CN106003625B

CN106003625B - 一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法

Info

Publication number: CN106003625B
Application number: CN201610348178.4A
Authority: CN
Inventors: 钱应平; 黄菊花; 周细枝; 易国锋; 张�诚; 龚雪丹; 易举
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2018-01-23
Anticipated expiration: 2036-05-24
Also published as: CN106003625A

Abstract

本发明公开了一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法，首先建立优化设计模型，通过基于Moldflow模流分析、响应曲面法和粒子群优化算法拟合优化目标的响应曲面模型，计算出响应值成型周期和冷却均匀度；然后通过方差分析验证模型的有效性；通过响应面分析建立优化目标函数；结合前面计算结果，根据需要设计随形冷却水道的表面结构，采用本发明方法设计制造出来钢质注塑模具的冷却水流道使其内部形成强制湍流，强化传热，增强冷却介质的冷却作用，从而提高注塑成型的成型周期和品质，缩短成型周期，提高生产效率，满足注塑模具精密化和高效化的客观要求。

Description

一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法

技术领域

本发明涉及到模具及强化传热领域，具体涉及一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法。

背景技术

随着注塑成型精密化和高效化要求越来越高，注塑模具冷却的均匀性和高效性的要求也越来越高。传统冷却主要是采用钻削方式加工的直线型冷却孔实现，设计时主要根据经验在模具的型腔和型芯上设计出单孔或者串联和并联的孔组成的冷却系统，难以满足均匀和高效冷却的实际要求。随着3D打印技术的快速发展，随形冷却方式逐渐在模具中得到应用。注塑模的随形冷却是在进行冷却系统设计时所设计的冷却水道随着注射模具腔壁的变化而变化，水道与型腔壁的距离始终保持一致，因此可以达到均匀冷却的效果，然而相比传统钢质模具而言，利用现有的3D打印技术制造的随形冷却模具仍然存在后续加工复杂、制造成本高、强度低、寿命短、只能适用于新产品试制和小批量生产等不足；另外，由于随形冷却的曲线流道的流动阻力大于直线型流道，导致曲线流道的局部传热性能低于直线型流道。因此，如何在兼顾随形曲线流道均匀冷却的优势下强化其传热性能成为注塑模具冷却系统设计的新难点。

发明内容

鉴于注塑模具冷却系统目前设计方法存在的不足，本发明的目的在于结合表面粗糙强化传热，提供一种钢质注塑模具高效均匀的冷却系统设计方法，该方法以模具的冷却均匀度和成型周期为目标，基于Moldflow模流分析、响应曲面法和粒子群优化算法，在保持随形冷却均匀度优势的同时，通过改变水道表面的结构，使得冷却水道的内部很容易形成强制湍流，强化传热，增强冷却介质的冷却作用，从而提高注塑成型的成型周期和品质，缩短成型周期，提高生产效率，满足注塑模具精密化和高效化的客观要求。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、根据注塑工艺要求和模具结构特点，建立以相邻冷却水道壁之间的一半距离a、冷却水道距离模具型腔壁的距离b、冷却水道的直径d为设计变量，以模具的成型周期t_C，冷却均匀度△Tw为优化目标的注塑模具随形冷却系统优化设计模型；

二、根据试验设计，利用回归分析，拟合优化目标的响应曲面模型，并对模拟结果和响应面模型进行验证，根据Moldflow通过对每个不同实验点的建模，对不同设计变量组合的模型进行模流分析,分别计算出响应值成型周期和冷却均匀度；

三、通过方差分析验证模型的有效性，分别以成型周期、冷却均匀度为响应值，通过统计软件的响应面回归分析进行数据分析；

四、响应面分析，为了能够获得变量对响应值的影响规律，利用二次回归方程来构造变量与响应值之间的响应面，并且用三维响应图更加形象化的表达出来；

五、根据注塑工艺对优化目标函数的具体要求，建立带有上下限及约束函数的优化目标函数，并利用粒子群优化算法对优化目标函数进行非线性优化，从而实现注塑模随形冷却水道的优化设计，获得最优的成型周期和冷却均匀度组合；

六、结合前面计算的影响因素，根据需要设计出随形冷却水道的表面结构，包括球凸表面的水道、滴状凸表面的水道、以及棱形凸表面的曲线水道。

作为优选，所述步骤二中利用二阶泰勒多项式来回归拟合出变量与响应值之间二次响应面模型，在利用响应面模型计算响应变量之前，采用残差分析对响应面模型的准确性进行诊断。

作为优选，所述步骤五中，当制品的质量和精度要求低时，以成型周期为主要优化目标；当制品的质量及尺寸精度要求高时，以冷却均匀度为主要优化目标。

作为优选，所述步骤六中，随形冷却水道表面上的球凸、滴状、棱形在随形冷却水道截面的圆周上均匀分布且数量为8-10个。

作为优选，所述随形冷却水道表面上的球凸、滴状、棱形在随形冷却水道轴向上分布的间距为5-8mm，所述随形冷却水道表面上的球凸、滴状和棱形的高度为随形冷却水道横截面直径的25％—30％。本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

1.本发明设计的随形冷却系统使传热更加优化；

2.本发明通过强化随形冷却水道的传热效果，达到既保持冷却的均匀性有能提高冷却效果的目的；

3.本发明可以应用于热冲压成形和压铸成型等需要调控温度的模具中；

4.本发明中涉及的制造方法已申请专利(专利申请号201610208923.5)。

附图说明

图1是本发明实施例的注塑制品的结构示意图。

图2是本发明冷却系统简化单元示意图；

图3是本发明t_C响应面模型的残差正态概率分布图；

图4是本发明△Tw响应面模型的残差正态概率分布图；

图5是本发明响应面模型的预测值分布图；

图6是Moldflow模拟的结果分布图；

图7是a，b的交互作用对成型周期影响的响应曲面图；

图8是b，d的交互作用对成型周期影响的响应曲面图；

图9是a，d的交互作用对成型周期影响的响应曲面图；

图10是a，b的交互作用对冷却均匀度影响的响应曲面图；

图11是b，d的交互作用对冷却均匀度影响的响应曲面图；

图12是a，d的交互作用对冷却均匀度影响的响应曲面图；

图13是本发明适应度值函数的进化过程图；

图14是本发明的球凸表面结构的随形冷却水道示意图；

图15是本发明的滴状凸表面结构的随形冷却水道示意图；

图16是本发明的棱形凸表面结构的随形冷却水道示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的实施例提供了一种基于表面粗糙强化传热的钢质注塑模具冷却系统的优化设计方法，如图1所示，是本发明一个实施例中的塑料产品结构示意图，该方法包括如下步骤：

步骤1：冷却系统模型描述及实验设计，本步骤具体包括建立冷却模系统模型单元图见图2，定义冷却系统的主要变量：①相邻随形冷却水道壁之间的一半距离a，②随形冷却水道至模具型腔壁的距离b，③随形冷却水道的直径d。然后根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，进行三因素三水平的响应面分析实验。三因素Box-Behnken试验设计共需进行15组试验，其中前12组实验点为析因点，后3组立方体中心设计点的三次重复试验，目的是为了估计实验误差。实验条件分析、表头设计如表1所示，其中“-1”、“0”、“1”分别代表各因素的低等水平、中等水平、高等水平。实验中变量的取值范围空间可结合实际生产的经验和数值模拟分析加以确定。

表1三因素三水平的取值

步骤2：模拟结果和响应面模型的验证，根据Moldflow通过对每个不同实验点建模，并对不同设计变量组合的模型进行模流分析,分别计算出响应值成型周期和冷却均匀度，模拟结果如表2所示。根据表2的结果，利用二阶泰勒多项式来回归拟合出变量与响应值之间二次响应面模型。表达式1，2分别给出了两个响应变量对应的的响应面模型的数学表达式。

表2 Box-Behnken实验设计与结果

t_c＝2.43765+3.14247×a+0.97716×b-3.11815×d+0.0079844×a×b-0.40287×a×d-0.073562×b×d+0.17717×a²+0.080920×b²+0.35074×d² (1)

△T_w＝2.29478+0.62828×a-0.78966×b+0.0631×d-0.052359×a×b+0.032688×a×d-0.048187×b×d+0.0022484×a²+0.057405×b²+0.022306×d² (2)

在利用响应面模型计算响应变量之前，采用残差分析对响应面模型的准确性进行诊断，利用统计软件分析给出了两个响应面模型对应的残差正态概率图见图3和4图，当每一个变量对应的残差均沿一条直线分布时，表明响应面模型的预测误差呈正态分布，验证最小二乘法的拟合精度是否足够的。同时，利用响应面模型预测的响应值与利用Moldflow模拟实验而获得的响应值之间的对比见图5和图6，进一步验证拟合精度的准确性。

步骤3，通过方差分析验证模型的有效性，分别以成型周期、冷却均匀度为响应值，通过统计软件的响应面回归分析进行数据分析。实施例的分析结果如表3、表4所示。从表中可以看出两个响应面模型的回归可决系数分别为R²＝0.9986，R²＝0.9971，非常接近于1，这说明响应面模型具有非常高的拟合精度，能够实现响应值的精准预测。由表3和表4中的F检验可以看出，F值分别为711.58和297.53，都达到了0.01的极显著水平。从表3中的P检验可以看出，所有的一次项(a，b，d)、二次项(a*a，b*b，d*d)和交互项(a*b，a*d，b*d)的P值均小于0.05，这表明它们均为响应面模型的重要项。从表4中的P检验可以看出，所有的一次项(a，b，d)、二次项(a*a，b*b，d*d)和交互项(a*d)的P值均小于0.05，这表明它们均为响应面模型的重要项，而交互项(a*b，b*d)为非重要项。

表3成型周期响应面模型的方差分析结果

表4冷却均匀度响应面模型的方差分析结果

步骤4，响应面分析。为了能够获得变量对响应值的影响规律，利用二次回归方程来构造变量与响应值之间的响应面，并且用三维响应图更加形象化的表达出来。对于成型周期tc，冷却均匀度△Tw的回归方程，其相对应的三维响应曲面如图7至图12所示。

图7至图9表达了随形冷却水道的直径，随形冷却水道之间的距离，随形冷却水道到模具型腔表面的距离对制品成型周期交互作用的响应曲面图。图7表达了当冷却水道的直径取0水平d＝10mm时，交互作用项a*b(随形冷却水道之间的一半距离和随形冷却水道到模具型腔表面的距离)对制品成型周期的影响的三维曲面响应图。由图7可知，当取d＝10mm时，减小随形冷却水道之间的距离或者随形冷却水道距模具型腔表面的距离都可以缩短制品的成型周期；随形冷却水道距模具型腔表面的距离对制品成型周期的影响要大一些。预测的最少成型周期为18.2056s，与之相对应的随形冷却水道之间的距离为a＝8mm，随形冷却水道到模具型腔壁的距离b＝8mm。图8表达了当随形冷却水道之间的距离取0水平a＝12mm时，交互作用项b*d(随形冷却水道到模具型腔表面的距离和随形冷却水道的直径)对制品成型周期的影响的三维曲面响应图。由图8可知,当取a＝12mm时，随形冷却水道的直径d＝12mm,随形冷却水道到模具型腔表面的距离b＝8mm，此时制品的成型周期最短。图9表达了当随形冷却水道之间的距离取0水平b＝12mm时，交互作用项a*d(随形冷却水道之间的一半距离和随形冷却水道的直径)对制品成型周期的影响的三维曲面响应图。由图9可知，当取b＝12mm时，随形冷却水道之间的距离a比较大时，增加随形冷却水道的直径会显著减少产品的成型周期。而当随形冷却水道之间的距离a越来越小，改变随形冷却水道的直径对制品的成型周期有影响，但影响不是很大。

图10至图12表达了随形冷却水道的直径，随形冷却水道之间的距离，随形冷却水道到模具型腔表面的距离对制品冷却均匀度交互作用的影响。图10表达了当随形冷却水道的直径取0水平d＝10mm时，交互作用项a*b(随形冷却水道之间的一半距离和随形冷却水道到模具型腔表面的距离)对制品冷却均匀度影响的三维曲面响应图。由图10可知，当取d＝10mm时，增大随形冷却水道到模具型腔壁的距离b或者减小随形冷却水道之间的距离a都可以降低模具的周期内平均模温偏差。当b取较小值时，减小随形冷却水道之间的距离a对周期内平均模温偏差的影响大一些，随着b值的增大，这种影响会逐渐减小。周期内的最小平均模温差为0.926℃，此时a＝8mm，b＝16mm。图11表达了当随形冷却水道之间的距离取0水平a＝12mm时，交互作用项b*d(随形冷却水道到模具型腔表面的距离和随形冷却水道的直径)对制品冷却均匀度影响的三维曲面响应图。由图11可知，当取a＝12mm时，增大随形冷却水道的直径对模具的周期平均模温差的影响不大,增大随形冷却水道到模具型腔壁的距离可以明显降低模具的周期平均模温差；并且当b取值较大时，随形冷却水道直径的改变对模具的周期平均模温差几乎没有影响。图12表达了当随形冷却水道之间的距离取0水平b＝12mm时，交互作用项a*d(随形冷却水道之间的一半距离和随形冷却水道的直径)对制品冷却均匀度影响的三维曲面响应图。由图12可知，当取b＝12mm时，降减小随形冷却水道的直径和随形冷却水道之间的距离都可以降低模具的周期平均模温差，且减小随形冷却水道之间的距离比减小随形冷却水道的直径的影响更大。

步骤5，目标函数的优化，建立了制品的成型周期和冷却均匀度的目标函数，但由于各目标函数对设计变量的要求是相互制约的，因此无法同时实现两个目标函数的最小化。在实际生产中，不同的制品会有不同的侧重点，对质量要求不是特别严格的制品，优化随形冷却水道的主要目地是为了提高生产效率；而对于质量及尺寸精度要求较高的制品，提高制品的冷却均匀度则是首要目地。

本实施例的塑胶制品对于尺寸精度的要求并不是很高，因此随形冷却水道最优化的目标就是缩短制品的成型周期以提高生产效率，将冷却优先优化问题采用优化数学模型进行描述，并采用粒子群优化算法(Partical Swarm Optimization-PSO)对目标函数进行非线性优化。在PSO的优化过程中，首先初始化一群随机粒子，然后随机粒子通过迭代寻找最优，在每一次迭代中，粒子通过追踪两个极值来更新自己的速度和位置，第一个极值是每个粒子自身所找到的最优解，即所谓的个体最优解,通常用pbest表示，另一个最优解是整个粒子种群目前找到的最优解，即所谓的群体最优解或全局最优解，通常用gbest来表示，在每次迭代的过程中，粒子搜寻到的解的优劣程度通过适应度函数进行评价。本实施例中，适应度函数为函数表达式，适应度值为响应值。设定种群的粒子数为100，两个学习因子均设为0.5，惯性权重从0.8线性减小到0.4。对于这个函数的优化，算法经过300次的迭代进化可以得到最优的变量组合，适应度函数的迭代进化过程如图13所示。对二次多元回归方程进行优化，约束范围8≤a≤16,8≤b≤16,8≤d≤12,在这个约束范围之内使得tc取最小值，同时△Tw在一定的范围内。为了验证经过优化后的随形冷却水道的有效性，利用Moldflow软件对优化后的水道布局参数进行建模并模拟，初始参数和初始模拟结果、优化参数及优化后的结果如表5所示。

表5初始参数与优化参数以及优化结果

步骤6，设计随形冷却水道的表面结构，包括圆形截面及球凸表面的水道、圆形截面及滴状凸表面的水道、圆形截面及棱形凸表面的曲线水道,如图14、图15、图16所示。流道的横截面为圆形，直径10mm—16mm，表面凸起结构高度为流道横截面直径的25％—30％，凸起结构沿横截面均布，数量为8—10个，凸起结构在轴向上的间距为5mm—8mm。

Claims

1.一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

二、根据试验设计，利用回归分析，拟合优化目标的响应曲面模型，并对模拟结果和响应面模型进行验证，根据Moldflow通过对每个不同实验点的建模，对不同设计变量组合的模型进行模流分析，分别计算出响应值成型周期和冷却均匀度；

六、结合前面计算的影响因素，根据需要设计出随形冷却水道的表面结构，包括球凸表面的水道、滴状凸表面的水道、以及棱形凸表面的曲线水道，所述随形冷却水道表面上的球凸、滴状、棱形在随形冷却水道轴向上分布的间距为5-8mm，所述随形冷却水道表面上的球凸、滴状和棱形的高度为随形冷却水道横截面直径的25%—30%。

2.根据权利要求1所述一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法，其特征在于：所述步骤二中利用二阶泰勒多项式来回归拟合出变量与响应值之间二次响应面模型，在利用响应面模型计算响应变量之前，采用残差分析对响应面模型的准确性进行诊断。

3.根据权利要求1所述一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法，其特征在于：所述步骤五中，当制品的质量和精度要求低时，以成型周期为主要优化目标；当制品的质量及尺寸精度要求高时，以冷却均匀度为主要优化目标。

4.根据权利要求1所述一种钢质注塑模具的随形冷却水道强化传热优化设计方法，其特征在于：所述步骤六中，随形冷却水道表面上的球凸、滴状、棱形在随形冷却水道截面的圆周上均匀分布且数量为8-10个。