城市SUV汽車行李架三維設計及模具設計,城市,suv,汽車,行李架,三維設計,模具設計 城市 SUV 汽車行李架三維設計及模具設計 摘要 隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，居民的生活品質已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，許多以前不敢想的事情現(xiàn)在已經(jīng)成為了現(xiàn)實。汽車的普及以及交通的快速發(fā)展，促成了一種全新的放松方式--自駕游。但是自駕游攜帶的過多的行李，物品卻又讓人們頭疼。所以設計一種簡單實用的車頂行李架已經(jīng)勢在必行。 本次設計主要包括車頂行李架的結構設計以及各個零件的三維建模，包括對行李架裝配體的三維建模。但是行李架在使用過程中，最為重要的一定是安全問題以及質量問題，所以還需要對行李架主要受力部件進行剛度、強度校核，保證行李架在使用過程中不會發(fā)生損壞以及疲勞破損等問題。 另外我們針對行李架本身上一個塑料部件，為其設計一套完整的注塑模具。注塑模具在國內(nèi)外都有著很廣泛的使用，但是我國注塑模具發(fā)展進程卻是和國外不成正比的， 我國的注塑模具發(fā)展還有很長的一段路要走。注塑模具的設計主要包括注射機選擇，熔料流道設計，排氣設計，冷卻系統(tǒng)設計，定位系統(tǒng)設計等等方面。最后我們還要完成對設計完的注塑模具及其零件的三維建模工作，使其具有更為直觀的體現(xiàn)。 本次設計主要應用了 AutoCAD 軟件完成二維配圖， 及零件圖的繪制。應用SolidWorks 軟件對各零部件進行了三維建模工作。 關鍵詞：行李架；結構設計；注塑模具；SolidWorks。 IV Abstract With the rapid development of social economy, the quality of life of residents has changed dramatically, and many things that were previously unthinkable have now become reality. The popularity of cars and the rapid development of transportation have led to a new way of relaxation -- self-driving travel. But the excess baggage that comes with self-driving travel can cause headaches. So it is imperative to design a simple and practical roof rack. This design mainly includes the structure design of the roof rack and the 3d modeling of each part, including the 3d modeling of the rack assembly. But rack in use process, the most important is security and quality problems, so also need to rack main stress components in stiffness, strength checking, ensure the rack is in use process will not produce the problem such as damage and fatigue damage. In addition, we designed a complete set of injection moulds for a plastic part in the luggage rack itself. Injection mould, both at home and abroad have a wide range of use, but is out of step injection mold development process is in China and abroad, in developing the injection mold has a long way to go. The design of injection mold mainly includes injection machine selection, melt flow design, exhaust design, cooling system design, positioning system design and so on. Finally, we have to finish the 3d modeling of the finished injection mold and its parts, so as to make it more intuitive. This design mainly applies AutoCAD software to complete two dimensional mapping, and the drawing of part drawing. SolidWorks software is applied to 3d modeling of components. Key words: luggage rack; Structural design; Injection mold; SolidWorks. 目錄 1. 緒論 1 1.1 注塑模具在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.1.1 我國模具的發(fā)展狀況 1 1.1.2 我國模具發(fā)展與國外先進水平主要差距 1 1.2 研究的目的、內(nèi)容及意義 3 2. 城市 SUV 汽車行李架總體設計方案 4 2.1 設計依據(jù)及技術要求 4 2.2 設計方案 4 2.3 行李架尺寸確定 5 2.4 行李架制作材料選擇 6 3. SUV 汽車行李架各零件設計及建模 7 3.1 支撐架 7 3.1.1 長桿 7 3.1.2 內(nèi)扣爪 8 3.1.3 外扣爪 9 3.1.4 長桿側蓋 10 3.2 行李架框架 12 3.3 行李架裝配圖 13 4. 校核長桿強度及剛度 14 4.1 確定橫桿受力簡化模型 14 4.2 橫桿剛度及強度校核 15 4.2.1 確定約束關系 15 4.2.2 分析結果 18 5. 設計長桿側蓋注塑模具 21 5.1 工藝性分析 21 5.1.1. 零件分析 21 5.1.2. 零件材質分析 21 5.1.3 注塑過程及參數(shù)計算 22 5.2 模具結構選擇 22 5.2.1 分型面位置確定 22 5.2.2 確定空腔數(shù)量和位置 23 5.2.3.選擇注射機 24 5.3 設計澆注系統(tǒng) 26 5.3.1 主流道設計 26 5.3.2 分流道設計 26 5.4 凹凸模結構確定及零件材料選擇 27 5.4.1 凹凸模結構確定 27 5.4.2 零件材料選擇 28 5.5 確定模架結構 29 5.5.1 模板長度設計 29 5.5.2 橫架關鍵尺寸校核 29 5.6 模具排氣槽方案選擇 30 5.7 脫模推出機構的設計 30 5.8 冷卻系統(tǒng)的設計 30 5.8.1 冷卻液體 30 5.8.2 對冷卻系統(tǒng)參數(shù)的簡單計算 30 5.8.3 模具冷卻液體流經(jīng)路線設計 32 5.9 確定定位裝置 32 5.10 模具整體裝配圖 33 6.結論 34 參考文獻 35 致謝 36 附錄一：外文文獻譯文 37 附錄二：外文文獻原文 40 1. 緒論 當今社會注塑成型技術在工業(yè)生產(chǎn)活動中扮演著越來越重要的角色，模具制作技術日趨成熟，操作方便簡單，產(chǎn)品優(yōu)良，應用范圍廣泛。我國也在大力發(fā)展注塑模具制作， 并且發(fā)展迅猛，在質量，技術和能力方面有很大進步，但同時與國外先進水平依然有著較大差距。 1.1 注塑模具在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 我國模具的發(fā)展狀況 目前,我國模具生產(chǎn)廠點約有萬多家,從業(yè)人數(shù)多萬人。塑料模具發(fā)展迅速,注塑模具比例進一步上升,注塑模具在質和量方面都有較快的發(fā)展,我國最大的注塑模具單套重量已經(jīng)超過噸,最精密的注塑模具精度已經(jīng)達到微米。模具新結構、新品種、新工藝、新材料的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn),特別是汽車、家電等工業(yè)快速發(fā)展,使得注塑模的發(fā)展迅猛。整體來看我國塑料模具無論是在數(shù)量上,還是在質量、技術和能力等方面都有了很大進步,但與國民經(jīng)濟發(fā)展的需求、世界先進水平相比,差距仍很大。一些大型、精密、復雜、長壽命的中高檔塑料模具每年仍需大量進口。在總量供不應求的同時,一些低檔塑料模具卻供過于求,市場競爭激烈,還有一些技術含量不太高的中檔塑料模具也有供過于求的趨勢。國內(nèi)外注塑模部分性能指標對匕如表。所以,我國必須高度重視起塑料模具,尤其是注塑模具的發(fā)展。 1.1.2 我國模具發(fā)展與國外先進水平主要差距 供給不均勻 國內(nèi)自配率不足,其中中低檔模具供過于求,中高檔模具自配率不足。雖然中國模具工業(yè)發(fā)展迅速,但與需求相比,顯然供不應求,其主要缺口集中于精密、大型、復雜、長壽命模具領域。由于在模具精度、壽命、制造周期及生產(chǎn)能力等方面,我國與國際平均水平和發(fā)達國家仍有較大差距,因此,每年需要大量進口模具。 人才不足,科技及技術投入少 模具行業(yè)是技術密集、資金密集的產(chǎn)業(yè),隨著時代進步和技術發(fā)展,能掌握和運用新技術的人才異常短缺,高級模具鉗工及企業(yè)管理人才也非常緊缺。由于模具企業(yè)效益欠佳及對科研開發(fā)和技術攻關不夠重視,因而總體來看模具行業(yè)在科研開發(fā)和技術攻關方面投入太少,民營企業(yè)貸款困難也影響許多企業(yè)的技術改造,致使科技進步不大。工藝裝 9 配水平低雖然國內(nèi)許多企業(yè)采用了先進的加工設備,但總的來看裝備水平仍比國外企業(yè)落后許多,特別是設備數(shù)控化率和應用覆蓋率要比國外企業(yè)低得多。由于體制和資金等原因,引進設備部配套,設備與附配件不配套現(xiàn)象十分普遍,設備利用率低的問題長期得不到較好解決。設備水平低,帶來我國模具企業(yè)鉗工比例過高等問題。 模具材料和標準件 國內(nèi)大多數(shù)冶金廠設備、工藝較落后,大多采用電爐冶煉,鋼的純度差,表面脫碳層深、碳化物級別高、疏松超標。鋼材的冶金質量低、成材率低,一般質量的模具鋼多,高質量的模具鋼材少。而國外模鋼生產(chǎn) 80%以上采用真空精煉和電渣重熔生產(chǎn),鋼材純度、等向性高。而國內(nèi)通過電渣重熔生產(chǎn)的模具鋼所占的份額很少,大約 1 10。國外發(fā)達國家的模具鋼成材率在 85%～ 90%,而國內(nèi)成材率僅為 70%。與國外相比存在很大差距。 模具的精度、壽命和模具制造周期 國外的汽車企業(yè)都在實施“ 2 mm”工程,在國內(nèi),單一零件還能夠做到,幾百個零件裝配到一起就沒有保證了。零件精度低造成修配量大,整模故障率高、穩(wěn)定性差。日本的汽車模具精度可達 0.02 mm,塑料模分模面的精度控制在 0.01 mm。而國內(nèi)汽車模具的品牌企業(yè),汽車模具精度控制在 0.03～ 0.05 mm;塑料模分模面配模精度在 0.03 mm 左右。模具壽命國內(nèi)外差距如表 1.1 所示。 表 1.1 模具壽命的國內(nèi)外差距 加工設備、模具制造工藝和測量技術 德國、日本模具企業(yè)的加工設備先進,基本都是數(shù)控、高速切削、單向走絲線切割或 4 軸～ 5 軸聯(lián)動的高速加工機床,能實現(xiàn)模具型面的鏡面加工。而國內(nèi)模具企業(yè)的 4 軸～ 5 軸聯(lián)動的高速加工機床占的比例有限,高光模具的加工與國外相比差距較大。德國、日本汽車模具的制造工藝已標準化,制品精度高、制造周期短。精密模具零件的加 工均采用在線測量,這方面國內(nèi)至少差 15～ 20 年。德國的精密品牌產(chǎn)品,除了加工過程中的在線檢測外,手機類、剃須刀類的產(chǎn)品,全部通過可靠性測試、耐候性測試、壽命測試、剃刀表面和間隙的微觀顯微放大測試、主要零件外形和裝配后外形的激光 3D 測試等。這些重要數(shù)據(jù)為產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供了非常重要的依據(jù)。 1.2 研究的目的、內(nèi)容及意義 對模具需求旺盛的行業(yè)包括航空航天、國防軍工、軌道機車、工程機械等行業(yè),尤其是總投資達 2 200 億元的京滬高鐵項目、超過 300 億元投資規(guī)模的大飛機項目等,必將會給塑料模具行業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和機遇。因此,塑料模具的發(fā)展必須依托國家重點建設工程,面向六大產(chǎn)業(yè)(交通運輸產(chǎn)業(yè)、汽車產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、重大裝備產(chǎn)業(yè)、電站及輸配電設備產(chǎn)業(yè))及其重點行業(yè)。特別是圍繞汽車產(chǎn)業(yè)、信息產(chǎn)業(yè),大力發(fā)展 IT 行業(yè)的精密注塑模、汽車業(yè)的覆蓋件模具和大型注塑模。大規(guī)模開展技術改造,提高基礎配套件和基礎工藝水平;通過加快企業(yè)兼并重組和產(chǎn)品更新?lián)Q代,促進產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級,全面提高產(chǎn)業(yè)競爭力,引導專業(yè)化零部件生產(chǎn)企業(yè)向“專、精、特”方向發(fā)展,形成優(yōu)勢互補、協(xié)調(diào)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)格局。 依托十大領域的重點工程,振興塑料模具制造業(yè);配合九大產(chǎn)業(yè)的重點項目(鋼鐵、汽車、石化、船舶、輕工、紡織、有色金屬、電子信息、國防軍工),提升大型、精密注塑模、高檔模具標準件的制造能力；實現(xiàn)模具鋼的國產(chǎn)化和優(yōu)質化、改善模具材料的供應體系、提供較為全面的各種規(guī)格和牌號的材料，大力壓縮模具生產(chǎn)企業(yè)的備料周期； 提高模具新材料、新型塑料成型工藝和新型高強、高韌、耐高溫塑料制品的研發(fā)能力； 提高企業(yè)的信息化管理和模具集成化制造的總體水平。為使我國的模具行業(yè)趕上國際先進水平打下良好基礎。 2. 城市 SUV 汽車行李架總體設計方案 現(xiàn)代居民生活中，自駕游越來越流行，日漸成為比重很大的一種全家人的旅行方式，但是因為交通事業(yè)的急速發(fā)展，人們自駕游的目的地也不再局限于家附近的景點， 而隨這旅行距離的越來越遠，隨之而來的問題就是旅行過程中必須攜帶的行李，食物等越來越多，而家用汽車的承載能力本就是很有限的，這就成為了人們選擇自駕游旅行的一種障礙，所以在這種背景下，設計一款低廉，方便，安全的汽車行李架來有效擴大家庭用車的承載能力，不讓行李成為旅行的負累已經(jīng)是一件勢在必的事。 2.1 設計依據(jù)及技術要求 當今社會，一切都處在急速發(fā)展中，人們的生活質量急速提高，因此人們的放松方式不再拘泥于原來的寥寥幾種，出方式也越來越現(xiàn)代化，而自駕游就是在這個背景下的一種產(chǎn)物。現(xiàn)在基本每家每戶都會有自己的私家車，而在節(jié)假日全家人一起進行一次自駕游也就成了越來越多的家庭的第一選擇。近年來，交通事業(yè)越來越發(fā)達，人們到任何地方都是越來越方便，所以人們自駕游的目的地也是距離家越來越遠，但是需要攜帶的行李物品卻是越來越多，但汽車的空間是不能改變的，游客上車后也就沒有太多的空間來存放行李，所以人們也就需要一些特殊的方法來擴大汽車可以盛放行李的空間。而安裝車頂行李架就是一個最普遍，簡單，廉價的方式?，F(xiàn)代的 SUV 汽車大部分都已經(jīng)開始自帶安裝行李架的位置，非常方便。安裝行李架應該同時注意休閑和實用兩個方面，例如行李架是不能放置在汽車行李箱里的物品，我們可以將行李架固定在汽車頂部，然后將需要攜帶的物品在行李架上用繩索之類的物品進行固定，這樣就可以裝載更多的物品。但在這種情況下就要尤其注意行李架剛度及強度問題，如果剛度，強度不能達到要求就可能在使用過程中出現(xiàn)損壞，對行李和人員造成損害。 同時，行李架在使用過程中會收到及其復雜的受力，尤其是在汽車進行緊急剎車的一瞬間，行李架必須擁有足夠的強度，以確保行李架不會造成嚴重的疲勞損壞。同時因為復雜的受力，還要注意不能將各種受力的峰值出現(xiàn)在同一部位上等。 2.2 設計方案 汽車行李架的分離方式多種多樣，目前市場上的行李架也有很多種，行李架可以根據(jù)其尺寸，結構形式，適用車型，安裝方式，材料等等進行分類。具體可以分為單層、雙層行李架；普通橫桿式等；通用型，專用型；簡易式，組合式等等種類。但是在實際 生活中，行李架并不能按我們說的這樣進行簡單分類，如果想要安裝是要根據(jù)實際使用情況，我們的車型等等多方面考慮。有些汽車已經(jīng)為顧客預先安裝好了行李架，而有些只是在汽車頂部預留了車主自己安裝行李架使用的行李架支架和固定螺絲位置等，就算汽車的行李架是已經(jīng)安裝好的，我們也可以根據(jù)自己喜好重新安裝 ，只需要看一下車頂是否有預留支架安裝位置和預留螺絲就可以了。行李架安裝過程中，需要對行李架安裝位置的防漏，防銹問題進行重點關注，如果全都由車主自己來操作的話，很難保證防漏，防銹的問題，所以為了車輛和行李架安全問題，車主還是要盡量避免自行安裝行李機，最好在汽車有預留位置的情況下安裝行李架。而本次設計就是要設計一款適用范圍廣，適合絕大多數(shù)車型和人群的行李架，不再需要車主自己辛苦安裝。表 2.1 為汽車行李架具體分類： 表 2.1 汽車行李架分類 本次設計主要考慮到要保證行李架的適用性以及普遍性，需要保證大部分車型均可以適配，并且行李架承載能力要足夠大，使用足夠方便，輕便不笨重，方便移動等， 同時要滿足絕大部分人的具體需要以及美觀行多方面要求。最終我們選擇單層式、普通橫桿，通用型行李架。 2.3 行李架尺寸確定 目前市面上行李架有多種尺寸規(guī)格，一般都由車主自己決定購買什么尺寸的行李 架，而本次設計必須考慮多方面問題，其中包括本次設計適用車型的廣度以及制作成本等方面，本次選擇行李架尺寸為1400 *1000mm 2.4 行李架制作材料選擇 行李架材料選擇主要需要考慮以下幾點： 從行李架質量上來看，材料需要質量較輕，同時保證強度及剛度要足夠高，防止使用過程中發(fā)生損壞及安全問題； 從行李架使用時間及場所來看，材料需要較強耐蝕性，耐酸堿腐蝕性，同時易修理， 易保養(yǎng)，修理及保養(yǎng)不需要花費過于昂貴的修理費用； 從行李架制作成本來看，材料需要價格低，購買方便，易處理，易加工不需要過多的加工成本等。 綜合以上幾點，以及對市面上行李架使用材料調(diào)查，綜合分析后決定使用鋁合金材料進行本次設計。鋁合金材料是生活中非常常見的一種制作材料，材料廉價，易加工， 易成型，強度高，同時耐腐蝕性強，使用壽命長等優(yōu)點。 鋁合金種類繁多，而且各個種類都有不一樣的特點及用途，按各個種類都有著非常廣泛的實際應用，非常適合作為本次設計的材料。調(diào)查后發(fā)現(xiàn)大部分汽車行李架使用的為牌號 5，牌號 6，牌號 7 系列的鋁合金材料，下表 2.2 是各牌號鋁合金的特點和用途。 表 2.2 各牌號鋁合金性能及用途 根據(jù)上表以及查閱更多資料分析，擬采用 6061 牌號鋁合金進行本次行李架設計， 本材料有一定強度，且容易焊接，耐蝕性也相對較好，經(jīng)常用作制造精密且強度要求較高部件。非常適合用來制作 汽車行李架。 3. SUV 汽車行李架各零件設計及建模. 本章對行李架使用的各結構以及零件進行了三維建模，使其有了更為直觀的體現(xiàn)， 同時三維建模之后也可以更方便的對各個部件及零件進行檢查，校核等工作，為后續(xù)的工作打好了基礎，也讓讀者更為直觀的了解各個零件的配合方式，文章與圖片結合，更能加深理解。 本次設計行李架主要有兩部分組成：即車頂支撐架和行李架外框。其中支撐架零件 包括長桿，內(nèi)扣爪，外扣爪，長桿側蓋等；行李架外框零件包括框架和橫梁等。 3.1 支撐架 3.1.1 長桿 長桿采用6061牌號鋁合金，其三維建模如圖3.1所示 圖 3.1 長桿 其零件圖如圖3.2所示 圖 3.2 長桿零件圖 3.1.2 內(nèi)扣爪 內(nèi)扣爪需要有一定彈性以及優(yōu)良性能，故采用聚乙烯（PE）高密度材料進行制作。聚乙烯是一種由乙烯聚合獲得的熱塑性樹脂，它具有良好的低溫性能，穩(wěn)定的化學性質， 耐酸堿腐蝕性，不易溶解，不吸水，絕緣性好。內(nèi)扣爪建模圖如圖 3.3 所示。 圖 3.3 內(nèi)扣爪 其零件圖如圖3.4所示 圖 3.4 內(nèi)扣爪零件圖 3.1.3 外扣爪 外扣爪使用材料為聚乙烯，其三維建模圖如圖3.5所示 圖 3.5 外扣爪 其零件圖如圖3.6所示。 圖 3.6 外扣爪零件圖 3.1.4 長桿側蓋 經(jīng)查閱資料，長桿側蓋決定采用ABS 材料，ABS 塑料具有耐化學腐蝕、耐熱、表面硬度高、彈性高、韌性好、加工成型、價格便宜等三大特點。側蓋建模圖，如圖 3.7 所示。 圖 3.7 長桿側蓋 19 其零件圖如圖3.8所示 圖 3.8 長桿側蓋零件圖 3.1.5 車頂支撐架建模圖 如圖 3.9 所示，裝配圖如圖 3.10 所示 圖 3.9 支撐架三維建模 圖3.10 支撐架裝配圖 3.2 行李架框架 車頂行李架框架主要由部件長型材700 * 40 *5（0 藍色部分），短鋁合金型材600 * 40 *50 （黃色部分），長鋁合金型材700 * 40 *3（2 綠色部分）以及拐角處管腳塑料（白色部分） 各部分組成，各部分由螺母和螺栓固定在一起。行李架外框裝配體如圖 3.11 所示。 圖3.11 行李架框架裝配體 3.3 行李架裝配圖 行李架總裝配圖如圖3.12所示，其裝配圖如圖3.13所示 圖3.12  行李架裝配圖 圖3.13 行李架裝配圖 4. 校核長桿強度及剛度 在行李架使用過程中，最為重要的莫過于行李架的安全問題，同時其壽命也同時需要保證。這就對行李架選擇的材料有了一定要求，在選取材料時，材料價格及其他性能固然也是十分重要，其強度及剛度卻是放在第一位的，這是行李架安全使用，并且保證其使用壽命的最關鍵一環(huán)，也是設計過程中最關鍵的一環(huán)，所以對行李架剛度及強度進行校核就成了必要的一步。 4.1 確定橫桿受力簡化模型 在行李架使用過程中，由于其作用主要為承重，所以其必須有足夠高的強度及剛度， 否則行李架容易損壞且對顧客造成危險。所以我們需要對其剛度及強度進行校核。 根據(jù)題目要求，行李架承載貨物質量為 100kg,則： G = 9.8*100 = 980 N 應用 SolidWorks 中質量評估模塊，設置行李架材料為6061牌號鋁合金，可以得出 行李架總質量。如圖 3.1 所示，可得行李架質量為20.6 千克。 圖 4.1 行李架質量 故: G總 = 980 + 20.6 *9.8 = 1181.88N 取載荷分布系數(shù)K = 1.4，所以長桿受到的總載荷為： F = KG總 = 1.4 *1181.88 = 1654.632 N 長桿與下方支架鏈接，限制長桿六個自由度，此時將F = 1654.632 N的載荷施加在長 桿 上 。 長 桿 的 受 力 圖 如 圖 3.2 所 示 ， 受 力 簡 圖 如 圖 3.3 所 示 。長桿與支架共有四處鏈接，所以沒處支撐點受到的力為： FN = F 4 = 1654 .632 4 = 413 .658 N 圖 4.2 長桿受力圖 FN FN 圖 4.3 長桿受力簡圖 確定完長桿受力方式后，下面采用 SolidWorks 受力分析模塊對橫桿進行強度和剛度校核。 4.2 橫桿剛度及強度校核 4.2.1 確定約束關系 1. 長 桿 材 質 ： 在 SolidWorks 中 賦 予 長 桿 材 質 ， 得 到 下 圖 4.4 ， 得 出 長桿屈服強度為55.15MPa 圖 4.4 材料確定 2. 固定方式：如圖4.5 所示， 將長桿下表面與內(nèi)扣爪連接的位置進行固定，一端為鉸鏈， 一端固定， 完成對模型的固定。 圖4.5 定義固定方式 3. 確定長桿受力：如圖 4.6 所示，將上文計算得受力413.658 分別施加在長桿兩側。 圖 4.6 確定長桿受力 4. 模型網(wǎng)格劃分 ：如圖 4.7 所示，采用四面體單元類型的二階實體方式實現(xiàn)整個體模型的網(wǎng)格生成。 圖 4.7 模型網(wǎng)格劃分 4.2.2 分析結果 如圖 4.8 所示為長桿桿強度，剛度校核計算結果。 圖 4.8 應力計算結果 如圖 4.9 所示是橫桿載荷分布局部放大圖，其中藍色為受載荷最小位置，紅色為受載荷最大位置。由圖可知，最大載荷出現(xiàn)在橫桿與內(nèi)扣爪鏈接處。 圖 4.9 長桿受力局部放大圖 如圖4.10所示，為長桿靜態(tài)位移結果。 圖4.10 靜態(tài)位移計算結果 安全系數(shù)計算設定如圖 4.11， 安全系數(shù)計算結果如圖 4.12 所示。 圖4.11 安全系數(shù)計算設定 29 圖4.12 安全系數(shù)計算結果 結論： 1. 長桿受最大應力為 28.6MPa； 2. 正向最大位移為：0.001mm，出現(xiàn)在橫桿兩側；負向最大位移為：-0.063mm，出 現(xiàn)在桿中間； 3. 最小安全系數(shù)為 2.9。 由計算結果可知，機構所受最大應力為 1/2 材料屈服強度，因此，橫桿滿足強度要求。機構最大位移為0.005mm，量滿足剛度要求。故長桿設計在強度及剛度方面滿足要求，不會出現(xiàn)使用安全及壽命方面的問題，能夠達到本次設計要求。所以長桿滿足強度，剛度要求。 5. 設計長桿側蓋注塑模具 行李架長桿側蓋是使用塑料制作的，所以非常適合應用注塑模具技術來制作，接下來就是針對模具的結構，型腔結構，注塑方式，冷卻方式等等方面進行的注塑模具制作過程及計算過程。 橫桿端蓋的三維建模圖已經(jīng)在圖 4.7 中給出，下圖 5.1 為橫桿端蓋零件圖。以下將 介紹該零件注塑模具設計過程。 圖 5.1 長桿側蓋零件圖 5.1 工藝性分析 5.1.1. 零件分析 本次設計需要注塑制作的工件體積較小，塑料流體需要流動的距離也較短，所以非常適合使用注塑成型工藝制作。塑件的精度等級按實際公差進行計算。脫模斜度定位1° 5.1.2. 零件材質分析 本塑件選擇ABS塑料來進行制作。ABS 塑料是丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯 （S）三種單體的三元共聚物。三種單體的相對含量可以任意改變以制備各種樹脂。具有三者共有的各種特性，耐腐蝕，耐熱性，表面硬度好，彈性，韌性好，成型性能優(yōu)異等。因此改材料易制得，性能優(yōu)良，用途廣泛。其性能指標見表 5.2。 表 5.2 ABS塑料性能指標 5.1.3 注塑過程及參數(shù)計算 選用螺桿式注塑機，使塑料在機筒內(nèi)經(jīng)過電熱圈加熱及機筒螺桿旋轉摩擦增熱進行預塑熔融注射入型腔內(nèi)， 經(jīng)冷卻開模頂出而得產(chǎn)品。塑化效果好，成型溫度可略低于其它類型設備（如柱塞式）。避免了高溫對橡膠相的傷害。應注意：1)每次注射量應取設備最大注射量的 50?75%;2)螺桿選用單頭、等距、漸變、全螺紋、帶止回環(huán)的螺桿。螺桿的長徑比L/D 為20：1，壓縮比為 2 或2.5 :1,3)噴嘴可選用敞開式通用噴嘴或延伸式噴嘴（其延伸長度不超過 150mm)，避免采用自鎖式噴嘴，以降低注射流程或引起物料變色。另外，在噴嘴上還應設有加熱控溫裝置。注射工藝參數(shù) 1）注射機： 螺桿式，螺桿轉速為35r / min 。 2）料筒溫度（℃）： 后部150 ~ 170 ℃； 中部170 ~ 180 ℃； 前部180 ~ 210 ℃。 3） 熔料溫度（℃）：175—180℃。 4） 模具溫度（℃）：60-80℃。 5） 噴嘴壓力（MPa）：60—100MPa。 6） 成型時間（s）：28（ 包括注塑時間 1s， 冷卻時間 19 s， 輔助時間 8 s）。 5.2 模具結構選擇 5.2.1 分型面位置確定 對塑件結構進行分析，并根據(jù)分型面選擇原則： （1） 選擇鑄件橫截面積最大面，最好是平面。 （2） 最好只有一個分型面。 （3） 最大限度減少型芯和活塊的數(shù)量。 （4） 最好把鑄件所有的部分放在一個沙箱內(nèi)，并且將重要部分放在下型腔內(nèi)。根據(jù)以上原則，我們選擇圖 5.3 中紅色平面最為分型面。 圖 5.3 確定零件分型面 5.2.2 確定空腔數(shù)量和位置 （1） 型腔數(shù)量選擇：空腔主要有兩種主要類型：單型腔和多型腔。二者之間的區(qū)別見表 5.4 所示 表 5.4 不同型腔數(shù)量主要區(qū)別 結合上表和我們本次設計實際情況，該塑件為大批量生產(chǎn)，精度一般，所以我們決定采用一腔兩模作為本次設計的模具型腔結構形式。 （2） 型腔排列形式：上文選擇了多型腔模式，該模式的空腔分布應以模具中心線為對稱軸，對稱分布，故型腔選擇為直線對稱排列，見圖 5.5。 （3） 模具結構：設計應使得在取出凝料時，需要將型芯固定板、支撐板和脫模 板設計添加到動模部分， 但不需要在定模部分單獨開設分型面， 所以選用帶脫模板的 單分型面注射模作為模具結構形式。 圖 5.5 型腔數(shù)目及位置 5.2.3.選擇注射機 （1） 注射量：零件使用材料為 ABS 塑料，應用 SolidWorks 質量分析模塊得到 塑件 體積、質量，見下圖5.6 。 塑件體積：V = 18436.73 塑件質量：m = 18.81g 圖 5.6 零件體積，質量分析 （3） 澆注系統(tǒng)凝料體積確定： 澆注系統(tǒng)凝料體積可根據(jù)經(jīng)驗公式得 V總 = V (1+ 0.2)* 2 = 18436.73*1.2 * 2 = 44248.152mm3 = 44.25cm3 （3） 選擇注射機：根據(jù)上式， 可計算注射機公稱注射量為 V公 = V總/ 0.8 = 44.25 / 0.8 = 55.31cm3  （5.1） （5.2） 結合上述計算， 選擇型號為SZ - 60 / 45的臥式注射機 ，其主要參數(shù)見表 5.7。 表 5.7 注射機主要參數(shù) （4） 注射機相關參數(shù)校核1） 注射壓力校核 查詢可知， ABS塑料注射壓力80 ~ 100MPa ，此處取 P0 = 100MPa 此注射機的注射， 壓力P公 = 170MPa ， 注射安全系數(shù)K1 = 1.25 ~ 1.4 ， 這里取K1 = 1.4 則 K1P0 = 1.4 *100 = 140＜P公 可知，此注射劑壓力復合要求。 2) 鎖模力校核 ① 對零件進行分析，該零件在分型面上的投影面積為 圖 5.8。 （5.3） A塑 = 1740.27mm3 ，如 圖 5.8 投影面積 ② 根據(jù)多型腔模具統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定零件在分型面上的投影面積可以表示模具流道在分型面上的投影面積， 一般情況下 A澆 =（0.2 ~ 0.5）A塑 。因為本次設計相對簡單， 流道較短，所以比例可選取較小值，所以取 A澆 = 0.2 A塑 。 ③ 所以流道與塑件在分型面上的總投影面積為 A 總，則 A總 = n( A塑 + A澆) = 2 *1.2 *1740.27 = 4176.648mm2 ④ 型腔內(nèi)脹型力F脹為 F脹 = A總P模 = 4176.648 *35N = 146.18KN （5.4） （5.5） 式中， P模 代表型腔的平均計算壓力值，一般取值為25 ~ 40MPa ，是注射壓力的 0.2 ~ 0.4 倍。對于粘度較大，精度較高的塑料制品，該值應取較大值 。ABS 屬于中等黏 度塑料，故 P模 取35 MPa。 差塑料模具設計手冊知注射機公稱鎖模力 K 2 = 1.1 ~ 1.2 結合材料特性取K 2 = 1.2 ，則 K 2 F脹 = 1.2 *146.18KN = 175.42KN＜F鎖 所以， 注射機鎖模力合格。 5.3 設計澆注系統(tǒng) 5.3.1 主流道設計  ， 鎖模力的安全系數(shù) 為 （5.6） （1） 主流道尺寸 1） 主干道的長度：根據(jù)經(jīng)驗小型模具制作中主干道的長度最好小于 60mm，所以本次設計選取 L主 = 50mm 。 2） 主流道小端直徑： d = 注射機噴嘴尺寸 +（0.5 ~ 1）mm =（3 + 0.5）mm = 3.5mm 。 3） 主流道大端直徑： 4） 主流道球面半徑： 5） 距離地面高度：h=3mm。 （2） 主流道凝料體積 （3） 主流道當量半徑 5.3.2 分流道設計 （1） 采用平衡式布置。 （2） 單邊長度取L分 =58mm。 （3） 分流道直徑 （5.7） （5.8） （5.9） 由于塑件質量m = 20.14g＜200g，所以分流道直徑取 式中， D為流道直徑（mm）； M為流過流道溶體質量（g）； L是分流道長度（mm）。 （4） 分流道截面形狀 分流道截面形狀選擇圓形，方便于脫模，且摩擦小，熔料損失能量較少。 （5） 分流道截面尺寸如圖 5.9 所示。 圖 5.9 分流道截面形狀 （6） 凝料體積 1） 分流道長度 ； 2） 分流道截面積； 3） 凝料體積 。 5.4 凹凸模結構確定及零件材料選擇 5.4.1 凹凸模結構確定  （5.10） （5.11） （5.12） （1） 凹模結構設計：本設計中采用整體嵌入式凹模形式，如圖 5.10 所示。 圖 5.10 凹模嵌件 （2） 凸模的結構設計 設計結果如下圖 5.11 所示。 圖 5.11 凸模 5.4.2 零件材料選擇 零件用鋼的選擇應考慮強度，剛度，耐蝕性，抗疲勞性和耐磨性等因素，故選用718H 鋼材。同時凸模在脫模時還會發(fā)生摩擦，耐摩擦性能需要重點考慮，所以選用Cr12MoV高合金工具鋼。 5.5 確定模架結構 在對凹模嵌件平面尺寸進行確定時， 得出結果為 115×271。在確定模具序號以及模 具 框 架 結 構 時 ， 根 據(jù) 經(jīng) 驗 公 式 ， 將模具序號確定為5號長*寬= 355 * 200mm , 模架結 構為A4型 5.5.1 模板長度設計 模板長度設計如圖 5.12 所示。 圖 5.12 A4型模架結構 5.5.2 模架關鍵尺寸校核 1） 模具平面尺寸 200mm * 355mm＜345mm * 345mm ，校核合格。 2） 模具高度尺寸264mm ， 200mm＜264mm＜300mm ，校核合格。 3） 模具開模行程 ， 校核合格。 5.6 模具排氣槽方案選擇 此塑件采用進料方式為側澆口進料方式 ，可以利用下方臺階，肋板與上方推桿之間的間隙進行排氣。 5.7 脫模推出機構的設計 本次設計擬采用圓周采用脫模板同時結合中心采用推桿的推出方式。但是這種方式的弊端是脫模板可能會與型芯產(chǎn)生摩擦，不但會出現(xiàn)磨損還會影響塑件精度，所以設計 為 脫 模 板 與 型 芯 之 間 預 留 0.1mm 間 隙 ， 解 決 問 題 的 同 時 ， 同 還預防了脫模板因為偏心 發(fā)生原料泄露的問題。 5.8 冷卻系統(tǒng)的設計 5.8.1 冷卻液體 查注塑機參數(shù)，整個注塑過程中，最高溫度為200 ℃，模具溫度為50 ~ 80 ℃，故選 定其溫度為50℃。而且該塑料粘度不大，所以選擇溫水作為冷卻介質即可。 5.8.2 對冷卻系統(tǒng)參數(shù)的簡單計算 （1） 單位時間內(nèi)模具內(nèi)注入熔料總量 1） 使用 SolidWorks 質量分析模塊可得一次注塑過程，模具內(nèi)注入熔料總量為42.22克。 39 圖 5.13 注入模具的塑料總質量 2） 根據(jù)塑件特性，取冷卻時間20 秒，注射時間1.6 秒， 脫模時間8 秒，則注射時間為29.6 秒 ，則單位時間內(nèi)可完成注塑次數(shù)為 N = 3600 / 29.6 = 121.6次。 3） 所以單位時間內(nèi)共注入熔料體積為： 。 （2） ） 熔料凝固時釋放熱量總量： 查 ABS 塑料特性可知， 該塑料材料 Qs 值為 310--400KJ/Kg，在本次設計中取 Qs=350KJ/Kg。 （ 3 ） 需 要 冷 卻 水 流 量 qv ： 假 設 冷 卻 水 在 進 入 時 溫 度 為 ， 流出時水溫為r1 = 25℃，水密度為 ， 水的比熱容為 。則計算得冷卻水流量為： qv = W * QS 60rc(r1 - r 2) = 5.13*350 60 *1000 * 4.187(25 - 22) = 0.0024m3 / min （4） 冷卻水管 d（直徑）：冷卻水流量為QV = 0.0024m3 / min ，同時需要保證冷卻水水流需要保持湍急狀態(tài)，所以得到管道直徑d = 0.008m 。 （5） 冷卻水在管道中的流速 v （6） 膜傳熱系數(shù) h 4.187 f (rv)0.8 h = d 0.2 = 4.187 * 6.7 * (1000 * 0.796)0.8 0.0080.2  kJ /(m2·h·℃) = 1.54 ′104 kJ /(m2·h·℃) （7） 則冷卻管道導熱總面積 S 為 （8） 需要冷卻水管道長度 L 5.8.3 模具冷卻液體流經(jīng)路線設計 路線情況如圖 5.14 所示， 箭頭為水流方向。 圖 5.14 冷卻水流經(jīng)路線 5.9 確定定位裝置 因為本次設計塑件相對簡單，而且對于成品塑件本身的精度要求也不是很高 ，所以使用模架自身的定位機構即可滿足我們的要求。 5.10 模具整體裝配圖 長桿側蓋的注塑模具三維模型如圖 5.15 所示。 圖 5.15 側蓋注塑模具三維模型 6. 結論 本論文共分為五個章節(jié)，第一章介紹了注塑模具在國內(nèi)外發(fā)展狀況，以及國內(nèi)發(fā)展與國外的主要差距，并根據(jù)現(xiàn)在存在的問題，提出了本課題的研究方向；第二章完成了汽車行李架設計方案的對比以及最終選擇，確定了課題設計方案；第三章完成行李架及各部件的建模工作，使其有了更直觀的體現(xiàn)；第四章對行李架中主要受力部件進行了剛度及強度校核，確定了行李架使用過程中安全及壽命問題，第五章對行李架部件--橫桿端蓋塑件，結合已有知識，并參閱的多篇相關文章設計了一套完整的注塑模具及其通風結構，冷卻機構等。 本次設計制作的汽車行李架結構，工藝簡單，安裝，更換元件方便，適用性廣泛，是一款十分實用，方便的城市 SUV 汽車行李架，為喜歡自駕游的家庭提供的足夠大的汽車承載工件，不需要再為行李多而發(fā)愁。 參考文獻 [1] 溫金華, 滑動式汽車行李架承載結構設計 [J].上海通用五菱汽車股份有限公司 [2] 孫錫紅.我國塑料模具發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展建議 [J].電加工與模具 2010 年增刊.1-4. 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Comparative analysis by simulating and testing Pole impact for hot stamping front cross beam of automobile [J]. Engineering sciences，2012: 71-78. 致謝 經(jīng)過的幾個月的努力，查閱了無數(shù)資料，請教了無數(shù)人之后，終于，大學最后一項“作業(yè)”終于進入了尾聲階段。想想自己即將結束自己學生這個身份，還是有些不舍。十分感謝這幾個月來給予我?guī)椭睦蠋煛⑼瑢W，同時也要感謝一下自己， 沒有放棄，堅持做到了最后，把大學四年的知識串聯(lián)了起來，并進一步提升了自己的學習能力。 在這畢業(yè)設計即將定稿之際，一定要感謝我的指導老師張立老師，老師在畢業(yè)設計過程中，扮演的并不單單是簡單的解疑答惑的老師的身份，更像是一個好朋友， 遇到困難一起解決，心態(tài)變化時來鼓勵你，如果沒有老師的指導，完成畢設我一定還會走更多的彎路，在此再次十分感謝張立老師孜孜不倦的教導。 在此我還要感謝我四年來的任課老師，正式您們的教誨與無私的講授我才能擁有做完畢設的知識積累。 最后還要感謝和我一起奮斗了四年的同學們，正是你們一直以來的陪伴與鼓勵才讓我走到了現(xiàn)在。奮斗路上一起流的汗彌足珍貴。 附錄一：外文文獻譯文 沖壓拉深模CAD/CAM 系統(tǒng) 作者：S.B. Park a, Y. Choib, B.M. K im c, J.C. Choic 摘要 此次研究中開發(fā)了針對軸對稱拉深工序的 CAD/CAM 系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用了基于知識的方法。在設計者的 CAD/CAM 軟件的環(huán)境下，系統(tǒng)用 UPL 語言（用戶程序語言）寫入。CAD/CAM 系統(tǒng)輸入了中間及最后對象的幾何體，包括其工藝參數(shù)。輸入數(shù)據(jù)可從先前拉深結論中獲取。每個工序模具的零件圖可從 CAD/CAM 系統(tǒng)的刀具設計模塊中獲得。同樣，也能獲取模具裝配圖。零件加工的 NC 指令也可在 CAD/CAM 系統(tǒng)中獲取。1999 Elsevier Science S.A.. 保留所有權。 關鍵詞：CAD/CAM 系統(tǒng)；刀具設計；自動化建模；沖裁模；拉深模；條例基準；刀具路徑合成 1. 介紹 [4] 在各種薄板成型方法中，拉深是最常用的方法。然而，傳統(tǒng)拉深模工藝設計由經(jīng)驗豐富的專家完成。最近這些年，一些基于機械領域專家的經(jīng)驗研發(fā)的電腦輔助工藝和模具設計系統(tǒng)已經(jīng)被開發(fā)用于生產(chǎn)軸對稱拉深制品。Eshel et al. [1] 研究出軸對稱和簡單零件的工藝成型概要自動合成系統(tǒng)(AGFPO)，尤其指拉深的制造。他們建議，對軸對稱拉深產(chǎn)品的工藝規(guī)劃采用 G&TR（形成、測試和改進）策略。此系統(tǒng)僅僅依賴于基于經(jīng)驗的模具設計指導方針，針對于各工序設計。Tisza’s work [2] 描述了一個模塊化 CAD/CAM 系統(tǒng)。其過程為制造軸對稱和斷面是矩形的薄板零件開發(fā)拉深工藝步驟及其刀具的設計。Sitaraman et al. [3]為自動工藝步驟設計研發(fā)了混合電腦輔助 CAE 系統(tǒng)，致力于制造軸對稱薄板件?；?CAE 系統(tǒng)有兩大部分，一是 KBS 或專業(yè)系統(tǒng)模塊，二是一個進程模型分析模塊. Xiao et al. 建立了專家系統(tǒng)，DPES，用于設計軸對稱拉深件。此系統(tǒng)適用于普通拉深的工藝規(guī)劃以及連續(xù)模拉深的軸對稱件。Zhu et al. [5]研究出 PAD-ES 系統(tǒng)，也用于軸對稱拉深的工藝規(guī)劃。整個系統(tǒng)采用 C 語言。Tisza [6] 從知識體系的專業(yè)系統(tǒng)發(fā)展中得出新的金屬成型應用結論。Altan et al. [7] 研究Axisymmet-ric Sequence Forming Expert System (ASFEX)，用于軸對稱件，生產(chǎn)拉深件。此工藝設計系統(tǒng)[1, 3-7]采用 Eshel et al. [1]推出的 G&TR 策略開發(fā)，同時，也采用了刀具設計和成型分析。 此次研究中，致力于軸對稱拉深工藝的 CAD/CAM 系統(tǒng)被研發(fā)。CAD/CAM 系統(tǒng)的輸入是Pro-Deep[8]的結果，也就是其作者研究的。Pro-Deep 系統(tǒng)為軸對稱產(chǎn)品[9]拉深系統(tǒng)的工藝設計。此次研究中開發(fā)了針對軸對稱拉深工序的 CAD/CAM 系統(tǒng)。這個系統(tǒng)采用了基于知識的方法。在設計者的 CAD/CAM 軟件的環(huán)境下，系統(tǒng)用 UPL 語言（用戶程序語言）寫入。CAD/CAM 系統(tǒng)輸入了中間及最后對象的幾何體，包括其工藝參數(shù)。輸入數(shù)據(jù)可從先前拉深結論中獲取。每個工序模具的零件圖可從 CAD/CAM 系統(tǒng)的刀具設計模塊中獲得。同樣，也能獲取模具裝配圖。零件加工的 NC 指令也可在 CAD/CAM 系統(tǒng)中獲取。此系統(tǒng)可應用于沖裁模和單動沖壓拉深。 2. 工藝設計系統(tǒng)和CAD/CAM 系統(tǒng) 圖 1 為拉深工序的 CAD/CAM 的模塊圖表。工藝設計系統(tǒng)的輸入 Pro-Deep，為最后薄板金屬制品幾何形狀的拉深；由于以上的輸入，輸出為與中間制品幾何形狀工序的拉深。同樣，也決定了工藝參數(shù)如拉深力，壓料力，間隙值和型腔拉深系數(shù)。Pro-Deep CAD 系統(tǒng)結論用于 CAD/CAM 系統(tǒng)的模具設計中。系統(tǒng)模具包括三個階段，一是沖裁模具；二是第一次拉深；三是再拉深模。沖裁模為單動 沖壓的循環(huán)沖裁設計。同時，拉深模也為單動沖壓的軸對稱拉深設計。拉深模為壓料板頂件型。模具結構和刀具零件被設計，然后，根據(jù)設計規(guī)則來確定零件尺寸。成型仿真模塊在圖 1 中顯示，可用于檢驗拉深工藝過程。此模塊還沒有為這個系統(tǒng)研發(fā)。零件圖為每個刀具元素生成。模具的結構圖和 NC 加工數(shù)據(jù)能從設計者那里獲取。 2.1 軸對稱件的拉深工藝設計系統(tǒng)，Pro-Deep [8] 采用 G&TR 策略，Pro-Deep CAD 系統(tǒng)模塊表顯示在圖 2 中。研究的 CAD 系統(tǒng)中，Pro-Deep 由四個模塊組成，也就是輸入、幾何設計、測試和改進，以及用戶修改。 由于需要設計工序，Pro-Deep 輸入為最終薄金屬板件幾何狀。其中一個輸入格式為一個圖檔， 也就是 Auto-CAD 系