汽車行李箱面板模壓成型模具設計及其成型工藝參數優化研究

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構簡單、生產效率高、產品尺寸精度高等優點，是汽車內飾件主要加工方法之一，國內外學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驗，但對塑料件的模壓成型研究不多，導致汽車內飾件模壓成型模具設計水平落后，成型工藝參數基本由經驗制定，無法保障內飾產品的質量，且容易造成人力物力浪費。因此如何解決以上問題成為內飾行業的首要任務。文獻[1]利用Moldflow 注射成型分析功能，完成了模具動模部分的結構分析并得到了合理的結構方案，并將獲得的溫度和壓力結果導入ANSYS 中，運用ANSYS 模擬模具的加熱過程，分析模具的應力應變狀況，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，并且未進行正交試驗，數據不能進一步驗證。文獻[2]進行了正交試驗，分析了成型溫度、成型壓力、保壓時間和冷卻速率四個工藝參數對板材性能的影響，確定最佳的成型工藝參數，但是并未分析加熱時間對模壓成型的影響，并且沒有對得到的工藝參數進行進一步優化。文獻[3]為求得PEEK 最佳的成型工藝參數，設計完成了正交試驗，工藝參數為加熱溫度及加熱時間，分別取三個水平，雖然作者進行了正交試驗，但是并未考慮壓力和保壓時間對模壓成型的影響。本文設計了模壓成型模具，設計并完成了正交試驗并對試驗結果進行極差分析，求得評價指標最優時對應的工藝的參數組合。

1 汽車行李箱面板模壓成型模具設計

通過分析了行李箱面板模壓成型過程的受力狀態，計算得到了模壓壓力，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、導向機構和模架的設計。

1.1 汽車行李箱面板模壓成型總體結構方案

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，行李箱面板的實際尺寸會略有回縮。

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

為防止在成型過程中片材發生失穩起皺，在模具中設置了料針及料框。料針穿透片材，將四周固定，從而避免了片材起皺的問題。并且設計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向機構包括導柱及導套，導向機構能夠使合模過程精準無誤，減少合模過程中的模具側壓力，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，因此選擇四根導柱，如圖2。

圖2 行李箱面板導柱布置

1.2 汽車行李箱面板模壓成型模壓力計算

過去是由經驗公式得到的模壓壓力，行李箱面板模壓成型壓力計算公式[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。

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研究

模具材料為金屬，冷卻方式為水冷，將冷卻水循環于模內預設的冷卻水道即可進行冷卻。冷卻水道分布在加強筋之間，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，能夠很好地實現冷卻，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系，可確定冷卻水道直徑d=16mm。冷卻水道的間距l 為1.7d≤l≤3d。孔的大小根據模具或模具型腔大小而定。由于產品尺寸較大，冷卻水道間距設定為3d，即48mm，圓整后為50mm。

2 汽車行李箱面板模壓成型正交試驗研究

本文正交試驗水平因素達到四個，在多個重要因素同時變化的條件下，最有效的設計方法就是正交試驗。要完成正交試驗，需要確定行李箱面板模壓工藝參數，確定水平因素及評價指標，試驗完成后對試驗數據進行極差分析，求得評價指標最優時對應的工藝的參數組合。

2.1 汽車行李箱面板模壓成型正交試驗條件

（1）試驗設備

本次行李箱面板模壓成型正交試驗針刺PET+PP 復合材料。

行李箱面板烘箱有效尺寸：深1900* 寬2530* 高500mm，溫度范圍：10～300℃，設備加熱功率：36kW，箱體外部1.2mm 冷軋板，內膽采用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30 萬套。冷卻方式為水冷，水管間距80mm，模溫小于8～10℃。模具進壓機方式為叉車叉腳方式。固定方式為壓機臺面壓板槽固定，壓板槽寬度：30mm，間隔：300mm，偶數排列。

行李箱面板模壓成型壓機采用YMG32-315 四柱液壓機。

（2）試驗過程

首先將原材料放進烘箱進行加熱，加熱結束后的原材料放入模壓模具中，用料針將材料固定并保壓。達到保壓時間后，取出成品，并去除飛邊，放在半成品區冷卻至室溫，反復操作，直至得到16 組正交試驗表。

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、加熱時間、模壓壓力和保壓時間。查閱相關文獻資料并結合實際生產情況，四個因素水平的取值如表1 所示。

表1 正交試驗的因素水平表

2.3 汽車行李箱面板模壓成型正交實驗評價指標

行李箱面板產品的主要缺陷為開裂、起皺、收縮。由于這三個缺陷測量難度較大，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行代替。

由于正交試驗有三個評價指標，無法同時使三個指標都達到最優，因此，可以采用綜合加權評分法，獲得綜合評價指標最優的產品。

2.4 正交試驗方案設計及結果

行李箱面板的正交試驗方案和三個評價指標的測量結果如表2。

表2 行李箱面板模壓成型正交試驗方案和結果

2.5 正交實驗結果分析

采用綜合評分法對汽車行李箱面板模壓成型試驗結果進行分析，并對正交試驗結果進行極差分析，得到了各因素對評價指標的影響程度，以及評價指標最優時對應的工藝參數組合。其16 組試驗結果評分如表3。

根據綜合評分法的結果可知第8 組評分最高，即第8 組評價指標最優，對應的工藝參數組合為A2B4C3D2。當加熱溫度為200℃，加熱時間為70s，保壓壓力為11kPa，保壓時間為40s 時，最大收縮率為28.0880%、最大增厚率為44.3264%、收縮率為0.8901%。

3 結論

（1）對行李箱面板模壓成型過程的受力情況進行了分析，確定行李箱面板零件的收縮率、模具的分模，完成了凹凸模設計，設計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行熱分析，設計了模具冷卻系統。

（2）確定設計并完成了正交實驗，并利用綜合評分法對正交試驗結果進行了分析，得到評價指標的最優時的工藝參數組合。

（3）對試驗結果進行數據處理分析，得到制件模壓成型最佳工藝參數組合。

表3 行李箱面板模壓成型正交試驗綜合評分結果