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大連交通大學(xué)2017屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
注塑模具成型板的冷卻道的陣列與優(yōu)化
冷卻系統(tǒng)在注塑成型過程中不僅在生產(chǎn)力和質(zhì)量方面，而且在模具制造成本方面也起著重要的作用。在本文中，提出了具有擋板陣列的保形冷卻通道，用于在模制部件的整個(gè)自由表面上獲得均勻的冷卻。提出了一種通過模制厚度，模具表面溫度和冷卻時(shí)間計(jì)算溫度分布的新算法。對于給定聚合物，冷卻通道的結(jié)構(gòu)，工藝參數(shù)，模具材料，模制厚度和模具中的溫度分布之間的關(guān)系由近似等式的系統(tǒng)表示。這種關(guān)系是通過基于適當(dāng)?shù)奈锢頂?shù)學(xué)模型，有限差分法和數(shù)值模擬的實(shí)驗(yàn)和響應(yīng)面方法的設(shè)計(jì)建立的。通過應(yīng)用這種近似的數(shù)學(xué)關(guān)系，獲得目標(biāo)模具溫度，均勻溫度分布和最小化冷卻時(shí)間的優(yōu)化過程變得更加有效。進(jìn)行了兩個(gè)案例研究，以驗(yàn)證和驗(yàn)證了該方法。結(jié)果表明，與基于試錯(cuò)法的模擬方法相比，目前的方法提高了冷卻性能，促進(jìn)了模具設(shè)計(jì)過程。
符號含義及單位
α =聚合物熱擴(kuò)散率 (m2/s)
σT =溫度分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差
d=擋板直徑 (mm)
hc = 傳熱系數(shù) (W/m2°C)
km = 模具材料的導(dǎo)熱性 (W/m°C)
kp = 聚合物的導(dǎo)熱性 (W/m°C)
q = 瞬時(shí)熱流量 (W/m2)
s = 成型件厚度 (mm)
tc =冷卻時(shí)間(s)
Tavg = 局部平均溫度 (°C)
Te = 噴射溫度 (°C)
Ti = 注射溫度 (°C)
Tm = 模具溫度 (°C)
Tmax= 中心線厚度最高溫度(°C)
Tps = 模壓件表面溫度 (°C)
Tw = 冷卻液溫度 (°C)
x = 擋板在x方向的間距 (mm)
y = 擋板在y方向的間距 (mm)
z = 從擋板尖端到腔體表面的距離 (mm)
一．介紹
由于高效率和可制造性，注射成型是制造塑料制品最流行的方法。 注塑過程包括三個(gè)重要階段：灌裝和包裝階段，冷卻階段和噴射階段。 在這些階段中，冷卻階段非常重要，因?yàn)樗饕绊懮a(chǎn)率和成型質(zhì)量。 眾所周知，超過三分之二的成型周期被冷卻過程所吸收。 冷卻通道的合適設(shè)計(jì)減少了冷卻時(shí)間，提高了生產(chǎn)率，并最大程度地減少了不必要的缺陷，如凹痕，差異收縮，熱殘余應(yīng)力和翹曲。
多年來，注塑成型中冷卻階段的重要性得到了研究人員和模具設(shè)計(jì)師的高度重視。他們一直在努力改進(jìn)注塑模具中的冷卻系統(tǒng)。這個(gè)研究領(lǐng)域可以分為兩大類：優(yōu)化常規(guī)冷卻通道（直接冷卻管線），并為注塑模冷卻通道（保形冷卻通道）找到新的架構(gòu)。第一組重點(diǎn)是如何在冷卻系統(tǒng)的形狀，尺寸和位置方面優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。第二組調(diào)查方法，建立冷卻布局，即符合模腔表面的保形冷卻通道，并檢查該冷卻系統(tǒng)的有效性。已經(jīng)提出了固體無制造（SFF）或快速原型（RP）技術(shù)來構(gòu)建這種復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。據(jù)報(bào)道，冷卻效果是比常規(guī)冷卻通道更好。SFF技術(shù)，數(shù)控銑床制造的銑槽適形冷卻通道也已由Sun Y.F.等人提出，雖然這些冷卻通道具有均勻的冷卻性能，但中型制造成本仍然很高。
圖1.冷卻道種類
（a）直鉆渠道
（b）SFF保形通道
（c）帶擋板陣列的通道
為了提高冷卻系統(tǒng)的性能并降低模具制造成本，本文通過使用擋板陣列在塑料注塑模具中提出了一種保形冷卻通道。這種冷卻通道布局與其他布置之間的區(qū)別如圖1所示。擋板是替代冷卻裝置
用于冷卻通常沒有冷卻的模具芯體中的一些小區(qū)域建議了一系列用于箱模的核心冷卻回路的擋板，對于具有自由形式腔表面的中大型模具，如果從擋板的頂端到模腔的表面保持恒定的距離，這種冷卻回路可以被認(rèn)為是保形冷卻通道。不幸的是，它仍然缺乏對這種共形冷卻系統(tǒng)執(zhí)行情況的了解以及如何優(yōu)化配置為了獲得最小的冷卻時(shí)間，均勻的冷卻和合理的模具制作成本。此外，冷卻設(shè)計(jì)通常是基于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)費(fèi)。當(dāng)成型幾何變得更加復(fù)雜時(shí)，基于經(jīng)驗(yàn)的和試錯(cuò)法將是耗時(shí)且較少的。
圖2部署和配置帶有陣列擋板的冷卻通道
（a）實(shí)際構(gòu)造擋板冷卻通道陣列
（b）CAE軟件中擋板冷卻通道陣列的建模
因此，我們的研究重點(diǎn)是一種系統(tǒng)的方法，用于優(yōu)化所提出的冷卻通道的構(gòu)造，包括冷卻劑溫度，間距（x和y），擋板的距離z和直徑d。使用分析方法，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE），有限差分法和CAE工具的組合來得出近似方程，顯示給定聚合物的冷卻通道設(shè)計(jì)變量，模具材料和工藝參數(shù)之間的關(guān)系。給定注射成型部件的冷卻時(shí)間和最佳冷卻通道的配置可以在早期設(shè)計(jì)階段輕松確定。
本文的其余部分組織如下。 第2節(jié)介紹了冷卻通道中擋板陣列的部署和配置。 第3節(jié)描述了聚合物和模具內(nèi)傳熱的物理和數(shù)學(xué)模型。 第3節(jié)中的數(shù)學(xué)解決方案在第4節(jié)中得到驗(yàn)證。第5節(jié)提出了優(yōu)化方法，第6節(jié)說明了兩個(gè)案例研究，以測試塑料蓋和汽車塑料部件的方法的設(shè)施和可行性。 最后，第7節(jié)給出了對未來工作的一些結(jié)論和討論。
二．冷卻通道中擋板陣列的部署和配置
擋板是垂直于主冷卻線鉆出的冷卻通道，其中薄板將鉆孔分成兩個(gè)半圓形通道。該板迫使冷卻劑在另一側(cè)一側(cè)向上流動(dòng)（見圖1（c）和圖2（a））。通過改變冷卻通道中的冷卻劑流動(dòng)的方向，擋板在彎曲周圍產(chǎn)生湍流并增加傳熱系數(shù)。然而，與直的或平滑的冷卻通道相比，壓降增加，并且需要更多的泵功率。有兩種擋板：正常擋板和螺旋擋板（圖2（a））。第一個(gè)是簡單的，但是很難將薄板（分隔器）精確地安裝在通道的中心，并且擋板兩側(cè)的溫度分布是不同的。另一個(gè)更復(fù)雜一些，但是將分配器放置在冷卻通道的中心是容易的;湍流效應(yīng)和溫度分布得到改善。在這項(xiàng)研究中，假設(shè)冷卻劑的流量足夠大以達(dá)到有效的湍流，并且流速的增加與熱萃取速率幾乎沒有差別。因此，兩種類型的擋板在熱提取方面都被處理相同。
擋板被排列成包括行和列的二維陣列。 所提出的冷卻通道的構(gòu)造包括擋板之間的間距（x和y），從擋板的尖端到空腔表面（z）的距離以及擋板（d）的直徑（圖2）。 主冷卻線的直徑與d成正比。 擋板的尖端符合空腔表面，以便均勻地從熱聚合物中除去熱量。 擋板通道采用鉆孔方式加工，降低了制造成本。
三．?dāng)?shù)學(xué)物理模型的建立計(jì)算
本節(jié)介紹了冷卻通道的配置，模具中的溫度分布和成型部件之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，冷卻時(shí)間和工藝參數(shù)。 在不失一般性的情況下，提取和檢查冷卻單元（參見圖3），而不是考慮整個(gè)模具。 冷卻室的四個(gè)側(cè)面被視為絕熱的。 使用這種物理模型，由于元素?cái)?shù)量的減少，模擬時(shí)間顯著降低。 假設(shè)冷卻單元的空腔表面具有小的曲率，該表面可以被認(rèn)為是平面。
在物理方面，冷卻過程中的傳熱是復(fù)雜的。 為了簡化數(shù)學(xué)模型，本研究中作了以下假設(shè)：
?模具材料的物理性能是恒定的。
?模具 - 聚合物界面的熱通量在模腔表面的每個(gè)元件上都是恒定的。
?使用恒定的循環(huán)平均模具溫度。
?僅填充和冷卻階段，因?yàn)樘畛潆A段很短。
?聚合物的熱分析在一個(gè)維度上進(jìn)行，因?yàn)榕c填充相比較，模制件的厚度較小。
?環(huán)境空氣和外部模具表面之間的自然對流被忽略，因?yàn)槠湔伎偀釗p失的不到5％。
?主冷卻管路的冷卻效果被忽略，因?yàn)榇蟛糠譄崃勘粨醢宄ァ?
?冷卻通道的最小雷諾數(shù)應(yīng)大于10,000。
?結(jié)晶過程產(chǎn)生的熱效應(yīng)被忽略。
圖 3冷卻池的物理模型（a）
和典型的溫度分布（b）
在本研究中，應(yīng)用了循環(huán)平均和一維瞬態(tài)方法的耦合，因?yàn)樗鼘τ谀＞咴O(shè)計(jì)目的具有計(jì)算效率和足夠的精度。模具中的熱傳遞被視為循環(huán)平均穩(wěn)態(tài)和3D有限元模擬用于分析溫度分布。 采用循環(huán)平均方法是因?yàn)樵趶哪Ｖ撇僮鏖_始的某一過渡期之后，實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)的穩(wěn)態(tài)循環(huán)熱傳遞。 模具溫度的波動(dòng)分量與循環(huán)平均分量相比較小，因此循環(huán)平均溫度方法在計(jì)算上更多有效率高于周期性轉(zhuǎn)換分析（成型）被認(rèn)為是瞬態(tài)過程，應(yīng)用有限差分法。
模具中的溫度分布由以下等式建模：
（1）
偏差方程（1）可以通過有限差分法方便地求解。 使用Laasonen方法，無條件穩(wěn)定方案來求解方程（1）。 由于聚合物和模具之間的熱接觸電阻的性質(zhì)，采用對流邊界條件代替等溫邊界條件。 這種邊界條件表現(xiàn)出模擬聚合物界面的傳熱性能優(yōu)于等溫邊界條件。
（2）
傳熱系數(shù)（HTC）的反轉(zhuǎn)稱為熱接觸電阻（TCR）。 據(jù)報(bào)道，聚合物和模具之間的TCR不可忽略。 TCR是間隙，接觸表面粗糙度，時(shí)間和工藝參數(shù)的函數(shù)。 TCR的值非常不同，29,34,40-45，通常通過實(shí)驗(yàn)獲得。 在本研究中，HTC設(shè)置為10,000 W / m2°C