汽车行李箱面板模压成型模具设计及其成型工艺参数优化研究

唐凌霄

（安徽中鼎动力有限公司，安徽 宣城 241000）

模压成型工艺具有模具结构简单、生产效率高、产品尺寸精度高等优点，是汽车内饰件主要加工方法之一，国内外学者对塑料件的注塑成形性能，以及影响成型过程的各种因素做了大量的理论实验，但对塑料件的模压成型研究不多，导致汽车内饰件模压成型模具设计水平落后，成型工艺参数基本由经验制定，无法保障内饰产品的质量，且容易造成人力物力浪费。因此如何解决以上问题成为内饰行业的首要任务。文献[1]利用Moldflow 注射成型分析功能，完成了模具动模部分的结构分析并得到了合理的结构方案，并将获得的温度和压力结果导入ANSYS 中，运用ANSYS 模拟模具的加热过程，分析模具的应力应变状况，但并未深入研究最佳压力和温度组合，不能获得最佳的成型工艺参数，并且未进行正交试验，数据不能进一步验证。文献[2]进行了正交试验，分析了成型温度、成型压力、保压时间和冷却速率四个工艺参数对板材性能的影响，确定最佳的成型工艺参数，但是并未分析加热时间对模压成型的影响，并且没有对得到的工艺参数进行进一步优化。文献[3]为求得PEEK 最佳的成型工艺参数，设计完成了正交试验，工艺参数为加热温度及加热时间，分别取三个水平，虽然作者进行了正交试验，但是并未考虑压力和保压时间对模压成型的影响。本文设计了模压成型模具，设计并完成了正交试验并对试验结果进行极差分析，求得评价指标最优时对应的工艺的参数组合。

1 汽车行李箱面板模压成型模具设计

通过分析了行李箱面板模压成型过程的受力状态，计算得到了模压压力，以及对行李箱面板零件的收缩率和模具分模面的分析，完成了模压模具的凹凸模、料框、导向机构和模架的设计。

1.1 汽车行李箱面板模压成型总体结构方案

行李箱面板从模具中取出后，在冷却到室温的过程中，由于材料热胀冷缩的特性，行李箱面板的实际尺寸会略有回缩。

根据生产总结，行李箱面板收缩率为1%。根据模具要求创建行李箱面板凹、凸模实体，该实体长1305mm、宽648mm、高239mm。由分型面分割凹凸模实体，并将分型面上下移动25mm 切割凹凸模实体得到厚度为25mm的凹凸模。

为防止在成型过程中片材发生失稳起皱，在模具中设置了料针及料框。料针穿透片材，将四周固定，从而避免了片材起皱的问题。并且设计了模具料框来配合料针的使用，料框上下对齐，防止片材从料针上滑出，也能够有效分散片材的水平力，如图1。

图1 行李箱面板料框

行李箱面板模具的导向机构包括导柱及导套，导向机构能够使合模过程精准无误，减少合模过程中的模具侧压力，防止模具受到损坏，延长模具使用寿命。本文零件较大，精度要求高，因此选择四根导柱，如图2。

图2 行李箱面板导柱布置

1.2 汽车行李箱面板模压成型模压力计算

过去是由经验公式得到的模压压力，行李箱面板模压成型压力计算公式[1]为：

式中：PZ-垂直方向压力，MPa；PX-水平方向压力，MPa；X-面板长度尺寸，mm；Z-面板高度尺寸，mm；n-幂律指数。

行李箱面板长度X=1305mm，高度Z=239mm，取n=1，PX=2kPa，由式（1）得出行李箱面板模压成型模压压力为11MPa。

1.3 汽车行李箱面板模具冷却系统研究

模具材料为金属，冷却方式为水冷，将冷却水循环于模内预设的冷却水道即可进行冷却。冷却水道分布在加强筋之间，通过铆钉固定在凹凸模表面。冷却水道离行李箱面板表面较近，能够很好地实现冷却，如图3。

图3 模架冷却水道分布

由冷却水流量与水道直径的关系，可确定冷却水道直径d=16mm。冷却水道的间距l 为1.7d≤l≤3d。孔的大小根据模具或模具型腔大小而定。由于产品尺寸较大，冷却水道间距设定为3d，即48mm，圆整后为50mm。

2 汽车行李箱面板模压成型正交试验研究

本文正交试验水平因素达到四个，在多个重要因素同时变化的条件下，最有效的设计方法就是正交试验。要完成正交试验，需要确定行李箱面板模压工艺参数，确定水平因素及评价指标，试验完成后对试验数据进行极差分析，求得评价指标最优时对应的工艺的参数组合。

2.1 汽车行李箱面板模压成型正交试验条件

（1）试验设备

本次行李箱面板模压成型正交试验针刺PET+PP 复合材料。

行李箱面板烘箱有效尺寸：深1900* 宽2530* 高500mm，温度范围：10～300℃，设备加热功率：36kW，箱体外部1.2mm 冷轧板，内胆采用1.2mm304 不锈钢板，耐火性能好，隔音较好。行李箱面板模压成型模具本体采用45#铸钢，重量为两吨，使用寿命可达30 万套。冷却方式为水冷，水管间距80mm，模温小于8～10℃。模具进压机方式为叉车叉脚方式。固定方式为压机台面压板槽固定，压板槽宽度：30mm，间隔：300mm，偶数排列。

行李箱面板模压成型压机采用YMG32-315 四柱液压机。

（2）试验过程

首先将原材料放进烘箱进行加热，加热结束后的原材料放入模压模具中，用料针将材料固定并保压。达到保压时间后，取出成品，并去除飞边，放在半成品区冷却至室温，反复操作，直至得到16 组正交试验表。

2.2 汽车行李箱面板模压成型水平因素

影响模压成型的主要水平因素为加热温度、加热时间、模压压力和保压时间。查阅相关文献资料并结合实际生产情况，四个因素水平的取值如表1 所示。

表1 正交试验的因素水平表

2.3 汽车行李箱面板模压成型正交实验评价指标

行李箱面板产品的主要缺陷为开裂、起皱、收缩。由于这三个缺陷测量难度较大，且无法量化表示。本文分别用最大变薄率、最大增厚率及收缩率进行代替。

由于正交试验有三个评价指标，无法同时使三个指标都达到最优，因此，可以采用综合加权评分法，获得综合评价指标最优的产品。

2.4 正交试验方案设计及结果

行李箱面板的正交试验方案和三个评价指标的测量结果如表2。

表2 行李箱面板模压成型正交试验方案和结果

2.5 正交实验结果分析

采用综合评分法对汽车行李箱面板模压成型试验结果进行分析，并对正交试验结果进行极差分析，得到了各因素对评价指标的影响程度，以及评价指标最优时对应的工艺参数组合。其16 组试验结果评分如表3。

根据综合评分法的结果可知第8 组评分最高，即第8 组评价指标最优，对应的工艺参数组合为A2B4C3D2。当加热温度为200℃，加热时间为70s，保压压力为11kPa，保压时间为40s 时，最大收缩率为28.0880%、最大增厚率为44.3264%、收缩率为0.8901%。

3 结论

（1）对行李箱面板模压成型过程的受力情况进行了分析，确定行李箱面板零件的收缩率、模具的分模，完成了凹凸模设计，设计出了行李箱面板的模压成型模具，对行李箱面板模压成型进行热分析，设计了模具冷却系统。

（2）确定设计并完成了正交实验，并利用综合评分法对正交试验结果进行了分析，得到评价指标的最优时的工艺参数组合。

（3）对试验结果进行数据处理分析，得到制件模压成型最佳工艺参数组合。

表3 行李箱面板模压成型正交试验综合评分结果