汽車尾門模壓模具設(shè)計(jì)

彭 河，王少峰，賈志欣

（1.寧波益普樂模塑有限公司，浙江 寧波 315600；2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院，浙江 寧波 315100）

1 模壓成型工藝簡介

片狀模塑料（sheet moulding compound，SMC）模壓是指將片材按制品尺寸、形狀、厚度、質(zhì)量等要求裁剪下料，然后將裁剪的材料層疊放入已加熱的金屬模具型腔內(nèi)，按預(yù)先設(shè)定好的加壓方式固化成型的過程。

模壓成型工藝是成型SMC的主要方法，通過模壓模具與壓力機(jī)配套進(jìn)行。纖維增強(qiáng)的SMC經(jīng)過裁剪后，鋪層裝入加熱的模具下模型腔或加料室內(nèi)，模具在壓力機(jī)上進(jìn)行合模加壓，型腔內(nèi)的模壓料在溫度和壓力的作用下熔融并充滿型腔，發(fā)生聚合反應(yīng)使之固化成型，得到所需要的模壓制品。模壓成型的制品廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、通訊工程、電子、電氣等行業(yè)，隨著近年來新能源汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化需求越來越多，汽車零部件的模壓模具需求日益增多[1，2]，模壓模具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，上模下行，上凸模5進(jìn)入下模加料腔4，使其中的SMC在壓力下受熱熔融、流動(dòng)、充滿型腔并交聯(lián)固化成型，然后開模，側(cè)型芯21抽出，最后推出機(jī)構(gòu)通過推桿12將制品推出脫模。

模壓模具的結(jié)構(gòu)與注射模結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別如下。

（1）由于模壓成型為直接向型腔中加SMC，不需要澆注系統(tǒng)，而是在型腔之上增加加料腔，造成型腔結(jié)構(gòu)的變化。

（2）模壓成型熱固性樹脂基復(fù)合材料時(shí)，模具溫度必須高于材料的交聯(lián)溫度，因此需要對模具加熱，通過上模板2和支承板11上的加熱裝置分別對上、下模進(jìn)行加熱。模壓成型熱塑性樹脂基復(fù)合材料時(shí)，在型腔板周圍開設(shè)溫度控制通道控制型腔溫度，通入蒸汽或熱油進(jìn)行加熱，也可以通過電加熱方式進(jìn)行加熱。

圖1 模壓模具結(jié)構(gòu)

由于復(fù)合材料的模壓成型工藝復(fù)雜，成型復(fù)合材料的模壓模具的研發(fā)是近幾年才開始。張鑫玉等[3]設(shè)計(jì)了復(fù)合材料螺旋槳整體模壓成型模具；劉海鑫等[4]開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料導(dǎo)管葉片模壓模具。對于SMC模壓成型，不均勻的溫度場是引起殘留應(yīng)力和變形的根本原因[5]，模具設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮排氣系統(tǒng)[6]，現(xiàn)結(jié)合SMC汽車尾門成型闡述模具設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

2 SMC汽車尾門特點(diǎn)

圖2所示為玻璃纖維增強(qiáng)的不飽和聚酯樹脂材料的SMC汽車尾門，外形尺寸為1 606 mm×1 111 mm×280 mm，是支撐整個(gè)后尾門的骨架，要求有較好的剛性。后尾門上的其他裝配件都是裝配或粘結(jié)到該制品上，所以制品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在很多的安裝孔，并要求制品的尺寸穩(wěn)定性好，后擋風(fēng)玻璃也裝在該尾門上，還要有良好的玻璃粘接性能。

傳統(tǒng)汽車尾門是鈑金經(jīng)過拉深、成形、翻邊、沖孔等工序后焊接才能成形，工序多、周期長，不能滿足汽車輕量化、快速更新?lián)Q代以及外觀造型的需求。

相對于鈑金加工的尾門，模壓成型的SMC汽車尾門具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）剛性好，可以方便地安裝鉸鏈、鎖扣等裝配件。

（2）具有較好的粘接性，易于玻璃粘接。

（3）可以成型復(fù)雜的形狀。

（4）尺寸穩(wěn)定性好，整個(gè)制品是通過模具模壓成型，SMC的收縮率小。

（5）制品一次性模壓成型，生產(chǎn)效率高。

（6）質(zhì)量輕，相對于鈑金能減輕30%的質(zhì)量。

圖2 汽車尾門

3 SMC汽車尾門模壓模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

SMC汽車尾門模壓模具的外形尺寸為22 100 mm×2 060 mm×1 205 mm，如圖3所示，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下。

圖3 模具結(jié)構(gòu)

3.1 溫度均勻性控制

SMC在模壓成型時(shí)要求模具零件型面溫度均勻，如果溫差超過±3℃，模壓的制品表面容易出現(xiàn)色差，另外溫差大會(huì)導(dǎo)致模壓的制品飛邊不均勻。該模具采用模溫機(jī)進(jìn)行加熱，型芯、型腔板在模具油路設(shè)計(jì)時(shí)確保油路與模具零件型面等距，并通過五軸加工中心加工加熱油路，保證模具零件表面溫度差控制在±2℃。

3.2 導(dǎo)向系統(tǒng)

由于汽車尾門是深型腔結(jié)構(gòu)，深250～300 mm，在模具上模壓時(shí)兩邊高中間底，當(dāng)材料在模具中放好后，合模過程中會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)位的力，對模具的導(dǎo)向系統(tǒng)要求較高。該模壓模具導(dǎo)向分為2個(gè)部分，導(dǎo)柱導(dǎo)套保證上、下模合模時(shí)的導(dǎo)向，在型芯和型腔板接觸后，通過模具型芯上一圈可調(diào)的耐磨塊與型腔板上的槽配合導(dǎo)向，防止型腔板與型芯錯(cuò)位。

3.3 斜推組件結(jié)構(gòu)

模具設(shè)有斜推結(jié)構(gòu)，成型時(shí)型芯與型腔板表面溫度約150℃，如采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，斜推組件在滑動(dòng)過程中容易出現(xiàn)卡死的情況。模具設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖4所示，斜推塊固定在斜推座上，在推出制品時(shí)，斜推塊上的下?lián)鯄K與安裝在下模上的上擋塊接觸，斜推座繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與制品分離，同時(shí)彈簧受壓，制品脫模后，彈簧使斜推塊復(fù)位，確保斜推組件運(yùn)動(dòng)順暢、可靠，延長了斜推組件的使用壽命。

圖4 旋轉(zhuǎn)斜推組件抽芯

3.4 吹氣結(jié)構(gòu)

由于SMC汽車尾門在模壓成型時(shí)，型腔內(nèi)處于真空狀態(tài)，設(shè)計(jì)了吹氣結(jié)構(gòu)，如圖5所示。模具開模前引入空氣進(jìn)入型腔，避免開模時(shí)制品吸附在型腔壁上而導(dǎo)致推出困難和推出變形。液壓缸固定在上模，活塞桿通過銷座與活動(dòng)銷相連接，推管通過推管座固定在上模上，活動(dòng)銷在液壓缸活塞桿的帶動(dòng)下卡在推管內(nèi)移動(dòng)，在推管側(cè)壁上開設(shè)側(cè)孔，與上模的吹氣通道相連，開模時(shí)液壓缸活塞桿帶動(dòng)活動(dòng)銷上移后，氣體通道通過推管側(cè)孔將氣體引入。

圖5 吹氣結(jié)構(gòu)

3.5 模具材料及表面處理

模壓成型時(shí)，壓強(qiáng)在70～100 MPa，模具零件材料要求有較好的抗變形能力，該模具的型芯和型腔板材料選取了真空熔煉的Cr-Ni-Mo合金鋼3Cr2Ni-Mo。SMC一般都含有20%～30%的玻璃纖維，模壓成型過程中，玻璃纖維隨著材料的流動(dòng)對模具零件型面產(chǎn)生劇烈的沖刷，因此在模具零件型面上通過電鍍表面處理提高硬度、耐磨性、耐腐蝕性能，模具零件鍍膜厚度為5 μm，硬度700 HV（60 HRC）。

4 模壓模具和制品成型

模具實(shí)物如圖6所示，已用于模壓生產(chǎn)，模壓的制品表面質(zhì)量良好，尺寸穩(wěn)定，裝配符合要求。模壓的制品如圖7所示，模具設(shè)計(jì)壽命為30萬模次，目前已經(jīng)完成10萬模次的生產(chǎn)。

5 結(jié)束語

汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的重要方法，針對玻璃纖維增強(qiáng)的SMC汽車尾門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了汽車尾門模壓模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用表明，模具具有較高的模壓生產(chǎn)效率，確保了模壓制品質(zhì)量，降低了制品的生產(chǎn)成本。

圖6 模具實(shí)物

圖7 汽車尾門制品