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大型汽车用塑件的注射成型工艺研究 摘要 模具是生产各种工业产品的重要工艺装备。汽车工业是模具应用最多的工 业，模具品种多、精度高、形状复杂、交货期短。汽车部件塑料化是当今国际 汽车制造业的一大发展趋势。以塑代钢是今后汽车制造业的发展主流。因此， 塑料零部件在汽车中的使用将越来越多。而其中的大型塑件是成型的难点。 传统经验设计方法及试模方式存在以下弊端：缺乏理论上的依据，流道系 统的平衡及冷却质量无法保证，无法预测工艺方案，模塑制件的翘曲变形、缩 痕、成型周期等无法预测。其最终结果可能导致产品开发周期长、工艺不稳定、 生产周期过长、制件变形量大、缺陷多、产品报废率高等问题。 针对以上问题，本文采用聚合物熔体流变学理论来确定浇注系统的尺寸， 将计算机数值模拟技术引入到注塑模设计的整个过程中来，使用专业性模流分 析软件m o ld f l o w 先对两套进浇方案进行了比较，选择3 点进浇方案作为最终的 浇注系统，并建立了冷却系统。再对塑料熔体在模具型腔中的填充、保压和冷 却过程、翘曲变形进行分析，得出成型中的各种参数及制件的翘曲变形结果。 在此基础上，分析产生翘曲的原因，提出减少翘曲的方案。用于指导模具的设 计及相关工艺参数的设置。 数值模拟技术在注塑模设计中的应用克服了传统注塑模设计仅凭设计者经 验和直觉进行设计所导致的模具质量低下，模具返修率高，生产周期较长等缺 点，取得显著的经济效益。 关键词：注塑模数值模拟工艺参数 t h em o l d i n gt e c h n o l o g i c a lr e s e a r c ho fl a r g e s c a l e v e h i c l ep l a s t i cp a r t s a b s t r a c t p r o d u c i n g a l lk i n d so fm o l d sa r ea n i m p o r t a n tp r o c e s so f i n d u s t r i a l t e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y a r et h em o s tw i d e l yu s e d i n d u s t r i a lm o l d s ，m a n yv a r i e t i e so fm o l d ，h i g hp r e c i s i o n ，c o m p l e xs h a p e s ，s h o r t e r d e l i v e r yt i m e v e h i c l ep l a s t i cp a r t so ft h ei n t e r n a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r yt o d a y a r eam a j o rd e v e l o p m e n tt r e n d s t e e lt op l a s t i ci st h ef u t u r ed e v e l o p m e n to ft h e m a i n s t r e a mo ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y s o ，p l a s t i cp a r t sa n dc o m p o n e n t su s e di n t h ec a rw i l lb em o r ea n dm o r e a n do n eo ft h el a r g ep l a s t i cp a r t sa r em o l d e d d i f 矗c u l t e x p e r i e n c ei nt r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dt e s tm o d em e a n st h ef o l l o w i n g d e f e c t s ：l a c ko ft h e o r e t i c a lb a s i sf o r , t h eb a l a n c eo ff l o wa n dc o o l i n gs y s t e mc a nn o t g u a r a n t e et h eq u a l i t yo f , p r o c e s sc a nn o tb ep r e d i c t e d ，w a r p a g eo fm o l d e dp a r t s ， s h r i n km a r k s ，s u c ha sm o l d i n gc y c l ec a nn o tb ep r e d i c t e d t h e i rr e s u l t sm a y e v e n t u a l l yl e a dt ol o n gp r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，p r o c e s si n s t a b i l i t y , t h el o n g p r o d u c t i o nc y c l e ，al a r g eq u a n t i t yo fp a r t sd e f o r m a t i o n ，d e f e c t s ，a n dh i g hr a t eo f f a i l e dp r o d u c t se t c i nv i e wo ft h ea b o v eq u e s t i o n s ，i nt h i sp a p e r ，t h et h e o r yo fp o l y m e rm e l t r h e o l o g yt od e t e r m i n et h es i z eo fg a t i n gs y s t e m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m p u t e r t e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g no fi n j e c t i o nm o l df o rt h ee n t i r ep r o c e s s t h eu s eo f m a j o rm o l da n a l y s i ss o f t w a r em o l d f l o wp o u r e di n t ot h ef i r s tt w op r o g r a m sa r e c o m p a r e d ，3p o i n t si n je c t i o np r o g r a ma sf i n a l l yp o u r e di n t ot h eg a t i n gs y s t e m ，a n d s e tu pt h ec o o l i n gs y s t e m a g a i no nt h ep l a s t i cm e l ti nt h em o l dc a v i t yi nt h ef i l l i n g ， p a c k i n ga n dc o o l i n gp r o c e s s ，t h ea n a l y s i so fw a r p a g e ，c o m et os h a p et h ev a r i o u s p a r t so ft h ew a r p i n gp a r a m e t e r sa n dt h ed e f o r m a t i o nr e s u l t s o nt h i sb a s i s ，t h e a n a l y s i so ft h ec a u s e so fw a r p a g e ，p r o g r a m0 nt h er e d u c t i o no fw a r p a g e u s e dt o g u i d et h ed e s i g no fm o l d sa n dr e l a t e ds e to fp r o c e s sp a r a m e t e r s t h ea p p l i c a t i o no fc a et oi n je c t i o nm o l df i e l dc o n q u e r st h ed i s a d v a n t a g e s s u c ha sm o l d sl o wq u a l i t y , h i g hf r e q u e n c yo fm o d i f y i n ga n dl o n gm a n u f a c t u r i n g t i m ec a u s e db ye x p e r i e n t i a ld e s i g na n do b t a i n sg o o de c o n o m i cr e s u l t k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d ：c a e ：p r o c e s sp a r a m e t e r s 图表清单 表2 1 强度设计准则7 表2 2 装配设计的应用场合和设计准则1 0 表5 1 几种成型参数的比较5 7 图1 1 注塑成型c a e 技术应用5 图2 1 拐角方案设计对比一8 图2 2 筋的设计准则9 图2 3 悬臂搭扣示意图1 0 图2 4 汽车塑料零部件设计流程1 3 图3 1 多边形控制体积的形成1 8 图3 2 熔体前沿位置的标志1 8 图3 3 三角单元和圆形单元沿厚度和径向离散1 9 图3 4 流动分析程序流程简图2 1 图3 5 一维冷却系统的设计方案2 3 图3 6 冷却分析系统示意图2 6 图3 7 翘曲分析过程3 0 图4 1 中面模型分析过程3 6 图4 2 表面分析模型3 7 图4 3 三维实体模型分析过程3 9 图5 1 前保险杠的固定方式4 0 图5 2 前保险杠下底面固定方式4 0 图5 3 前保险杠与翼子板内板的连接4 1 图5 4 前保险杠与轮罩外侧板的连接4 1 图5 5 保险杠总体尺寸图4 1 图5 6 网格统计示意图4 2 图5 7 最佳浇口图4 3 图5 8 浇注系统4 4 图5 9 方案一：6 点热流道进浇系统4 6 图5 1 0 方案二：3 点冷热流道进浇方案4 6 图5 1 1 不同浇注系统填充时间的比较4 7 图5 1 2 不同浇注系统填充保压转换点压力的比较4 7 图5 1 3 不同浇注系统锁模力大小随时间变化的比较4 8 图5 1 4 不同浇注系统注塑点压力随时间变化的比较4 8 图5 15 不同浇注系统模腔内第一方向( 分子趋向方向) 的残余应力的比较5 0 图5 16 不同浇注系统模腔气穴位置的比较5 0 图5 1 7 不同浇注系统综合因数 - 3 i 起的整体偏差的比较5 1 图5 1 8 不同浇注系统熔接痕位置的比较一5 1 图5 1 9 水道直径和间距参考5 3 图5 2 0 冷却水道布置5 3 图5 2 1 区域收缩不均产牛的翘曲5 4 图5 2 2 冷却不均产生的翘曲5 5 图5 2 3 分子取向不同产生的翘曲5 5 图5 2 4 翘曲分析窗口5 5 图5 2 5 总体变形5 6 图5 2 6 冷却因素导致的变形5 6 图5 2 7 收缩因素导致的变形5 6 图5 2 8 分子取向导致的变形5 6 图5 2 9 几种保压曲线5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金日巴些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名阮欲桶， 签字日期叼砰月d 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日里工些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金壁工些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：蘸礅橇 签字日期：0 1 年午月d 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名记屹于叹 签字日期：? 哆年眵月，。日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在我的导师王晓枫老师的悉心关怀和精心指导下完成的，王老师 渊博的知识，严谨认真的治学态度，精益求精的工作方法使我受益匪浅。通过 论文的工作，我不仅学会了从事科研的工作方法，开拓了视眼，更体会了科研 的乐趣；同时，也为我将来从事科研或教学工作打下了坚实的基础。在此，我 要向我的导师王晓枫老师致以最衷心的感谢! 另外，c a d c a m 中心的张晔老师，吕新生老师，曹文刚老师，陈科老师在 我的论文工作期间，也给予我很好的建议和亲切的指导，在此，深表谢意! 在撰写论文期间，连学通，黄艳艳，周海琴，周壅，铁巍巍，陶龙风等同 学，都给予我无私的帮助和支持，在此表示衷心的感谢! 在此，我还要感谢我的家人和朋友，是他们无私的奉献和支持给了我前进 的动力和信心，这一份可贵的亲情和友谊我将铭记于心! 作者：陈敬栋 2 0 0 9 年4 月 绪论 汽车工业是模具应用最多的工业，模具品种多、精度高、形状复杂、交货 期短。汽车部件塑料化是当今国际汽车制造业的一大发展趋势。以塑代钢是今 后汽车制造业的发展主流。因此，塑料零部件在汽车中的使用将越来越多。而 其中的大型塑件是成型的难点。c a e 技术在塑料模具行业中的应用，能对成型 过程进行分析，指导设计人员修正制品和模具设计，具有广泛的应用。 1 1塑料在汽车中的应用概况1 1 i 1 2 i 受到能源危机的威胁，世界各国的汽车工业都在为汽车轻量化做各种努力。 此外，消费者在需求层次、需求结构、需求品位的提高，以及轿车的乘坐舒适 性、安全性、环保性、美观性等性能指标都已成为决定汽车产品市场成败的重 要砝码。包括塑料在内的非金属材料在汽车上的应用正能满足这一需求。 为了满足汽车工业发展的需求，汽车塑料的品种和应用范围不断扩大。2 0 世纪9 0 年代，发达国家汽车平均用塑料量是：1 0 0 - 13 0 k g 辆，占整车整备质 量的7 l o ；到2 0 0 2 年，发达国家汽车平均用塑料量达到3 0 0 k g 辆以上， 占整车整备质量的2 0 。预计到2 0 2 0 年，发达国家汽车平均用塑料量将达到 5 0 0 k g 辆以上。 我国经济型轿车每辆车塑料用量为5 0 6 0 k g ；轻、中型载货车的塑料用量 仅为4 0 - 5 0 k g ；重型载货车可达8 0 k g 左右。我国中、高级轿车基本为发达国 家引进车型，汽车塑料的应用量基本与发达国家上世纪9 0 年代水平相当，为 1 0 0 - 1 3 0 k g 辆。 塑料在汽车上的应用十分广泛，按功能应用主要分为三类：内饰件、外装 件、功能结构件。 ( 1 ) 外装件：以塑代钢，增加塑料制品的应用量，减轻汽车重量，达到节 能的目的。汽车外装件的材质从前以金属合金材料为主，现己逐步转向以各种 改性塑料材料为主，这样不仅能够降低生产成本、设计出更时尚和更符合空气 动力学的外型，而且可大大减轻汽车质量。汽车外装件主要有：汽车保险杆、 散热器格栅、挡泥板( 轮罩壳) 、导流板、车身面板、汽车窗、翼子板和汽车照 明灯具等。 ( 2 ) 内饰件：以安全、环保、舒适为应用特征，用可吸收冲击能量和振动 能量的弹性体和发泡塑料制造仪表板、座椅、头枕等制品，以减轻碰撞时对人 体的伤害，提高汽车的安全系数。主要有仪表板、车门内板、副仪表板、杂物 箱盖、座椅、后护板、安全气囊、座椅和顶棚等，汽车内饰件用塑料量已占整 车塑料用量的5 0 左右。 ( 3 ) 功能结构件：多采用高强度工程塑料，减轻重量，降低成本，简化工 艺。包括：发动机及其周边零件、方向盘、燃油箱、散热器水室、空滤器罩、 风扇叶片等。 当前，汽车用塑料的品种包括：聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合 材料、a b s 、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙 烯等等，一般使用的是它们的改性材料和复合材料。 随着塑料新材料的不断开发，塑料在汽车上的应用领域不断扩大，主要表 现在纳米复合材料、可喷涂和免喷涂塑料、塑件镜片和塑料玻璃、纤维增强热 塑性塑料等的应用。如果用t p o ( 聚烯烃热塑性弹性体) 基纳米复合材料应用 于汽车内、外装饰件，优点是质轻、尺寸稳定性提高、强度更高、低温抗冲击 性能更好。用t p o 系纳米复合材料做汽车踏脚板，g m ( 通用汽车) 公司已安 装于新型轿车上，它具有较高的硬度、质量轻、低温下不发脆，而且容易回收 等优点。因此，塑料在汽车上的应用领域将越来越宽广。 1 2中国塑料模具工业发展现状与展望 2 0 世纪8 0 年代以来，我国模具工业发展十分迅速。国民经济的高速发展对 模具工业提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。这些年来，我 国模具工业一直以1 5 左右的增长速度快速发展p j 。 整体来看，中国塑料模具无论是在数量上，还是在质量、技术和能力等方 面都有了很大进步，但与国民经济发展的需求、世界先进水平相比，差距仍很 大。一些大型、精密、复杂、长寿命的中高档塑料模具每年仍需大量进口。在 总量供不应求的同时，一些低档塑料模具却供过于求，市场竞争激烈，还有一 些技术含量不太高的中档塑料模具也有供过于求的趋势。 从市场情况来看，塑料模具生产企业应重点发展那些技术含量高的大型、 精密、复杂、长寿命模具，并大力开发国际市场，发展出口模具。随着中国塑 料工业，特别是工程塑料的高速发展，可以预见，中国塑料模具的发展速度仍 将继续高于模具工业的整体发展速度。 近年来，中国塑料模具制造水平已有较大提高。大型塑料模具已能牛产单 套重量达到5 0 t 以上的注塑模，精密塑料模具的精度已达到2 1 a m ，制件精度很 高的小模数齿轮模具及达到高光学要求的车灯模具等也已能生产，多腔塑料模 具已能生产一模7 8 0 0 腔的塑封模，高速模具方面已能生产挤出速度达6 m m i n 以上的高速塑料异型材挤出模具及主型材双腔共挤、双色共挤、软硬共挤、后 共挤、再生料共挤出和低发泡钢塑共挤等各种模具。在生产手段上，模具企业 设备数控化率已有较大提高，c a d c a e c a m 技术的应用面已大为扩展，高速 加工及r p r t 等先进技术的采用已越来越多，模具标准件使用覆盖率及模具商 品化率都有较大幅度的提高，热流道模具的比例也有较大提高【4 】。 中国塑料模具行业和国外先进水平相比，主要存在以下问题： ( 1 ) 发展不平衡，产品总体水平较低。虽然个别企业的产品已达到或接近 2 国际先进水平，但总体来看，模具的精度、型腔表面的粗糙度、生产周期、寿 命等指标与国外先进水平相比尚有较大差距。包括生产方式和企业管理在内的 总体水平与国外工业发达国家相比尚有10 年以上的差距。 ( 2 ) 工艺装备落后，组织协调能力差。虽然部分企业经过近几年的技术改 造，工艺装备水平已经比较先进，有些三资企业的装备水平也并不落后于国外， 但大部分企业的工艺装备仍比较落后。更主要的是，企业组织协调能力差，难 以整合或调动社会资源为我所用，从而就难以承接比较大的项目。 ( 3 ) 大多数企业开发能力弱，创新能力明显不足。一方面是技术人员比例 低、水平不够高，另一方面是科研开发投入少；更重要的是观念落后，对创新 和开发不够重视。模具企业不但要重视模具的开发，同时也要重视产品的创新。 ( 4 ) 供需矛盾短期难以缓解。近几年，国产塑料模具国内市场满足率一直 不足7 4 ，其中大型、精密、长寿命模具满足率更低，估计不足6 0 。同时， 工业发达国家的模具正在加速向中国转移，国际采购越来越多，国际市场前景 看好。市场需求旺盛，生产发展一时还难以跟上，供不应求的局面还将持续一 段时间。 随着市场的发展，塑料新材料及多样化成型方式今后必然会不断发展，因 此对模具的要求也越来越高。为了满足市场需要，未来的塑料模具无论是品种、 结构、性能还是加工都必将有较快发展，而且这种发展必须跟上时代步伐。 展望未来，下列几方面发展趋势预计会在行业中得到较快应用和推广【5 j 。 ( 1 ) 超大型、超精密、长寿命、高效模具将得到发展。 ( 2 ) 多种材质、多种颜色、多层多腔、多种成型方法一体化的模具将得到 发展。 ( 3 ) 为各种快速经济模具，特别是与快速成型技术相结合的r p r t 技术将 得到快速发展。 ( 4 ) 模具设计、加工及各种管理将向数字化、信息化方向发展 c a d c a e c a m c a p p 及p d m p l m e r p 等将向智慧化、集成化和网络化 方向发展。 ( 5 ) 更高速、更高精度、更加智慧化的各种模具加工设备将进一步得到发 展和推广应用。 ( 6 ) 更高性能及满足特殊用途的模具新材料将会不断发展，随之将产生一 些特殊的和更为先进的加工方法。 ( 7 ) 各种模具型腔表面处理技术，如涂覆、修补、研磨和抛光等新工艺也 会不断得到发展。 ( 8 ) 逆向工程、并行工程、复合加工乃至虚拟技术将进一步得到发展。 ( 9 ) 热流道技术将会迅速发展，气辅和其它注射成型工艺及模具也将会有 所发展。 ( 1 0 ) 模具标准化程度将不断提高。 ( 11 ) 在可持续发展和绿色产品被日益重视的今天，“绿色模具”的概念已逐 渐被提到议事日程上来。即，今后的模具，从结构设计、原材料选用、制 造工艺及模具修复和报废，以及模具的回收利用等方面，都将越来越考虑 其节约资源、重复使用、利于环保，以及可持续发展这一趋向。 1 3c a e 技术在注射模中的应用 模具是生产各种工业产品的的重要工艺装备，随着塑料工业的迅速发展和 塑料制品应用范围的不断扩大，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计 方法己无法适应产品更新换代和提高质量的要求。电脑辅助工程( c a e ) 已经成 为塑料产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节中最有效的途径。同传 统模具相比，c a e 技术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本， 减轻劳动强度方面，都具有很大的优越性【6 j 。 近些年来，c a e 技术在注塑成型领域的重要性日益巨大，采用c a e 技术 可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。注塑成型分两个阶段，即开发设计 阶段( 包括产品设计、模具设计和模具制造) 和生产阶段( 包括购买材料、试模和 成型) 传统的注塑方法是在正式生产前，由设计人员凭经验与直觉设计模具，模 具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数， 甚至还要修改塑料制品和模具，这种传统方法不能对材料、设计方案和成型过 程等因素作出全面的评价，也不能指出产品设计和成型过程中可能出现的问题， 因而导致模具翻修量大、投产时间长、废品率高、生产效率低、经济效益差， 这势必增加生产成本，延长产品开发周期。采用c a e 技术，可以很大程度代替 试模，利用c a e 技术可以在模具加工前，在电脑上对整个注塑成型过程进行类 比分析，准确预测熔体的填充，保压，冷却情况，以及制品中的应力分布、分 子取向和纤维取向，制品的收缩和翘曲等情况，以便设计者能尽早发现问题， 及时修改制品和模具设计，而不是等到制模之后再返修模具。这不仅是对传统 模具的一种突破，而且提高了模具的设计质量，减少了模具的生产周期，很好 地适应了市场要求【7 1 。 1 4 本文研究的主要内容 目前，注塑行业面临的问题很多，主要包括：试模过程复杂，时间很长：最佳 成型工艺非常难以获得：注塑成型过程中工艺参数随时间的变化很难控制。这些 问题将导致生产率下降，产品质量不稳定，废品率高，成本上升，开发周期过长等 问题。 注塑成型c a e 技术是根据高分子流变学、弹性力学、计算机技术，采用有 限元计算方法来模拟整个注塑过程及这一过程对注塑成型产品质量的影响，它 4 可以模拟塑料制品在注塑成型过程中的流动，保压和冷却过程以及预测制品中 的应力分布、分子取向、收缩和翘曲变形等，帮助设计人员及早发现问题，及时 修改模具设计，提高一次试模成功率，帮助企业缩短产品上市周期，增强市场竞 争能力【8 1 。 对于大型塑件而言，很有必要通过优化获得一个较为合理的浇口数目：浇口 位置应根据制件结构形状及使用要求等而定。总之，浇口数量与位置的确定要充 分考虑到制件强度、熔体的最大流程比以及尽量保证各浇口熔体能几乎同时填 充及同时充满最远端( 等流程) 等原则。 除了浇口设置用模流分析外，其他如成型周期、冷却保压分析、收缩与翘 曲变形、产品缺陷分析及减小废品率等方面来说，大型制件比中小型制件更加 迫切需要。仅修模和废品报废率产生的费用来说，大型模具比中小型模具要多 出几倍甚至几十倍乃至上百倍。由此可见，模流分析对大型注塑模来说是相当 重要的。 因此，本文重点从数值模拟的角度研究汽车用大型塑件的成型过程。成型 过程数值模拟的意义在于：在设计阶段，根据预设的注塑工艺条件和模具结构， 对制品的注塑成型过程进行分析后，预测制品在成型及出模后的缺陷。在此基 础上寻找导致产品缺陷的丰要因素，从而指导设计人员修正制品和模具设计、 调整注塑成型工艺参数，改进制品质量，使制品和模具一次试模成功的可能性 达到最大，如图1 1 所示，降低生产成本和提高生产效率。 图1 1 注塑成型c a e 技术应用 第二章汽车塑件的设计要求及设计流程 2 1汽车塑料零部件的设计要求 汽车塑料零部件的形状及其塑模过程十分复杂，这使得汽车塑料零部件的 设计成为一项非常困难的工作。事实上，要把汽车塑料零部件设计得既符合功 能要求又要满足美学要求，还要便于塑模成型，其难度非常大。当然，设计要 求也非常多。各种设计要求一般可归纳为最主要的四类：强度设计要求、与制造 有关的设计要求、与装配有关的设计要求、用于汽车的特殊设计要求。 2 1 1强度设计要求【刈 设计塑料件时，其破坏性质控制得成功与否，往往取决于对塑料件强度的 准确预测。根据塑料件承受负荷条件不同，可把所承受的负荷分为短期负荷、 长期负荷、循环负荷、冲击负荷、温度负荷等五类。在设计汽车塑料零部件时， 首先要考虑的就是强度设计，主要从这五方面入手。 ( 1 ) 短期应力一应变行为 短期负荷是指塑料件在搬运、组合和使用时施加的负荷。例如，车门把手 在开关门时受到的作用力，各种仪表齿轮在工作时所承受的载荷等。其设计一 般参考材料的应力一应变图。这一点和金属零部件的设计类似。但与金属材料 相比，塑料的抗应变能力非常低，尤其是在高温下。在设计时应主要考虑以下 两点： ( a ) 应力一应变关系，按照材料的应力一应变曲线进行强度设计： ( b ) 应充分考虑零部件的使用环境、温度、加工方法、化学环境对机械性 能的影响。 ( 2 ) 长期力学性能 长期力学性能是指在比例极限以内，塑料件长时间承受外力载荷，以及塑 料件在成形和组合过程中造成的内应力和残留应力。主要失效形式表现为蠕变 和应力松弛。例如，空气滤清器罩由于长时间受到空气挤压，会发生径向蠕变， 使直径有所增加：后挡板的挠曲会随着时间的增加而增大：在o 形密封压缩时， 应力一般应能阻止泄漏，应力松弛作用却使应力不断减小。在设计此类汽车塑 料件时应考虑以下四点： ( a ) 向材料供应商索取蠕变模量和松弛模量，并计算出应变和应力。 ( b ) 如果条件允许，尽量设计成压合连接或搭扣连接组合，以减少组装造 成的应力。例如，在仪表板中嵌入c d 盒和收音机盒时可以考虑压合连接。 ( c ) 使用固定组件以减低应力，强化结构。例如，扶手骨架应使用螺钉固 定在车身上：汽车顶篷应该与车身骨架多处固定，以防止其发生蠕变而下垂。 ( d ) 设计塑料件与塑料件的接合时，使用几何特征或保留安全裕度，以防 止塑料件因组合而过度紧密配合。 6 ( 3 ) 循环负荷 当塑料件承受反复或循环载荷作用时，应考虑在其寿命内预计承受负荷的 次数，即材料的疲劳特性。在汽车塑料零部件上，各种皮带轮、皮带、轮胎帘 布、塑料活塞环等，在设计时必须考虑材料的疲劳特性。 塑料件承受循环负荷时，应考虑下列三点建议： ( a ) 承受短间距和长期间的反复性负荷，应使用疲劳曲线进行设计； ( b ) 注意圆角的设计以避免应力集中； ( c ) 承受高频或高振幅的周期性负荷时，会生热而缩短寿命。改用薄壁设 计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑料件的散热功能。 ( 4 ) 冲击负荷 冲击强度是描述材料承受高速冲击负荷的能力，冲击负荷的加载速度比通 常测试其他机械性能的速度要快得多。应避免在高应力区施加高速负荷和冲击 性负荷。在各个汽车塑料零部件中典型的承受冲击载荷的零件为前后保险杠。 当设计此类塑料件时需要考虑使用较大的圆角半径及较和缓的厚度变化， 以避免应力集中。例如在设计保险杠时，应注意加强筋底部与面罩连接时用圆 角过渡，并且整个保险杠的厚度不均匀度应控制在1 ：1 5 1 ：2 范围内。 ( 5 ) 温度负荷 对于汽车塑料零部件来说，要考虑承受极端高温和极端低温的情况。例如， 仪表板由于要承受发动机辐射出来的热量，设计时必须考虑热负荷：后保险杠在 排气管附近的部位要承受高温气体的热负荷。汽车在严寒天气行驶时其外饰件， 例如前后保险杠、轮罩、发动机进气格栅等均要不同程度地承受低温负荷。要 使这些零部件适应使用环境，顺利应用于极端温度条件下，设计时应注意： ( a ) 遵循材料的模量一温度曲线； ( b ) 尽量避免将不同热膨胀系数的材料进行组合，而且应该在自由端面保 留允许塑料件膨胀的余量。 根据以上的论述，强度设计的五种负荷条件和设计者应考虑的材料性质以 及对应设计时应遵循的主要准则列于表2 1 。 表2 1 强度设计准则 负荷条件典型汽车零部件应考虑的材料性质主要设计准则 短期负荷发动机挺杆、门把手等 应力一应变行为 应力一应变曲线 长期负荷 空气滤清罩、车顶等蠕变、应力松弛蠕变模量、松弛模量 循环负荷塑料活塞环、皮带轮等疲劳特性 疲劳曲线 冲击负荷前后保险杠冲击强度避免局部应力集中 温度负荷仪表板 热应力一应变行为模量一温度曲线 7 2 1 2可制造性的设计要求 在上一节中讨论的汽车塑料零部件的强度设计是塑料件所要满足的基本要 求，在此基础上本节要讨论的是产品的可制造性。这里的制造主要指注塑成型 过程。产品设计将最终决定塑料件塑模的难易程度，塑料件生产的可行性，模 具的复杂性和产品的成本。在不影响产品性能的情况下，适当地修改产品的结 构可能可以大大降低模具的难度，从而降低产品成本。影响制造工艺性的因素 很多，如拔模斜度、工艺孔的设置、嵌件的设计等。在本小节中将讨论影响制 造工艺性的三个最主要的结构：圆角、壁厚、加强筋。 ( 1 ) 拐角【1 0 】 塑料件不论内表面或外表面的转折处均应具有圆角。这样不但制品机械强 度高，外观漂亮，塑料熔体在型腔中的流动也比较容易。否则，塑料件在使用 时拐角处容易产生应力集中而遭到破坏，成型冷却时易产生内应力和裂纹。图 2 1 给出了拐角的正确设计与不正确设计的对比图。 小l ：l ：珞波i l l ：黼设计 图2 1 拐角方案设计对比 ( 2 ) 壁厚【1 1 】 塑料件的壁厚应均匀，不应有突变。当塑料件同时具有薄壁区和厚壁区时， 充填熔体倾向于往厚截面部分流动，容易产生竞流效应，导致产生气泡和熔合 线，在塑料件表面产生瑕疵。塑料件在射出成形后，必须冷却到足够低的温度， 顶出时才不会造成变形。壁厚较大的塑料件需要较长的冷却时间和较长的保压 时间。假如厚壁区没有充足的保压，就会造成凹痕或气孔，所以应该尽可能设 计薄且壁厚均匀的塑料件，以缩短成形周期时间，改善塑料件尺寸稳定性。若 薄壁塑料件不能满足强度方面的要求，应尽量考虑采用加强筋。 ( 3 ) 加强筋【1 2 】 筋是达到所需刚性和强度，并且避免粗厚剖面的有效方法。设计良好的筋， 仪仪增加低百分比的重量，就足以提供必要的结构强度。假如还需要更高的刚 性，可以缩小筋的间距，添加更多的筋。筋在汽车塑料零部件上的典型用途包 括： ( a ) 需要有良好外观和重量轻的宽大表面，例如保险杠、仪表板、车顶篷： ( b ) 齿轮的轴和齿廓。例如仪表齿轮； ( c ) 塑料件的支撑与构架。例如进气格栅、支撑元件等。 筋尺寸设计的一般准则如图2 2 所示： 图2 2 筋的设计准则 在上图中，0 的取值是为了顺利拔模：把l 限定在5 h 之内目的是让熔体顺 利充满加强筋顶部：r 限定在0 2 5 h 以上能够让熔体顺利进入加强筋：限制t 的取 值使制品不发生翘曲，产生缩孔和气泡。 2 1 3可装配性的设计要求 设计汽车塑料零部件的目标是尽可能减少单个塑料件的数量，即减少塑料 件之间的装配次数。但这样做的代价是塑料件的几何形状将变得十分复杂，加 工难度大，可塑模性很差。在实际牛产中必须平衡各种因素，达到成本最小。 因此，仍有很多产品会制作成分离的单件，再进行组合。汽车塑料零部件之间 的装配有很多方法，例如压力装配、搭扣装配、焊接、铆接等i l3 | 。 ( 1 ) 压力装配 压力装配在形式上是一种非常简单的装配方式，不需要任何其他组件或者 紧固件，仅仅是一个零件被压入与其相配的另一个零件中。压力装配最重要的 特征是装配零件或嵌件必须大于相配零件孔的最大公差尺寸。但是，要完成一 个良好的压力装配，获得必要的压合应力，而不致因为过量的应力造成裂缝， 或是过低的应力而造成松脱。因此必须选择合理的过盈配合公差。 ( 2 ) 搭扣装配 搭扣配合应用塑料材料在比例极限内的变形能力进行两个塑料件之间的连 接，并且在完成组合后立即回复原始的形状。完成搭扣配合连接时，搭扣两边 的配合件都不承受应力，而连接过程中的最大应力也不超过比例极限。完成连 接之后，组件承受的负荷必须在材料限度以内。如图2 3 所示为悬臂搭扣，a 代表在组装时要产生的挠度。 9 图2 3 悬臂搭扣不意图 ( 3 ) 焊接 塑料材料的焊接方法有很多种，其中应用最为广泛的是超声波焊接。一般 的热塑性材料都可以用这种方法粘合。在焊接过程中要考虑的最丰要的因素是 两种焊接材料的兼容性。 ( 4 ) 机械紧固 多数机械紧固件对塑料产品的组装都是适用的。传统上使用的固定组件主 要包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉，它们也可以应用于塑料件。在其应用上 需要考虑以下要点： ( a ) 预紧力过大的螺丝钉或铆钉可能导致应力； ( b ) 螺丝钉的螺纹可以预先加工，或是上螺丝钉时产生： ( c ) 螺丝钉螺纹与头部之毛边、铆钉毛边等都可能造成应力，导致塑料件 提早破坏。 面向装配设计的类型、应用场合及其设计时应遵循的基本准则见表2 2 ： 表2 2 装配设计的应用场合和设计准则 装配类犁典型应用场合基本设计准则 压力装配 轴一套结构 公差极限图 搭扣装配 钩一槽结构 f e a 法、搭扣连接理论 焊接限热塑性材料材料兼容性 机械紧固广泛强度设计理论 2 1 4 用于汽车的特殊要求 在本小节中将针对用于汽车的塑料零部件的特殊要求作一些分析。 ( 1 ) 轻量化 汽车的普及造成了能量和资源的过度消耗，减轻汽车自重是减少能耗、节 约资源的有效手段之一。塑料零部件在汽车上应用的主要目的是为了使汽车轻 量化，因此在进行塑料零部件设计时在满足其他设计要求的前提下，必须考虑 到尽可能使塑料零部件达到轻量化的要求。 1 0 ( 2 ) 恶劣工作条件下的可靠性 对于汽车使用者来说普遍会对塑料零部件的可靠性提出置疑，而汽车的使 用情况又十分复杂，很多塑料零部件工作在恶劣的环境下。 ( a ) 对于外部零部件来说，包括外饰件和功能件。如车轮罩、前后灯罩、 保险杠等。在设计时主要应考虑气候条件的影响。要承受如前所述的极端温度， 防止受线膨胀系数的影响导致零部件之间的配合出现问题：要承受雨水以及其 他液体的腐蚀，防止老化等。 ( b ) 对于内部零部件来说，主要指功能件。如进行塑料轴承设计时，首先 要考虑材料必须具有良好的耐磨性和低的摩擦系数：由于塑料线膨胀系数大、导 热性差、易吸水等特点，塑料轴承的配合间隙应比金属轴承大一些。又如在设 计塑料齿轮时，要求材料具有良好的成型精度和尺寸稳定性，吸水、吸油率低， 耐磨擦：与金属相比塑料的强度比较小，因此当载荷较大时应尽可能采用斜齿轮： 由于塑料的尺寸稳定性比金属差，齿侧间隙和径向间隙应适当放大。 ( 3 ) 环保问题 有汽车塑料零部件所带来的环保问题可分为两方面考虑：使用环保型材料， 以避免在制造和使用过程中对自然环境和车内乘员造成损害：使用的材料应考 虑可回收和再利用。在设计汽车内饰件时，例如座椅、仪表板、门把手、车项 篷，必须考虑所使用的材料对乘员无伤害。在汽车塑料零部件减轻汽车自重、 提高资源利用率等作用明显的同时，这些塑料废弃物对自然环境所带来的影响 同样不容忽视。一般的塑料废弃物有三种处理办法【1 4 1 ：填埋、焚烧、循环利用。 显然，其中前两种方法仍然会对环境造成重大影响，尽量选取容易循环再利用 的热塑性材料。如保险杠一般采用容易再生的聚丙烯为主要材料，配以其他改 性剂。在汽车报废时，可以回收再利用。 2 2对保险杠制件设计要求1 5 l ( 1 ) 圆角 保险杠不论内、外表面的转折处均应设计成圆角，这样不但机械强度高， 外观漂亮，塑料在型腔里流动也比较容易。否则，保险杠在使用时夹角处易受 压而破坏，成型冷却时易产生内应力和裂纹。 ( 2 ) 壁厚 保险杠应壁厚均匀、厚薄适当且不应有突变，厚薄不同的部位应逐渐过渡。 在成型过程中，收缩和硬化同时发生，薄的部分比厚的部分冷却快，厚的部分 比薄的部分收缩量大。热塑性塑料制品的厚度一般为2 5m m ，保险杠的平均 厚度一般为3 3 5m m 。 ( 3 ) 斜度 为了使保险杠从模具内取出或取出型芯时，不产生表面划伤和擦毛等情况， 制品内外表面沿脱模方向都应有倾斜角度，即脱模斜度。脱模斜度的大小与塑 料的性质、收缩率大小、壁厚和形状有关，也和制品高度、型芯长度有关。最 小脱模斜度为1 5 ，通常取0 5 0 即可。在不影响制件装配要求的情况下，脱模 斜度应尽量取大一些，一般为o 3 0 。 ( 4 ) 加强筋 在不增大制品厚度的情况下，采用加强筋能够增强制品的机械强度，同时 还可以防止制品的翘曲。加强筋和制品壁的连接处及端部，都应用圆弧相连， 以防止应力集中而影响制品质量。设计加强筋应注意掌握以下几点： a ) 厚度应小于制品厚度，以免产生凹陷； b ) 高度不宜过大，否则会使筋部受力破坏； c ) 设置方向应与槽内料流方向一致，以免由于料流的干扰而损害制品的质量； d ) 多条加强筋要分布得当，排列应互相错开，以减少收缩不匀而引起破坏； e ) 不应设置在大面积制品的中央部位，如非设置在中央不可时，则应在其相 对应的外表面上加设槽沟，以免消除可能产生的流纹。 ( 5 ) 孔 保险杠上各种形状的孔，应尽可能开设在不减弱制品机械强度的部位，其形 状也应力求不使模具制造工艺复杂化。相邻两孔之间和孔与边缘之间的距离， 通常都与孔径相等。 2 3 汽车塑料零部件的设计流程 汽车塑料零部件的设计是一个综合的过程，不仪要考虑零部件材料、生产 批量、各种设计准则等，而且要考虑制造工艺，是一个循环反复的过程，往往 需要经过多次的修改，才能确定最终的设计方案。一般的设计流程如图2 4 所 示【1 6 】： 1 2 图2 4 汽车塑料零部件设计流程 整个设计过程大体上可分为六个部分： ( 1 ) 产品造型 该过程又称为工业造型，用专业的造型渲染软件来确定产品的外观效果。 一般的汽车塑料零部件，尤其是装饰件对外观有很高的要求。很多时候当整车 的造型确定之后，对外观有重要影响的装饰件，如前后