纖維增強(qiáng)塑料尾門設(shè)計(jì)制造技術(shù)研究

唐運(yùn)軍 劉晶 彭丹

摘 要：近年來輕量化技術(shù)已成為汽車節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一，而塑料尾門的開發(fā)運(yùn)用則是汽車輕量化設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。復(fù)合材料注塑成型是車身內(nèi)外飾零件廣泛采用的成型制造工藝。本文以某車型尾門為研究對(duì)象，對(duì)復(fù)合材料尾門設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)行深入研究，包括模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品變形控制，成型CAE分析，模具制造分析;闡述了尾門內(nèi)外板模具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵控制點(diǎn)，對(duì)復(fù)合材料尾門應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;塑料尾門;模流分析;模具設(shè)計(jì)

1 引言

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)汽車的可靠性、安全性、舒適性提出了更高的要求，這就要求在汽車設(shè)計(jì)中采用各種新型的結(jié)構(gòu)和材料，在減輕質(zhì)量的同時(shí)保證其強(qiáng)度、剛度等性能要求。其中一個(gè)研究熱點(diǎn)就是塑料尾門[1][2]。戴姆勒奔馳汽車在奔馳A級(jí)和SMART品牌車型上，率先應(yīng)用了塑料尾門和翼子板，實(shí)現(xiàn)了顯著的減重效果[3]。

本文將從纖維增強(qiáng)塑料尾門模具設(shè)計(jì)、注塑分析、模具制造等方面對(duì)塑料尾門的制造過程進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并對(duì)設(shè)計(jì)制造過程中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)進(jìn)行了分析總結(jié)。

2 塑料尾門總成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研究的尾門總成分為內(nèi)板、外板及加強(qiáng)板三部分，圖1為尾門總成件。總成尺寸145mm×1197mm×878mm。

圖2左右所示分別為尾門內(nèi)、外板。內(nèi)板尺寸145mm×1197mm×874mm，材料選用PP-LGF40，縮水1.003;外板尺寸63mm×891mm×530mm，材料選用PP-T30，縮水1.005。

3 塑料尾門模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

尾門內(nèi)外板模具無滑塊斜頂以及其他抽芯結(jié)構(gòu)，為典型2板模模具;根據(jù)產(chǎn)品的尺寸大小、模具封膠位大小以及模具零配件布置空間大小，確定外板模具大小為1700mm*1200mm*800mm，內(nèi)板模具大小為1700mm*1200mm*942mm，內(nèi)外板注塑成型所需的合模力為1600噸。尾門內(nèi)、外板的前后模具如圖3、4所示。

為了確保尾門內(nèi)板的剛度和強(qiáng)度，內(nèi)板模具設(shè)計(jì)時(shí)，背面布置了相當(dāng)數(shù)量的加強(qiáng)筋以及柱位，其中14個(gè)柱位需要鑲嵌螺母，與產(chǎn)品一起成型。為使產(chǎn)品脫模順暢，對(duì)所有加強(qiáng)筋都進(jìn)行拔模1度處理;為防止柱位因膠厚導(dǎo)致縮水，對(duì)柱位根部增加火山口處理，如圖5所示。

模具冷卻系統(tǒng)內(nèi)外板均采用水路加水井進(jìn)行冷卻，如圖6所示。

另外，由于外板對(duì)外觀有較高要求，噴涂面不能看到頂針印痕，故外板模具采用頂塊加頂針配合頂出，內(nèi)板模具采用頂針頂出，如圖7所示。

4 塑料尾門內(nèi)外板成型分析

注塑成型CAE仿真分析的流程主要分為三個(gè)部分：仿真前處理（仿真模型的準(zhǔn)備）、數(shù)值仿真分析（基于仿真的工藝參數(shù)優(yōu)化）和仿真結(jié)果后處理（結(jié)果分析討論）。目前，應(yīng)用最廣泛的注塑模流分析軟件是Autodesk公司的MoldFlow。數(shù)值模擬分析流程如圖8所示：

4.1 尾門CAD模型的導(dǎo)入

汽車尾門內(nèi)外板的三維CAD建模，實(shí)用UG NX軟件進(jìn)行。為了進(jìn)行模流仿真分析，需要將NX中的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以IGES數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入Mold Flow中。

4.2 網(wǎng)格劃分

目前Mold Flow分析只支持Midplane網(wǎng)格和3D網(wǎng)格兩種網(wǎng)格劃分方式。

4.3 尾門模流分析

（1）確認(rèn)零件基本信息

尾門內(nèi)板基本信息如表1所示。尾門內(nèi)板材料為PP-LGF40，外板材料為PP-T30，其力學(xué)性能可以滿足尾門要求[4]。對(duì)內(nèi)外板進(jìn)行壁厚分析，壁厚均勻，如圖9和10所示。

（2）進(jìn)澆口選擇

進(jìn)澆口的數(shù)量和位置以及采用什么進(jìn)澆方式，有無順序進(jìn)澆等，這些直接影響產(chǎn)品能否成型。根據(jù)對(duì)尾門內(nèi)外板結(jié)構(gòu)的分析，擬對(duì)尾門內(nèi)板10點(diǎn)熱流道進(jìn)膠，尾門外板5點(diǎn)熱流道進(jìn)膠，如圖11和12所示。內(nèi)板熱流道直徑18mm，澆口大小6mm;外板熱流道直徑16mm，澆口大小4mm。

（3）模流分析參數(shù)設(shè)置

根據(jù)材料物性，設(shè)置模流分析參數(shù)。尾門內(nèi)板模流分析參數(shù)如表2。

（4）模流分析結(jié)果

根據(jù)尾門內(nèi)外板模流結(jié)果分析，存在熔接線和縮痕的問題，可以通過提高流動(dòng)波前溫度以及適當(dāng)增加注射保壓來改善。通過內(nèi)外板模流分析可以看出，外板的翹曲變形不是很大，在產(chǎn)品組裝過程中可以通過粘膠固定。內(nèi)板的翹曲變形需在模具上做預(yù)變形處理，將模具數(shù)據(jù)往變形的反方向設(shè)計(jì)。建議參考分析結(jié)果在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)上做一半的變形量，并在模具設(shè)計(jì)上要考慮模具修改的難易程度做考量，在做預(yù)變形的位置上按照鑲塊（如圖14）的形式做[5]，這樣后期繼續(xù)調(diào)整變量時(shí)，可以較快完成，且不影響模具的實(shí)際開發(fā)進(jìn)度。

5 尾門工裝及檢具設(shè)計(jì)開發(fā)

5.1 工裝設(shè)計(jì)開發(fā)要點(diǎn)

工裝包含多個(gè)方面，有輔助產(chǎn)品裝配的胎具，也有產(chǎn)品直接裝配的工裝，是產(chǎn)品開發(fā)過程中必不可少的工具。

工裝設(shè)計(jì)開發(fā)關(guān)鍵包括以下三點(diǎn);

1）工裝臺(tái)面的定義盡可能考慮通用性：工裝臺(tái)面的尺寸，有效活動(dòng)尺寸在設(shè)計(jì)開發(fā)前期需考慮好使用的范圍，以最大程度保證投入的重復(fù)使用;

2）工裝胎具拆換的便利性：通過內(nèi)部胎具的更換，做到一物多用;

3）工裝底座考慮拆換以及移動(dòng)的便利性，必要時(shí)增加萬向輪，方便工裝場(chǎng)地運(yùn)轉(zhuǎn)。

4）胎具的開發(fā)需要多方位調(diào)試，除組裝后需要進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)確認(rèn)，好需要將工件進(jìn)行測(cè)試，以保證工裝開發(fā)的準(zhǔn)確性。

5.2 檢具設(shè)計(jì)開發(fā)要點(diǎn)

多功能型檢具開發(fā)：通過產(chǎn)品需要檢測(cè)的位置及要求，合理設(shè)置檢具開發(fā)方式，主要將分件與總成件的檢具開發(fā)進(jìn)行合并：

1）根據(jù)所測(cè)分件產(chǎn)品的定位，合理布局產(chǎn)品的測(cè)量機(jī)構(gòu);

2）增加總成產(chǎn)品的定位及檢測(cè)方式，避開分件測(cè)量機(jī)構(gòu);

6 總結(jié)

本文對(duì)纖維增強(qiáng)塑料尾門的設(shè)計(jì)制造、成型分析，模具設(shè)計(jì)制造等進(jìn)行了全面的闡述。纖維增強(qiáng)塑料尾門設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵點(diǎn)有以下幾方面：

1）前期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝分析：尾門結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)，需要充分考慮后期的制造工藝要求。在滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化產(chǎn)品和模具結(jié)構(gòu)，避免多余的成本浪費(fèi);

2）模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：模具的設(shè)計(jì)源于制造經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)多項(xiàng)經(jīng)驗(yàn)積累和橫向?qū)Ρ?，以及資源考察等為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做好了鋪墊。

3）產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)：通過量產(chǎn)制造積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于模具材料的選擇以及成型的影響可以進(jìn)行預(yù)判定。

項(xiàng)目資助信息：

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃（柳科計(jì)字2017第19號(hào)）資助項(xiàng)目。項(xiàng)目名稱：汽車?yán)w維增強(qiáng)塑料覆蓋件設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)（2017AA10104）

項(xiàng)目資助信息：

湖南省創(chuàng)新型省份建設(shè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：新能源汽車復(fù)合材料零部件研發(fā)及智能制造示范平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（2019XK2104）

參考文獻(xiàn)：

[1]邵萌，王燕文.長玻纖增強(qiáng)材料在汽車塑料尾門中的應(yīng)用[B].工藝材料，1674-1986（2016）.

[2]馮美斌.汽車輕量化技術(shù)中新材料的發(fā)展及應(yīng)用[J].汽車工程，2006，28：213-220.

[3]丘國華，任侃磊，楊亭福.車身輕量化技術(shù)路徑發(fā)展研究[N].上海汽車報(bào)，2015（6）.

[4]莊輝，劉學(xué)習(xí)，任璞等，長玻纖維增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料的力學(xué)性能比較[J]，塑料工業(yè)，2007（4）.

[5]俞瑗權(quán)，SMC在乘用車開閉件上的輕量化設(shè)計(jì)運(yùn)用[J].上海汽車，2013（9）.