吸尘器典型零件结构方案分析及注塑工艺研究_钱秋婧.docx

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1、中图分类号 TH122 学科分类号 080203 论文编号 102870513-S138 硕士学位论文 吸尘器典型零件结构方案分析及注塑 工艺研究 研究生姓名 钱秋婧 学科、专业 机械设计及理论 研究方向 产品结构与工艺设计 指导教师 陈炳发教授 南京航空航天大学 研究生院机电学院 二 三年三月 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics The Graduate School College of Mechanical and Electrical Engineering Structure analysis and research

2、 on injection molding parameters of typical parts of vacuum cleaner A Thesis in Mechanical Design and Theory by Qian Qiujing Advised by Professor Chen Bingfa Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering March, 2013 承诺书 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行

3、研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中己经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，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、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书 ） 作者签名 : 日 期 : 摘 要 随着人们生活水平的提高，吸尘器在普通家庭已经非常普及，人们对吸尘器的要求越来越 高。在激烈市场竞争中，在吸尘器功能趋同条件下，造型设计水平与开发质量效

4、率将直接决定 产品的生命。为此，论文对吸尘器产品的设计开发过程提出了以 造型设计为牵引，对塑料外观 件并行考虑造型设计、结构设计及成形工艺等因素的思想，以实现造型设计的合理性，保证产 品的设计质量，提高设计效率。 论文以吸尘器为对象，研究了吸尘器的外观造型设计、典型塑料外观件的结构设计及注塑 工艺参数等内容。首先，针对吸尘器外观件以塑料零件为主的特点，采用并行设计思想，给出 了面向制造的吸尘器设计开发流程；根据吸尘器造型设计需求分析，给出了立式吸尘器的造型 开发设计流程和一款设计方案。其次，以该吸尘器的典型塑料外观件一一尘室盖为对象，研究 了尘室盖的结构设计约束，利用星形轮廓法 对塑料原材料进

5、行选材，分析了尘室盖的详细零件 结构设计及模具结构设计。再次，以减小翘曲量为目标，采用模流分析软件 Moldflow对尘室盖 成型过程中的注射、保压、冷却环节的注塑工艺参数进行了仿真分析。最后，采用正交实验原 理设计实验方案，以较少的试验次数有效优化了尘室盖零件的注塑工艺参数，减小了尘室盖在 注塑成型中产生的翘曲；通过正交试验的分析结果得出了各工艺参数对零件翘曲影响的趋势。 从实验结果看，吸尘器尘室盖的造型设计与结构设计在加工制造环节得到了合理的实现， 并且零件的翘曲量被控制在合理的范围内。论文研究为吸尘器塑料零件的设计开发过程提供了 一种有效参考。 关键词：吸尘器，并行设计，塑料外观件，尘室

6、盖，结构设计，注塑工艺，正交试验 I Abstract With the development of peopled living standard, vacuum cleaners have become very popular in ordinary families, and there is an increasing requirements for vacuum cleaners. In the competitive market, the efficiency and quality of the new product design have much impact on

7、 the future development of the product. Therefore, the text raised the problem of how to consider structural design and manufacturing method in vacuum cleaners5 development process based on the the appearance requirement in a parallel way. Research on these points would ensure the design efficiency

8、and guarantee the quality of the design of vacuum cleaners5 plastic parts. The text studies the appearance design of a vacuum cleaner, and selected one typical plastic part to analyze its structural design and its injection parameters in molding process. First, as plastic parts is the major componen

9、t of vacuum cleaner, a design process faced to the injection process of is given in the text according to parallel design ideas. Then appearance design constraints is analyzed and an appearance of an upright vacuum cleaner project is proposed. Second, the text selects the dust chamber cover as a typ

10、ical out-looking part and analyses its detail structural design constraints. Then, star contour method is introduced into the selection of plastic raw materials to select an proper one. In addition, the value of thickness, ribs and stripping slope of dust chamber covert detailed structure is analyze

11、d and the 3D mold structure is also established. Third, analysis software Moldflow for plastic injection flow simulation is introduced in as a test platform, to simulate and analyze the injection, packing and cooling process of dust chamber cover. At last, warpage problem of the plastic part is take

12、n into consideration, and the orthogonal experiment method is applied to reduce the number of simulation experiments and to optimize the injection parameters to reduce the warpage value. By orthogonal analysis of the test results, affection trends of various injection parameters on plastic part warp

13、age is obtained. From the experimental results, the appearance and structural design of the dust chamber cover is realized in the injection process, and the warpage of the plastic part is controlled within a reasonable range. Thesis provides a valid reference for the design and development process o

14、f plastic parts of vacuum cleaner. Key Words： Vacuum cleaners, Parallel design, Plastics Parts, Dust chamber cover, Structural design, Warpage, Orthogonal experiment 目 录 m-M mt . i 1.1研究背景 . 1 1.1.1吸尘器设计与开发流程 . 1 1. 1. 2注塑原材料分类及选用原则 . 2 1. 1. 3注塑成型 CAE技术的应用和发展概况 . 3 1. 2课题研究现状 . 4 1. 3研宄意义和目的 . 5 1.

15、 3. 1论文研宄意义 . 5 1. 3.2论文研宄目的 . 5 1.4研究内容及论文结构 . 6 1.4. 1研宄内容 . 6 1. 4. 2论文结构 . 7 第二章基于并行思想的吸尘器造型设计开发 . 8 2. 1并行设计理论基础 . 8 2. 1. 1并行设计流程 . 8 2. 1. 2面向制造的吸尘器开发流程 . 9 2. 1. 3吸尘器开发流程总结 . 12 2. 2吸尘器的造型设计分析 . 13 2.2. 1产品造型设计的作用 . 13 2. 2. 2吸尘器的造型设计考虑 . 13 2. 2. 3某款立式吸尘器的外观造型开发案例 . 15 2. 2. 4并行设计对造型的设计约束 .

16、 18 2. 4本章小结 . 19 第三章吸尘器典型零件结构设计方案分析 . 20 3. 1吸尘器塑料零件结构设计流程 . 20 3. 1. 1结构设计师的工作 . 20 3. 1.2结构设计流程 . 20 3. 2塑件产品结构设计约束 . 21 3.2. 1 般塑件的结构设计约束 . 21 3. 2. 2吸尘器塑件结构设计约束 . 23 III 3.3目标零件概述 . 24 3. 4尘室盖零件原材料选择 . 24 3. 5塑料零件结构设计分析 . 26 3. 5. 1壁厚设计 . 26 3. 5.2加强筋的设计 . 27 3. 5. 3脱模斜度设计 . 28 3. 5.4圆角设计 . 29

17、3. 5. 5支柱 (螺柱 ） 的设计 . 29 3. 5. 6改善塑料零件的外观设计 . 29 3. 5. 7表面粗糙度和尺寸精度 . 30 3. 6尘室盖零件注塑模具结构 . 30 3. 6. 1塑料模具设计要点 . 30 3. 6. 2尘室盖零件分型面选择 . 30 3. 6. 3尘室盖注塑模具结构方案 . 31 3. 7结构设计与造型设计的并行考虑 . 32 3. 7. 1零件结构与造型设计的并行考虑 . 32 3.7.2模具结构与造型设计的并行考虑 . 33 3. 8本章小结 . 33 第四章基于 Moldflow的注塑零件翘曲分析 . 34 4. 1注塑加工工艺 . 34 4. 1

18、. 1注塑零件成型过程 . 34 4. 1.2注塑工艺参数 . 35 4. 1. 3注塑制品的缺陷及相应解决方法 . 36 4. 2基于 Moldflow的尘室盖翘曲分析 . 37 4. 2. 1 Moldflow中的翘曲分析 . 37 4. 2. 2 CAD模型导入和模型有限元网格划分 . 38 4. 2. 3材料的设定 . 41 4. 2. 4注塑机的设定 . 41 4. 2. 5尘室盖浇注系统的设定及优化 . 42 4. 2. 6尘室盖冷却系统的设定及优化 . 44 4. 2. 7 Moldflow仿真分析结果 . 45 4. 3本章小结 . 46 第五章优化注塑工艺参数的正交实验分析

19、. 48 IV 5. 1正交试验 . 48 5. 1. 1正交试验法 . 48 5. 1.2正交表 . 48 5. 2正交试验在注塑工艺上的应用 . 49 5. 2. 1确定正交试验目的 . 49 5. 2. 2正交试验表的选择 . 49 5. 3平板注塑成型的正交试验 . 50 5. 3. 1注塑平板件的模拟设置 . 50 5. 3. 2模拟分析试验结果 . 51 5. 3. 3极差分析 . 51 5. 3. 4实验结果分析 . 53 5. 4尘室盖注塑成型的正交试验 . 54 5. 4_ 1模拟分析试验结果 . 55 5. 4. 2极差分析 . 55 5. 4. 3实验结果分析 . 56

20、5. 5平板件与尘室盖实验结果对比 . 58 5. 6注塑工艺与造型设计的并行考虑 . 58 5. 7本章小结 . 58 第六章总结与展望 . 60 . 62 i射 . 64 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 65 V 图、表清单 图 2.1串行设计 一 传统产品开发过程 . 8 图 2. 2并行设计工作模式 . 9 图 2. 3面向制造的吸尘器开发流程 . 10 图 2. 4吸尘器概念设计 . 10 图 2. 5产品的样品制作、产品制造、产品装配、测试等流程 . 12 图 2. 6面向制造的吸尘器开发流程 . 12 图 2. 7造型设计考虑因素 . 14 图 2. 8造型设计概念草图

21、. 15 图 2. 9吸尘器方案色彩渲染图 . 16 图 2. 9设计方案 A的进一步设计 . 17 图 2. 11人机工程学分析 . 18 图 3. 1塑料零件结构及模具设计流程 . 21 图 3. 2尘室盖零件的模型 . 24 图 3. 3前机体零件的模型 . 24 图 3. 4三种材料的星型轮廓模型图 . 26 图 3. 5尘室盖零件的卡口设计 . 27 图 3. 6尘室盖零件剖面图 . 27 图 3. 7加强筋的设计 . 28 图 3. 8外表面脱模斜度为 3 . 28 图 3. 9美工沟结构示意图 . 29 图 3. 10前机体上的美工沟设计 . 29 图 3. 11分型面的选择 .

22、 31 图 3. 12尘室盖的模具结构 . 31 图 3. 13尘室盖的模具型芯 . 32 图 4. 1注射成型过程 . 34 图 4. 2在 PROE中将三维模型的倒角移除 . 38 图 4. 3五种方案的网格统计结果 . 40 图 4. 4全局网格边长为 3MM时的网格状态 . 40 图 4. 5 7C43H的物理属性 . 41 图 4. 6在 MOLDFLOW中设置注塑机参数 . 42 图 4. 7浇口位置分析结果 . 43 图 4. 8尘室盖最终的浇口位置 . 43 图 4. 9 冷去 P7_R道位置 . 44 图 4. 10MOLDFLOW中冷却水路的创建（一） . 45 图 4.

23、11MOLDFLOW中冷却水路的创建（二） . 45 图 4. 12注射时间 . 46 图 4. 13冷却介质温度 . 46 VI 图 4. 14熔接痕分布 . 46 图 4. 15翘曲变形分析结果 . 46 图 5.1平板模型 . 50 图 5.2平板件浇口和冷却水道的设置 . 50 图 5.3各因素水平与翘曲量趋势图 . 53 图 5.4平板翘曲变形分析结果 . 54 图 5. 5各因素水平与翘曲量趋势图 . 56 图 5. 6尘室盖翘曲变形分析结果 . 57 表 3-1影响塑件尺寸精度的因素 . 22 表 3-2用于吸尘器尘室盖材料遴选统计数量化综合表 . 25 表 3-3不同塑胶材料的

24、合适壁厚范围表 . 27 表 4-1五种网格划分结果汇总比较 . 40 表 4-2海天 MA2500注塑机技术参数 . 42 表 5-1注塑工艺参数因子水平表 . 49 表 5-2平板正交试验结果 . 51 表 5-3平板汇试验指标 . 52 表 5-4尘室盖正交试验结果 . 55 表 5- 5尘室盖试验指标汇总及计算 . 55 VII 第 一 章 绪 论 1.1研究背景 我国是世界上最大的吸尘器生产基地，每年平均的出口量在 3000万台以上。随着时代的发 展及生活水平的提高，吸尘器正在中国家庭迅速的普及，成为家庭常用小电器，它与洗衣机、 电冰箱一起成为了现时代的三大家庭日用电器产品， 吸尘器

25、有着非常大的市场需求量，是一种以市场为导向的产品。造型设计在吸尘器的开发 过程中起着非常重要的作用，它要满足时代潮流和消费者的审美需求，在市场中不断更新换代。 但产品的造型设计需要有一套完整的结构设计体系和制造工艺体系来支撑，研究如何以造型设 计为牵引，协调结构设计、工艺设计开发过程中的问题，保证造型设计的可制造性与合理性是 十分必要的。 吸尘器 80%以上的吸尘器零件都属于塑料零件，采用注塑的方法成型。而吸尘器塑料零件 的结构和成型工艺对吸尘器各项性能指标，如强度、重量、噪声分贝数大小，都有较大的影响 ， 同时，它们也是影响产品造型的决定性因素。因此，吸尘器的设计首先是塑料外观件的设计， 只有了解塑料零件的常用结构设计方法、塑料成型特性及相关工艺，才能保证吸尘器的造型设 计的顺利实现，提高造型设计效率和设计水平。 但是，国内目前吸尘器行业的现实状况并不乐观 一一 在大部分产品的开发过程中，塑料零 件的外观造型设计与塑料零件的详细结构设计、模具结构设计与制造、模具注塑工艺参数调试 各个环节之间相互独立，没有进行很好的承接。这样造成了以下一些问题：第一，工业