F125型摩托車前蓋模具設(shè)計及模具零件制造工藝,f125,摩托,車前,模具設(shè)計,模具,零件,制造,工藝 寧波大紅鷹學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯 所在學(xué)院： 機械與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 13機自5班 姓 名： 翁文超 學(xué) 號： 1322230530 指導(dǎo)教師： 楊豫新 2016 年 11 月 15 日 最小化溫度偏差的注塑模具優(yōu)化設(shè)計 J.-H. CHOI1), S.-H. CHOI1), D. PARK2), C.-H. PARK2), B.-O. RHEE1)* 和 D.-H. CHOI2) 1）畢業(yè)學(xué)校是亞洲大學(xué)機械工程學(xué)院京畿道443-740， 韓國。 2）畢業(yè)學(xué)校是Hanynag大學(xué)機械工程學(xué)院首爾133-791， 韓國。 （收到了 2011 年 1 月 24 日;修訂 2011 年 6 月 15 日;接受 2011 年 6 月 17 日） 摘要?注射模制件的質(zhì)量很大程度上受模具冷卻的影響。因此，這就很有必要在設(shè)計模具之前對模具冷卻回路進行優(yōu)化設(shè)計。以前已經(jīng)提出了各種方法的優(yōu)化模具冷卻電路，在這項工作中，優(yōu)化模具冷卻電路是由商業(yè)流程與一種稱為過程集成整合而成的設(shè)計優(yōu)化工具自動化。自動化與優(yōu)化，這是經(jīng)常用于汽車大型部件如保險杠、儀表板等大型汽車零部件。冷卻通道和折流板管位于偏移剖面等距離的部分表面。冷卻通道和折流板管的位置是自動生成并輸入到模具冷卻計算機輔助工程軟件，這軟件是歐特克公司2010年出的模流洞察分析軟件。這個目標(biāo)函數(shù)是模具表面溫度和一個設(shè)定溫度的偏差。優(yōu)化中的設(shè)計變量是冷卻通道和擋板管的深度，距離和直徑三個變量。從實際分析，壓力降和溫度降是被認(rèn)為有限的值。使用漸進式二次響應(yīng)面的方法進行了優(yōu)化。優(yōu)化能夠讓溫度更加均勻的分布，相比最初的設(shè)計，所提出的優(yōu)化方法是一個可以降低成本且令人滿意的解決方案。 關(guān)鍵詞：注塑成型、冷卻通道，冷卻分析，優(yōu)化設(shè)計 一、簡介 冷卻階段是注塑成型周期時間最長的階段。因此，減少循環(huán)時間最有效的方法是減少冷卻時間。冷卻時間從根本上取決于零件厚度和模具溫度，這就產(chǎn)生一個冷卻時間限制。如果模具溫度和零件厚度在一個整體部分是均勻分布的，那么冷卻時間就不是問題了。然而，不均勻零件厚度和模具溫度分布是會延長整體冷卻時間的。一個較長的冷卻時間意味著溫度差的均勻性，這可能會導(dǎo)致零件部分翹曲。特別是大型的產(chǎn)品，如汽車保險杠、儀表板等。對于這些類型的零件，溫度均勻性成為模具設(shè)計中最重要的因素。 我們在早期的部分設(shè)計中，開發(fā)了自動化冷卻回路的優(yōu)化用來檢查設(shè)計的有效性。通常早期設(shè)計由備案/包裝和翹曲分析并沒有冷卻分析。這是因為假設(shè)模具溫度是均勻的，所以這是不正確的。提供快速優(yōu)化的冷卻回路的設(shè)計部分將幫助設(shè)計師糾正他們的設(shè)計（是澤和鈴木，1999年）。 優(yōu)化設(shè)計是盡量從冷卻通道和擋板管的模具表面減少零件的溫度偏差，使用的設(shè)計變量，如冷卻通道和擋板管的直徑和距離和深度的部分等。商業(yè)計算機輔助工程 (CAE) 工具，歐特克模流洞察分析軟件，用于冷卻分析。我們成功地獲得了一個可以在更短的時間之內(nèi)得到優(yōu)化的冷卻回路設(shè)計。為了開發(fā)實用模具設(shè)計的自動化冷卻回路的優(yōu)化，實際的設(shè)計參數(shù)被認(rèn)為在優(yōu)化如壓力下降限制和冷卻劑溫度上升等。 優(yōu)化技術(shù)的性能會受到在響應(yīng)中的數(shù)值噪聲的影響。當(dāng)數(shù)值噪聲存在時，能有效地找到最佳的解決方案，我們采用基于回歸的序貫近似優(yōu)化器作為逐步二次響應(yīng)面方法 (PQRSM)（香港 ，2000年），這是商業(yè)過程集成與設(shè)計優(yōu)化的一部分 (PIDO) 工具稱為過程集成、 自動化和優(yōu)化 (FRAMAX，2009年) 進行了優(yōu)化。 圖1.用于優(yōu)化的產(chǎn)品的有限元模型 2、 模型和通道配置 1.模型配置 該模型用于優(yōu)化和CAE分析汽車前保險杠（FB）。該部分的尺寸為600毫米，元素類型為三角形，模型中元素的數(shù)量約為26000，平均縱橫比為1.5。該模型如圖1所示。 2. 冷卻通道配置 汽車保險杠模具的冷卻電路通常被設(shè)計在一個水平平面的線冷卻通道，并從線冷卻通道安裝折流板管。然而，在這種設(shè)計中，不必要地長折流板管附著在冷卻通道線可能會導(dǎo)致冷卻通道內(nèi)的高壓降。線冷卻通道可能不會有助于模具冷卻，因為他們跟零件表面有著較大的距離。為了提高設(shè)計，線冷卻通道位于沿工件表面的偏移量的輪廓，如圖2所示。擋板管的終點也位于沿一條線冷卻通道的偏移曲線上。無論是線冷卻通道還是折流板管位于偏移輪廓與它們之間相等弧長的距離。 圖2.沿偏移剖面位置的冷卻通道的配置 3、 設(shè)計方案 1. 設(shè)計約束 在模具冷卻回路的設(shè)計中，也應(yīng)考慮冷卻通道的入口和出口之間的壓力降和溫度上升的限制。一個高的壓降通常發(fā)生在一個不長時間冷卻的回路。在冷卻分析中，我們發(fā)現(xiàn)了設(shè)計的缺陷，就是在長時間冷卻的電路中，較高的模具溫度和出口處溫升高，導(dǎo)致冷卻液的流率變低。然而，優(yōu)化已經(jīng)耗費了時間，所以，最好的方法是在優(yōu)化中代替應(yīng)用限制來作為約束。 在這項工作中，我們假設(shè)，4線冷卻通道連接在一系列作為一個集群，如圖3所示。集群并行連接在一個流形上。通常，群集中的最大壓力降是限于 200 千帕，出口處的最高溫升是攝氏 5 度 。為方便起見，在冷卻的分析中，每一個冷卻通道被視為單獨的獨立電路。因為有一個電路4線的冷卻通道，對壓降和每行的冷卻通道的溫升的限制分別為50 千帕和1.25攝氏度。我們也有一個額外的約束，折流板管的直徑必須大于或等于冷卻通道的直徑，因為折流板管比冷卻通道的熱去除效率低。這三個設(shè)計約束可以表示為方程（1），（2）和（3）。 0 Pa ≤ G1 ≤ 50000 pa , (1) 0 oC ≤ G2 ≤ 1.2 oC , (2) G3 ≤ 0 mm , (3) G1 是對壓降約束，G2 溫升約束，G3 表示從冷卻通道的直徑和板管直徑的差值。 圖3.由4個冷卻通道和擋板管組成的集群 描述 較低 初始 上部 X1 通道的直徑 10 30 40 X2 折流板直徑 10 30 40 X3 通道的距離 60 90 120 X4 折流板的距離 60 60 120 X5 渠道的深度 30 60 90 X6 折流板深度 30 60 90 表1.下部和設(shè)計變量的上限和優(yōu)化的初始值（單位：mm） 2. 設(shè)計變量 在這項工作中，線冷卻通道和擋板管的直徑，距離和深度被選擇作為優(yōu)化設(shè)計變量。設(shè)計變量的總數(shù)為6，如表1所示。通常情況下，冷卻通道和折流板管的直徑取決于模具設(shè)計者根據(jù)他們的經(jīng)驗法則（Rhee et al.，2010年）。然而，它已被模具設(shè)計師仔細地研究過。表1顯示了它們的范圍和初始值的設(shè)計變量。加工要求的約束是測定冷卻通道的距離，擋板的距離和擋板深度的最小值。模具設(shè)計師根據(jù)自己的經(jīng)驗來獲取冷卻通道的距離和擋板距離的最大極限值。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。 3.目標(biāo)函數(shù) 模具冷卻回路優(yōu)化的一個主要目的是在零件上實現(xiàn)均勻的溫度分布。均勻的溫度分布意味著冷卻通道引起的溫度偏差被最小化，如圖4所示。優(yōu)化中的目標(biāo)函數(shù)是部分溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，如方程（4）。零件溫度是模半的上下表面的算術(shù)平均值。從零件的有限元計算了模具表面溫度。 min N ( E i – E w ) 2 (4) σ = ∑-------------------- , N 圖4.冷卻通道溫度場的方案 在σ是部分溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，Ei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是元素的個數(shù)。 4、 優(yōu)化 1. 參數(shù)化研究 為了研究設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)、壓降和溫升的影響，進行了參數(shù)化研究。通過改變變量同時保持固定其他變量不變的情況下，在一定范圍內(nèi)進行了參數(shù)研究。圖 5-7 分別顯示為目標(biāo)函數(shù)，壓力下降溫度上升，參數(shù)化研究的結(jié)果。在每個圖中，X軸表示設(shè)計變量的水平。每一個設(shè)計變量分為 11 級從其下限到它的上限。-5 和 5 分別指下限和上限。 當(dāng)檢查溫度偏差時，冷卻通道的直徑對目標(biāo)函數(shù)的影響不大（見圖5）。此結(jié)果是可預(yù)測的，因為冷卻通道的溫度影響程度比在汽車保險杠模具中的擋板管的影響程度較輕。汽車保險杠模具有一個較深的核心，因此，模具冷卻取決于擋板管，而不是冷卻通道。缺乏影響的另一個原因可能是，在參數(shù)研究的范圍內(nèi)冷卻通道中的流動狀態(tài)仍然是動蕩的。冷卻通道直徑通常比擋板管小。當(dāng)擋板管內(nèi)的流動保持在湍流狀態(tài)時，冷卻通道內(nèi)的流動將處于湍流狀態(tài)。 折流板的直徑在增加高于一定值以上時，會表現(xiàn)出明顯的現(xiàn)象。通過直徑的增大來改變管中的流動狀態(tài)，變成層流流動狀態(tài)。這是相比湍流狀態(tài)有較低的傳熱系數(shù)的原因。這也就是當(dāng)擋板管直徑增大時，溫度偏差變大的原因。 圖5.溫度偏差（目標(biāo)函數(shù)）的參數(shù)化研究結(jié)果 圖6.壓力降的參數(shù)研究結(jié)果 在所有的參數(shù)中，擋板深度顯示了最大的目標(biāo)函數(shù)的影響，如圖5所示。隨著擋板深度的增加，目標(biāo)函數(shù)逐漸增加。這意味著，擋板管的深度的位置差異導(dǎo)致的溫度偏差的大小變化。此外，它證實了汽車保險杠模具的冷卻取決于擋板管。 冷卻通道和擋板管的直徑對冷卻回路中的壓力降的影響最高，而其他變量對壓力降的影響不大（見圖6）。隨著直徑的增加，壓力降在到達一定值后減小。這也是一個可預(yù)測的結(jié)果，直徑越大壓力降反而越小。 出口處的溫度上升的影響如圖7所示。最有影響的參數(shù)是擋板的直徑和通道距離。擋板直徑的影響顯示的最大值范圍是從-1至3。在擋板直徑較小時，換熱器的減少表面面積可能會導(dǎo)致溫度上升幅度變小，而更大的擋板直徑可能由于低傳熱系數(shù)導(dǎo)致流速較低。 上升通道距離意味著每個冷卻通道占用更大的區(qū)域，數(shù)量較大的熱去除零件表面。這也是為什么增加溫度，上升通道的距離增加的物理解釋。圖 7 中所示的波動應(yīng)該是數(shù)值噪聲。 圖7.溫度上升的參數(shù)研究結(jié)果 2. 結(jié)果優(yōu)化 在溫度上升增幅最大（圖7）大約是0.15攝氏度。這個值遠小于約束。變量對溫度上升的影響是不明顯的。 在這項工作中，擋板的距離被認(rèn)為是離散變量；因此，一般的優(yōu)化方法很難應(yīng)用。由于它有三個值，所以優(yōu)化進行了3次，5個設(shè)計參數(shù)。在每個優(yōu)化中的擋板的距離是固定的。圖8和圖9顯示溫度偏差作為通道的直徑，X1和X3改變通道的距離，利用攝動法在初始設(shè)計值0.1%。從這些結(jié)果中，我們認(rèn)識到作為 X1 和 X3 的溫度偏差的變化多種多樣包括數(shù)值噪。 因此，我們選擇了PQRSM作為優(yōu)化的方法，可以有效的優(yōu)化數(shù)值噪聲的影響。PQRSM在商業(yè)中具有優(yōu)化方法，PIAnO近似于在已知范圍內(nèi)的目標(biāo)函數(shù)和二次函數(shù)的條件，并按照這個方法繼續(xù)減小范圍直到找到最佳的解決方案。 圖8.關(guān)于用0.1%攝動法觀察X1的溫度偏差變化 圖9.關(guān)于用0.1%攝動法觀察X3的溫度偏差變化 底基線 X4=60 X4=90 X4=120 以上 x1 10.00 30.00 29.67 28.39 30.00 40.00 x2 10.00 30.00 30.36 28.39 30.00 40.00 x3 60.00 90.00 89.37 90.29 88.13 120.00 x4 60.00 60.00 60.00 90.00 120.00 120.00 x5 30.00 60.00 87.63 88.81 90.00 90.00 x6 30.00 60.00 30.00 30.00 30.00 90.00 OBJ 6.62 5.35 5.60 5.46 G1 0 16790 16904 16610 8758 50000 G2 0 0.36 0.43 0.33 0.38 1.20 G3 0.00 -0.69 0.00 0.00 0.00 表2.總結(jié)優(yōu)化結(jié)果 使用pqrsm優(yōu)化的結(jié)果如表2所示?；€表示應(yīng)用優(yōu)化前的標(biāo)準(zhǔn)條件。在第三 3 例擋板距離 (x4)進行了優(yōu)化后，在擋板距離 60 毫米的情況下得到的最低的溫度偏差。因此我們得出結(jié)論 60 毫米擋板距離是我們優(yōu)化的結(jié)果。 在這個優(yōu)化的結(jié)果中，相比這個同時滿足所有其他設(shè)計要求基線設(shè)計而言，溫度偏差減少了19.2%。在設(shè)計變量中，通道的直徑x 1，擋板直徑x2 和通道的距離x3 ，仍接近其初始值，而通道深度x5 向上限和擋板深度x6 向下限。因此，我們期待更好的效果，如果的折流板的距離x 4，邊界通道深度x5 和擋板深度x6 可以變動。 5、 結(jié)論 在這項研究中，我們對汽車前保險杠的冷卻回路進行了優(yōu)化。設(shè)計這個的目標(biāo)是在同時滿足所有的約束下，求得最小化的溫度偏差。除了側(cè)約束的六個設(shè)計變量外，有三個設(shè)計的限制，其中包括壓力降，溫度上升和縱橫比。 在這六個設(shè)計變量中，擋板的距離是離散設(shè)計變量。因此，我們進行了優(yōu)化的擋板距離是 60，90 和 120 毫米的三個案件。在一個擋板的距離為60毫米的情況下，得到的最低的溫度偏差。在這種情況下，溫度偏差減少了19.2%相比同時滿足所有的設(shè)計要求的基線設(shè)計。它認(rèn)為在本研究中采用的 CAE 和 PIDO 工具的設(shè)計優(yōu)化方法可用于許多工業(yè)制造過程設(shè)計。 參考文獻 1. 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Precision Eng. and Manufacturing, 11, 439?444. 譯文： 題目 出處： 一、一級標(biāo)題(用黑體小四號) 1. 二級標(biāo)題（宋體小四號加粗） （1） 三級標(biāo)題(宋體小四號) （除各級標(biāo)題外，正文采用宋體小四號，行距設(shè)置為1.5倍） （圖、表和公式等要求和畢業(yè)設(shè)計（論文）相同） 參考文獻 [1]… [2]…