汽车尾门模压模具设计

彭 河，王少峰，贾志欣

（1.宁波益普乐模塑有限公司，浙江 宁波 315600；2.浙江大学 宁波理工学院，浙江 宁波 315100）

1 模压成型工艺简介

片状模塑料（sheet moulding compound，SMC）模压是指将片材按制品尺寸、形状、厚度、质量等要求裁剪下料，然后将裁剪的材料层叠放入已加热的金属模具型腔内，按预先设定好的加压方式固化成型的过程。

模压成型工艺是成型SMC的主要方法，通过模压模具与压力机配套进行。纤维增强的SMC经过裁剪后，铺层装入加热的模具下模型腔或加料室内，模具在压力机上进行合模加压，型腔内的模压料在温度和压力的作用下熔融并充满型腔，发生聚合反应使之固化成型，得到所需要的模压制品。模压成型的制品广泛应用于汽车、建筑、通讯工程、电子、电气等行业，随着近年来新能源汽车行业的高速发展，汽车轻量化需求越来越多，汽车零部件的模压模具需求日益增多[1，2]，模压模具的结构如图1所示。工作时，上模下行，上凸模5进入下模加料腔4，使其中的SMC在压力下受热熔融、流动、充满型腔并交联固化成型，然后开模，侧型芯21抽出，最后推出机构通过推杆12将制品推出脱模。

模压模具的结构与注射模结构类似，区别如下。

（1）由于模压成型为直接向型腔中加SMC，不需要浇注系统，而是在型腔之上增加加料腔，造成型腔结构的变化。

（2）模压成型热固性树脂基复合材料时，模具温度必须高于材料的交联温度，因此需要对模具加热，通过上模板2和支承板11上的加热装置分别对上、下模进行加热。模压成型热塑性树脂基复合材料时，在型腔板周围开设温度控制通道控制型腔温度，通入蒸汽或热油进行加热，也可以通过电加热方式进行加热。

图1 模压模具结构

由于复合材料的模压成型工艺复杂，成型复合材料的模压模具的研发是近几年才开始。张鑫玉等[3]设计了复合材料螺旋桨整体模压成型模具；刘海鑫等[4]开发了碳纤维复合材料导管叶片模压模具。对于SMC模压成型，不均匀的温度场是引起残留应力和变形的根本原因[5]，模具设计时必须考虑排气系统[6]，现结合SMC汽车尾门成型阐述模具设计的要点。

2 SMC汽车尾门特点

图2所示为玻璃纤维增强的不饱和聚酯树脂材料的SMC汽车尾门，外形尺寸为1 606 mm×1 111 mm×280 mm，是支撑整个后尾门的骨架，要求有较好的刚性。后尾门上的其他装配件都是装配或粘结到该制品上，所以制品结构复杂，存在很多的安装孔，并要求制品的尺寸稳定性好，后挡风玻璃也装在该尾门上，还要有良好的玻璃粘接性能。

传统汽车尾门是钣金经过拉深、成形、翻边、冲孔等工序后焊接才能成形，工序多、周期长，不能满足汽车轻量化、快速更新换代以及外观造型的需求。

相对于钣金加工的尾门，模压成型的SMC汽车尾门具有以下优点。

（1）刚性好，可以方便地安装铰链、锁扣等装配件。

（2）具有较好的粘接性，易于玻璃粘接。

（3）可以成型复杂的形状。

（4）尺寸稳定性好，整个制品是通过模具模压成型，SMC的收缩率小。

（5）制品一次性模压成型，生产效率高。

（6）质量轻，相对于钣金能减轻30%的质量。

图2 汽车尾门

3 SMC汽车尾门模压模具设计要点

SMC汽车尾门模压模具的外形尺寸为22 100 mm×2 060 mm×1 205 mm，如图3所示，其设计要点如下。

图3 模具结构

3.1 温度均匀性控制

SMC在模压成型时要求模具零件型面温度均匀，如果温差超过±3℃，模压的制品表面容易出现色差，另外温差大会导致模压的制品飞边不均匀。该模具采用模温机进行加热，型芯、型腔板在模具油路设计时确保油路与模具零件型面等距，并通过五轴加工中心加工加热油路，保证模具零件表面温度差控制在±2℃。

3.2 导向系统

由于汽车尾门是深型腔结构，深250～300 mm，在模具上模压时两边高中间底，当材料在模具中放好后，合模过程中会产生错位的力，对模具的导向系统要求较高。该模压模具导向分为2个部分，导柱导套保证上、下模合模时的导向，在型芯和型腔板接触后，通过模具型芯上一圈可调的耐磨块与型腔板上的槽配合导向，防止型腔板与型芯错位。

3.3 斜推组件结构

模具设有斜推结构，成型时型芯与型腔板表面温度约150℃，如采用滑动结构，斜推组件在滑动过程中容易出现卡死的情况。模具设计转动机构，如图4所示，斜推块固定在斜推座上，在推出制品时，斜推块上的下挡块与安装在下模上的上挡块接触，斜推座绕旋转轴转动，与制品分离，同时弹簧受压，制品脱模后，弹簧使斜推块复位，确保斜推组件运动顺畅、可靠，延长了斜推组件的使用寿命。

图4 旋转斜推组件抽芯

3.4 吹气结构

由于SMC汽车尾门在模压成型时，型腔内处于真空状态，设计了吹气结构，如图5所示。模具开模前引入空气进入型腔，避免开模时制品吸附在型腔壁上而导致推出困难和推出变形。液压缸固定在上模，活塞杆通过销座与活动销相连接，推管通过推管座固定在上模上，活动销在液压缸活塞杆的带动下卡在推管内移动，在推管侧壁上开设侧孔，与上模的吹气通道相连，开模时液压缸活塞杆带动活动销上移后，气体通道通过推管侧孔将气体引入。

图5 吹气结构

3.5 模具材料及表面处理

模压成型时，压强在70～100 MPa，模具零件材料要求有较好的抗变形能力，该模具的型芯和型腔板材料选取了真空熔炼的Cr-Ni-Mo合金钢3Cr2Ni-Mo。SMC一般都含有20%～30%的玻璃纤维，模压成型过程中，玻璃纤维随着材料的流动对模具零件型面产生剧烈的冲刷，因此在模具零件型面上通过电镀表面处理提高硬度、耐磨性、耐腐蚀性能，模具零件镀膜厚度为5 μm，硬度700 HV（60 HRC）。

4 模压模具和制品成型

模具实物如图6所示，已用于模压生产，模压的制品表面质量良好，尺寸稳定，装配符合要求。模压的制品如图7所示，模具设计寿命为30万模次，目前已经完成10万模次的生产。

5 结束语

汽车轻量化是实现节能环保的重要方法，针对玻璃纤维增强的SMC汽车尾门结构特点，阐述了汽车尾门模压模具的设计要点，实际应用表明，模具具有较高的模压生产效率，确保了模压制品质量，降低了制品的生产成本。

图6 模具实物

图7 汽车尾门制品