汽車行李箱面板模壓成型模具設(shè)計(jì)及其成型工藝參數(shù)優(yōu)化研究

唐凌霄

（安徽中鼎動力有限公司，安徽 宣城 241000）

模壓成型工藝具有模具結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，是汽車內(nèi)飾件主要加工方法之一，國內(nèi)外學(xué)者對塑料件的注塑成形性能，以及影響成型過程的各種因素做了大量的理論實(shí)驗(yàn)，但對塑料件的模壓成型研究不多，導(dǎo)致汽車內(nèi)飾件模壓成型模具設(shè)計(jì)水平落后，成型工藝參數(shù)基本由經(jīng)驗(yàn)制定，無法保障內(nèi)飾產(chǎn)品的質(zhì)量，且容易造成人力物力浪費(fèi)。因此如何解決以上問題成為內(nèi)飾行業(yè)的首要任務(wù)。文獻(xiàn)[1]利用Moldflow 注射成型分析功能，完成了模具動模部分的結(jié)構(gòu)分析并得到了合理的結(jié)構(gòu)方案，并將獲得的溫度和壓力結(jié)果導(dǎo)入ANSYS 中，運(yùn)用ANSYS 模擬模具的加熱過程，分析模具的應(yīng)力應(yīng)變狀況，但并未深入研究最佳壓力和溫度組合，不能獲得最佳的成型工藝參數(shù)，并且未進(jìn)行正交試驗(yàn)，數(shù)據(jù)不能進(jìn)一步驗(yàn)證。文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了正交試驗(yàn)，分析了成型溫度、成型壓力、保壓時(shí)間和冷卻速率四個(gè)工藝參數(shù)對板材性能的影響，確定最佳的成型工藝參數(shù)，但是并未分析加熱時(shí)間對模壓成型的影響，并且沒有對得到的工藝參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。文獻(xiàn)[3]為求得PEEK 最佳的成型工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)完成了正交試驗(yàn)，工藝參數(shù)為加熱溫度及加熱時(shí)間，分別取三個(gè)水平，雖然作者進(jìn)行了正交試驗(yàn)，但是并未考慮壓力和保壓時(shí)間對模壓成型的影響。本文設(shè)計(jì)了模壓成型模具，設(shè)計(jì)并完成了正交試驗(yàn)并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，求得評價(jià)指標(biāo)最優(yōu)時(shí)對應(yīng)的工藝的參數(shù)組合。

1 汽車行李箱面板模壓成型模具設(shè)計(jì)

通過分析了行李箱面板模壓成型過程的受力狀態(tài)，計(jì)算得到了模壓壓力，以及對行李箱面板零件的收縮率和模具分模面的分析，完成了模壓模具的凹凸模、料框、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和模架的設(shè)計(jì)。

1.1 汽車行李箱面板模壓成型總體結(jié)構(gòu)方案

行李箱面板從模具中取出后，在冷卻到室溫的過程中，由于材料熱脹冷縮的特性，行李箱面板的實(shí)際尺寸會略有回縮。

根據(jù)生產(chǎn)總結(jié)，行李箱面板收縮率為1%。根據(jù)模具要求創(chuàng)建行李箱面板凹、凸模實(shí)體，該實(shí)體長1305mm、寬648mm、高239mm。由分型面分割凹凸模實(shí)體，并將分型面上下移動25mm 切割凹凸模實(shí)體得到厚度為25mm的凹凸模。

為防止在成型過程中片材發(fā)生失穩(wěn)起皺，在模具中設(shè)置了料針及料框。料針穿透片材，將四周固定，從而避免了片材起皺的問題。并且設(shè)計(jì)了模具料框來配合料針的使用，料框上下對齊，防止片材從料針上滑出，也能夠有效分散片材的水平力，如圖1。

圖1 行李箱面板料框

行李箱面板模具的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)柱及導(dǎo)套，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能夠使合模過程精準(zhǔn)無誤，減少合模過程中的模具側(cè)壓力，防止模具受到損壞，延長模具使用壽命。本文零件較大，精度要求高，因此選擇四根導(dǎo)柱，如圖2。

圖2 行李箱面板導(dǎo)柱布置

1.2 汽車行李箱面板模壓成型模壓力計(jì)算

過去是由經(jīng)驗(yàn)公式得到的模壓壓力，行李箱面板模壓成型壓力計(jì)算公式[1]為：

式中：PZ-垂直方向壓力，MPa；PX-水平方向壓力，MPa；X-面板長度尺寸，mm；Z-面板高度尺寸，mm；n-冪律指數(shù)。

行李箱面板長度X=1305mm，高度Z=239mm，取n=1，PX=2kPa，由式（1）得出行李箱面板模壓成型模壓壓力為11MPa。

1.3 汽車行李箱面板模具冷卻系統(tǒng)研究

模具材料為金屬，冷卻方式為水冷，將冷卻水循環(huán)于模內(nèi)預(yù)設(shè)的冷卻水道即可進(jìn)行冷卻。冷卻水道分布在加強(qiáng)筋之間，通過鉚釘固定在凹凸模表面。冷卻水道離行李箱面板表面較近，能夠很好地實(shí)現(xiàn)冷卻，如圖3。

圖3 模架冷卻水道分布

由冷卻水流量與水道直徑的關(guān)系，可確定冷卻水道直徑d=16mm。冷卻水道的間距l(xiāng) 為1.7d≤l≤3d?？椎拇笮「鶕?jù)模具或模具型腔大小而定。由于產(chǎn)品尺寸較大，冷卻水道間距設(shè)定為3d，即48mm，圓整后為50mm。

2 汽車行李箱面板模壓成型正交試驗(yàn)研究

本文正交試驗(yàn)水平因素達(dá)到四個(gè)，在多個(gè)重要因素同時(shí)變化的條件下，最有效的設(shè)計(jì)方法就是正交試驗(yàn)。要完成正交試驗(yàn)，需要確定行李箱面板模壓工藝參數(shù)，確定水平因素及評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)完成后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，求得評價(jià)指標(biāo)最優(yōu)時(shí)對應(yīng)的工藝的參數(shù)組合。

2.1 汽車行李箱面板模壓成型正交試驗(yàn)條件

（1）試驗(yàn)設(shè)備

本次行李箱面板模壓成型正交試驗(yàn)針刺PET+PP 復(fù)合材料。

行李箱面板烘箱有效尺寸：深1900* 寬2530* 高500mm，溫度范圍：10～300℃，設(shè)備加熱功率：36kW，箱體外部1.2mm 冷軋板，內(nèi)膽采用1.2mm304 不銹鋼板，耐火性能好，隔音較好。行李箱面板模壓成型模具本體采用45#鑄鋼，重量為兩噸，使用壽命可達(dá)30 萬套。冷卻方式為水冷，水管間距80mm，模溫小于8～10℃。模具進(jìn)壓機(jī)方式為叉車叉腳方式。固定方式為壓機(jī)臺面壓板槽固定，壓板槽寬度：30mm，間隔：300mm，偶數(shù)排列。

行李箱面板模壓成型壓機(jī)采用YMG32-315 四柱液壓機(jī)。

（2）試驗(yàn)過程

首先將原材料放進(jìn)烘箱進(jìn)行加熱，加熱結(jié)束后的原材料放入模壓模具中，用料針將材料固定并保壓。達(dá)到保壓時(shí)間后，取出成品，并去除飛邊，放在半成品區(qū)冷卻至室溫，反復(fù)操作，直至得到16 組正交試驗(yàn)表。

2.2 汽車行李箱面板模壓成型水平因素

影響模壓成型的主要水平因素為加熱溫度、加熱時(shí)間、模壓壓力和保壓時(shí)間。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，四個(gè)因素水平的取值如表1 所示。

表1 正交試驗(yàn)的因素水平表

2.3 汽車行李箱面板模壓成型正交實(shí)驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

行李箱面板產(chǎn)品的主要缺陷為開裂、起皺、收縮。由于這三個(gè)缺陷測量難度較大，且無法量化表示。本文分別用最大變薄率、最大增厚率及收縮率進(jìn)行代替。

由于正交試驗(yàn)有三個(gè)評價(jià)指標(biāo)，無法同時(shí)使三個(gè)指標(biāo)都達(dá)到最優(yōu)，因此，可以采用綜合加權(quán)評分法，獲得綜合評價(jià)指標(biāo)最優(yōu)的產(chǎn)品。

2.4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

行李箱面板的正交試驗(yàn)方案和三個(gè)評價(jià)指標(biāo)的測量結(jié)果如表2。

表2 行李箱面板模壓成型正交試驗(yàn)方案和結(jié)果

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用綜合評分法對汽車行李箱面板模壓成型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到了各因素對評價(jià)指標(biāo)的影響程度，以及評價(jià)指標(biāo)最優(yōu)時(shí)對應(yīng)的工藝參數(shù)組合。其16 組試驗(yàn)結(jié)果評分如表3。

根據(jù)綜合評分法的結(jié)果可知第8 組評分最高，即第8 組評價(jià)指標(biāo)最優(yōu)，對應(yīng)的工藝參數(shù)組合為A2B4C3D2。當(dāng)加熱溫度為200℃，加熱時(shí)間為70s，保壓壓力為11kPa，保壓時(shí)間為40s 時(shí)，最大收縮率為28.0880%、最大增厚率為44.3264%、收縮率為0.8901%。

3 結(jié)論

（1）對行李箱面板模壓成型過程的受力情況進(jìn)行了分析，確定行李箱面板零件的收縮率、模具的分模，完成了凹凸模設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了行李箱面板的模壓成型模具，對行李箱面板模壓成型進(jìn)行熱分析，設(shè)計(jì)了模具冷卻系統(tǒng)。

（2）確定設(shè)計(jì)并完成了正交實(shí)驗(yàn)，并利用綜合評分法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到評價(jià)指標(biāo)的最優(yōu)時(shí)的工藝參數(shù)組合。

（3）對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，得到制件模壓成型最佳工藝參數(shù)組合。

表3 行李箱面板模壓成型正交試驗(yàn)綜合評分結(jié)果