表皮真空成型性能研究

徐鈞，劉兵，郭慶

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表皮真空成型性能研究

徐鈞，劉兵，郭慶

（延鋒汽車內(nèi)飾系統(tǒng)有限公司，上海 200233）

真空覆合表皮是廣泛應(yīng)用的汽車內(nèi)飾表皮成型工藝。為了在設(shè)計過程中避免皮紋變淺，厚度減薄等工藝問題，需要研究表皮拉伸參數(shù)以進行表皮真空成型工藝仿真。由于直接準確測量表皮拉伸參數(shù)較困難，為此利用一種簡單的頂出試驗，并結(jié)合六西格瑪優(yōu)化方法提出了一種準確提取表皮參數(shù)的方法。這種材料參數(shù)的獲取方法是利用表皮頂出試驗與仿真比對的方式，并利用六西格瑪工具搜索最優(yōu)材料參數(shù)組合，即表皮的材料參數(shù)。比較了樣件表皮實測厚度和工藝仿真的表皮厚度，比對結(jié)果證明了該表皮參數(shù)提取方法的可行性。

汽車內(nèi)飾；真空成型；CAE；六西格瑪

真空覆合表皮工藝是一種應(yīng)用廣泛的汽車內(nèi)飾表皮成型工藝[1]。在真空成型過程中，表皮在高溫下受到模具和零件骨架作用發(fā)生拉伸，最終在真空作用下通過膠水粘附在零件骨架上形成表皮的包覆層，如圖1所示。在表皮拉伸過程中表皮的皮紋會變淺，厚度會變薄。這種現(xiàn)象會造成外觀質(zhì)量下降以及零件間的匹配間隙變大，從而造成外觀的質(zhì)量問題。

圖1 陽模真空成型過程

為了避免后期因為外觀質(zhì)量問題調(diào)整模具而產(chǎn)生的開發(fā)延遲和成本上升，延鋒內(nèi)飾引入了仿真的方法以預(yù)防過度的皮紋變淺和厚度減薄。在仿真中，表皮在高溫下的拉伸性能對于結(jié)果準確性是至關(guān)重要的。為此，本文利用6 Sigma方法提出了表皮材料參數(shù)獲取的方法，并且比較了表皮厚度仿真值與實測值，以此說明方法的有效性。

1 表皮材料測試方法

在真空成型的工藝中，表皮的拉伸主要是多向拉伸的應(yīng)力狀態(tài)。如果要直接獲取表皮材料多向拉伸的機械性能參數(shù)，理論上需要采用雙軸拉伸機進行測量。但是，雙軸拉伸機昂貴并且在工業(yè)企業(yè)的試驗室中十分難以獲得。為了能夠利用現(xiàn)有的設(shè)備（單向拉伸機）進行測試并獲得表皮多向拉伸的材料參數(shù)，本文設(shè)計了表皮的頂出試驗，通過頂出的方法拉伸表皮，同時測試壓頭力對位移的曲線，如圖2所示。為了測量表皮在拉伸過程中減薄的情況，表皮最終拉伸的厚度也通過顯微鏡進行測量并記錄，如圖3所示。

圖2表皮材料測試方法

為了說明本文搭建的測試系統(tǒng)的有效性，必須針對測試方法進行重復(fù)性和再現(xiàn)性的分析[2]。測量結(jié)果包括壓力和表皮厚度的測量。針對壓力測量的重復(fù)性和再現(xiàn)性，本文特別選取了力值較大（E2LB）以及力值較?。↘8）的表皮。表1為測試結(jié)果，表2為重復(fù)性和再現(xiàn)性分析的結(jié)果，可區(qū)分的類別數(shù)＝13（＞4）。從分析結(jié)果可以看出，壓頭力值的辨識度達到13，超過通常要求的4，所以壓力測量完全符合研究的需求。其次，針對厚度測量，本文特別選取了厚度較大（E2LB）以及厚度較?。–N210）的表皮。表3為測試結(jié)果，表4為重復(fù)性和再現(xiàn)性分析結(jié)果，可區(qū)分的類別數(shù)＝13（＞4）。從分析結(jié)果可以看到，厚度測量的辨識度達到7，也完全符合研究的需求。

表1 最大力值重復(fù)性和再現(xiàn)性測試結(jié)果

表2 壓頭力值測量的重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

表3 表皮重復(fù)性和再現(xiàn)性測量結(jié)果

2 表皮材料參數(shù)提取方法

真空成型仿真采用Lsdyna求解器，表皮材料采用MAT24材料模型[3]，模型包含參數(shù)如表5所示。參數(shù)提取的過程描述如下。首先，通過頂出試驗的方法，每一次測試均可以得到5個測量值，即：25%、50%、75%和100%最大位移的力值以及表皮頂端的最終壁厚。第二，通過有限元模型研究表皮MAT24模型中的6個參數(shù)作為因子，對壓頭反力及表皮頂端最終壁厚的影響。并利用六西格瑪工具獲取壓頭反力及表皮頂端厚度基于6個參數(shù)的插值公式。這6個參數(shù)實際的范圍根據(jù)經(jīng)驗如表5所示。第三，根據(jù)插值公式，利用六西格瑪工具優(yōu)化6個參數(shù)使得壓頭反力及表皮頂端厚度的預(yù)測值接近頂出試驗中的測量值。經(jīng)過優(yōu)化得到這6個參數(shù)即為該材料的材料參數(shù)，圖4為某一種表皮材料參數(shù)仿真求解的頂出曲線與物理測試的頂出曲線的比較。從圖中可以看出，利用優(yōu)化后的材料參數(shù)仿真得到的頂出曲線與物理測試的曲線非常吻合，說明材料參數(shù)的獲取具有足夠的準確性。

3 工藝仿真及樣件測試結(jié)果比較

為了確定上述材料參數(shù)獲取方法的在實際真空成型仿真中應(yīng)用的準確性，本文針對一款具體產(chǎn)品進行了真空成型的仿真。為了更好的說明仿真與測量結(jié)果直接的比對情況，本文根據(jù)經(jīng)驗選取了～等13個點進行了厚度測量，如圖5所示。

表4 厚度測量重復(fù)性和再現(xiàn)性分析結(jié)果

表5 表皮材料參數(shù)表

圖4 最優(yōu)材料參數(shù)值與測量值的比較

圖5 工藝仿真表皮厚度與樣件實測厚度的比較

同時，在仿真結(jié)果中亦讀取相應(yīng)位置的厚度值作為厚度測量值的比對對象，并列為柱狀圖，如圖5（c）所示。所有的測量區(qū)域中，由于區(qū)域C和H與門內(nèi)飾及A柱蓋板有匹配，所以這兩個區(qū)域厚度的變化對于產(chǎn)品的外觀匹配影響最大。從圖5（c）所示的柱狀圖中可以看出，仿真結(jié)果在區(qū)域C和區(qū)域H的厚度值十分接近，可以達到預(yù)測表皮厚度減薄的目的。

4 小結(jié)

本文利用六西格瑪工具及優(yōu)化方法提出了一種準確提取表皮參數(shù)的方法，分析了材料測試的重復(fù)性和再現(xiàn)性。通過應(yīng)用了本文提出的表皮材料參數(shù)提取方法，真空成型工藝仿真得到的表皮厚度和實際表皮厚度的吻合良好，肯定了本文提出的表皮參數(shù)提取方法的準確性。

[1]周強，成薇.汽車內(nèi)飾模具結(jié)構(gòu)及工藝概論[M]. 北京：人民交通出版社，2014.

[2]馬逢時，周暐，劉傳冰，等. 六西格瑪管理統(tǒng)計指南[M]. 北京：中國人民大學(xué)出版社，2013.

[3]Hallquist J.O.. LS-DYNA Theory Manual[M]. Livermore: Livermore Software Technology Corporation, 2006.

A Study on Skin Performance in Vacuum Forming Process

XU Jun，LIU Bing，GUO Qing

( Yanfeng Global Automotive Interior Systems Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

Vacuum forming skin is a widely used automotive interior skin forming process. To avoid grain wear and thickness reduction, a study of skin performance is conducted to obtain a good vacuum forming simulation. Considering the difficulty of directly obtaining accurate skin parameters, a simple skin push-out test as well as 6 Sigma optimization method is used to extract skin parameters accurately. Skin push-out test is used to correlate simulation so as to search the optimized combination of material parameters with 6 Sigma tools, namely the skin parameters. Simulated skin thickness is compared to the thickness of sample skin, and the good correlation proves that the extraction method of skin parameters is feasible.

automotive interior；vacuum forming；CAE；6 Sigma

TF124.39

A

1006－0316 (2018) 04－0015－04

2017－05－09

徐鈞（1970－），男，上海人，本科，工程師，主要從事汽車內(nèi)飾設(shè)計、工程開發(fā)、系統(tǒng)集成、技術(shù)規(guī)劃管理等方面的工作。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.004