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带自由面压铸模具冷却系统的最优设计

摘要

这个研究是关于有限元法和运用到带自由表面压铸模具的推断网络法。研究的目的是发现最佳的冷却系统参数和减少压铸模具的变形。为了避免众多的影响因素，压铸模具的自由表面采用等价的多项式函数非线性的结构。根据非线性函数，包括空间开槽和孔道直径的冷却系统参数被适当调整了。一个模仿压铸冷却参数的推断网络系统已经被构造出来。这个推断网络包括许多函数节。一旦这冷却系统的参数被给定，这个网络系统便可以精确地预测压铸件的变形量。一个带有性能指标的模拟退火最佳化算法然后被应用到神经网络，目的是探索最优的冷却系统参数和获得一个满意效果。

关键词：压铸模具；自由形态的；神经网络；模拟退火

1.引言

典型的传统压力铸造法包括高气压的充填，冷却，凝固和顶出阶段。冷却阶段具有非常的重要性，因为它能较大地影响生产能力继而影响压铸件的数量。众所周知压模铸件大约有八成的循环时间被花费于对热熔进行充分地冷却，目的是使铸件可以被没有翘曲的顶出。一个成功的冷却系统的设计可以显著地减小各种因数影响，它可以减少冷却时间、减少翘曲和相应地增加部件的质量。冷却过程的主要目的是维持充填和冷却的均匀温度。

相应地,当考虑冷却系统和建立冷却过程条件时至少有二个重要的准则供设计师参考：1、达到均匀温度；2、缩小循环时间。要实现这两个目标，设计师可能需要一个最佳的计算机辅助设计系统来完成一个快速和均匀的冷却体系。在充填和冷却过程期间，最优系统设计需要进行热传递分析。这个热分析工具将预测压铸件的温度梯度和变形。

一般而言，传统的压模设计仍然依靠经验，由于缺乏铸造流动和热传递的有利分析，设计师不能评价和控制由于压铸材料、膨胀和收缩引起的变形。不同冷却系统参数可以引起大的温度梯度和不同的变形。虽然有限元法软件能够分析一个在不同的冷却系统的压铸模具的注射金属压力和热应力、热膨胀和温度分布情况的填充流动和冷却条件，分析模型的建立是很难的，特别是三维自由形态的几何学。除了了解多腔模、金属流动和固化过程非常必要，设计师还应该完全地掌握基本的有限元软件。只要完全的了解压出板制造是能有效避免人员移动麻烦的过程，引用软件就可以达到和节省大量金钱和时间。

首先，对冷室压模铸件注射和压铸型腔填充排气孔和溢流口进行设计。当金属铸件使用一个活塞进入到一个腔内，他会考虑金属发生的变化和型腔内的空气被熔化的金属置换。随后Garber将会显示太大的或太小的活塞速度可能影响铸件的质量Groenevelt和Kaiser研讨了注射入型腔内熔融金属的速度的影响、流经距离和腔内产品铸件上表面的温度。根据压铸件不同的浇注初始温度实验可得太低的预先加热温度可能引起铸塑料液堵塞流道，从而发生故障。但较高的温度可能增加冷却时间和减少生产能力。Truelove使用一个冷却系统控制压铸过程的整个温度，目的是获得一最佳的传热特征，减少压铸件的热节问题的发生，从而改善铸件的质量。

Jong和一些人发明了一个用于熔融金属在高气压压铸期间流动和凝固数学方程，以便分析型腔内压铸元件的温度情况和冷却应力。kenichiro和一些人使用有限元法分析和设计压铸模；结果不仅改善精度，但被考虑的因素还有许多，如压模铸件的压力、浇铸的液体的流动速度、粘性和材料随温度和相变化的机械特性。使用CAD\CAE故障软件对压出板的系统设计过程的研究，目的是减少压模设计过程中的人为误差。它使用CAD软件创造一个形式自由的模型、使用有限元软件分析压铸过程的情况。它模拟压铸件和在不同参数（冷却线长度R、开槽中心距L、孔道直径D）下的铸件变形的温度分布，如图1所示。它使用一个推断系统建立了关系图1，冷却通道和自由形态压出板之间的关系，变形和冷却系统参数模型之间的关系。根据推断模拟方法，它能描绘输入和输出变量之间的复杂的和不确定的关系。

一旦推断系统构造出输入和输出压力铸造参数的关系，一个合理的带有性能指标的优选法能探索出最佳的铸造参数。在这里，一个模拟退火的测深优化方法被采用。这个模拟退火算法是通过模拟退火过程来减少性能指标。它已经被成功地应用到压铸模具设计中等。这个基础理论可以被广泛地应用。

2.压铸流动理论

在压铸过程中大约80%的时间花费在冷却过程中。压模铸件的变形是由于浇铸过程中不均匀的温度分布引起的，它影响铸件的质量。冷却系统的设计者不得不考虑整体循环和计算压铸过程中不同阶段的变形。铸造过程分析包括三主要阶段：第一，浇铸过程必须保证浇铸充满型腔。主要的压模铸件流动方程被分成五阶段。在填充阶段，模槽在高压下充满浇铸的塑性流体。

3.建立冷却系统和压铸模具变形之间的关系

高气压注射铝合金压铸的铸造压力大约是30–150Mpa；通常注射压力随时间而变。为了研究铸造过程压力的影响，Dochler和Borton使用阴极射线