帶金屬嵌件的圓珠筆管注塑模模具設(shè)計(jì)（全套含CAD圖紙）,金屬,圓珠筆,注塑,模具設(shè)計(jì),全套,cad,圖紙
基于Kriging模型的注射成型中的有效翹曲變形優(yōu)化方法
摘要 在本文中，提出了一種使用Kriging模型的有效優(yōu)化方法，以最大限度地減少注塑成型中的翹曲變形。翹曲變形是過(guò)程條件的非線性隱式函數(shù)，通常由有限元（FE）方程的解決方案來(lái)評(píng)估，這是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，通常涉及巨大的計(jì)算量?？死锝鹉Ｐ涂梢栽诼N曲和過(guò)程條件之間建立一個(gè)近似的函數(shù)關(guān)系，在優(yōu)化中代替了昂貴的FE再分析翹曲。另外，Kriging模型的一個(gè)“空間歸檔”采樣策略被稱為矩形網(wǎng)格。 Moldflow公司的Plastics Insight軟件用于分析注塑件的翹曲變形。作為示例，研究了將模具溫度，熔融溫度，注射時(shí)間和包裝壓力視為設(shè)計(jì)變量的蜂窩電話機(jī)蓋的翹曲。結(jié)果表明，提出的優(yōu)化方法可以有效降低手機(jī)外殼的翹曲，注塑時(shí)間對(duì)所選范圍內(nèi)熱變形的影響最為顯著。
關(guān)鍵詞 注塑成型。 Krigingmodel.Rectangulargrid。 修改矩形網(wǎng)格
1引言
翹曲是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。特別是隨著通信電子產(chǎn)品向輕，薄，短，小的設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，減少翹曲，提高薄殼部件的質(zhì)量越來(lái)越重要。翹曲的原因歸因于零件的不均勻收縮。我們可以通過(guò)改變零件的幾何形狀、修改模具的結(jié)構(gòu)或調(diào)整工藝條件來(lái)減少翹曲。事實(shí)上，優(yōu)化工藝條件是最可行和最合理的方法。
不同的工藝條件將導(dǎo)致不同的不均勻性。已經(jīng)報(bào)道的有關(guān)優(yōu)化翹曲的有效因素的一些研究[1-5]。根據(jù)他們的結(jié)論，包裝壓力，模具溫度和注射時(shí)間（或注射速度）對(duì)注塑件的翹曲有重要的影響。塑料注射成型中的一個(gè)重要問(wèn)題是在制造前預(yù)測(cè)和優(yōu)化翹曲。有一些出版物用于翹曲優(yōu)化。Lee和Kim提出了關(guān)于翹曲變形優(yōu)化的早期文獻(xiàn)[6]。他們使用改進(jìn)的復(fù)合方法優(yōu)化了壁厚和工藝條件，以減少翹曲并獲得超過(guò)70％的翹曲變形減少。隨后[7]，他們通過(guò)兩步搜索方法優(yōu)化，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，包括翹曲，焊縫和打擊強(qiáng)度。Sahu等人 [8]使用改進(jìn)的復(fù)雜方法，Taguchi方法和遺傳算法優(yōu)化了工藝條件，并且其結(jié)果表明，復(fù)雜的方法獲得了減少翹曲的最佳結(jié)果。
復(fù)雜的方法可以有效地減少翹曲，但由于執(zhí)行過(guò)多的重新分析，因此需要大量的功能評(píng)估，因此耗時(shí)費(fèi)財(cái)。使用Taguchi方法[1-5]減少翹曲易于執(zhí)行，可以分析有效因素，但獲得的“最佳工藝條件”在設(shè)計(jì)空間上不是最好的; 它只是因子水平的最佳組合。
最近，響應(yīng)面法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)出現(xiàn)在翹曲優(yōu)化任務(wù)中。Shen et al。 [9]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法來(lái)優(yōu)化過(guò)程條件，以減少最大和最小體積收縮之間的差異。Ozcelik，Erzurumlu和Kurtaran優(yōu)化的尺寸參數(shù)[10]和工藝條件[11-13]，通過(guò)將遺傳算法與響應(yīng)面法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合來(lái)減少薄殼塑料件的翹曲。從結(jié)果來(lái)看，響應(yīng)面方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都可以被認(rèn)為是降低翹曲變形優(yōu)化中高計(jì)算成本的好方法，遺傳算法可以有效地找到全局最優(yōu)設(shè)計(jì)。
在這項(xiàng)研究中，包裝壓力，熔體溫度，模具溫度和注射時(shí)間被認(rèn)為是優(yōu)化翹曲的有效因素。應(yīng)用Kriging模型[14,15]組合改進(jìn)的矩形網(wǎng)格方法來(lái)構(gòu)建翹曲和過(guò)程參數(shù)的近似關(guān)系，優(yōu)化迭代基于降低高計(jì)算成本的近似關(guān)系。除了近似關(guān)系外，克里格模型還可以提供一些分析重要因素的信息。
2抽樣策略
提出了改進(jìn)的矩形網(wǎng)格（MRG）方法來(lái)提供用于構(gòu)建克里格模型的采樣點(diǎn)。我們將m個(gè)設(shè)計(jì)變量的范圍定義為lj≤xj≤uj,j=1,…,m; 以及第j維度的級(jí)數(shù)為qj（即采樣點(diǎn)數(shù)為j=1mqj）。然后按照以下方式執(zhí)行該方法:
1. 收縮變量范圍：
2. 在收縮空間內(nèi)進(jìn)行RG抽樣。 樣本點(diǎn)的分布由不同維度的所有不同數(shù)據(jù)組合定義：
3. 對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的每個(gè)維度添加一個(gè)隨機(jī)運(yùn)動(dòng); 隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是：
其中αnj∈[0,1]來(lái)自均勻分布。
與RG [14]相比，MRG可以將邊界上的一些點(diǎn)移動(dòng)到內(nèi)部設(shè)計(jì)區(qū)域，為Kriging模型提供更多有用的信息，并且可以確保點(diǎn)數(shù)具有較少的重疊坐標(biāo)值。此外，可以避免采樣點(diǎn)彼此靠近的情況，這可能是使用LHS [16]發(fā)生的，因?yàn)閮蓚€(gè)任意點(diǎn)之間的距離必須滿足：
注塑成型。 Krigingmodel.Rectangulargrid。 修改矩形網(wǎng)格
翹曲是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。特別是隨著通信電子產(chǎn)品向輕，薄，短，小的設(shè)計(jì)理念的發(fā)展，減少翹曲，提高薄殼部件的質(zhì)量越來(lái)越重要。翹曲的原因歸因于零件的不均勻收縮。我們可以通過(guò)改變零件的幾何形狀、修改模具的結(jié)構(gòu)或調(diào)整工藝條件來(lái)減少翹曲。事實(shí)上，優(yōu)化工藝條件是最可行和最合理的方法。
不同的工藝條件將導(dǎo)致不同的不均勻性。已經(jīng)報(bào)道的有關(guān)優(yōu)化翹曲的有效因素的一些研究[1-5]。根據(jù)他們的結(jié)論，包裝壓力，模具溫度和注射時(shí)間（或注射速度）對(duì)注塑件的翹曲有重要的影響。塑料注射成型中的一個(gè)重要問(wèn)題是在制造前預(yù)測(cè)和優(yōu)化翹曲。有一些出版物用于翹曲優(yōu)化。Lee和Kim提出了關(guān)于翹曲變形優(yōu)化的早期文獻(xiàn)[6]。他們使用改進(jìn)的復(fù)合方法優(yōu)化了壁厚和工藝條件，以減少翹曲并獲得超過(guò)70％的翹曲變形減少。隨后[7]，他們通過(guò)兩步搜索方法優(yōu)化，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，包括翹曲，焊縫和打擊強(qiáng)度。Sahu等人 [8]使用改進(jìn)的復(fù)雜方法，Taguchi方法和遺傳算法優(yōu)化了工藝條件，并且其結(jié)果表明，復(fù)雜的方法獲得了減少翹曲的最佳結(jié)果。
復(fù)雜的方法可以有效地減少翹曲，但由于執(zhí)行過(guò)多的重新分析，因此需要大量的功能評(píng)估，因此耗時(shí)費(fèi)財(cái)。使用Taguchi方法[1-5]減少翹曲易于執(zhí)行，可以分析有效因素，但獲得的“最佳工藝條件”在設(shè)計(jì)空間上不是最好的; 它只是因子水平的最佳組合。
最近，響應(yīng)面法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)出現(xiàn)在翹曲優(yōu)化任務(wù)中。Shen et al。 [9]結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和遺傳算法來(lái)優(yōu)化過(guò)程條件，以減少最大和最小體積收縮之間的差異。Ozcelik，Erzurumlu和Kurtaran優(yōu)化的尺寸參數(shù)[10]和工藝條件[11-13]，通過(guò)將遺傳算法與響應(yīng)面法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合來(lái)減少薄殼塑料件的翹曲。從結(jié)果來(lái)看，響應(yīng)面方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都可以被認(rèn)為是降低翹曲變形優(yōu)化中高計(jì)算成本的好方法，遺傳算法可以有效地找到全局最優(yōu)設(shè)計(jì)。
在這項(xiàng)研究中，包裝壓力，熔體溫度，模具溫度和注射時(shí)間被認(rèn)為是優(yōu)化翹曲的有效因素。應(yīng)用Kriging模型[14,15]組合改進(jìn)的矩形網(wǎng)格方法來(lái)構(gòu)建翹曲和過(guò)程參數(shù)的近似關(guān)系，優(yōu)化迭代基于降低高計(jì)算成本的近似關(guān)系。除了近似關(guān)系外，克里格模型還可以提供一些分析重要因素的信息。
提出了改進(jìn)的矩形網(wǎng)格（MRG）方法來(lái)提供用于構(gòu)建克里格模型的采樣點(diǎn)。我們將m個(gè)設(shè)計(jì)變量的范圍定義為lj≤xj≤uj,j=1,…,m; 以及第j維度的級(jí)數(shù)為qj（即采樣點(diǎn)數(shù)為j=1mqj）。然后按照以下方式執(zhí)行該方法:
1. 收縮變量范圍：
2. 在收縮空間內(nèi)進(jìn)行RG抽樣。 樣本點(diǎn)的分布由不同維度的所有不同數(shù)據(jù)組合定義：
3. 對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)的每個(gè)維度添加一個(gè)隨機(jī)運(yùn)動(dòng); 隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是：
其中αnj∈[0,1]來(lái)自均勻分布。
與RG [14]相比，MRG可以將邊界上的一些點(diǎn)移動(dòng)到內(nèi)部設(shè)計(jì)區(qū)域，為Kriging模型提供更多有用的信息，并且可以確保點(diǎn)數(shù)具有較少的重疊坐標(biāo)值。此外，可以避免采樣點(diǎn)彼此靠近的情況，這可能是使用LHS [16]發(fā)生的，因?yàn)閮蓚€(gè)任意點(diǎn)之間的距離必須滿足：
圖1顯示，MRG方法優(yōu)于RG和LHS。
3克里金模型
克里金模型被描述為“將功能建模為隨機(jī)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)”的方式，因此被稱為“隨機(jī)過(guò)程模型”。事實(shí)上，Kriging模型是內(nèi)插技術(shù)，Kriging預(yù)測(cè)器是一種預(yù)測(cè)器，其可以將預(yù)期的平方預(yù)測(cè)誤差降至最低，這取決于：（i）是無(wú)偏的，（ii）是觀察到的響應(yīng)值的線性函數(shù)。
3.1 Model
克里金模型可以寫成：
其中Xj={x1j,x2j,…,xmj}是具有m個(gè)變量的第i個(gè)樣本點(diǎn)，y(Xi)是擬合到第n個(gè)樣本點(diǎn)的近似函數(shù)，fh(Xi)是Xi的線性或非線性函數(shù)，βh是要估計(jì)的回歸系數(shù)，z(Xi)是隨機(jī)的 函數(shù)具有平均零和方差σ2。隨機(jī)函數(shù)之間的空間相關(guān)函數(shù)由下式給出：
可以通過(guò)使樣本的可能性最大化來(lái)估計(jì)參數(shù)βh，σ2和θl。 似然函數(shù)是：
在實(shí)踐中，可以通過(guò)最大化似然函數(shù)的對(duì)數(shù)來(lái)獲得，忽略常數(shù)：
讓這個(gè)表達(dá)式相對(duì)于σ2和β的導(dǎo)數(shù)等于零; 那么我們可以得到：
將方程 9和10代入等式 8，我們可以得到所謂的“集中對(duì)數(shù)似然”函數(shù)：
它僅依賴于R，因此取決于相關(guān)參數(shù)θlS。 通過(guò)最大化我們可以獲得的功能：
然后，估計(jì)值β和σ2可以從等式 9和等式10得到。
3.2預(yù)測(cè)因子
函數(shù)值y(X*)可以將新點(diǎn)X*近似地估計(jì)為樣本Y的響應(yīng)值的線性組合：
錯(cuò)誤是:
將等式 1代入等式 14給出：
其中Z=[z1,z2,…,.zn]和F=[f1,f2,…,fn]為使X*的預(yù)測(cè)值無(wú)偏，此時(shí)的平均誤差應(yīng)為零，即：
然后我們得到：
預(yù)測(cè)值的均方誤差（MSE）在等式 15中給出：
即是：
最小化φ（X*）與公式 17，我們可以得到：
導(dǎo)出：
得到：
因此，我們可以預(yù)測(cè)函數(shù)值y(X*) 通過(guò)使用方程式21來(lái)計(jì)算每個(gè)新點(diǎn)X*。
辛普森等人 [17]建議克里格模型的最佳選擇是在中等數(shù)量變量（小于50）中的確定性和高度非線性。很多研究人員在設(shè)計(jì)復(fù)雜工程時(shí)已早期應(yīng)用[18-20]。最近，黃等人 [21]已經(jīng)使用Kriging模型來(lái)最大限度地減少金屬成形工藝設(shè)計(jì)中的模具磨損。此外，Hawe和Sykulski [22]已經(jīng)展示了Kriging模型在電磁裝置優(yōu)化中的應(yīng)用。
4基于Kriging模型的翹曲優(yōu)化
4.1優(yōu)化模型和優(yōu)化過(guò)程
翹曲變形最小設(shè)計(jì)問(wèn)題可以說(shuō)如下：
找到
最小化翹曲（x1,x2,…,xm）
受制于xj≤xj≤xj j=1,2,…,m
其中x1,x2,…,xm是表示過(guò)程條件的變量，熱變形（x1,x2,…,xm）是量化的熱變形值，將由基于優(yōu)化中的克里格模型的近似函數(shù)代替迭代，并且xj和xj是第j個(gè)設(shè)計(jì)變量的上限和下限。
基于克里格模型的優(yōu)化算法描述如下：
1. 使用MRG方法獲取一組具有n個(gè)點(diǎn)（每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一組過(guò)程條件）的樣本，并運(yùn)行Moldflow程序以獲取采樣點(diǎn)的翹曲值。然后，選擇與最小翹曲值對(duì)應(yīng)的一組工藝條件作為初始設(shè)計(jì)。
2. 基于獲得的試樣，使用Kriging模型建立翹曲與工藝參數(shù)之間的近似關(guān)系。
3. 最小化熱變化值以通過(guò)Kriging近似函數(shù)獲得修改后的設(shè)計(jì)。 然后，通過(guò)Moldflow程序計(jì)算相應(yīng)的熱變化值。
4. 檢查收斂：如果滿足下一節(jié)的收斂標(biāo)準(zhǔn)，則停止; 否則，將修改后的設(shè)計(jì)添加到樣本集中，然后轉(zhuǎn)到步驟2。注意，如果修改后的設(shè)計(jì)比以前的初始設(shè)計(jì)更好，則初始設(shè)計(jì)將被更新。
4.2收斂標(biāo)準(zhǔn)
收斂標(biāo)準(zhǔn)用于同時(shí)滿足優(yōu)化和克里格近似的精度，即：
其中k是優(yōu)化迭代指數(shù)，yk是Kriging模型的近似翹曲值。
5手機(jī)蓋翹曲優(yōu)化
作為示例，調(diào)查了蜂窩電話機(jī)蓋。 其長(zhǎng)度，寬度，高度和厚度分別為130mm，55mm，11mm和1mm。蓋子由3,780個(gè)三角形元素離散化，如圖2所示。它由PC / ABS制成，其材料性質(zhì)如表1所示。
設(shè)計(jì)變量是模具溫度（A），熔體溫度（B），注射時(shí)間（C）和包裝壓力（D）。翹曲通過(guò)平面外位移來(lái)量化，該位移是Moldflow中默認(rèn)平面的最大向上變形和最大向下變形的總和。四個(gè)變量的范圍在表2中給出。我們希望在大型可行的成型窗口中找到最佳設(shè)計(jì)。因此，這些范圍可以大于實(shí)際制造中的范圍。此外，這個(gè)范圍可以避免熔體短路。 模具溫度的范圍基于Moldflow的Plastics Insight中的推薦值，該數(shù)值考慮了材料的性能。熔體溫度的范圍比Moldflow中應(yīng)使用的最小值高10°C，因?yàn)檩^低的熔融溫度可能導(dǎo)致熔體短路。注射時(shí)間和包裝壓力根據(jù)制造商的經(jīng)驗(yàn)確定。
MRG方法選擇了五十四種工藝組合。在FE模擬之后，獲得試樣，然后使用DACE工具箱構(gòu)建Kriging模型。在常數(shù)回歸項(xiàng)和ε1=ε2=1.0e-3的條件下，只需要修改五個(gè)來(lái)獲得最優(yōu)解，結(jié)果如表3所示。在Intel P4處理器PC上花費(fèi)11個(gè)小時(shí)的CPU時(shí)間（運(yùn)行Moldflow并執(zhí)行優(yōu)化），優(yōu)化過(guò)程消耗的凈時(shí)間只有2.3s。 圖3顯示了蜂窩電話機(jī)優(yōu)化的迭代歷史。隨著迭代次數(shù)的增加，Kriging模型的模擬值逐漸接近Moldflow中的分析值。 圖4和圖5分別顯示優(yōu)化前后的翹曲值
6結(jié)果與討論
6.1優(yōu)化結(jié)果分析
為了詳細(xì)分析結(jié)果，每個(gè)因素對(duì)翹曲的影響也將通過(guò)有限元模擬來(lái)研究，條件是所有其他因素都保持在最佳水平。結(jié)果如圖16所示。
通常，如果模具溫度低，則會(huì)產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力，因?yàn)榍惑w中的熔體具有高的冷卻速率。因此，從質(zhì)量的觀點(diǎn)來(lái)看，最高的模具溫度在其范圍內(nèi)是最好的。但是， 圖6顯示，當(dāng)所有其他因素保持在其最佳值時(shí)，模具溫度對(duì)翹曲的影響非常小。這種現(xiàn)象導(dǎo)致最佳模具溫度在其范圍內(nèi)不是最高值。
圖6顯示，當(dāng)熔體溫度從260℃變化到300℃時(shí)，翹曲值非線性地降低。較低的熔體溫度具有不良的流動(dòng)性，可產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力。如果沒(méi)有足夠的時(shí)間釋放剪切應(yīng)力，翹曲將會(huì)增加。結(jié)果表明，熔化溫度較高，使翹曲最小化，與優(yōu)化結(jié)果一致。
注射時(shí)間短可以在空腔中引起快速熔融流動(dòng)，這對(duì)殘余應(yīng)力和分子取向有貢獻(xiàn)另一方面，長(zhǎng)時(shí)間的注射時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致鐵素體激素的上升。這將導(dǎo)致材料中更高的剪切應(yīng)力和更多的分子取向。圖6顯示后一種效應(yīng)在所選擇的范圍內(nèi)可能更為重要。
包裝壓力在兩個(gè)方面影響翹曲。低填充壓力不能壓縮空腔中的塑料材料，這可能形成體積收縮并引起大的翹曲。另一方面，當(dāng)將更多的熔體轉(zhuǎn)移到空腔中時(shí)，高的填充壓力可以產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力引起的流動(dòng)和高壓力。圖6顯示后一種效應(yīng)在所選范圍內(nèi)更重要，因?yàn)楫?dāng)包裝壓力越來(lái)越高時(shí)，翹曲增加。
6.2 Kriging模型的結(jié)果分析
設(shè)計(jì)變量的兩個(gè)相關(guān)函數(shù)如圖7所示。 對(duì)應(yīng)于θ=1和θ= 5。隨著設(shè)計(jì)變量的變化，θ= 5的曲線下降得更快。這說(shuō)明較大的θ使變量更活躍。因此，參數(shù)θ可以解釋為測(cè)量相應(yīng)變量的重要性[15]。對(duì)于該示例，參數(shù)θls的數(shù)量與處理參數(shù)相同，因此每個(gè)元素θl反映相應(yīng)的處理參數(shù)對(duì)翹曲的影響。表4顯示，在優(yōu)化后，Kriging模型中對(duì)應(yīng)于噴射時(shí)間的θl值大于其他模型，因此注射時(shí)間對(duì)翹曲的影響最大，也與圖6一致。
7結(jié)論
在本研究中，提出了一種改進(jìn)的矩形網(wǎng)格（MRG）。 與RG相比，MRG將邊界上的一些點(diǎn)移動(dòng)到內(nèi)部設(shè)計(jì)區(qū)域，這將為Kriging模型提供更多有用的信息。此外，它可以確保這些點(diǎn)具有較少的重疊坐標(biāo)值。通過(guò)RG的遺產(chǎn)，它可以避免這些點(diǎn)彼此靠近的情況。
基于MRG，提出了一種有效的優(yōu)化方法，使注射成型中的翹曲最小化。該方法基于Kriging模型的近似函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，而不是通過(guò)Moldflow進(jìn)行昂貴的翹曲分析。已經(jīng)使用優(yōu)化方法來(lái)最小化手機(jī)蓋的翹曲，結(jié)果表明它具有良好的翹曲優(yōu)化的精度和有效性。
克里格模型不僅有助于降低優(yōu)化的計(jì)算成本，而且有利于分析過(guò)程參數(shù)對(duì)翹曲的影響，特別是反映其非線性關(guān)系。
就手機(jī)蓋而言，注射時(shí)間是所選范圍內(nèi)影響翹曲的重要因素。
致 謝
作者衷心感謝中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金重大計(jì)劃（10590354）對(duì)這項(xiàng)工作的財(cái)政支持，并感謝Moldflow Corporation（Framingham，MA）為本研究提供了仿真軟件。
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Yuehua Gao & Xicheng Wang
收到日期：2006年11月15日/接受日期：2007年4月5日/網(wǎng)絡(luò)發(fā)布：2007年6月15日?Springer-Verlag London Limited 2007
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
題目帶金屬嵌件的圓珠筆管注塑模
起訖日期
學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械工程132
所在學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院
指導(dǎo)教師 職稱 副教授
所在單位機(jī)械工程學(xué)院
9
2017年03月27日
任務(wù)及要求：
1.設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容和要求（包括設(shè)計(jì)或研究?jī)?nèi)容、主要指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)，并根據(jù)課題性質(zhì)對(duì)學(xué)生提出具體要求）
內(nèi)容：
1實(shí)習(xí)調(diào)研、收集資料
2.注塑模具實(shí)體圖、裝配圖及零件圖一套
3.外文文獻(xiàn)翻譯一份(不少于3000漢字)
4.調(diào)研報(bào)告·-份(不少于3000漢字)
5.編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份（1OOOO字左右)
6.參考文獻(xiàn)數(shù)量不低于10篇，至少1篇外文文獻(xiàn)。
要求：
1.熟練掌握CAD設(shè)計(jì)技術(shù)。
2.掌握模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)
3.圖紙繪制準(zhǔn)確、尺寸標(biāo)注合理。
4.外文文獻(xiàn)翻譯準(zhǔn)確、通順，參考文獻(xiàn)引用正確。
5.說(shuō)明書表述清楚，公式及計(jì)算結(jié)果正確，書寫格式規(guī)范。
6.在設(shè)計(jì)工作中態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真，嚴(yán)格執(zhí)行計(jì)劃。
2.原始依據(jù)（包括設(shè)計(jì)或論文的工作基礎(chǔ)、研究條件、應(yīng)用環(huán)境、工作目的等）
本課題要求應(yīng)用先進(jìn)的CAD軟件，進(jìn)行面向墨盒的注塑模具設(shè)計(jì)。課題的目的是培養(yǎng)學(xué)生掌握模具設(shè)計(jì)所需的基本知識(shí)與技能，包括實(shí)體建模技術(shù)、零件圖設(shè)計(jì)及配圖設(shè)計(jì)。培養(yǎng)學(xué)生從事模具設(shè)計(jì)工作所需的基本技能，包括科技資料查閱、CAD軟中應(yīng)用和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)，為畢業(yè)后的工作打下良好基礎(chǔ)。
3.主要參考文獻(xiàn)
[1]葉久新.塑料成型工藝及模具設(shè)計(jì).北京機(jī)械工業(yè)出版社
[2]陳永輝，PROL已模具分模特訓(xùn)基礎(chǔ)與典型范例，北京電子工業(yè)出版社
[3]徐江華.AUTOCAD 2014中文版基礎(chǔ)教程，北京中國(guó)青年出版社
[4]張維合，注塑模具設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)。北京化學(xué)工業(yè)出版社
指導(dǎo)教師簽字：
教研室主任簽字：
年 月 日
參加畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯申請(qǐng)書
學(xué)生姓名
學(xué)院
機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)
題 目
帶金屬嵌件的圓珠筆管注塑模具設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師
經(jīng)過(guò)近14周的努力，通過(guò)對(duì)注塑成型模具相關(guān)的調(diào)研以及翻閱相關(guān)的參考文獻(xiàn)和資料
進(jìn)?行需求分析、系統(tǒng)研究、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終完成了帶金屬嵌件的圓珠筆管注塑模具的?研究和設(shè)計(jì)。
通過(guò)查閱相關(guān)的模具設(shè)計(jì)、國(guó)標(biāo)手冊(cè)等書籍，掌握了本系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)的基本方法，基本掌握了注塑
模具設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)查閱外文資料并完成了對(duì)外文資料的翻譯工作。
在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我認(rèn)真學(xué)習(xí)模具相關(guān)知識(shí)以及PROE、CAD等專業(yè)軟件的操作，能夠熟練使用
軟件設(shè)計(jì)模具并繪制總裝圖和零件圖。
目前，畢業(yè)?設(shè)計(jì)（論文）、外文文獻(xiàn)翻譯、調(diào)研報(bào)告、3張A0圖及相關(guān)資料文檔均已完成，
在此向老?師提出答辯申請(qǐng)，希望老師同意。
指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生參加畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯的意見：
指導(dǎo)教師： 年 月 日
摘 要
塑料在當(dāng)今世界上無(wú)處不用，因此塑料模具有很大的發(fā)展前景，特別是注塑模具。由此可知，研究注塑模具對(duì)了解塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大的意義。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是帶金屬嵌件的圓珠筆管注塑模，即設(shè)計(jì)一個(gè)用來(lái)生產(chǎn)圓珠筆管的注塑模具。本文詳細(xì)記錄了模具的設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)過(guò)程包括塑件材料的工藝性分析、擬定模具的結(jié)構(gòu)形式、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和注塑模主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中讓我可以綜合運(yùn)用到以前的學(xué)習(xí)到的專業(yè)知識(shí)，加深我對(duì)注塑模具設(shè)計(jì)原理的理解，并提高了我將理論知識(shí)與實(shí)際設(shè)計(jì)相結(jié)合的能力，為我以后走向工作崗位打下了基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中除了應(yīng)用傳統(tǒng)的計(jì)算方法，我還使用了Pro/E、AutoCAD軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的模具進(jìn)行了三維建模及二維圖的繪制。
關(guān)鍵詞：注塑模具 Pro/E AutoCAD
ABSTRACT
Plastic is nowhere in the world today, so the plastic mold has great prospects for development， especially the injection mold. Thus we can see, It is of great significance to study the injection molds to understand the production process of plastic products and improve the quality of the products. The subject of this graduation project is injection molded mold with ball - point pen with metal insert, that is, the design of a ballpoint pen for the production of injection mold. This paper records the design process of the mold in detail. The design process includes the technical analysis of the plastic parts, the design of the mold, the design of the pouring system and the design of the main structure of the injection mold.
In this graduation design so that I can be integrated into the previous study to the professional knowledge, deepen my understanding of the principles of injection mold design, and improved my ability to combine theoretical knowledge with practical design. For me to work later laid the foundation. In addition to the application of the traditional design method, I also use the Pro / E, AutoCAD software on the design of the mold for three-dimensional modeling and two-dimensional map drawing.
Key words: Injection mold Pro/E AutoCAD
目 錄
第一章 緒論 1
1.1注塑模具 1
1.2我國(guó)模具發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.3模具發(fā)展趨勢(shì) 1
1.4本次課題的意義 2
第二章 塑件成型工藝性分析 3
2.1塑件的分析 3
2.2 ABS的性能分析 4
2.3 ABS注射成型過(guò)程及工藝參數(shù) 5
2.4 第二章小結(jié) 5
第三章 擬定模具的結(jié)構(gòu)形式及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6
3.1 擬定模具的結(jié)構(gòu)形式 6
3.1.1 分型面位置的確定 6
3.1.2 型腔數(shù)量和排列方式的確定 6
3.2 注射機(jī)型號(hào)的確定 7
3.3 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9
3.3.1主流道的設(shè)計(jì) 9
3.3.2 分流道的設(shè)計(jì) 10
3.3.3 澆口的設(shè)計(jì) 12
3.3.4校核主流道的剪切速率 12
3.4冷料穴的計(jì)算 13
3.5本章小結(jié) 13
第四章 注塑模主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
4.1成型零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 14
4.1.1凹模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
4.1.2凸模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（型芯） 14
4.1.3成型零件鋼材的選用 15
4.1.4成型零件工作尺寸的計(jì)算 15
4.1.5成型零件尺寸及動(dòng)模墊板厚度的計(jì)算 17
4.2 模架的確定 18
4.2.1 各模板尺寸的確定 18
4.3 排氣槽的設(shè)計(jì) 18
4.4 脫模推出機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
4.4.1推出方式的確定 18
4.4.2脫模力的計(jì)算 18
4.4.3校核推出機(jī)構(gòu)作用在塑件上的單位壓應(yīng)力 19
4.5 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19
4.5.1 冷卻介質(zhì) 19
4.5.2 冷卻系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算 19
4.5.3 凹模嵌件和型芯冷卻水道的設(shè)置 20
4.6 導(dǎo)向與定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 20
4.7 本章小結(jié) 21
第五章 總裝圖及二維圖的繪制 22
謝 辭 23
參考文獻(xiàn) 24
大連交通大學(xué)2017屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第一章 緒論
1.1注塑模具
注塑模具是近代化發(fā)展的生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的一種塑膠制品生產(chǎn)的工具。它影響著塑膠制品的完整結(jié)構(gòu)和精確尺寸。注塑成型則是批量生產(chǎn)塑膠制品的一種加工的方式，即將受熱融化的塑料由注射劑射入模腔，經(jīng)冷卻固化后獲得成形品。注塑成型可以對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的塑料制品實(shí)現(xiàn)一次成型，是一種高效率的生產(chǎn)方式。而注塑模具的好壞將直接影響注塑成型的質(zhì)量。在模具行業(yè)中，想要加工出高精度、高質(zhì)量的模具來(lái)，必須借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造軟件，這是保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減輕勞動(dòng)量的有效途徑。
1.2我國(guó)模具發(fā)展現(xiàn)狀
目前來(lái)說(shuō)我國(guó)模具行業(yè)一直在突飛猛進(jìn)，近10年來(lái)的增長(zhǎng)速度都達(dá)到了15%,甚至猶有過(guò)之。目前我國(guó)有3W多家模具生產(chǎn)廠商，80W人從事模具行業(yè)。出現(xiàn)了一批模具行業(yè)的領(lǐng)頭羊，如一汽、海爾、圣都等。甚至在重慶、大連等地區(qū)出臺(tái)了扶持當(dāng)?shù)啬＞咝袠I(yè)的政策。
但是我國(guó)模具行業(yè)在地域分布上純?cè)诓黄胶庑詵|南沿?？煊谥形鞑浚戏降陌l(fā)展快于北方。
1.3模具發(fā)展趨勢(shì)
1、模具全球化，模具生產(chǎn)周期進(jìn)一步縮短
模具市場(chǎng)全球化是當(dāng)今模具工業(yè)最主要的特征之一，模具的購(gòu)買者和生產(chǎn)商遍布全世界，模具工業(yè)的全球化發(fā)展使生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、精度低的模具加工企業(yè)向技術(shù)相對(duì)落后、生產(chǎn)率較低的國(guó)家遷移，發(fā)達(dá)國(guó)家的模具生產(chǎn)企業(yè)則定位在生產(chǎn)高水準(zhǔn)的模具上，模具生產(chǎn)企業(yè)必須面對(duì)全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)模具生產(chǎn)廠家不得不千方百計(jì)地加快生產(chǎn)進(jìn)度，努力簡(jiǎn)化和廢除不必要的生產(chǎn)工序，模具的生產(chǎn)周期將進(jìn)一步縮短。
2、模具產(chǎn)品將向大型、精密、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展
一方面模具成型零件日漸大型化和為提高生產(chǎn)效率開發(fā)的“一模多腔”造成了模具日趨大型化，另一方面電子信息產(chǎn)業(yè)、醫(yī)學(xué)的迅猛發(fā)展帶來(lái)了零件微型化及精密化有些模具的加工精度公差就要求在1μm以下另外多功能復(fù)合模具將得到進(jìn)一步發(fā)展，新型多功能復(fù)合模具除了沖壓成型零件外，還擔(dān)負(fù)疊壓、攻絲、鉚接和鎖緊等組裝任務(wù)，生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家模具標(biāo)準(zhǔn)件使用覆蓋率一般為80％左右，隨著我國(guó)模具工業(yè)的發(fā)展，模具標(biāo)準(zhǔn)化工作必將加強(qiáng)，模具標(biāo)準(zhǔn)化程度將進(jìn)一步提高，模具標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)用和生產(chǎn)在“十一五”期間必將得到較大的發(fā)展? ?
3、模具行業(yè)將得到政府愈來(lái)愈多的重視和支持，大力發(fā)展模具城，使模具行業(yè)進(jìn)行更快更好的發(fā)展
4模具協(xié)會(huì)承擔(dān)起模具企業(yè)與政府之間的橋梁，組織技術(shù)交流會(huì)，召開專題研討會(huì)，幫助企業(yè)尋找出路和辦法應(yīng)付市場(chǎng)，促進(jìn)模具技術(shù)的交流、發(fā)展，進(jìn)行數(shù)字化管理的推廣。
1.4本次課題的意義
畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說(shuō)是檢驗(yàn)我們?cè)诖髮W(xué)所學(xué)知識(shí)的一次測(cè)試，培養(yǎng)我們將理論知識(shí)與實(shí)際情況結(jié)合的能力進(jìn)一步提高我們的知識(shí)素養(yǎng)，鍛煉我們獨(dú)立處理事務(wù)的能力，為我們以后走向工作崗位打下基礎(chǔ)。
第二章 塑件成型工藝性分析
2.1塑件的分析
（1）外形尺寸 該塑件壁厚為1.5mm，塑件外形尺寸不大，塑料熔體流程不太長(zhǎng)，適合于注塑成型，如圖2-1所示。
圖2-1 帶金屬嵌件的圓珠筆管
（2）精度等級(jí) 每個(gè)尺寸的公差不一樣，有的屬于一般精度，有的屬于高精度，就按實(shí)際公差進(jìn)行計(jì)算。
（3）脫模斜度 ABS屬于無(wú)定型塑料，成型收縮率較小，參考表2-1選擇該塑件上型芯和凹模的統(tǒng)一脫模斜度為1°。
表2-1 ABS的性能與用途
塑料品種
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
使用溫度
化學(xué)穩(wěn)定性
性能特點(diǎn)
成型特點(diǎn)
主要用途
ABS
線型結(jié)構(gòu)非結(jié)晶型
小于70°
較好
機(jī)械強(qiáng)度較好，有一定的耐磨性，但耐熱性較差，吸水性較大
成型性能很好，成型前原料要干燥
應(yīng)用廣泛，如電器外殼、汽車儀表盤、日用品等。
2.2 ABS的性能分析
（1） 使用性能
綜合性能好，沖擊強(qiáng)度、力學(xué)強(qiáng)度較高，尺寸穩(wěn)定，耐化學(xué)性，電氣性能良好：易于成型和機(jī)械加工，其表面可鍍鉻，適合制作一般機(jī)械零件、減摩零件、傳動(dòng)零件和結(jié)構(gòu)零件。
（2） 成型性能
1） 無(wú)定型塑料。其品種很多，各品種的機(jī)電性能以及成型特點(diǎn)也有所差異，應(yīng)按品種確定成型方法及成型條件。
2） 吸濕性強(qiáng)。含水量小于0.3%（質(zhì)量），必須充分干燥，要求表面光澤的塑件應(yīng)要求長(zhǎng)時(shí)間預(yù)熱干燥。
3） 流動(dòng)性中等。溢邊料0.04mm左右。
4） 模具設(shè)計(jì)時(shí)要注意澆注系統(tǒng)，選擇好進(jìn)口料位置、形式。推出力過(guò)大或機(jī)械加工時(shí)塑件表面呈現(xiàn)白色痕跡。
（3）ABS主要性能指標(biāo)如表2-2：
表2-2 ABS的性能指標(biāo)
密度/g·cm-3
1.02~1.08
屈服強(qiáng)度/MPa
50
比體積、cm3·g-1
0.86~0.98
拉伸強(qiáng)度/MPa
38
吸水率（%）
0.2~0.4
拉伸彈性模量/MPa
1.4×103
熔點(diǎn)/℃
130~160
抗彎強(qiáng)度/MPa
80
計(jì)算收縮率（%）
0.4~0.7
抗壓強(qiáng)度/MPa
53
比熱容/J·（kg·℃）-1
1470
彎曲彈性模量/MPa
1.4×103
2.3 ABS注射成型過(guò)程及工藝參數(shù)
（1）注射成型過(guò)程
1）成型前的準(zhǔn)備。對(duì)ABS光澤、粒度和均勻度進(jìn)行檢驗(yàn)，由于ABS吸水性較大，成型前應(yīng)該充分干燥。
2）注射過(guò)程。塑件在注射機(jī)料筒內(nèi)經(jīng)過(guò)加熱、塑化達(dá)到流動(dòng)狀態(tài)后，由模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)入模具型腔成型，其過(guò)程可分為沖模、壓實(shí)、保壓、倒流和冷卻五個(gè)階段。
3）塑件的后處理。處理的介質(zhì)為空氣和水，處理溫度為60~75℃，處理時(shí)間為16~20s。
（2）注射工藝參數(shù)
1）注射機(jī)：螺桿式，螺桿轉(zhuǎn)數(shù)為30r/min。
2）料筒溫度（℃）：后段150~170；
中段165~180；
前段180~200。
3）噴嘴溫度（℃）：170~180.。
4）模具溫度（℃）：50~80。
5）注射壓力（MPa）：60~100。
6）成型時(shí)間（s）：30（注射時(shí)間取1.6，冷卻時(shí)間20.4，輔助時(shí)間8）。
2.4 第二章小結(jié)
本章主要進(jìn)行了塑件的簡(jiǎn)單分析，并通過(guò)查閱相關(guān)資料了解了所選材料（ABS）的性能、注射成型工藝過(guò)程及工藝參數(shù)。
第三章 擬定模具的結(jié)構(gòu)形式及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 擬定模具的結(jié)構(gòu)形式
3.1.1 分型面位置的確定
通過(guò)對(duì)塑件結(jié)構(gòu)的分析，分型面應(yīng)選在端蓋截面積最大且利于開模取出塑件的上平面上，其位置如圖3-1所示。
圖3-1 分型面的選擇
3.1.2 型腔數(shù)量和排列方式的確定
（1）型腔數(shù)量的確定 該塑件采用的精度一般在2-3級(jí)之間，且為大批量生產(chǎn)，可采取一模多腔的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，考慮到塑件尺寸、模具結(jié)構(gòu)尺寸的大小關(guān)系，以及制造費(fèi)用的和各種成本費(fèi)等因素，初步定為一模四腔結(jié)構(gòu)形式。
（2）型腔排列形式的確定 多型腔模具盡可能采用平衡式排列布置，且要力求緊湊，并與澆口開設(shè)的部位對(duì)稱。由于該設(shè)計(jì)選擇的是一模四腔，故采用中心對(duì)稱排列，如圖3-2所示。
圖3-2 型腔數(shù)量的排列分布
（3）模具結(jié)構(gòu)形式的確定 從上面的分析可知，本模具設(shè)計(jì)為一模四腔，中心對(duì)稱排列，根據(jù)塑件結(jié)構(gòu)形式，推出機(jī)構(gòu)擬采用推桿推出的推出形式。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，留到采用對(duì)稱平衡式，澆口采用點(diǎn)澆口，且開設(shè)在分型面上。因此，定模部分不需要單獨(dú)開設(shè)分型面取出凝料，動(dòng)模部分需要添加托板。由以上綜合分析可確定選用單分型面注射模。
3.2 注射機(jī)型號(hào)的確定
（1）注射量的計(jì)算 通過(guò)三維軟件建模設(shè)計(jì)分析計(jì)算得
塑件體積：V塑=2.424cm3
塑件質(zhì)量：m塑=ρV塑=2.424×1.02g=2.472g
其中ρ參考表2-2可取1.02gcm3。
（2）澆注系統(tǒng)凝料體積的初步計(jì)算 澆注系統(tǒng)的凝料在設(shè)計(jì)之前是不能確定準(zhǔn)確的數(shù)值，但是可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照塑件體積的0.2~1倍來(lái)估算。雖然本次采用的流道簡(jiǎn)單并且較短，但因?yàn)榱慵捏w積較小，因此澆注系統(tǒng)的凝料按塑件體積的1倍來(lái)計(jì)算，故一次注入模具型腔塑料熔體的總體積（即澆注系統(tǒng)的凝料和4個(gè)塑件體積之和）為
V總=V塑1+1×4=2.424×2×4=19.392cm3
（3）選擇注射機(jī) 根據(jù)第二步計(jì)算得出一次注入模具型腔的塑料總質(zhì)量V總=19.392cm3，并結(jié)合式V公=V總0.8則有：V總0.8=19.3920.8=24.24cm3。根據(jù)以上的計(jì)算，初步選定公稱注射量為60cm3，注射機(jī)型號(hào)為XS-ZY-60臥式注射機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表2-3。
表2-3 注射機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
理論注射量/cm3
60
移模行程/mm
270
螺桿柱塞直徑/mm
V注射壓力/MPa
35
最大模具厚度/mm
350
135
最小模具厚度/mm
150
注射速率/g?s-1
70
鎖模形式
液壓
塑化能力/g?s-1
45
模具定位孔直徑/mm
80
螺桿轉(zhuǎn)速/r?min-1
0~200
噴嘴球半徑/mm
4
鎖模力/KN
400
噴嘴口半徑/mm
10
拉桿內(nèi)間距/mm
330×330
（4）注射機(jī)相關(guān)參數(shù)的校核
1）注射壓力校核。ABS所需注射壓力為80~100MPa，這里取p0=100MPa，該注射機(jī)的公稱注射壓力p公=150MPa，注射壓力安全系數(shù)k1=1.25~1.4，這里取k1=1.3則：
k1p0=1.3×100=130
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