàn)實(shí)中，冷卻通道應(yīng)的整數(shù)的數(shù)目。因此，高斯原理用于處理的非整數(shù)部分和校正信道的通過以下方法的數(shù)目：冷卻通道數(shù)量用于各個領(lǐng)域：實(shí)際冷卻通道數(shù)9. 校正每個域的所需的實(shí)際的冷卻通道的長度，也就是10. 在實(shí)際的冷卻通道的部署中，如果空間是不適合工作的冷卻通道的數(shù)量足夠大，由于模制產(chǎn)品的幾何尺寸，結(jié)果不適合必須根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和能量平衡的角度校正。（1） 調(diào)整冷卻通道的位置：在冷卻通道的中心位置8被調(diào)整，使得它可以覆蓋，整個型腔表面和P和D的耐熱表示與冷卻通道之間的間距的冷卻通道和之間的距

30、離模腔上。（2） 調(diào)整冷卻劑的流速：用于冷卻通道的非矩形貯塑料平注塑模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型為了簡化，一個復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)在此介紹了簡化的冷卻通道部署在注射模具的問題。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也分為冷卻時間和幾何因素和頻道位置部署優(yōu)化的第二級的優(yōu)化的第一階段。冷卻時間，在第一階段的優(yōu)化是基于能量平衡。然后，它采用了簡潔的公式，有經(jīng)驗(yàn)的算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，以獲得最佳的冷卻時間和所需的最佳導(dǎo)電形狀因子的制約。冷卻通道的位置部署，然后在導(dǎo)電的形狀因子和位置部署優(yōu)化的階段衍生的，以滿足快速和均勻的冷卻要求。這種方法可以迅速地完成優(yōu)化以保存在設(shè)計(jì)冷卻通道中花費(fèi)的時間，并允許該模制產(chǎn)品，以快速且均勻地冷卻。冷卻時間優(yōu)化影響

31、冷卻時間的因素包括塑料材料，模具材料和冷卻劑的熱傳遞特性，以及操作條件的溫度。他們對冷卻時間的影響已經(jīng)在前面幾節(jié)已經(jīng)簡要描述。以下部分解釋了數(shù)學(xué)模型和冷卻時間的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。1.設(shè)計(jì)參數(shù)（辛格1987;陳，胡，和1990年大衛(wèi)杜夫）。（1）的塑料材料的熱傳遞系數(shù)：熱擴(kuò)散率，m,和比熱的Cpm等。不同的塑料材料具有不同的熱傳導(dǎo)特性，這通常是由制造商提供。（2）模具材料的熱傳遞系數(shù)：傳熱系數(shù)kw,和比熱，Cpm,等的不同模具材料的選擇提供了不同的傳熱效果。（3）冷卻劑的傳熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)，和比熱Cp等。不同類型的冷卻劑具有不同的熱特性。因此，不同類型的冷卻劑的選擇也產(chǎn)生不同的冷卻效果。（4）成型品

32、的形狀的因素：厚度，H和表面積，從公式：已知的是tc=(T,H)。因此，不同的產(chǎn)品厚度導(dǎo)致冷卻時間的長度不同。在一般情況下，以維持各點(diǎn)下2O中的產(chǎn)物之間的溫度差，AcAe的情況是必須滿足的，其中Ac表示冷卻通道的熱擴(kuò)散的表面積。（5） 操作條件：熔融的塑料材料的注射溫度，Tm,模塑產(chǎn)品溫度,Te,和入口水溫度Tin。從tc=(T,H)中知道溫度是影響冷卻時間另一個顯著因素。溫度千差萬別。通常有在現(xiàn)場的專用溫度控制單元監(jiān)測它。不同的塑料材料和模具材料要求工作溫度的不同范圍。2.設(shè)計(jì)參數(shù)（1）模具溫度：T，塑料材料被確定后，相應(yīng)的模具的溫度范圍通?？梢詮挠芍圃焐烫峁┑臄?shù)據(jù)得知。如何控制溫度如此大的

33、范圍內(nèi)，以達(dá)到最佳的冷卻時間是這項(xiàng)研究的主題。（2）冷卻通道的導(dǎo)電性形狀因數(shù)：S，導(dǎo)電形狀因子S= （P，D，d）和位置以及冷卻通道的大小直接影響冷卻時間。S的值是在設(shè)計(jì)冷卻通道的最佳位置，以獲得模制品的最佳冷卻時間的基礎(chǔ)。(3) 冷卻劑的雷諾數(shù)：Re當(dāng)在層流的冷卻劑重新的移動，它的傳熱效果極差。因此，為了達(dá)到更好的熱傳遞效果，冷卻劑必須保持在一紊流狀態(tài)。通過的冷卻時間的最佳值達(dá)到了Re值的時間是，需要調(diào)查另一個變量。為了確保內(nèi)部的冷卻通道的冷卻劑保持紊流的狀態(tài)下，2300-10000 Re值被采用為設(shè)計(jì)邊界條件。其理由是，一旦Re值超過10000，改善其傳熱效果變得有限，而相對的泵成本增加顯

34、著。(4)目標(biāo)函數(shù)（5） 約束函數(shù)（6） 約束圖12冷卻時間的優(yōu)化方案流程圖圖12示出了用于冷卻時間具有以下設(shè)計(jì)步驟的優(yōu)化方案的流程圖：步驟1：進(jìn)入設(shè)計(jì)參數(shù)值，例如，模制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尺寸，塑料材料，模具材料，冷卻劑的傳熱性能，以及溫度Tm, Te和Tin等基本工作條件。步驟2：建立集合Tw, S，并重新初始參數(shù)值和優(yōu)化大小s,re。步驟3：計(jì)算初始目標(biāo)值tc計(jì)算熱能ql。步驟4：檢查Tout-Tin-50。如果Tout-Tin-50，然后繼續(xù)進(jìn)行迭代搜索。如果Tout-Tin-50，然后繼續(xù)確定q4-q10。第5步：如果q4-q10，然后重復(fù)步驟3。第6步：如果q4-q10 ，輸出最佳的結(jié)果tc

35、,Tw,S,Re再然后繼續(xù)冷卻通道的位置優(yōu)化，如圖13。圖13冷卻通道位置的優(yōu)化流程圖冷卻通道位置的優(yōu)化最佳冷卻時間tc確定后，推導(dǎo)獲得了相應(yīng)的導(dǎo)電的形狀因子S。接著，將隨機(jī)搜索的方法是用在最優(yōu)化搜索冷卻通道的位置和大小的。此時，該設(shè)計(jì)參數(shù)是：E，D和S,和設(shè)計(jì)變量是P和D.目標(biāo)函數(shù)是：約束條件是：其中，e是該計(jì)劃的銜接調(diào)整誤差。d,P和D的關(guān)聯(lián)在表2中顯示。該信息框用于允許程序和用戶獲得實(shí)時通信。賦予不同的成型條件下，衍生的最佳的冷卻時間和相應(yīng)的導(dǎo)電形狀因子S的相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)e，d，和，S值和設(shè)計(jì)變量P和D的范圍可以瞬時窗口的操作環(huán)境下被輸入。你也可以了解通過消息框優(yōu)化搜索的信息。最優(yōu)P和D

36、的值然后可以通過指定的輸出文件來了解。冷卻通道的位置的優(yōu)化流程圖示于圖8中通過以下步驟第1步：輸入設(shè)計(jì)參數(shù)中的值e，d，S.第2步：輸入的最大值和最小值，a,b,n和設(shè)計(jì)變量P和D的值第3步：連接到優(yōu)化方案，并進(jìn)行了優(yōu)化搜索的迭代計(jì)算。第4步：輸出最優(yōu)P和D值，以輸出文件，并結(jié)束程序。冷卻通道的非矩形塑料平注塑模具的優(yōu)化案例研究非矩形塑料平為例（羅斯淄和哈奈特1973年）的基本信息制定的模制品的尺寸和形狀，如圖8：1. 塑料聚苯乙烯材料的基本的傳熱性能：密度m:1080/比熱容km：0.100.14W/km特征熱量Cpm1.339Kj/kgK熱擴(kuò)散系數(shù)pm:0.0866E-8/sec。2.模具

37、材料的基本的傳熱性能鋁：導(dǎo)熱系數(shù)kw:130.0W/km特征熱量Cpm:0.924Kj/kgK熱擴(kuò)散系數(shù)pm:51.944E-6/sec。3. 冷卻液的水熱性能：溫度T：20密度：998.2/特征熱量Cp:4.173Kj/kg動力粘度vtm:1.006e-6/sec普朗特?cái)?shù)Pr:7.03:5.87362e-4KJ/m*sec*。4.溫度范圍內(nèi)各種樹脂及模具：塑料材料：聚苯乙烯熔點(diǎn)溫度Tm:170280模具溫度Tw:2070表22 0的冷卻劑的終極速度形成湍流5. 冷卻劑流和相應(yīng)的雷諾數(shù)（Re）范圍的種類：雷諾數(shù)（Re）范圍：湍流：Re10000瞬時流量：2300Re 10000層流：100RE

38、 2300靜流：Re17.5mm其能夠損耗的第二域的模腔表面上的所有能量的范圍。冷卻通道部署示于圖16中。表3選擇的平均厚度。冷卻通道直徑D，間距P和冷卻通道和模腔之間的距離d表4冷卻時間優(yōu)化的結(jié)果表5最佳的冷卻效果通道部署表6基本特征表面大小表7各領(lǐng)域的熱擴(kuò)散區(qū)表8所需的各領(lǐng)域冷卻通道的初始數(shù)量表9工作冷卻通道數(shù)表10冷卻通道長度與流速的vi的調(diào)整和校正圖14等效矩形區(qū)域的說明圖15各種設(shè)計(jì)變量的關(guān)聯(lián)圖16冷卻管部署結(jié)論本研究中使用的矢量和簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算來處理模制品的幾何形狀的因素。根據(jù)能量平衡的原理，它使用的基本幾何特征的表面和它的數(shù)據(jù)庫構(gòu)造在本文中描述與在形狀溫和變化的一個非矩形平坦的形

39、狀和熱擴(kuò)散區(qū)的組合。在非矩形平板產(chǎn)品是通過相當(dāng)于矩形區(qū)域的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成長方形單位。此方法簡化了致熱源的在模制產(chǎn)品不均勻分布的信道部署問題。在這項(xiàng)研究中，為了簡化復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)被分為兩個階段：第一涉及冷卻時間的優(yōu)化和第二處理的幾何形狀因子和冷卻通道的位置部署優(yōu)化。冷卻時間，在第一階段的優(yōu)化是基于能量平衡。然后，它采用了簡潔的公式，有經(jīng)驗(yàn)的算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，以獲得最佳的冷卻時間和所需的最佳幾何形狀的限制。冷卻的位置部署，然后導(dǎo)出在幾何形狀因素和冷卻通道，以滿足快速和均勻冷卻的要求的位置部署優(yōu)化的階段。這種方法可以迅速地完成優(yōu)化以保存在設(shè)計(jì)冷卻通道中花費(fèi)的時間，并允許該模制產(chǎn)品，以

40、快速且均勻地冷卻。參考文獻(xiàn)Austin, C. (1985). “Mold cooling.” Society of Plastics Engineers Technique Papers (31, 1985) 764-766.Ballman, B.L. and Shusman, T. (1959). “Easy way to calculate injection molding set up times.” Modern Plastics (37, n3), 126.Barone, M.R. and Caulk, D.A. (1981). “Optimal thermal design o

41、f compression molds for chopped-fiber composites.” Polymer Engg. And Science (21, 1981) ppl139-1148.Barone, M.R. and Caulk, D.A. (1982). “Optimal arrangement of holes in a two-dimensional heat conductor by a special boundary integral method.” Intl Journal Methodfor Engg. (18, 1982), 657-685.Chang, Z

42、.Y. (1985). Design of Injection Die. Taipei, Taiwan: Gau LiBook Co.Chen, S.C. and Hu, S.Y. (1991). Simulations of cyclic average mold cavity surface temperature in injection mold cooling process.” Inrl Communication in Heat and Mass Transfer (18, n6, 1991), 823-832.Chen, S.C.; Hu, S.Y.; and Davidoff

43、, A. (1990). “Computer-aided cooling system design and analysis of the injection molding cooling process.” The Chung Yuan Journal (XIX, 1990), 82-96.Chow, W.H. (1999). C-mold for Design of Injection Die. Taipei, Taiwan: Wen King Book Co., AC Technology.Glavill, A.B. and Denton, E.N. (1977). Injectio

44、n-Mold Design Fundamentals. The Machinery Publishing Co. Ltd.Himasekhar, K.; Lottey, J.; and Wang, K.K. (1992). “CAE of mold cooling in injection molding using a three-dimensional numerical simulation.” ASME Journal of Engg. for Industry (114, 1992), 213-221.Himasekhar, K. (1989). “Numerical simulat

45、ion of mold heat transfer of injection molded plastic parts using a modified three-dimensional boundary element method.” Int 1 Communication in Heat and Mass Transfer (16, 1989), 55-64.Himasekhar, K. and Wang, K.K. (1990) “C-Cool: A CAE tool for the design of cooling system in injection molding.” 6th Annual Meeting of ASME.Himasekhar, K.; Hiber, C.A.; and Wang, K.K. (1989). “Computeraided design softw