菜单
  
    Abstract The  complex  variables  and  parameters  with  respect  to  the design  of  cooling  channels  in  nonrectangular  plastic  flat injection  mold  are  investigated.  Vector  and  simple  mathe- matical  calculations  were  used  to  solve  problems  related  the deployment  of  cooling  channels  caused  by  different  geomet- ric  dimensions  of  molded  products.  27702
    Furthermore,  the  basic geometry  characteristic  surface  symbols  and  database  were established.  Next,  the  basic  geometry  characteristic  surface was  used  to  compose  and  present  the  shapes  of  molded product  on  the  basis  of  a  rectangular  plastic  flat.  The  conver- sion  concept  of  equivalent  area  was  also  introduced  to  sim- plify  the  selection  of  model  and  deployment  of  cooling  chan- nels  for  nonrectangular  plastic  flat  containing  milder  changes in  shape.  The  optimization  of  cooling  time  in  the  first  stage  is based  on  the  energy  balance.  A  concise  formula  was  used, with  empirical  algorithm  as  the  constraint  of  optimization design,  to  locate  the  optimal  cooling  time  and  the  required optimal  geometric  factor  constraints.  Then,  the  optimization of  channel  deployment  was  derived  to  achieve  the  require- ment  of  fast  and  uniform  cooling  of  the  mold.  The  method proposed  in  this  paper  is  capable  of  handling  a  nonrectan- gular  plastic  flat  product  through  the  conversion  to  an  equiv- alent  rectangular  area.  This  method  simplifies  the  channel deployment  problem  of  a molded  product  caused  by  nonuni- form  distribution  of  heat  source  and  reduces  the  instances  of trial  and  error.  Furthermore,  the  method  proposed  for  the system  framework  is  capable  of  completing  the  optimization faster  than  conventional  finite  difference  method,  which saves  the  time  spent  in  designing  the  cooling  channels  and achieves  fast  and  uniform  cooling  of  finished  products. Keywords:  Injection  Mold,  Energy  Balance,  Optimal  Design Introduction The  design  of  an  optimal  cooling  system  and operation  conditions  of  the  cooling  process  are  very crucial  to  the  injection  molding  process  (Rosato  and Rosato  1985) because  they  both  affect  the  quality  of molded  products  and  the  production  efficiency  of this  process.  The  design  of  an  efficient  cooling  sys- tem  reduces  the  cooling  time  needed.  Uniform  cool- ing  improves  such  defects  as  the  shrinkage  of mold products,  thermal  residual  stress,  and  warpage deformation.  Thus,  the  design  of  an  optimal  cooling system  must  achieve  the  goals  of  the  shortest  cool- ing  time  possible  and  uniform  cooling  at  the  same time.  There  are  a  number  of  parameters  during  the injection  molding  process  related  to  cooling.  The most  important  factor  affecting  the  uniform  cooling of  mold  products  is  the  deployment  of  the  cooling system  channels.  A  well-designed  cooling  channel deployment,  plus  appropriate  operation  condition, can  achieve  the  goals  of  fast  and  uniform  cooling  so as  to  shorten  the  process  cycle  and  improve  mold product  quality. By  the  early  198Os,  research  attention  turned toward  the  thermal  interactions  between  the  cooling system  and  the  mold  cavity.  During  this  time,  most simulation  programs  dealt  with  only  one-dimensional or  two-dimensional  average  steady-state  analysis  or analysis  of  the  quasi-steady  state  of  the  cycle  (Austin 1985). The methods  used  include  the  finite  difference method,  finite  element  method,  and  cycle-averaged boundary  element  method  (Singh  1987,  Singh  and Wang  1982, Barone  and Caulk  198  1, 1982). The  gen- eral  analytical  steps  appearing  in  studies  published after  1985 already  adopted  the  so-called  two-stage  or three-stage  analysis  (Kwon,  Shen,  Wang  1986). The initial analysis  mostly  used  the  shape  f’ actor method  to evaluate  the  efficiency  of  the  cooling  system  (Kwon Shen,  Wang  1986;  Chen,  Hu.  Davidot‘ f  1990).  The analytical  results  of  this  time  were  already  controlled based  on  the  operation  conditions  of  the  cooling  sys- tem  and  the  positions  and  size  of  the  cooling  chan- nels.  The  analytical  approaches  were  all  one-dimen- sional  or  two-dimensional  analysis  of  the  steady  state or quasi-steady  state  (Kwon,  Shen, Wang  I 986; Chen, Hu, Davidoff  1990; Himasekhar,  Wang, Lottey  1989; Himasekhar?  Hiber, Wang  1989: Chen  and  Hu  199  1). A  number  of  finished  simulation  analysis  software packages  became  available  after  1990  (Himasekar 1989;  Himasekhar  and  Wang  199(I),  including MCAP, MOLDCOOL,  MOLDTEMP,  POLYCOOL2, and  C-COOL3D.  The  analytical  methods  include finite  difference  method,  finite  element  method,  and boundary  element  method  (Turng  and  Wang  1990; Himasekhar,  Lottey,  Wang  1992).  Sometimes  the combination  of  the  finite  element  method  and  shape factor  method  is  used  (Glavill  and  Denton  1977). These  analytical  programs  were  all  developed  with the  reduction  of  memory  space  and  CPU  time  in mind  and  tried  to  produce  analytical  results  that matched  the  realistic  conditions  (Himasekhar, Lottey,  Wang  1992).  This  paper  combines  the  ener- gy  balance  and  empirical  algorithms  to  construct system  modules.  It  also  uses  vector  and  concise mathematical  calculations  to handle  such  a complex system  and  gets  rid  of  complex  numerical  computa- tions  and  analysis. Conventionally,  mold  manufacturing  relies  on experience  and  intuitions  after  numerous  times  of “trial  and  error.”  Thus,  it  often  results  in  perfor- mance  and  economic  burdens.  Nowadays,  thanks to  the  rapid  development  of  computers,  molds  can be  designed  through  theoretical  and  numerical methods,  and  their  results  can  be  predicted  or directly  simulated  through  mold  flow  packaged software,  thus  improving  the  cost  effectiveness and  product  quality.  Among  the  numerical  meth- ods,  the  finite  element  method  has  better  stability and  convergence  than  the  finite  difference method.  But  it  also  has  more  complicated  theories and  requires  greater  computer  memory  space. Though  the  packaged  software  used  by  the  indus- try  can  rapidly  solve  the  problem  of  mold  design, it  cannot  effectively  help  engineers  simplify  the complexity  and  fuzziness  of  the  system.  Besides, the  packaged  software  for  simulation  is,  in  fact, only  capable  of  solving  60%~70%  of  the  prob- lems  encountered  in  design.  The  “trial  and  error” part  is  unavoidable,  and  the  lack  of  experience among  engineers  in  design  still  becomes  an  influ- ential  variable. Using  the  rectangular  plastic  flat  as  the  research subject,  this  paper  simplified  the  design  variables and  influential  parameters  encountered  by  the design  of  cooling  channel  deployment  in  a mold  to help  design  engineers  quickly  complete  the  writing of  the  optimal  flowchart  and  program  with  respect to  the  cooling  channels  and  obtain  the  optimal cooling  time  and  cooling  channel  deployment.  The concept  was  adopted  to  simplify  the  deployment  of cooling  channels  in  the  injection  mold.  This  study combined  the  concise  energy  balance  algorithm, shape  factors,  and  empirical  values  to  construct  the modular  relations  that  serve  as  the  reference  mod- ule  for  the  design  of  optimal  deployment  of cooling  channels. Theory  of the Cooling  System in an  Injection  Mold A  mold  cooling  system  usually  contains  a  tem- perature-controlling  unit,  pump,  coolant  supply manifold,  hoses,  cooling  channels,  and  collection manifold.  Among  the  deployment  in  the  mold  the temperature-controlling  system  affects  the  uniform distribution  of mold  temperature  and  degree  of  sta- bility,  An  increase  in  the  cooling  efficiency  in  the temperature-controlling  system  increases  its produc- tion  efficiency. Cooling  of  the  Injection  Mold In  injection  molding,  the mold  cooling  time  usual- ly  takes  up  about  70%~80%  of  the  time  of  the  entire cycle.  Figure  I  shows  the  relationship  between  mold cooling  time  and  a molding  cycle  (Chow  1999). An effective  cooling  loop  design  reduces  the cooling  time and  effectively  increases  the  production  rate  and reduces  cost.  In  addition,  uniform  cooling  prevents the  product  from  suffering  such  defects  as  shrinkage, warpage,  and  deformation  due  to  thermal  stress, which  then  increases  the  dimension  precision  and reliability  of  molded  products  and  also  improves product  quality.  Figure  2  shows  the  relationship between  the  presence  of  effective  cooling  and  the quality  of  molded  products  and  mass  production (Chow  1999).  In general,  a mold  consists  of  the  three parts  of  the  mold  body,  cooling  channels  and  plastic material.  Figure  3 illustrates  a  simplified  mold  cool- ing  mechanism.  In  this  paper,  cooling  is  analyzed under  the  assumption  that  no  thermal  energy  is  lost through  the  edges  of molded  products.  That  is,  cool- ing  (thermal  conductivity)  occurs  only  at  the  thick- ness  direction.  Figure  4  shows  the  situation  of mold thermal  conductivity  in  general.  It  is  also  assumed that  the  thermal  energy  is  all  directly  taken  away  by the  coolant,  i.e.,  the  transfer  of  thermal  energy brought  in by  the  plastic  material  only,  excluding  the 5%  of  energy  transferred  outside  the  mold  due  to radiation,  convection,  and  heat  conduction.  Hence, the  paths  of  thermal  conductivity  can be  simplified  to the  following:  thermal  energy  is transferred  from  the melted  plastic  material  through  thermal  conductivity to  the  interface  between  the melt  plastic  material  and mold.  The  thermal  energy  passes  through  this  inter- face,  then  the  mold  body,  and  then  to  the  interface between  the  mold  and  coolant  through  thermal  con- ductivity.  Next,  it  is  transferred  to  the  coolant  from the  interface  through  convection.  Finally,  the  thermal energy  is  completely  brought  out  of  the  mold  body through  coolant  flow. Precautions  for  the  Design  of Cooling Channels  in  an  Injection  Mold Injection  molding  is  almost  always  used  in mass production.  Thus,  the  most  important  concern  is how  to  raise  production  to  achieve  good  economic effectiveness.  The  most  direct  and  effective  way  of raising  production  is by  reducing  the  cooling  time  to achieve  rapid  product  cooling.  At  the  same  time,  to ensure  uniform  product  temperature  and  maintain quality,  the  way  to maintain  uniform  cooling  is  also an  essential  requirement.  As  far  as mold  cooling  is concerned,  mold  design  engineers  need  to determine the  following  design  parameters:  cooling  channel position;  cooling  channel  size;  cooling  channel  type; cooling  channel  deployment  and  connection;  length of  cooling  channel  loop;  and  flow  rate  of  coolant. It  is necessary  to  note  here  that  standard  sizes  of cooling  channels  must  be  used  to  allow  the  use  of working  tools  and  connecting  parts  of  standard  spec- ifications  and  rapid  mold  change.  The  rapid  and  uni- form  cooling  are  the  major  guidelines  for  the  mold cooling  design.  Because  the  cooling  process  takes up  70%~80%  of  the  time  of  the  entire  molding cycle,  if  the  cooling  system  can  rapidly  cool  off  the product,  i.e.,  a  small  improvement  in  cooling  time, can  greatly  shorten  the  time  of  the  entire  molding cycle  and  increase  production,  Thus,  the  way  to shorten  the  cooling  time  is  crucial  to  the  designer and  also  the  subject  of  discussion  in  this  paper.  If unbalanced  cooling  occurs  during  the  cooling process  of molded  products,  they  produce  a thermal stress,  causing  shrinkage  and  warpage.  Thus,  it  is necessary  to  maintain  uniform  cooling  of  molded products  so as to  reduce  the  thermal  stress  sustained by  the  products  and  the  ensuing  shrinkage  and warpage.  In  other  words,  the  temperature  difference between  two  sides  of  the  molded  product  should  be small  to  achieve  uniform  mold  temperature. Empirically,  the  temperature  difference  must  not exceed  10°C. The  easiest  and most  effective  method is  to match  the  thermal  conductivity  surface  area  of the  cooling  channel  (A,.) and  that  of  the  molded product  (AJ,  which  is  the  basis  of maintaining  product  uniform  cooling in  this  paper  (Ioannis  and  Qin  1990). Theory  of  the  Concise Computation of  Injection  Mold  Cooling Channels Every  stage  of  the molding  injection process  contains  a  cooling  process. Thus,  the  cooling  time  is  generally explained  as follows:  “The melt  plastic material  starts  to  cool  as  soon  as  it  is injected  into  the  cavity,  and  the  cooling continues  during  the  stages  of  filling, post-fill,  and  cooling  throughout  the entire  molding  cycle  till  the  molded product  is  hard  enough  to  push  out  of the  cavity, which  is  considered  the  end of cooling  time.” As  shown  in Figure  I, cooling  time  t,  takes  up  about 70%~80%  of  the  entire  molding  cycle. Hence,  the  shortening  of cooling  time  t, by  a  few  percentage  points  can  have  a tremendous  impact  on  the  entire  mold- ing  effect.  The  shortening  of  cooling time  is  the  most  direct  and  significant factor  affecting  the  cost  of  molded products.  In  this  paper,  the  optimal cooling  time  is used  as  the  basis  of  the design  of  cooling  channels  in  an  injec- tion  molding  cooling  system. Basic  Assumptions  of  the  Design  of Injection  Mold  Cooling  Channels The  goal  of  injection  mold  design  is to minimize the  cooling  time.  There  are  a  number  of  factors affecting  cooling  time.  Here,  factors  related  to cooling  time  are  listed  in  brief  in Figure  5 to  serve as  the  basis  of  design  considerations.  These  factors are  described  below  (Chang  1985): 1. Thickness  H  of  molded  product.  The  thicker the  molded  product,  the  longer  the  cooling time  needed. 2.  Shape  of  molded  product.  If  the  molded  prod- uct  has  a  complicated  shape,  then  the  cooling effect  at  some  parts  may  appear  less  distinc- tive,  which  may  in  turn  affect  the  cooling  time of  the  entire  molded  product. 3. Quality  of  plastic  material  melt.  Because  dif- ferent  kinds  of  plastic  materials  have  different thermal  diffusivity,  their  thermal  conductivity effects  also  differ.  Plastic  materials  having  a greater  thermal  diffusivity  have  greater  ther- mal  conductivity  rates  and  require  a  shorter cooling  time. 4.  Injection  temperature  and  ejection  tempera- ture.  The  higher  the  injection  temperature,  the longer  the  cooling  time  required.  In  contrast, the  lower  the  ejection  temperature,  the  longer the  cooling  time  required. 5. Mold  material.  Because  different  metal  materi- als  of  the  mold  have  different  thermal  conduc- tivity,  their  thermal  conductivity  effects  also differ.  Metals  with  a  greater  thermal  conduc- tivity  conduct  heat  faster  and  require  a  shorter cooling  time. 6. Number,  position,  and  size  of  cooling  chan- nels.  The  design  of  cooling  channels  has  a decisive  affect  on  the  overall  cooling  time. Generally  speaking,  the  larger  the  number  of cooling  channels,  the  closer  the  cooling  chan- nels  are  to  the  molded  product  or  the  larger  the channel  diameter,  the  better  the  cooling  effect and  the  shorter  the  cooling  time. 7. Quality  of  coolant.  Different  coolants  have  dif- ferent  heat  transfer  coefficient,  specific  heat, density  and  viscosity,  and  thus,  different  heat transfer  results. 8. Coolant  flow  rate  and  temperature.  The  coolant flow  rate  must  reach  the  turbulent  flow  to increase  the  heat  transfer  effect.  Besides,  the lower  the  coolant  temperature,  the  shorter  the cooling  time. The  cooling  stage  involves  very  complicated issues.  To  simplify  the  process,  the  following assumptions  are  made  in  this  study: 1. Because  changes  of  the  physical  properties  of mold  materials  as  a  result  of  temperature  and pressure  are  not  significant,  they  are  consid- ered  constants. 2. The  energy  released  by  the  plastic  materials  is assumed  to  be  completey  absorbed  by  the coolant  and  mold  material. 3. The  mold  surface  temperature  is assumed  to  be constant  and  so  is  the  temperature  of  the  cool- ing  channel  wall. 4.  It  is  assumed  that  during  the  initial  stage,  both the  mold  and  the  plastic  material  have  their own  uniform  temperature,  and  that  the  plastic material  does  not  contain  any  solid  part. 5. The  inner  pressure  of  mold  cavity  is  assumed constant.  Thus,  the  effect  of  pressure  reduction at  the  boundary  layer  is  ignored  and  the  volume of  plastic  materials  remains  constant  during  the solidification  process. 6. The  solidification  latent  heat  is calculated  as part of  the  specific  heat,  without  considering  the  dis- placement  of boundary  layer.
  1. 上一篇:JSP技术简介英文文献和中文翻译
  2. 下一篇:土木工程概论论文英文文献和中文翻译
  1. 立体光照成型的注塑模具...

  2. CAD/CAM模具技术课程教学改...

  3. 金属板料冲压模具计算机...

  4. 木质填料聚丙烯复合材料...

  5. 模具以及模具的现代加工英文文献和中文翻译

  6. 对热流道系统注塑工艺英文文献和中文翻译

  7. 注塑模具的设计及其热分...

  8. 大众媒体对公共政策制定的影响

  9. 当代大学生慈善意识研究+文献综述

  10. 十二层带中心支撑钢结构...

  11. 乳业同业并购式全产业链...

  12. 河岸冲刷和泥沙淤积的监测国内外研究现状

  13. 电站锅炉暖风器设计任务书

  14. 杂拟谷盗体内共生菌沃尔...

  15. java+mysql车辆管理系统的设计+源代码

  16. 中考体育项目与体育教学合理结合的研究

  17. 酸性水汽提装置总汽提塔设计+CAD图纸

  

About

751论文网手机版...

主页:http://www.751com.cn

关闭返回