汽车门把手注塑模具设计及其成型过程CAE分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

塑料作为 20 世纪的一种新兴材料，其使用范围已经深入到社会生活与生产的方方面面，成为继金属、木材、硅酸盐之后的现代工业生产中的重要原材料。注塑模具是通过特定形状复制成型塑料制品的一种工艺装备，它使塑料成型制品的大批量生产成为现实，注塑模具作为注射成型的一种重要设备，其设计水平、技术含量的高低对塑料制品的性能有着重要的意义。同时，注塑模具在塑料制品的推广与使用方面占有核心的地位，因此，注塑模具也有“工业之母”之称。对于汽车而言，其中70%-80%的零部件是由模具成型，因此注塑工件的制造工艺水平和质量，对汽车质量和成本有直接的影响。

1.1. 国外发展情况

全球主要模具生产国包括亚洲地区的日本、韩国与大陆，以及美洲地区的美国、欧洲地区的德国。技术先进国家如日本、美国、德国等，对于高精度与复合性模具开发，不论在设计能力或制造技术上，均有领先的地位，同时也拥有训练精良的技术研发人才。以日本为例，日本的模具产能约占全球的40%，居世界第一位，每年向国外出口大量模具。总结而言，目前国外模具行业的发展已经到了很高的水平，特别是设计更加智能化以及多功能先进的机床的使用，使国外的模具行业处于领先的地位。

1.2. 国内发展情况

自20世纪90年代至今，中国模具工业突飞猛进地发展，模具产值平均增幅达18%左右，在数量发展的同时，模具的技术水平也有很大的提升，我国最大的注塑模具单套重量己超过50吨，最精密的注塑模具精度己达到2微米。在CAD/CAM技术得到普及的同时，CAE技术应用越来越广，模具新结构、新品种、新工艺、新材料的创新成果不断涌现，特别是汽车、家电等工业快速发展，使得注塑模的发展迅猛。

从我国当前模具需求情况看，普通模具已完全实现自给能力，且目前市场上供大于求；而大型、精密、高效、高性能模具为代表的高技术含量模具自给率不足 70%，很大一部分仍依赖进口，由此可见，模具（特别是注塑模具）制造业的相对落后在某种程度上已经成为阻滞我国制造业发展的瓶颈。

国内外注塑模具的部分性能指标对比如表1^[8]：

表1

注射速度	国内：通常80mm/s，大型机在65-70mm/s； 国外：普遍大于100mm/s，最高可达450mm/s。
塑化能力	国内：通常不超过16g/s； 国外：通常在28g/s以上，且随预塑马达转速提升和螺杆长径比和螺槽深度的改变，其塑化能力还在不断提升。
启闭模速度	国内：普遍在24m/mm； 国外：普遍已达到50m/mm；最高可达100m/mm。
螺杆转速	国外注塑机螺杆转速高于国内机约25%
开模行程、拉杆间距	开模行程大、拉杆间距长，比国内机高15%左右。
模板移动速度	国内、国外：20-30m/mm

1.3. 论文研究目的

注塑件在汽车内饰及外饰上应用非常广泛，本论文着眼于汽车门把手的注塑设计，主要目的是能够注塑成功，制造出能满足使用要求的门把手，即可以和门锁配合开合，与车门连接紧密又可以进行转动，符合汽车的整体美观效果。另外注塑件要满足车用的强度，不能够有明显的表面缺陷和应力集中等缺陷。注塑模具能够灵活开合模，有合理的型腔数，浇注系统对门把手外观不造成影响，注塑模具结构应该尽量简单，这样可以降低成本，提高效率。

1.4. 论文研究意义

随着汽车的普及度逐渐提高，对汽车各部件的改进，从而提升汽车性能，并且降低制造成本成为了共识。本论文研究意义主要是对现有的汽车门把手注塑模具进行重设计，对存在的问题进行修正，使其各个结构更加合理，在满足使用需求的同时降低制造成本。在现有门把手的基础上进行外观上的改良，符合人的美学感受，对整车造型有积极的影响。

2. 研究的基本内容与方案

1.1. 研究（设计）基本内容

（1） 汽车门把手三维造型设计

常见的汽车门把手有这样两种形式，一种是如图1所示的外拉式门把手：

图1. 外拉式门把手

这种门把手是比较主流的款式，设计上简介美观，使用起来非常便利，非常符合人体工程学原理，使用时可以从上向下拉，也可以从下向上拉，满足各种使用习惯。但是这种门把手的缺点是凸出于车体，容易划伤并且增大整个车辆的风阻系数。

另一种是如图2所示的上翻式门把手：

图2. 上翻式门把手

这种门把手常见于老款车型或低成本车型，它的显著缺点是若车门受到撞击时很难将车门打开，所以现在多用于强调“代步”功能的低成本车上。它的优点是可以与车门融为一体，从而更加美观，并且可以有效减小风阻系数，车身更加稳定，部分车型采用这种设计减少了传感器的使用，使得车门重量减轻，厚度变薄。

我所设计的门把手是参考使用更为广泛的外拉式门把手，使用Solidworks进行三维建模如图3：

图3. 门把手三维模型

门把手的设计简洁，门把手左侧为与车体连接的活动卡扣，可以满足汽车门把手开合动作，右侧的卡扣起与门锁配合的作用，并且有一个斜槽，门把手尺寸为240×68.40×25mm，为实际测量结果，具体结构参考图4：

图4. 汽车门把手真实结构

（2） 塑件材料分析

目前，市面上的汽车门把手大多使用ABS材料，即丙烯腈、丁二烯、苯乙烯共聚物。它无毒，无味，具有三种单体所赋予的优点，具有良好的综合物理力学性能。它力学性能优良，有较好的冲击韧度，刚度、硬度、疲劳强度均很好。此外，ABS的流动性中等，溢边料0.04mm左右。脱模斜度宜取2°以上。收缩率为0.4-0.9%。采用柱塞式注塑机时料温一般为180-230°，注塑压力为100-140MPa；采用螺杆式注塑机时，则取160-220°、70-100MPa为宜。

（3） 塑件尺寸精度分析

根据SJ/T 10628-1995，在确定塑件材料后，查标准可得标注公差尺寸一般精度为4级。

（4） 模具工艺方案分析

1) 注塑机的选择：塑件的实体体积V₁=110.49cm³，材料密度ρ=1.05g/cm³，塑件质量m₁=ρ×V₁=110.49×1.05=116.015g。主流道的凝料m₂可按塑件质量0.6倍估算，即m₂=0.6×122.913g=69.609g，凝料体积V₂=110.49×0.6cm³=66.294cm³。

所以一次总注射量为V₁ V₂=176.784cm³，总质量m₁ m₂=185.624g。由于所选注塑机效率应该为0.5-0.8，故可由此效率计算出所需注塑量，即注塑量=176.784/0.5-176.784/0.8cm³=220.98-353.568cm³，按照我国注塑机注塑量系列标准，取630cm³，因为注塑机实际工作时达不到理论值，故稍取大一些。

因此查询注塑机标准可以确定型号为JPH250A型注塑机，具体参数如表2：

表2

螺杆直径/mm	60
螺杆转速/(r·min-1)	21
理论注塑容量/cm3	672
注塑压力/MPa	196
注塑速率/(g·s-1)	138
塑化能力/(kg·h-1)	83
锁模力/kN	2500
拉杆间距(H·V)/(mm·mm)	560×510
模板行程/mm	830
模具最小厚度/mm	220
定位孔直径/mm	150
定位孔深度/mm	40
喷嘴伸出量/mm	40
喷嘴球半径/mm	15
顶出行程/mm	100
顶出力/kN	47.5

2) 模具型腔数确定：根据注塑机注塑容量可以确定理论型腔数，即：

N≤(KG-C)/V

其中，N-型腔数；

K-公称注塑量利用系数，一般取0.8；

G-注塑机公称注塑量（cm³）；

V-单个塑件的体积（cm³）；

C-浇口和流道的总体积（cm³）。

式中K=0.8，G=672cm³，C=66.294cm³，V=110.49cm³，因此可以求得N≤4.27。向下取整可以得到N=4。因此理论型腔数为一模四腔。

将此结论带入MOLDFLOW软件中进行分析发现一模四腔的翘曲变形程度小于一模两腔和一模一腔，并且一模四腔的充盈度更好，填充速度更快，因此可以确定一模四腔的方案的合理性。

3) 分型面选择：分型面按照注塑模具分型面的确定原则，取在塑件截面尺寸最大部位，如图5：

图5. 分型面示意

4) 抽芯机构：当制品具有与开模方向不同的内侧孔、外侧孔或侧凹时，除极少数可以强制脱模外，一般都必须将成型侧孔或侧凹的零件做成可移动的结构。根据所选定的分型面，有一个斜槽需要抽芯，故选择弯销抽芯机构。

5) 注塑模基本结构：采用三板式浮动定模板注塑模，基本结构如图6：

图6. 基本结构

1-定模型腔 2-尼龙扣 3-动模板 4-顶杆 5-顶棍 6-动模型腔

7-滑块镶针 8-滑块座9-定模板 10-面板 11-限位钉

开模时，由于定模板及动模板，尼龙扣的锁紧作用，模具首先从I-I处开模，由固定在面板上的弯销拨动滑块座与滑块镶针进行抽芯动作，抽芯完毕，由定位珠进行限位滑块后退，同时，面板与定模板由限位钉进行限位，继续开模时，注塑机克服尼龙扣的锁紧作用，模具从II-II处开模，由于制品对动模型腔有较大抱紧力，随着动模部分后退，脱离定模型腔，最后由顶杆顶出制品和流道。

6) 浇注系统：主流道采用垂直式主流道设计，大端直径D为8mm，小端直径d为4mm。浇口套依据GB/T 4170-2006，材料为45钢。

7) 排气系统：对于简单型腔的小型模具，可利用推杆、型芯、镶件与模板的配合间隙进行排气。配合间隙小与ABS材料的溢边料0.04mm。

8) 冷却系统：根据制品在模具中摆放位置，选择直通式冷却水道即可满足冷却要求。

1.2. 研究（设计）目标

1. 1. 熟悉汽车门把手的结构、尺寸和工作原理；

2. 2. 熟悉三维建模软件Solidworks的使用，并用Solidworks对汽车门把手进行三维建模；

3. 3. 熟悉CAE分析软件Moldflow的使用，并使用Moldflow软件对设计的汽车门把手进行浇口、型腔数，流道、翘曲变形、注塑缺陷等问题进行分析，利用分析结果指导模具结构设计；

4. 4. 对注塑模具的基本结构进行学习，了解注塑模具的工作方式，注塑模具与注塑机的连接关系，对抽芯机构、浇注系统、冷却系统等有了解。根据CAE分析结果进行模具结构优化，模具各个参数的校核；

5. 5. 熟悉AutoCAD进行模具二维工程图的绘制。

1.3. 技术路线

首先是对门把手的结构进行分析了解，对门把手尺寸进行实际测量，然后建出三维模型。根据三维模型查阅相关资料，基本确定模具的总体方案，例如：型腔数目、浇注系统、冷却系统等。然后将三维模型导入CAE软件中，根据分析结果修正总体方案。之后画出模具的结构图。具体的技术路线如下：

3. 研究计划与安排

（1）第1-5周，调研收集分析有关汽车注塑模具资料，了解原理与要求，对文献进行初步学习，翻译有关外文资料，进行总体方案构思，对模具结构有基本的认识和了解，完成门把手三维建模，并完成开题报告；

（2）第6-8周，对门把手进行cae分析，根据分析结果确定模具的各个结构，对结构进行校核，确定模具的基本形式；

（3）第9-14周，结构设计与分析计算，结构图纸绘制；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 狄海珍，贾林玲. 基于moldflow的型腔数量及浇口位置对变形的影响分析[j]. 机械制造,53（6）： 76-78.

[2] 吴广龙. 汽车注塑件常见缺陷及处理方法[j]. 科技资讯，（30）：49-51.

[3] 欧相麟，王大中，宁凯军. 汽车注塑件典型缺陷分析及其解决措施[j].工程塑料应用，42（1）：51-55.