【導(dǎo)讀】香港大學(xué)工程制造與管理學(xué)院

　　

【正文】 l process pa rameters for injection moulding. Int J Adv Manuf Technol 18:404–409 21. Belofsky H (1995) Plastics: Product design and process engineering. Hanser, Munich 22. Rao NS (1991) Design formulas for plastics engineers. Hanser, Munich 23. Johannaber F (1994) Injection molding machines – a user’s guide, 3rd Edn. Hanser, Munich, pp 260–272 24. Tan KH (1997) Determination of injection molding processing param eters for defectfree parts. Dissertation, Dept. of Mechanical Engineer ing, Hong Kong University of Science and Technology 盡量減少生產(chǎn)成本的超薄注塑成型塑料部件 摘 要 ： 在競爭激烈的 注塑成型行業(yè) 里， 降低塑料 零件 的制造成本是非常重要的 。 目前 ，為了 減少制造成本 ，第一步就是在注塑部件 的 厚度上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 。這種方法 就是在 產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段 進(jìn)行 分層考慮，并采用優(yōu)化技術(shù)，以降低模具設(shè)計(jì)和制造成本。在大多數(shù)情況下，目前的做法提供正確的 以 減少制造成本 的 解決方案 。 然而， 這種優(yōu)化方法應(yīng)用于小而薄的注塑零件時(shí)，降低制造成本卻不再那么容易。上述 不足之處目前 已經(jīng)找到一些解決辦法 。 用一個(gè) 例子 來說明 這個(gè) 問題 以比較目前 常用 的做法和 文中的 新方法的不同。 降低 小型 塑料部件的設(shè)計(jì)和制造成本 的關(guān)鍵詞 。 18 專業(yè)術(shù)語 澆注 的厚度 矩形 管道 的 壁厚 聚丙烯塑料的潛熱 澆注系統(tǒng)的長度 圓形管道的長度 矩形管道的長度 相同指數(shù) 聚丙烯的密度 塑料材料概述 體積流速 在矩形管道內(nèi)的體積流速 圓形管道內(nèi)的紊流速度 圓管的半徑 活塞的行程 加載時(shí)間 單腔模具注入時(shí)間 干燥周期 排出時(shí)間 注入時(shí)間 聚丙烯的脫模溫度 聚丙烯的熔點(diǎn) 的寬度澆注系統(tǒng) 矩形管道的寬度 粘度 材料的彈力 材料的壓力 鋼材的導(dǎo)熱率 材料的剪切應(yīng)力 塑料的剪切速率 注入口的壓降 注塑二次壓降 深層注入的壓降 門的壓 降 注塑腔壓降 圓管壓降 矩形管壓降 香港大學(xué)工程制造與管理學(xué)院 Email: Tel.: +85227888425 Fax: +85227888423 19 1前 言 在多數(shù)工業(yè)應(yīng)用 中 ，塑料零件的生產(chǎn)成本，主要 集中在材料成型的模具上 。 因此，目前 使用最多 的辦法 就是降低 塑料 部件 的厚度，以減少材料使用。 假設(shè) 設(shè)計(jì)模具及成型過程的最小厚度要求 是直接 導(dǎo)致制造 的 最低成本。 如今，電子產(chǎn)品如移動(dòng)電話和醫(yī)療設(shè)備正變得越來越復(fù)雜，其 尺寸 正在不斷減 小 。在最近幾年小而薄的塑料部件 需求已大為增加 除了最低限度的物質(zhì)使用其他 方面 也可能成為生產(chǎn)超薄塑料部件的重要因素 特別是 對(duì)于制造 薄件 來說 ，在第一階段的注塑壓力 尤為重要。 如果 采用目前的設(shè)計(jì)方法 ， 在這些 薄件 中 ， 塑料部件將無法制造最低成本。 因此，處理 超薄 塑料零件，需要一種新的方法， 以適應(yīng) 現(xiàn)有的模具設(shè)計(jì)原則和成型工藝。 狀況 如今 ，電腦輔助模擬軟件是模具設(shè)計(jì)必不可少 的組成部分 。這種軟件，增加了設(shè)計(jì)的效率，減少設(shè)計(jì)成本和時(shí)間 [ 1 ] 。主要系統(tǒng)，如模具流和 C 流量，使用有限元分析，模擬充填現(xiàn)象，包括流動(dòng)模式和填補(bǔ)序列。因 此，成型條件可以預(yù)測和驗(yàn)證，以使早期設(shè)計(jì)的修 改是可以實(shí)現(xiàn)的。雖然現(xiàn)有的軟件能夠分析流量條件下 應(yīng)力和溫度分布狀況，他們沒有 產(chǎn)生 最低的制造成本 的設(shè)計(jì)參數(shù)哦[ 2,3 ] 。 輸出數(shù)據(jù)的軟件只能提供參數(shù)值范圍，以供設(shè)計(jì)師參考和決策。 多次嘗試也取得了優(yōu)化的參數(shù) [ 47 ] ，冷卻 系統(tǒng) [ 2,8,9 ] ，并 反饋[ 10 ] 。這些嘗試 在 基礎(chǔ)上最大限度地 限制了 熔融材料 在 成型過程中使用的經(jīng)驗(yàn)與船舶之間的產(chǎn)品和模具的設(shè)計(jì)參數(shù)。一些研究人員已作出努力， 為了 改善塑料零件質(zhì)量 通過 減少縮水 [ 11 ]和部分變形后成型 [ 12 ] ，分析影響壁厚和流動(dòng)長度的一部分 [ 13 ] ，并分析了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的塑料零件的設(shè)計(jì)和充填材料流動(dòng)的模具設(shè)計(jì) [ 14 ] 。 Reifschneider [ 15 ]比較三種類型的充型模擬程序，包括部分顧問，融合，和 Insight ，實(shí)際實(shí)驗(yàn)測試。所有這些已建立的方法，可以節(jié)省大量的時(shí)間和成本。然而，他們只是解決了設(shè)計(jì)參數(shù)的塑料零件和模具單獨(dú)在設(shè)計(jì)階段。此外，他們還沒有提供的設(shè)計(jì)參數(shù)與最低制造成本。 研究人工智能應(yīng)用各種方法和技術(shù)已被發(fā)現(xiàn)，主要集中在優(yōu)化分析的注塑參數(shù)[ 16,17 ] 。用于 莫乃光等人 。 [ 3 ]介紹了模糊神經(jīng)自動(dòng)復(fù)位的方法成型工藝參數(shù)。相比之下， 莫乃光等人 。 [ 18,19 ]通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的設(shè)置和塑料成型條件的一部分中的質(zhì)量控制成型。顯然，制定全面的成型過程模型和電腦輔助制造提供了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)成型參數(shù)優(yōu)化 [ 3,16,17 ] 。莫乃光等人 [ 20 ] 20 提出了一種混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的辦法納入基于案例推理（ CBR的）得到初步設(shè)定成型參數(shù)的部分有類似的設(shè)計(jì)特點(diǎn)迅速，準(zhǔn)確。莫的辦法是 根據(jù)過去的產(chǎn)品處理數(shù)據(jù)，并僅限于設(shè)計(jì)，類似以前的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。然而 ，考慮到盡量減少生產(chǎn)成本的塑料部件 ， 沒有真正的 被 Ramp。D努力研發(fā) 所 發(fā)現(xiàn)。 一般來說，目前的切合實(shí)際的辦法 是 盡量減少生產(chǎn)成本的塑料部件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段盡量減少厚度和尺寸的部分，然后計(jì)算出的費(fèi)用，模具設(shè)計(jì)與成型過程的一部分，如圖 1中顯示。 目前的做法 在 處理塑料部件 時(shí) 可能無法取得實(shí)際最低制造成本。 一個(gè)典型的塑料部分作為測試的例子，典型的生產(chǎn)要求薄平方米塑料零件的中心孔，所顯示的圖。 2 ，載于表 1 。 圖 1 。目前切實(shí)可行的辦法 圖 2 。試驗(yàn)的例子，一個(gè)小塑料元件 表 1 ?？蛻舻男枨鬄榘駱硬糠? 21 2目前切實(shí)可行的辦法 在圖 1所示，目前的辦法包括三個(gè)階段：產(chǎn)品設(shè)計(jì)，模具設(shè)計(jì)和成型工藝參數(shù)的設(shè)置。一個(gè)主要目標(biāo)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是建立在物理尺寸的一部分，如它的厚度，寬度和長度。各階段的模塑成型 和 隨后簽署和 處理 建立物理尺寸 作為 給出的投入來計(jì)算所需的詳細(xì)資料和成型模具制造業(yè)務(wù) 當(dāng)申請(qǐng)目前切實(shí)可行的辦法解決給定的例子，關(guān)鍵的變數(shù)是由三個(gè)階段 處理如下： 產(chǎn)品設(shè)計(jì) ? 確定的最小厚度（高度） ，然后計(jì)算材料成本。 HP 則視為預(yù)先輸入的計(jì)算費(fèi)用的模具設(shè)計(jì)和成型業(yè)務(wù)。 模具設(shè)計(jì) *計(jì)算冷卻時(shí)間確定最低厚度 HP，以獲得一些模具腔需要。模具制造成本是 下列參 數(shù)費(fèi)用 的總 和： – 切削深度（厚度） – 模具腔 數(shù)量 – 轉(zhuǎn)輪直徑 – G澆注系統(tǒng) 厚度 模具 生產(chǎn) * 確定射出壓力引腳， 和 能耗成本 ? 確定共同的冷卻時(shí)間 t ， 和 機(jī)器的成本運(yùn)作。整體成型費(fèi)用的總和，能耗成本和機(jī)器的運(yùn)行成本。 總制造成本 是 塑料材料 費(fèi)用的總和 ，模具制造及成型 工藝的總和 。請(qǐng)注意，根據(jù)典型的行業(yè)慣例，以下所有的計(jì)算方面的單位成本 產(chǎn)品設(shè)計(jì) 這是第一階段的制造業(yè)目前的實(shí)際做法。設(shè)計(jì)最小厚度 HP 的塑料組件，以滿足蠕變載入中撓度約束坐標(biāo)“ （ ） ，并盡量減少使用塑料材料成本 。盡量減少 厚度 HP 需要 [ 21 ] ： 22 圖 3 地塊的變化， HP 通過 和圖 2 表明，最小厚度符合一點(diǎn)四七毫米最大蠕變變形的制約因素是 0 ，以塑料材料費(fèi)用為 $規(guī)模 202000單位。 這厚度將被視為一個(gè)特定的投入，隨后簽署和模壓成型過程的分析階段。 設(shè)計(jì) 理想的模具溫度為 25 。圖 4顯示了冷卻通道布局下列標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)慣例。冷卻通道直徑為 3毫米 作為 例子。 從 [ 22 ] ，冷卻時(shí)間 t的合作： 和 位置的因素 通過求解 4 ，而代以 HP= ，獲得 冷卻時(shí)間（ ）。 通過圖 得到 循環(huán)周期的時(shí)間 t ，是成正比的成型機(jī)運(yùn)營成本，并包括注射時(shí)間 ， 澆注 時(shí)間 ，干燥周期時(shí)間 ，和冷卻時(shí)間 。 一般來說一些模具腔，模具制造費(fèi)用的數(shù)額取決于加工的工作，形成所需數(shù)目的核心 /腔，橫澆道，和澆注系統(tǒng)。給定的例子叫做 兩板模具 23 圖 3 。 撓度及塑膠原料成本與部分厚度 圖 4。冷 卻通道的布局，不需要削弱加工。因此，在機(jī)器工作的切削加工澆道和澆口所 涉及的工作，形成了核心 /腔，不必加以考慮。在這個(gè)例子中，模具制造成本轉(zhuǎn)換是由（ n， HP） 給與 。 一般而言，最低數(shù)量的 型腔數(shù) ， Nmin ， 由及時(shí) 運(yùn)送 的 一批塑料零件 所選擇 再 替代， 這是四舍五入到 n = 3 ，因?yàn)槟＞卟荒馨? 該機(jī)器操作能力和準(zhǔn)備時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)例為 / d和 21d。此外，提到在上一節(jié)中，周期時(shí)間是成正比的。曲線的批量大小對(duì)厚度在圖 5 中 繪制 。如表所示，在 HP= ，年生產(chǎn)能力（批處理大小）是 生產(chǎn)能力n=3大于所需的批量（ 202000units ） 。 為了簡潔明了，所需要的時(shí)間用于加工的深度， 為了模具 腔插入薄薄的部分將被視為某一常數(shù)和增加所需的時(shí)間 tCC 為了模具 腔插入。在 C 毫米然后可以計(jì)算由 N 所表達(dá) [ 1 ] 在成型過程中，周期成本和能耗的費(fèi)用是用來建立以下各節(jié)中所描述的成型工藝 成本。 24 圖 5 。模具制造成本與部分厚度 該周期成本 C 是指成型機(jī) 操作的 勞動(dòng)成本。計(jì)算周期成本，因?yàn)橥ㄟ^ E q。8 ，主要依賴于周期的時(shí)間和模具腔數(shù)量： 例如，勞動(dòng)力成本的價(jià)值每小時(shí) C L, is given as $, Cp can be calculated, as t cycle = n = 3 when HP = , as found earlier. And so Cp =$ 通常情況下，營業(yè)周期內(nèi)的成型機(jī)，最大功率時(shí)需要注射。因此，較長時(shí)間和較高的注射液注射壓力增加 了 能耗成本。 就本條而言，例如，注射時(shí)間 tin = 。所需的液壓動(dòng)力 PH值，耗 電量和成本每次注射可從下表 [ 23 ] ： 在 E ， 是機(jī)械利用液壓缸輸電 成型，以及由此產(chǎn)生的 在 均衡器 上 電力成本的 CE= HK$。若要尋找 CPC 的總和，需要注射壓力 Pin 25 的進(jìn)給系統(tǒng)和腔成型過程中 所 需要 的 注射壓力。基于模具的布局設(shè)計(jì)，體積流量Q 在澆道等于總流量和流速的數(shù)量在每個(gè) 初級(jí)和中級(jí)階段 將 被 離職 數(shù)量所分割 ， 通過 體積流量 澆注系統(tǒng) 和腔等于該轉(zhuǎn)輪將它們連接在一起。 [ 24 ]簡化模型推導(dǎo) 填補(bǔ)圓形和 rectangul河渠道，可受聘為進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 研究 澆道和 橫澆道 （圓形 澆道 ） 壓降 直 澆道和 橫澆道 是表示 edas 2. 腔和 澆口 （矩形 澆口 ） 壓降腔和 澆口 表示為： 此外，溫度依賴電力法粘度模型可以被界定為 所需的電力消耗。由于形狀和尺寸的一部分和 feeding channel，壓降的 直 澆道， 橫澆道 ， 澆口 ，和腔 的壓力降是 通過計(jì)算來 獲得的。 E q s. 12 到 15, 并代入 E q. 16。所需注射壓力 Pin和代入計(jì)算的 E q. E q s. 10 到 11，電力消費(fèi)的成本 CPC 計(jì)算 取決與變化的注射壓力 ，這是 間接受到影響的產(chǎn)品的厚度所示以下 在替代，這已成為： 26 然后 是 成型費(fèi)用 After calculation, C molding = $+$,when HP =, n =3. 經(jīng) 。 Esq. 8 到 18可以表明，隨著部分厚度， 增加必要的噴油壓力 (and thus power 圖 6 。成型過程的成本與厚度消 耗 成本）下降，但周期時(shí)間（ 和 勞動(dòng)力成本）上升，所以是一個(gè)最低總額成型過程的 成本，在圖 6所示的例子在本研究中?？梢钥闯觯尚瓦^程的最低成本是 Hp =.。 如果測試的一部分厚度例如，Hp，增加了從 到 ，塑 性 原料成本增加 ％ 。但是，成型過程的總成本降低 ％至 $。此外，總制造成本的一部分 低與 ％ ，節(jié)省約 $。 因此，目前實(shí)際應(yīng)用的辦法沒有給予真正的最低制造成本。目前切實(shí)可行的辦法主要側(cè)重于盡量減少厚度