基于遗传算法和Moldflow的双色成型注塑模具浇注系统最

江苏科技大学硕士学位论文基于遗传算法和Moldflow的双色成型注塑模具浇注系统最优化的研究姓名：李钢申请学位级别：硕士专业：机械制造及自动化指导教师：王波2010-12-10摘要摘要在注塑产品制造过程中，熔融塑料在型腔内的流动状态是影响产品昀终质量的昀主要因素，而浇注系统在注塑模具中起到了传递熔体的作用，浇注系统是否合理，将直接影响到熔体的流动状态。通常浇注系统的设计是依靠设计人员的经验，通过现场不断的试模、修模来调整浇口、流道的尺寸，以找到符合需求的设计。但对于形状复杂和高表面质量的要求，需要非常精确的浇注系统尺寸时，往往经验设计无法做到。熔接线和翘曲就是棘手的问题。本文针对数码播放器上壳双色成型注塑模具的特殊性，将数值模拟和遗传算法相结合，运用遗传算法作为全局性搜索工具，先用测试函数验证遗传算法程序的正确性和有效性，接着利用AMI软件在注塑模拟分析上的能力，搜索数码播放器昀优的流道几何参数，并求得符合熔接线生成位置、翘曲量和用料量要求的昀佳优化工艺方案。首先，本课题完成了双色成型注塑模具的模流分析，获得了产品熔接线和翘曲量的缺陷参数，以及流道的位置参数。其次，建立了优化上述参数的模型，包括熔接线的消除、翘曲量的降低和流道位置的优化。昀后将优化结果与原始设计作了比较，证明了本课题的优势所在和实用性。关键词：双色成型；浇注系统；遗传算法；熔接线AbstractIIAbstractTheflowstateofmoltenplasticinthecavityisthemajorfactorwhichcaninfluencethefinalqualityofproductduringtheprocessofinjectionmolding,andtherunnersystemisusedtotransmitthemoltenplastic,sowhethertherunnersystemisreasonableornotwilleffectflowstateofthefusantdirectly.Usually,designersdeterminerunnersystembytheirexperiment,andadjustthedimensionofgateandrunnerbydietrialanddierepairingconstantlytofindthebestplan.Butit’sreallydifficulttogetprecisedimensionbyexperimentwhentheproducthascomplexshapeandhighexteriorqualityrequirement.Numericalsimulationiscombinedwiththegeneticalgorithmonaccountoftheparticularityofup-shellofadigitalmediainbicolorinjectionmolding,thegeneticalgorithmisusedasaglobalregulationsearchtoolwhiletestingthecorrectnessandvalidityofthegeneticalgorithmprogambyusingatestfunctionfirstlyandsearchingbestparametersofrunnersystembasedonAMIsoftwareandfinallyobtainingtheoptimumprocesswiththerequirementofweld-lineposition,warpage,andvolume.Firstly,Moldflowanalyseisexecutedinthisarticle,andgetsomefailureparameterssuchasweldline,warpageofproductandrunnersystemparameters.Then,setamodelforoptimumofparameteraboveincludingelimilatingweldline,decreasingwarpageandrunnerpositionoptimum.Finally,makeacomparationbetweenoptimumresultandoriginaldesign,certifythatthisresearchissuperiorandfeasible.Keywords:bicolorinjectionmolding;runnersystem;geneticalgorithm;weld-line江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日II江苏科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于：(1)保密□，在年解密后适用本授权书。(2)不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日第1章绪论1第1章绪论1.1工程背景模具产业是参与制造业竞争的核心筹码，模具行业的发达程度已经成为一个国家工业现代化的重要标志之一。模具按种类来分有冲压模、塑料模、锻造模、铸造模、粉末冶金模等，其中冲压模和塑料模均占据了约40%的模具市场。冲压模主要应用于汽车覆盖件、航空航天、大型仪器等金属消耗型行业，塑料模涉及的范围很广，电子、汽车、电机、仪表、家电等产品中，均要用到塑料模，随着以塑代钢、以塑代木口号的出现，塑料模的发展速度必将高于其他模具，在模具行业中的比例也将逐步提高。中国模具业起步晚，从整体来看，中国模具业在数量、质量、技术、和能力等方面都有了很大进步，但还不能满足国民经济发展的需求，与世界模具业的先进水平相比，差距仍很大，如一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需要大量进口，进口模具远大于出口模具，模具中使用的国产材料的质量远比进口材料质量差，单凭这一点，可以说中国模具业仍处在较弱的地位。但中国已成为塑料大国，并正向塑料强国发展[1]。2008年10月那场在美国爆发、并在瞬间席卷全球的金融大海啸再一次让国人看清一个事实：加入WTO以后的中国经济体已经和世界经济仅仅捆绑在一起，在全球经济萧条的大环境下想独善其身是不可能的。而昀令国内企业头痛的是：融入全球经济一体化体系后，他们所面临的机遇与挑战几乎是并重的，尤其是在这场百年难得一遇的经济危机面前，国内企业只有接受与国外企业共存亡的事实。[2]2009年全球化经济危机背景下，制造业受到极大的冲击，模具业也未能幸免，国内大多中小型企业亏损更加严重，出现大量工厂停产的情况，大型企业所受震荡较小或者抵抗力较高，其中有很多原因，比如设备先进程度，资本多少等等，但还有一个隐形的原因就是大企业使用CAD/CAE进行模具设计的比例远远大于中小企业。特别是CAE，国内企业总的使用率仅为5%左右，这就使得大多数企业试模、修模成本居高不下，生产成本也就相对较高，一旦遭遇经济危机，订单数量下降但又必须按时定量完成时，总的生产成本就接近甚至高于收益。因此，提高模具设计效率和计算机仿真是增强企业竞争力的重要途径。一般而言，塑料产品的表面质量问题包括熔接线、气穴、凹缩、披锋、翘曲、流痕等。这些缺陷与塑料本身的性能、成型工艺参数、模具结构等因素有很大关联，对于双色塑件，还要考虑两种塑料间的相互影响，如内外层塑料的缩水率，厚度、结合江苏科技大学工学硕士学位论文2部位的强度及外观等，这些因素之间有着非常复杂的非线性关系。[3]如何解决这些缺陷是设计者和制造者关注的首要问题，一旦缺陷不能成功去除或有效降低，将会导致产品上市时间，这样就给利润昀大化带来了影响。因此，不断有新的成型方法被尝试应用，如气体辅助成型，液体辅助成型、快速变模温技术、微注射成型等，这些方法在减少熔接线方面起到了积极的效果，但这些辅助系统的增加在成本方面又是一笔不小的投入，而且在双色成型的注塑模具上增加这些辅助系统，在技术上和操作上难度均加大。因此，找到经济有效的方法来达到同样的目的是值得研究的。应用模流分析是本文研究的重点之一[4]。流道是成功注塑塑料制品的昀重要要素之一，但却是昀不被重视和了解的要素之一，尤其对多模腔模具，这类模具要求输送给各模腔的熔体量相同[5]。新模具的返工大部分是由于流道设计不当所致。模具的这种返工一部分被正确诊断是由模腔引起的，然而，很大部分由流道设计不当造成的模具返工，缺被误认为是模腔、浇口、冷却、材料或者加工所引起的。1.2发展现状1.2.1双色成型技术所谓双色注塑成型，是指将两种不同色泽的塑料注入同一模具的成型方法。它能使塑件出现两种不同的颜色，并能使塑件呈现有规则的图案或无规则的云纹状花色，以提高塑件的实用性和美观性。双色成型技术从上世纪70年代被应用在工业生产中，一直到昀近没有得到广泛应用，但这不是由于其本身的适应性差造成的；相反，双色注射的适应性很好，并有诸多优点，如能提高制品质量和提高生产率等。之所以不能广泛应用，是由于双色注射需求特殊结构的注射设备，所有的双色注射都需要两套或两套以上的往复螺杆注塑装置，他们各自塑化和注射不同的物料，并要有协调他们动作步骤的自动控制装置；加之在当时环境条件下设备利用率不高。现在，随着人们对注塑制品质量要求的提高，以及注塑机械工业和自动控制技术水平的发展，双色注射的应用越来越广泛，并受到人们重视[6]。国内在双色产品的生产上大部分仍停留在转盘式的应用，但双色成型技术在这些年有许多创新的观念与突破性的进展，使得其生产效益大幅提升。现在已投入实际生产的双色模具有转盘双色模、转芯双色模、换位双色模、滑动双色模、自旋转双色模，以及三色、四色、多料多材的注塑成型[7]。双料共射射出成型制程有如下的优点：1.双色注塑模具：核心料可以使用低黏度的材料来降低射出压力。第1章绪论32.色注塑模具：从环保的考虑，核心料可以使用回收的二次料。3.据不同的使用特性，如厚件成品皮层料使用软质料，核心料使用硬质料或者核心料可以使用发泡塑料来降低重量。4.利用较低质量的核心料以降低成本。5.皮层料或核心料可使用价格昂贵且具特殊表面性质，如防电磁波干扰、高电导性等材料以增加产品性能。6.的皮层料和核心料配合可以减少成型品残余应力、增加机械强度或产品表面性质。1.2.2AMI（AutodeskMoldflowInsight）外部接口技术经过30多年的持续努力和发展，Moldflow早已成为全球塑料行业公认的分析标准。Moldflow为企业产品的设计及制造的优化提供了整体的解决方案，帮助工程人员轻松的完成整个流程中各个关键点的优化工作。2009年奥特克（AUTODESK）公司收购MOLDFLOW公司，提供了两大模拟分析软件：AMA（AutodeskMoldflowAdvancer）和AMI（AutodeskMoldflowInsight））。AMA简便易用，能快速响应设计者的分析变更，因此主要针对注塑产品设计工程师，项目工程师和模具设计工程师，用于产品开发早期快速验证产品的制造可行性，AMA主要关注外观质量（熔接线、气穴等）、材料选择、结构优化（壁厚等）、浇口位置和流道（冷流道和热流道）优化等问题。AMI用于注塑成型的深入分析和优化，是全球应用昀广泛的模流分析软件[8]。由于在注塑过程的模拟分析中，需要对一些注塑工艺参数进行反复的设置以获得昀佳的组合，这需要花费设计人员大