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注射模流道自动布局技术研究

2020-04-17

为了提高塑料制品的生产效率和降低生产成本,一模多腔的模具结构得到了越来越广泛地应用。多腔模具需要复杂的流道结构支持,所以流道布局的设计非常重要,直接影响了塑件的成型质量。目前对于流道布局方面的研究较少,设计师在进行流道布局设计时主要依靠自己的知识和经验,这对缺乏经验的设计师而言往往需要耗费较多的时间。

 

针对以上问题,提出了一种注射模流道自动布局方法,通过对流道单元的拓扑建模,构建了流道单元的拓扑模板库,基于该模板库可以实现流道布局拓扑模型的构建。对于模型构建过程中可能存在的多种布局方案,设计了一种模糊评价方法来对流道布局方案进行评价。

 

注射模流道自动布局流程分析

 

图1 注射模流道自动布局流程

 

注射模流道自动布局流程如图1所示,主要包括初始信息输入、拓扑模型转化、流道布局方案生成和模糊评价4个模块。

初始输入信息包括型腔布局方案、塑件浇口位置和模具参数等。型腔布局方案和塑件浇口位置既可以通过系统提供的型腔布局模块和浇口分析模块来确定,也可以由设计师手动设计。模具的参数信息包括模具的结构和尺寸等。初始输入信息决定了最终生成的流道布局方案。

为了对流道布局进行拓扑建模,初始信息输入后需要完成从几何模型向拓扑模型的转化。塑件的几何模型是三维的,而流道的布局一般是在同一个平面上,所以需要将塑件的几何模型向流道平面进行投影。塑件的浇口位置和主流道的位置也要相应地从几何空间映射到流道平面。经过以上处理后,所有的准备工作便已就绪。

流道布局方案生成是实现注射模流道自动布局的关键。在流道布局方案生成过程中,拓扑模板数据库提供了必要的支持,它包含了各种常见的流道单元,采用了标准的数据库分层结构,支持设计师的个性化定制和扩展。在满足约束条件的情况下,拓扑模板通过相互组合和连接最终生成流道的布局方案。

在流道布局方案生成过程中,可能存在多个可行方案,为了方便设计师对布局方案的选择,系统引入了一种模糊评价方法,该方法通过选取流道平衡性和原料利用率作为评价因子,建立了布局方案的模糊评价机制。

 

流道单元的拓扑建模

 

根据注射模流道布局的拓扑和结构特征对其进行自顶向下的递归分解,最终得到的不可再分的流道基本构成单位,称为流道单元。流道单元可以看作是具有特定拓扑和结构形式的流道布局基本设计单位,通过将不同流道单元按照一定规则进行组装,可以得到多种流道布局方案。因为常见流道单元的拓扑和结构形式比较固定,所以可以将模板技术引入到流道单元的建模中来,流道单元的拓扑模板可以形式化的描述为:

<Topological Template> ::= <ID><Objects><Parameters><Rules>

其中<ID>表示流道单元拓扑模板名称,是模板的唯一标识;<Objects>表示组成流道单元拓扑模板的对象,主要包括一些特征点和特征线;<Parame⁃ters>表示流道单元拓扑模板的工程参数,通过编辑这些参数可以完成流道单元拓扑模板的实例化;<Rules>表示约束规则集合,它不仅刻画了模板组成对象之间必须遵循的规则和约束,同时也描述了该模板和其他模板进行信息交换、支持协同操作的标准。

通过对常见的流道单元拓扑结构特征和形式进行分析,划分了6种基本流道单元类型:直线型、T字型、半工字型、三角型、Y字型和X字型,如表1所示。表1中每个模型图上用数字标识的点代表了拓扑模板的特征点,特征点从数字“0”开始编号,定义编号为“0”的点为模板的入口点,“0”以外的点为出口点。入口点既是流道单元定位时的基准点,也是塑件成型过程中熔体流经该流道单元时的起始点,每个流道单元有且仅有一个入口点。出口点是熔体流经该流道单元时的终止点,每个流道单元可能有1个或多个出口点。入口点和出口点之间的连接线就是组成流道单元的特征线。除了表1中总结的6种流道单元,拓扑模板库也可以接受设计师的个性化定制,设计师可以根据自身需要向数据库中添加或修改流道单元拓扑模板。

 

流道单元的拓扑模板是基于UGNX平台构建的,采用了参数化设计技术。参数化设计是用参数对结构形状相似、尺寸不同的一类模型进行几何和工程约束,实现利用参数来驱动图形。UGNX软件具有强大的参数化设计功能,应用UGNX可以非常方便地对模型进行参数化建模,并在参数之间建立关联,当设计师编辑某一关键参数时,其他相关参数也会一起变化,从而达到修改模型尺寸的目的。流道单元拓扑模板的参数化建模实例如图2所示。

 

流道单元拓扑模板的参数化模型创建完成后,模板的工程参数信息会记录在表格中。

 

流道布局拓扑模型的构建
 

流道布局拓扑模型的构建是一个自底向上对流道建模的过程,它从浇口位置点开始沿横向和纵向2个方向逐步收敛到主流道进浇点。横向收敛主要是对浇口位置点进行等量分组,然后建立各个子分组内拓扑单元的连接,纵向收敛是建立分组与分组之间拓扑单元的连接。收敛必须遵循对等原则,即各分组中采用的流道单元和连接情况相同,并以相同的方式建立上级串联单元。所以在自底向上的建模过程中,只要完成一个单元分组的收敛,即可推导出整个流道布局模型。

 

自底向上的流道布局拓扑建模基本步骤为:
 

01

对浇口位置点进行等量分组,计算每个分组Li的中心点位置Oi,以O为入口点,Li中的点为出口点,通过模板匹配,构建流道单元Ui,将Ui的入口点添加到容器V中。

 

02

将V中所有的入口点重新进行分组,然后递归执行第1步,直至主流道的熔体入口。

 

平衡式1模6腔模具的流道布局建模过程示意图如图3所示。根据分组方式的不同,流道布局存在2种可行方案,如图3所示。在这2种方案中,L1、L2和L3分组采用流道单元(2-1)进行连接,L0采用流道单元(3-1)进行连接,在连接时流道单元(3-1)的3个出口点分别与L1、L2和L3分组中流道单元的入口点相连。

 

模糊评价
 

对于某种型腔布局方式,在进行流道布局拓扑建模时可能存在多种流道布局方案。为了使设计师能够方便地选择其中较优的方案,必须对这些布局方案的优劣做出评判。因此,模糊评价方法的引入就显得十分必要了。

模糊综合评价是伴随模糊数学发展而兴起的一种新型多因素评价方法,非常适合解决受多种因素影响的非确定问题。在运用模糊评价方法时,一个很重要的问题就是评价因素的确定。从生产实际出发,选择从流道平衡性和原料利用率2个方面对得到的流道布局方案进行评价。流道平衡性反映的是塑件质量控制方面的要求,而原料利用率反映的则是成本控制方面的要求,选用的这2个评价指标可以比较全面地对流道布局方案进行评价,符合模糊评价标准选定的原则。流道布局方案的评价标准用下式表示:

   (1)

式中:r——综合2个评价因子及其权值的模糊评价结果;b——流道平衡性的评价结果;I c——原料利用率的评价结果。
运算符⊕和⊗表示模糊加法与乘法运算。评价因子权值w按照重要程度设为5个等级:高(VH)、较高(H)、一般(M)、较低(L)、低(VL)。设计师对每个评价因子的权值赋予其应有的等级,就可以针对具

体的情况做出更准确的评价。例如,当塑件质量要求较高时,设计师可能会将b设置为高,I c设置为低。而当塑件原料成本较高时,设计师可能将b设置为一般,Ic设置为高。

 

每个评价因子的确定如下:
 

01

流道平衡因子Ib。在模具设计中,根据流道的结构形式,可以将流道分为自然平衡流道和非自然平衡流道两大类。自然平衡流道指的是型腔大小相同,且主流道入口到各型腔距离相等。自然平衡流道的各个型腔具有相同的充填条件,因而可以保证型腔同时充填,常见的自然平衡流道布局有H型布局和圆周型布局等

 

非自然平衡流道的各个型腔到主流道入口的距离不相等,在塑件成型时,熔料到达各个型腔的时间有差异,常见的非自然平衡流道布局有阵列型布局和蛇形布局等

 

非自然平衡流道可以通过修改浇口或流道的尺寸以使熔体同时充填各个型腔,但调整比较复杂。为了保证塑件的成形质量,流道布局一般以自然平衡布局为宜。对于某种给定的流道布局方案,其流道平衡因子可以由下式计算:

 

式中:Lmax——主流道到最远型腔的距离,mm;Lmin——主流道到最近型腔的距离,mm。

式(2)给出了一种评价流道布局平衡性的近似方法,由定义可知,流道平衡因子的取值范围为(0,1],自然平衡流道的流道平衡因子达到最大值1。

 

 

02

原料利用因子Ic。在塑件生产过程中,原料的损耗主要体现在流道凝料上,流道是熔体流入型腔的通道,在模具每次开合模后流道凝料会作为废料从模具中顶出,所以流道凝料是造成原料浪费的关键因素。为了评价原料损耗在流道布局设计中的影响,引入原料利用因子Ic评价指标,其计算公式如下:

 

式中:N——模具中型腔的个数;V——单个型腔的体积,mm³;D——流道的平均当量直径,mm,其值可由经验公式确定;L——流道布局中流道的总长度,mm。

对于某种型腔布局的多个流道布局方案,型腔的总体积都是一样的,流道的当量直径大致相同,所以它们的原料利用因子的差别主要体现在流道的总长度上。一般流道的总长度越长,原料利用因子的值越小,流道总长度越短,原料利用因子的值越大。

 

来源:模具工业

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