汽車輕量化XPE空調風管的設計及工藝研究

吳藝鋒，譚廣華

（1.廣西鑫深科技有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西方鑫技術有限公司，廣西 柳州 545005）

0 前言

隨著我國汽車保有量不斷攀升，能源短缺、霧霾污染等問題日益凸顯，節能減排成為每個車企的追求目標，這使得輕量化也被廣泛地應用到普通汽車及新能源汽車。輕量化的廣泛應用，使得車輛在提升操控性和動力性的同時，還具有出色的節油表現。研究實驗表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少 100 kg，百公里油耗可降低 0.3～0.6 L。常規的汽車空調風管采用HDPE進行吹塑成型，本文介紹的輕量化汽車空調風管采用交聯聚乙烯發泡材料（PE）。PE發泡材料有兩種生產工藝，即化學交聯方法和輻射交聯方法。與化學交聯方法相比，輻射交聯的高密度聚乙烯泡沫塑料有光滑、均一的表面，閉孔和樹脂的內在性質賦予它良好的機械性能、耐沖擊性、絕緣性［1］；但輻射交聯的高密度聚乙烯泡沫塑料成本更高?；瘜W交聯方法是用低密度聚乙烯樹脂加交聯劑和發泡劑經過高溫連續發泡而成，通過吸塑成型及熱板焊接等工藝制造成性能優異的空調風管。XPE在汽車減重、安全、節能、耐用等方面發揮著重要的作用，并且聚乙烯XPE材料是一款環保材料，具有以下獨特的性能：①密度為90 kg/m3，遠遠小于吹塑風道所用的HDPE（950 kg/m3）； ②表面結皮，密閉獨立泡孔結構，吸水率低，導熱系數低，隔熱效果佳，是隔熱、隔音、防潮的上佳材料；③耐候、抗嚴寒、耐高溫、防潮、抗撕裂。

1 輕量化汽車空調風管產品的設計

1.1 真空吸塑成型工藝介紹

真空吸塑成型工藝是一種熱成型加工方法，利用熱塑性塑料片材，制造開口塑料殼體制品的一種方法。將塑料片材裁成一定尺寸加熱軟化后，借助片材兩面的氣壓差和機械壓力，使其變形后敷貼在特定的模具輪廓面上，經過冷卻定型，并切邊修整后完成吸塑制品的過程［2-3］。在加工過程中，塑料片加熱后，快速將其與模具間空氣抽走，造成真空狀態，形成壓力差，這樣塑料片就貼在模具的成型面上。

輕量化汽車XPE空調風管就是利用真空吸塑成型原理，把空調風管分成上下兩片單獨吸塑成型，上下兩半風管通過熱板焊接工藝焊接成現在的空調風管。

1.2 XPE風管產品脫模斜度設計要求

XPE材料烘烤軟化后，模具抽真空使材料吸附到模具表面上形成產品形狀，但脫模斜度太小直接拉伸吸附，拉伸較高位置產品壁厚將會拉伸得很薄，為了保證產品壁厚達到設計的公差要求，建議XPE空調風管沿著脫模方向的平面脫模斜度設計為3°～5°。XPE材料屬于軟質材料，在產品造型不能修訂的情況下局部位置也可以設計為倒扣模式。

1.3 產品壁厚設計要求

原HDPE吹塑成型工藝的汽車空調風管，屬于硬質的材料，但受工藝的局限性影響，其設計的產品壁厚一般為1.0～2.5 mm。對于XPE 輕量化汽車空調風管，其使用在儀表臺或副儀表板內，內部的安裝點相對較少，為了方便裝配，其壁厚設計不宜過薄，否則易導致產品強度不足，而產品過厚則浪費成本。建議設計的產品壁厚為2～3 mm。安裝空調風管的儀表臺內部管梁、線速等較多，XPE輕量化空調風管屬于發泡材質，不存在碰撞異響風險，可以將XPE空調風管距離儀表臺其他安裝輔件的間隙設計為3～5 mm。

1.4 輕量化汽車空調風管的安裝設計要求

輕量化汽車空調風管為軟質材料，兩個風管必須采用一個硬質的注塑管接頭進行連接；輕量化汽車空調風管與出風口的連接不能直接搭接到儀表臺的內表面，設計時必須考慮風管與出風口連接問題。同時，為了保證輕量化汽車空調風管與出風口的連接處的密封性，設計時建議出風口與風管的連接單邊過盈0.5 mm。此外，避免風管與出風口在使用過程中震動脫落，風管與出風口的連接必須考慮止脫結構（如圖1所示）。

圖 1 止脫結構

1.5 輕量化汽車空調風管的焊接邊分型線設計要求

按輕量化XPE空調風管的焊接邊分型線的設計要求，為避免產品壁厚因吸塑成型局部拉伸高度過大導致產品壁厚過薄，產品分型建議從產品側邊垂直脫模方向的中間位置分型；為了保證焊接強度符合設計要求，避免因焊接邊局部虛焊導致產品氣密不合格失效，建議焊接邊的設計寬度在8～10 mm（如圖2所示）。

圖 2 焊接邊設計

2 模具設計原則

2.1 拼模方案選擇

從成本上考慮，結合設備的裝模尺寸等要求，模具設計時需綜合考慮最優的拼模方案，盡可能把同樣需求量且拉伸高度差異不大的產品拼模到同一副模具內，以達到最優的材料利用率。一般設計模具型腔到模具邊沿的距離為25～35 mm（如圖3所示），預留20～35 mm的單邊夾料寬度，即原材料寬度方向的下料尺寸為模具寬度尺寸增加40～70 mm。

2.2 吸塑模具材質的選擇

常規的吸塑模具材質一般有鑄鋼和鑄鋁兩種，部分吸塑模具設計為成型沖裁一體的模具，材質的選擇就需要硬度較高的材質，一般采用SK11模具鋼；但從成本、模具加工周期及產品冷卻效率上綜合考慮，不帶沖裁的模具材質建議選擇鑄鋁。

2.3 吸塑模具吸氣孔及吸塑槽設計

汽車輕量化XPE風管的成型尺寸穩定性、外形是否吸塑成型到位與設計的吸氣孔大小、吸氣孔的排布有較大的關系。吸氣孔大小的設計與產品的外觀要求有關，吸氣孔設計過大，產品表面會有吸氣凸點；吸氣孔過小，則真空吸力不足導致產品成型不到位。結合XPE材料特性，建議XPE風管的模具吸氣孔大小設計為φ0.5～0.6 mm，3～4個吸氣孔為一組；每一組吸氣孔距離不超過60 mm，同時需注意在拉伸最深處及R角處設計吸氣孔（如圖4所示）。

圖4 吸氣孔設計

從吸氣孔加工工藝及后期模具維護方面考慮，使用的鉆頭越小，鉆頭鉆孔過程越容易斷且加工效率越低。吸塑模具吸氣孔設計為吸氣塞鑲件方式。吸氣塞高度設計為5～8 mm，方便鉆孔加工。模具日常維護清理吸氣孔積碳可以直接拆卸吸氣塞進行清理。

從產品尺寸穩定性考慮，避免材料冷卻收縮過大導致尺寸不符，吸塑模具在型腔周圈設計直徑為10 mm的半圓吸塑槽。在產品冷卻過程中，通過吸塑槽限制產品過度收縮（如圖5所示）。

圖5 吸塑槽設計

3 生產工藝介紹

3.1 工藝流程

汽車輕量化XPE風管生產工藝流程如下：加熱烘料→吸塑成型→焊接→氣密檢測→切口→檢驗。

3.2 加熱烘料

吸塑成型工藝常規的加熱方式有陶瓷加熱板加熱和鹵素燈管加熱兩種方式。陶瓷加熱板主要是靠熱傳導，熱效率高，但升溫時間長，有燒料的風險。鹵素燈管主要靠熱輻射方式加熱，具有可瞬間加熱、加熱不氧化、使用壽命長等特點。XPE材料采用鹵素燈管加熱方式熱穿透能力較強，并且可以根據不同加熱部位進行可控調整，建議XPE材料采用鹵素燈管加熱方式加熱烘烤。

3.3 吸塑成型

汽車輕量化XPE風管吸塑機成型流程：由操作人員將卷材料放入自動上料機構，由機構將材料送入設定好尺寸的大梁導軌中。按啟動按鈕，加熱爐自動移至加熱區，上加熱爐開始對片材進行按工藝要求設定的溫度加熱。加熱好的材料由導軌自動拉到吸塑成形工位，模具抽真空產品負壓吸塑成形。產品冷卻通過模具的冷卻裝置冷缺和吸塑成型設備上的風冷裝置同步進行。冷卻后的產品再由大梁軌道拉到固定收料框切刀位置，切刀把每模產品進行橫切，通過皮帶輪自動輸送到收料箱內。

為了保證吸塑產品的壁厚均勻性，吸塑成型前通過輔助模具把材料擠到模腔內，再通過抽真空把烘烤軟化的XPE吸附到模腔內。為保證產品吸附到位，真空壓力要達到 0.6～0.8 MPa。可通過產品表面的永久性標識清晰程度判斷風管是否成型到位。

3.4 焊接

XPE空調風管的焊接一般采用鹵素燈管加熱方式的熱板焊接工藝，加熱燈管需按焊接邊的造型定制。為了保證批量生產合格率，需在批量生產前對燈管連續預熱5 min，按經批量驗證設定的加熱時間、加熱距離及冷卻時間等工藝參數進行生產。焊接工序作業順序如下：①把兩片風管產品放到對應的模具型腔內，設備自帶的吸附系統自動將產品牢固地吸附在焊接模具上；②仿形鹵素加熱管通過伺服電機驅動進到上下風管之間加熱；③加熱完成后鹵素加熱管退出，上下模合模熱壓成型；④按工藝要求冷卻后開模取件。

焊接工序主要存在焊接不牢和焊接卷邊等問題。焊接不牢主要原因是焊接邊的焊接溫度達不到要求，可以從增加加熱時間和燈管到焊接邊的距離進行調整和驗證。焊接好的產品冷卻后可以通過手撕焊接邊進行破壞測試，確認焊接邊是否是基材破壞，確保焊接合格。焊接邊卷邊主要原因是材料加熱后卷曲，可通過對焊接邊抽真空吸附或者對焊接邊進行固定限位解決。

3.5 氣密檢測

氣密檢測是檢驗風管產品是否焊接牢固或者局部是否有虛焊的一種檢測手段。結合汽車內空調實際設計的風量及壓力數據，通過設定氣密檢測儀的檢測參數確認XPE風管是否有局部漏氣的缺陷。即通過氣密檢測儀從零件的一側通入500 Pa壓力的空氣，經過充氣—平衡—檢測3個階段，檢測氣體泄漏量。檢測壓力為500 Pa，氣體泄漏量≤ 27.7 L/min（2 kg/h），該檢測方式可以規避虛焊的風險。XPE風管漏氣屬于功能缺陷，建議氣密檢測作為全檢的生產檢驗工序。

3.6 切口

汽車輕量化XPE風管焊接后還是處于一個密閉狀態，與出風口裝配的管口需按規定的尺寸切割開口。可制作專用靠模進行精準定位，直線導軌導向到帶鋸上切割。

3.7 檢驗

性能方面，重點檢驗焊接強度，可以直接手撕焊接邊，如果是基材破壞即可滿足焊接性能要求。尺寸方面，通過檢具檢驗管口尺寸和風管外形尺寸，確認是否成型到位。外觀方面，重點檢驗表面刮傷、碰傷、表面泛白、褶皺、無印紋、標識是否清晰等外觀問題。

4 汽車輕量化XPE風管成型常見缺陷及其解決方法

汽車輕量化XPE風管成型過程一般會出現焊接不牢、焊接錯位、褶皺、破洞等缺陷，對生成過程出現的缺陷進行分析及解決（見表1）。

表1 汽車輕量化XPE風管成型常見缺陷及其解決方法

5 結束語

通過對汽車輕量化XPE風管的產品性能、結構和工藝研究發現，與達到相應要求的HDPE吹塑風管對比，其重量減輕超過80%，保溫性能提升10倍，降噪性能提升15%。XPE屬于發泡材料，可以取消原HDPE吹塑空調風管，防止結露需要粘貼保溫海綿，達到高性價比的目的。該工藝在一流主機廠如“大眾”“奔馳”“寶馬”，新能源汽車主機廠如“特斯拉”“蔚來”“比亞迪”已經得到較廣泛的應用。