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外文翻譯
注塑模具設(shè)計(jì):影響生產(chǎn)效率
文摘
本文提出了一種系統(tǒng)的注塑模具節(jié)能設(shè)計(jì)方法。它支持工程師分析設(shè)計(jì)成果，以實(shí)現(xiàn)注塑模具的節(jié)能操作，而該方法需要保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，并保證生產(chǎn)過程的性能在數(shù)年的使用中。提出了一種信息和通信技術(shù)支持的系統(tǒng)方法，使工程師能夠監(jiān)控生產(chǎn)過程，從過去的設(shè)計(jì)中學(xué)習(xí)，并獲得設(shè)計(jì)新的注塑模具的知識(shí)，這些模具可以用較少的能源使用。獲得了汽車塑料零件生產(chǎn)中收集到的經(jīng)驗(yàn)和關(guān)鍵結(jié)果。
關(guān)鍵詞 能源高效制造設(shè)計(jì)；制造系統(tǒng)能源監(jiān)測(cè)；基于知識(shí)的注塑模具設(shè)計(jì)
1介紹
塑料零件的生產(chǎn)商正面臨著激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)。除了高質(zhì)量和合理的成本外，環(huán)境影響已成為一個(gè)重要的因素，與能源消耗密切相關(guān)。注塑模具的設(shè)計(jì)是制造過程中塑料零件壽命周期的關(guān)鍵因素。模具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性且成本高昂的任務(wù)，旨在滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的要求。模具設(shè)計(jì)必須考慮到大量的因素。一些主要因素是模具的尺寸、孔洞的數(shù)量、孔腔布局、澆道和澆注系統(tǒng)、材料的收縮和噴射系統(tǒng)[1]。
工業(yè)，特別是汽車領(lǐng)域處于探索減少生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境影響的新方法的前沿。除了歐盟提出的減少二氧化碳排放的提案外，汽車公司也正致力于生態(tài)創(chuàng)新，這些創(chuàng)新將在發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力傳動(dòng)技術(shù)之外開辟更廣闊的領(lǐng)域。這包括汽車零件的生產(chǎn)[2]。
注塑成型是塑料制品加工過程中最重要、最廣泛的工序[3]，可以解決幾個(gè)具有挑戰(zhàn)性的競(jìng)爭(zhēng)要求:塑料零件通常是輕量化的，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了低成本的設(shè)計(jì)自由。
考慮到能源效率，注塑工藝仍為改進(jìn)提供了機(jī)會(huì)。子系統(tǒng)的潛在能量?jī)?chǔ)蓄范圍在10%到80%之間[4]。我們自己的工作以及之前的其他研究都明確地指出了有效協(xié)作團(tuán)隊(duì)的重要性[5]，而對(duì)于創(chuàng)新問題的良好解決方案，很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者。使用強(qiáng)大的設(shè)計(jì)工具的創(chuàng)意設(shè)計(jì)師將能夠快速解決技術(shù)問題[6]。
正如Bogdanski所指出的，在生產(chǎn)環(huán)境中促進(jìn)能源效率的一個(gè)關(guān)鍵因素是監(jiān)測(cè)能量流，并反饋信息的方向[7]。正如Bogdanski所指出的，在生產(chǎn)環(huán)境中促進(jìn)能源效率的一個(gè)關(guān)鍵因素是監(jiān)測(cè)能量流，并反饋信息的方向[7]。我們的工作的主要?jiǎng)訖C(jī)是制定一個(gè)系統(tǒng)的方法，支持分析考慮節(jié)能模具的運(yùn)作的注塑模具設(shè)計(jì)成果。關(guān)鍵的想法是將這些信息反饋給模具設(shè)計(jì)者，這樣他們就可以利用因果關(guān)系的知識(shí)，特別是幫助他們從之前解決或解決的類似問題中學(xué)習(xí)。
本文提出了節(jié)能注塑模具設(shè)計(jì)的基本思路。我們將重點(diǎn)介紹模具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，這些因素對(duì)生產(chǎn)過程中的能源需求產(chǎn)生了很大的影響，并描述了在汽車制造環(huán)境中評(píng)價(jià)模具能效的相關(guān)方法。
2方法
2.1注塑成型過程中的能耗
注塑成型工藝的核心部件是注塑機(jī)，它是在注射成型機(jī)器上操作的，同時(shí)需要泵和冷卻水以及其他設(shè)備來干燥顆粒和處理/輸送生產(chǎn)的部件。這些電器消耗電能，是注塑成型的關(guān)鍵能源。在[8]中所展現(xiàn)的，液壓注射成型系統(tǒng)的能耗份額分為:模具溫度調(diào)節(jié)(36.1%)，機(jī)器驅(qū)動(dòng)，螺桿和控制(47.2%)，塑化單元加熱(16.7%)。
這臺(tái)機(jī)器，作為能源的主要消耗者，似乎是第一個(gè)提高能源效率生產(chǎn)的杠桿。事實(shí)上，通過投資新機(jī)器，從舊的液壓系統(tǒng)到全電動(dòng)機(jī)器，可以節(jié)省30%到60%的能源成本[9]。在規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施投資時(shí)，經(jīng)常考慮到這一措施。該原理也適用于其他設(shè)備，如干燥機(jī)、泵等。
只針對(duì)直接消耗電能的家電，將注塑模具排除在外。我們的主要想法是分析模具、機(jī)器、材料和輔機(jī)的組合。每部分所需的能量被認(rèn)為是相當(dāng)穩(wěn)定的，當(dāng)將一個(gè)部分特定的模具與一個(gè)特定的機(jī)器結(jié)合。在注射成型過程中有兩類子過程:
*1 能源消耗部分取決于表面變粗糙增塑,關(guān)閉和打開機(jī)器。這些參數(shù)直接受鉛球重量、零件幾何尺寸和模具尺寸的影響。這些被認(rèn)為是穩(wěn)定的決定因素(焦點(diǎn)部分-機(jī)器組合)。
*2相反，模具溫度調(diào)節(jié)和塑化單元加熱主要以消耗能量為特征。特別是在機(jī)器空轉(zhuǎn)的注塑工藝中。剩余冷卻時(shí)間可視為機(jī)器空閑時(shí)間。
剩余冷卻時(shí)間的定義是:在最佳冷卻條件下凝固所需的最小理論冷卻時(shí)間，由于材料和體積，加上額外的冷卻時(shí)間，由于模具冷卻系統(tǒng)的低效率減去注射成型周期重疊冷卻時(shí)間的過程。
邏輯上的假設(shè)是減少這樣的低效(即改善冷卻系統(tǒng))，以便能夠特別減少溫度調(diào)節(jié)和塑化單元加熱所需的能量(焦點(diǎn)模具-機(jī)器組合)。
2.2挑戰(zhàn)的解決
模具冷卻系統(tǒng)是注塑模具的組成部分，決定了其冷卻效率。冷卻通道通常由鉆孔制造。這些孔被連接在一起(交叉孔或軟管)，或用插頭分開，以在模具內(nèi)部形成有向流動(dòng)的冷卻液。一旦冷卻系統(tǒng)被制造出來，就很難做出實(shí)質(zhì)性的改變。因此，注射模的設(shè)計(jì)是影響冷卻效率低下的生命周期的理想階段。正如[10]所指出的，在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模具未來的能耗是極具挑戰(zhàn)性的。
對(duì)注塑模具冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是否與冷卻效率的降低無關(guān)。為了確定注塑模具冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)程度及其對(duì)生產(chǎn)效率的影響，需要關(guān)鍵性能指標(biāo)(KPI)。注塑成型中最重要的KPI是“每件成本”[11]。模具設(shè)計(jì)者的主要目標(biāo)是盡量減少這個(gè)數(shù)字。當(dāng)能源效率作為一個(gè)新的子目標(biāo)引入時(shí)，相關(guān)的KPI可能包括:所需的能源生產(chǎn)塑料零件,零件總數(shù)與模具生產(chǎn),浪費(fèi)能源,由于殘余冷卻時(shí)間,每一部分設(shè)計(jì)模具所需的時(shí)間和精力,努力,為模具制造能源和資源,期望終生的模具,模具所需的精力和能量變化。
在進(jìn)行成本效益分析時(shí)，可以認(rèn)為模具產(chǎn)生的零件數(shù)量是關(guān)鍵約束。成本的影響以及與能源相關(guān)的后果，考慮到整體的最佳，與單個(gè)模具的離散最優(yōu)相沖突。模具設(shè)計(jì)者不能忘記關(guān)于零件質(zhì)量和要求的生產(chǎn)力的基本約束。
研究工作必須考慮到大多數(shù)注射模具都是單獨(dú)設(shè)計(jì)的，因?yàn)樗鼈兪仟?dú)一無二的，或者是在非常小的數(shù)量單位中產(chǎn)生的。有很多相似之處，但由于模具內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜工程，不能很容易地重用現(xiàn)有的同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。例如，在汽車工業(yè)中，OEM正在為不同類型、型號(hào)以及原型部件積累數(shù)千種不同的基于cad的模具設(shè)計(jì)。重用這些知識(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。關(guān)于注射成型的能源效率，目前只有很少的知識(shí)。以Pecas等為例，評(píng)估了不同制造方法對(duì)產(chǎn)量低的模具的環(huán)境影響的差異[12]。對(duì)于較大的產(chǎn)量，他們發(fā)現(xiàn)模具制造階段對(duì)環(huán)境的影響與模具的使用階段相比顯得微不足道[13]。
我們的工作是伴隨著汽車工業(yè)的一個(gè)案例研究，在這個(gè)行業(yè)中，注塑模具是設(shè)計(jì)、制造和用于生產(chǎn)中大批量生產(chǎn)的。因此，主要的挑戰(zhàn)是制定一種方法，利用現(xiàn)有的工程知識(shí)，收集關(guān)于能源流動(dòng)的新知識(shí)，以及在注塑模具使用階段的能源效率。這是在設(shè)計(jì)替代方案和它們對(duì)生產(chǎn)中能源效率的影響之間的相關(guān)性的識(shí)別。本文從模具的使用階段對(duì)新模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行了反饋。
2.3注塑模具設(shè)計(jì)影響分析
為了能夠評(píng)估對(duì)能源效率的影響，有必要對(duì)現(xiàn)有的模具設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以達(dá)到要求的質(zhì)量、努力、能源和成本。這些要求必須與產(chǎn)生一部分的必要能量有關(guān)?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)知識(shí)庫必須進(jìn)行分析，以找出對(duì)模具設(shè)計(jì)人員和/或工藝工程師在生產(chǎn)階段的能效方面有用的信息。這個(gè)想法是建立一個(gè)知識(shí)庫來不斷收集信息并提供評(píng)估的可能性。Thiede、Spiering和Kohlitz指出，在分階段的注塑過程的能量信息的構(gòu)建有利于分析由于電力需求的動(dòng)態(tài)行為而產(chǎn)生的能源效率措施的影響[14]。本文采用這種方法。這項(xiàng)工作的結(jié)構(gòu)如下:
1.在主要任務(wù)中組織注塑模具設(shè)計(jì)過程，
2.確定與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的任務(wù)，可以通過提供額外的信息來改進(jìn)，
3.分析生產(chǎn)和維護(hù)程序，以制定不影響生產(chǎn)的分析方法，
4.精心設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型，將相關(guān)的信息轉(zhuǎn)化與產(chǎn)生的部分相結(jié)合，
5.開發(fā)測(cè)量方法及相關(guān)設(shè)備，
6.對(duì)注塑模具的代表性樣品進(jìn)行能量測(cè)量，
7.對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行專家分析，確定與能源效率有關(guān)的設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵后果。
3注塑模具工程
分析了模具的成型周期，模具設(shè)計(jì)對(duì)以下因素有很大的影響:
a)殘余冷卻時(shí)間
b)模具運(yùn)動(dòng)(開、關(guān))
例如，當(dāng)為一個(gè)過濾器的外殼建造一個(gè)新的雙腔模具時(shí)，只有通過改進(jìn)模具的冷卻系統(tǒng)，才能將周期時(shí)間從58秒降低到34.7秒。這是通過使用常規(guī)的水冷和常規(guī)的模具鋼鉆洞實(shí)現(xiàn)的。只有通過優(yōu)化的模具設(shè)計(jì)，新模具才能夠比舊的慢運(yùn)轉(zhuǎn)模具快1.67倍。
根據(jù)需要的零件數(shù)量，設(shè)計(jì)師可以考慮減少模腔的數(shù)量。這將節(jié)省模具的投資，并使使用小型注塑機(jī)成為可能。
模具中的模腔數(shù)量主要是由成本驅(qū)動(dòng)的決策[11]，取決于產(chǎn)量和模具成本。此外，生產(chǎn)車間可利用的模具復(fù)雜性和注塑機(jī)對(duì)模具的合理數(shù)量有影響。理想情況下，所有權(quán)的總成本應(yīng)按[14]所述分析。對(duì)于過濾器殼體的研究模型，將模腔的數(shù)量保持為2個(gè)。
這個(gè)例子表明,良好的模具性能并不一定意味著必須使用高端冷卻技術(shù)和保形冷卻模具插入行由激光器,使用特殊的模具材料或CO2等特殊冷卻技術(shù)冷卻或類似(所有這些原則有合理的應(yīng)用程序,但是在許多情況下,可以實(shí)現(xiàn)良好的解決方案與常規(guī)技術(shù))。
3.1刀具設(shè)計(jì)中的限制因素
特別是在汽車行業(yè)，時(shí)間安排非常狹窄，模具設(shè)計(jì)的預(yù)算也很有限。盡管現(xiàn)代的cad系統(tǒng)，模具設(shè)計(jì)在制造新模具時(shí)仍然是一個(gè)瓶頸。
對(duì)于大型模具來說，模具設(shè)計(jì)完全完成之前，模具制造是很常見的做法。這給模具設(shè)計(jì)師帶來了相當(dāng)大的時(shí)間壓力，因?yàn)樗仨氁砸环N模具制造可以持續(xù)的方式繼續(xù)完成他的設(shè)計(jì)。此外，這可以限制設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案，以創(chuàng)造一個(gè)最佳的模具設(shè)計(jì)，因?yàn)樗辉倏梢宰杂傻母淖兡＞咴O(shè)計(jì)在一個(gè)后期階段。
從技術(shù)角度來看，冷卻系統(tǒng)布局的有限元模擬是可行的，但大多數(shù)的cad系統(tǒng)都沒有完全融入有限元軟件。這需要額外的工作，這通常需要一位有限元專家來完成。此外，有限元計(jì)算的時(shí)間還需要很長時(shí)間(數(shù)小時(shí)到數(shù)天)。有限元的主要問題是它不設(shè)計(jì)一個(gè)好的冷卻系統(tǒng);它只顯示了弱點(diǎn)。根據(jù)模具設(shè)計(jì)者的知識(shí)和創(chuàng)造力，需要幾個(gè)循環(huán)來獲得接近最佳的結(jié)果。由于這些原因，有限元分析只適用于一小部分模具設(shè)計(jì)。
3.2冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
許多冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都是基于以上所述的各種限制因素來完成的。這樣的冷卻系統(tǒng)不一定是壞的，但很少是最優(yōu)的。模具設(shè)計(jì)者“過度工程師”的冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致模具制造成本高，或系統(tǒng)存在弱點(diǎn)，這將導(dǎo)致長時(shí)間的剩余冷卻時(shí)間導(dǎo)致模具運(yùn)行緩慢。
圖2顯示了冷卻線正確定位的重要性(以大圓為標(biāo)志)。小點(diǎn)(2 x左/右，1 x中心)代表模具表面的控制點(diǎn)。中心點(diǎn)標(biāo)志著系統(tǒng)的“弱點(diǎn)”。與外點(diǎn)的模具表面相比，中心點(diǎn)的模具表面總是會(huì)更熱。這是由于冷卻線的尺寸和位置。由于模具需要穩(wěn)定，很不幸的是，在整個(gè)模具表面下冷卻液是不可能的。
設(shè)計(jì)一個(gè)三維零件的冷卻系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜得多的任務(wù)。模具設(shè)計(jì)者不僅要注意零件形狀所造成的幾何限制，而且還需要為諸如塑料注射(例如熱流道系統(tǒng))和零件脫模(如引腳、滑塊、段)等功能部件留有空間?？梢杂貌煌姆绞皆O(shè)計(jì)滑塊、段和噴頭的形狀和位置。通?；瑝K和段需要有一個(gè)冷卻系統(tǒng)本身。這意味著冷卻系統(tǒng)受到功能元件的影響，同時(shí)冷卻系統(tǒng)對(duì)其形狀產(chǎn)生影響。
圖3顯示了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程的流程圖；這個(gè)過程通常需要一個(gè)迭代的方法。