汽车门锁注塑工艺

摘 要

　　随着塑料产品在各个领域的广泛应用，人们对产品的质量要求也不断提升。传统的依据经验进行注塑模具设计和工艺调试的方法，越来越不能满足结构复杂、质量要求高的注塑件生产要求，CAE技术的应用给注塑模具和工艺的开发带来了新的思路，同时能够缩减产品开发周期、节约成本及提高生产效率。

　　本文以某款汽车门锁(POM)为研究对象，运用 CAD 设计及有限元数值模拟手段对注塑模进行合理设计，并采用数学优化方法对汽车门锁注塑工艺进行优化。本文主要研究内容如下：

　　首先，介绍了车用塑料分类和性能、注塑成型技术，分析了注塑成型中常见的缺陷及改善措施。利用 UG 软件设计汽车门锁产品，在模具设计过程中借助 Moldflow 模流分析软件进行注塑成型过程分析，预测各设计方案成型过程中可能存在的缺陷，进而设计出合理的注塑模具结构。

　　本文选取模具温度、熔体温度、冷却时间、保压压力与保压时间这五种工艺参数为设计变量，以翘曲变形量和顶出时体积收缩率为优化质量目标，进行 Moldflow 数值模拟的正交试验。对试验结果进行极差和方差分析，预测出了变量对目标的影响规律及显着顺序，同时分别得到翘曲变形量和顶出时体积收缩量分别较小的两组工艺参数组合。

　　其次，基于正交试验结果，将翘曲和收缩综合成单一目标来作为综合成型质量的评价指标，建立以上因素不同水平对这个单一目标的灰色关联度模型，进行单一目标寻优。灰色关均值越大，则其对单一目标的影响因子越大，产品的综合质量越好，最后得到最优工艺参数组合。对这一组参数合进行 Moldflow 验证，结果显示：在塑件翘曲和收缩得到有效控制的前提下，综合成型质量得到了较好的提高，翘曲和收缩达到了兼顾改善的成效。

　　最后，选取保压压力和熔体温度这两个对变形和收缩影响较大的因子作为优化变量，仍以最大变形翘曲和最大顶出体积收缩率为优化目标，利用二阶响应面建立变量和目标之间的非线性映射关系，并将两个目标的响应面等值线进行叠加以寻找最优区域，并得到了精确的最优工艺参数组合(模具温度 60℃、熔体温度 180.5℃、冷却时间 16s、保压压力为注射压力 98.75%、保压时间 20s)。该组工艺组合的模拟成型结果比灰色关联的效果更好。

　　依据此工艺参数组合进行模具调试，得到了综合质量较佳的汽车门锁塑件，验证了响应面优化法的准确高效性，并为注塑模具开发和塑件质量提高提供了新的途径。

　　关键词：汽车门锁，模具设计，成型工艺，数值模拟，优化方法

ABSTARCT

　　With the wide application of plastic products in various fields, the quality requirements on products have been increasing continuously. The traditional methods on experience in injection mold design and process debugging can no longer meet the complex structure and high quality requirements, Therefore, the application of CAE technology has brought new ideas in injection mold and process development, which can save cost, reduce product development cycle and improve production efficiency.

　　In this paper, automobile latch (POM) is taken as the research object. The CAD software and finite element simulation are applied to guide the reasonable design of injection molds, and then the mathematical optimization method is used to optimize the parameters of automobile latch injection molding process. The main contents of this paper are as follows:

　　Firstly, the classification and performance of automotive plastics as well as the injection molding technology were introduced, Besides, the common defects of plastic parts during injection molding and improvement measures were analyzed. The automobile latch model was designed by UG software, the pre-injection analysis of product was performed by the Moldflow software to predict the potential problems during the mold design, and then the reasonable injection mold structure was designed.

　　Five process parameters of mold temperature, melt temperature, cooling time, packing pressure and packing time were selected as design variables to design the orthogonal test by using Moldflow numerical simulation with the minimum warpage and volume shrinkage as optimization targets. The influence of the variables on the target and the significant order were predicted by using range and variance analysis, and the mininal process parameter combination of the warpage and the shrinkage volume was obtained respectively.

　　Secondly, based on the results of orthogonal test, the gray relational model was established to obtain the optimal combination of process parameters through combining warpage and volume shrinkage into single target as the comprehensive quality index. The optimal combination of process parameters was obtained by simulation verification and the result of simulation on this parameter combination indicates that the comprehensive molding quality is improved simultaneously to achieve a balanced optimal effect under the premise of effective control of warpage and shrinkage of this plastic part which is better than analysis of variance.

　　Finally, the pressure and melt temperature were selected as the optimization variables for their great impact on the warpage and volume shrinkage, and warpage and ejection volume shrinkage were still selected as optimization targets, the second-order response surface was used to establish the nonlinear mapping relation between the variable and the target, and the response surfaces of the two targets were superimposed to find the optimal region, Subsequently, the precise combination of the optimum process parameters was obtained(mold temperature is 60℃, melt temperature is 180.5℃, cooling time is 16s, packing pressure is 98.75% of injection pressure, packing time is 20s). The molding results of the process parameters are better than those obtained by gray correlation. According to the combination of this process parameters for mold debugging, automobile latch plastic part with better comprehensive quality can be obtained, which validates the accuracy and efficiency of response surface optimization method and provides the innovate way for developing injection mold as well as improving the quality of plastic.

　　Key words: automobile latch, mold design, injection molding process, numerical simulation,optimization method

　　以某汽车门锁为研究对象，利用 CAD/CAE 软件对其进行结构及模具设计，借助 CAE软件对产品的成型过程进行模拟分析，运用正交试验法和灰色关联综合分析，并借助二阶响应面法构建工艺参数与优化目标之间的映射关系，研究了不同工艺参数对塑料件翘曲变形和顶出时体积收缩的影响规律，最终得到了综合质量较好的合格产品。主要内容安排如下：

　　第一章 绪论。对塑料在汽车上的应用及工艺特性进行了介绍，分析了注塑成型中常见的注塑成型缺陷及改善措施，对注塑成型工艺参数对塑料件成型质量的影响做了概括，阐述了国内外注塑成型数值模拟技术及优化工艺的研究现状，并总结本文研究的主要内容。

　　第二章 注塑成型CAE技术及应用。概述了注塑CAE技术理论及高聚物的流变学理论，对注塑成型各个阶段塑料熔体的流变学现象进行了介绍，并在简化和假设的基础上，建立相应的数学模型，对后面研究注塑成型工艺参数优化打下了理论基础。

　　第三章 汽车门锁注塑模具设计。根据产品的形状特点和客户的特殊要求，借助Moldflow 的模拟分析结果，根据模具设计的原理以及选择合适的注塑机，运用 CAD 软件对模具进行整体的设计，为后续的注塑工艺优化提供了指导和基础。

　　第四章 基于正交试验的汽车门锁的工艺优化。选取对汽车门锁质量有影响的五个因素(模具温度、熔体温度、冷却时间、保压压力、保压时间)为优化变量，以翘曲变形量和顶出时体积收缩率为优化指标进行正交试验设计，借助 Moldflow 软件对其进行模拟分析，利用方差和极差分析，分别得到两个质量指标的最佳工艺参数组合。为了得到指标兼顾改善的工艺参数，需要建立灰色关联度模型进行综合的优化，并模拟验证其准确性。

　　第五章 响应面法注塑工艺优化。由正交试验和灰色关联得到对塑料制品影响较大的两个因素为保压压力和熔体温度，分别建立关键因素与翘曲变形和体积收缩率的响应面模型，利用方差分析和显着性检验对模型的有效性进行检验，叠加试验指标的响应面的等值线，找到最优区域，计算得到精确的最优工艺参数组合。同时模拟验证其准确性，说明了响应面法在优化注塑成型参数以及提高产品质量方面有着重要的指导意义，实现汽车门锁注塑成型工艺参数的多目标优化。

　　第六章 总结与展望。对全文研究的内容进行了总结，并对论文中需要进一步完善的工作进行了展望。

　　汽车门锁注塑工艺介绍：

体积收缩率的二阶响应面

体积收缩率的二阶响应面等值线图

响应面等值线叠加

优化后汽车门锁的翘曲变形

优化后的汽车门锁体积收缩率

EE275-970-50 注塑机

注塑模具

机械手取出产品

水口剪切装置

生产的汽车门锁

测量装备

目 录

　　摘 要
　　ABSTARCT
　　目 录
　　第一章 绪论
　　　　1.1 引言
　　　　1.2 塑料在汽车上的分类及特点
　　　　　　1.2.1 汽车内饰件
　　　　　　1.2.2 汽车外饰件
　　　　　　1.2.3 汽车功能件
　　　　1.3 常见车用塑料的性能以及成型特性
　　　　1.4 注塑成型工艺参数对塑件质量的影响
　　　　　　1.4.1 温度参数
　　　　　　1.4.2 压力参数
　　　　　　1.4.3 各个阶段的时间参数
　　　　1.5 注塑成型产品常见的缺陷及改善措施
　　　　1.6 国内外注塑成型研究发展
　　　　　　1.6.1 注塑成型数值模拟技术的发展
　　　　　　1.6.2 注塑成型工艺优化发展
　　　　1.7 本文主要研究内容
　　第二章 注塑成型 CAE 技术及应用
　　　　2.1 注塑成型 CAE 技术
　　　　2.2 注塑成型流变学数学模型的建立
　　　　　　2.2.1 流变学数学基础
　　　　　　2.2.2 影响聚合物流变行为的因素
　　　　2.3 注塑成型理论基础
　　　　　　2.3.1 填充阶段
　　　　　　2.3.2 保压阶段
　　　　　　2.3.3 冷却阶段
　　　　2.4 CAE 常用软件 Moldflow 的介绍
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 汽车门锁注塑模具设计
　　　　3.1 汽车门锁建模
　　　　3.2 注塑模具设计
　　　　　　3.2.1 注塑模的成型零部件的设计
　　　　　　3.2.2 注塑机选择
　　　　　　3.2.3 注塑模浇注系统设计
　　　　　　3.2.4 注塑模冷却系统的设计
　　　　　　3.2.5 注塑模抽芯机构和顶出系统的设计
　　　　3.3 注塑模具设计装配
　　　　3.4 本章小节
　　第四章 汽车门锁注塑成型多目标优化
　　　　4.1 正交试验法简介
　　　　4.2 实验结果的分析法
　　　　　　4.2.1 极差分析
　　　　　　4.2.2 方差分析
　　　　4.3 汽车门锁注塑成型正交试验设计
　　　　　　4.3.1 试验评价指标的确定
　　　　　　4.3.2 正交试验的设计
　　　　　　4.3.3 翘曲变形正交试验结果及分析
　　　　　　4.3.4 体积收缩率正交试验结果分析
　　　　4.4 灰色关联度分析
　　　　　　4.4.1 灰色关联度理论概述
　　　　　　4.4.2 指标间灰色关联度的计算
　　　　4.5 试验结果的综合比较和分析
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 基于二阶响应面的汽车门锁注塑工艺优化
　　　　5.1 响应面法概
　　　　5.2 响应面法的实验设计
　　　　　　5.2.1 等径实验设计法
　　　　　　5.2.2 变量编码间的转换
　　　　　　5.2.3 二阶响应面模型的建立
　　　　　　5.2.4 方差分析以及显着性检验
　　　　5.3 汽车门锁的二阶响应面模型的建立
　　　　　　5.3.1 汽车门锁的二阶响应面模型的建立
　　　　　　5.3.2 翘曲变形二阶响应面模型方差分析以及显着性检验
　　　　　　5.3.3 顶出时体积收缩率的响应面模型的拟合分析
　　　　　　5.3.4 响应面分析求最优解
　　　　5.4 响应面优化结果模拟验证
　　　　5.5 生产验证
　　　　5.6 本章小结
　　第六章 总结和展望
　　　　6.1 总结
　　　　6.2 展望
　　参考文献
　　致谢
　　攻读硕士期间发表的学术论文

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