唐运军 刘晶 彭丹
摘 要:近年来轻量化技术已成为汽车节能减排的关键技术之一,而塑料尾门的开发运用则是汽车轻量化设计的新趋势。复合材料注塑成型是车身内外饰零件广泛采用的成型制造工艺。本文以某车型尾门为研究对象,对复合材料尾门设计和制造技术进行深入研究,包括模具结构设计,产品变形控制,成型CAE分析,模具制造分析;阐述了尾门内外板模具设计中的关键控制点,对复合材料尾门应用具有一定的指导意义。
关键词:纤维增强复合材料;塑料尾门;模流分析;模具设计
1 引言
随着汽车行业的快速发展,消费者对汽车的可靠性、安全性、舒适性提出了更高的要求,这就要求在汽车设计中采用各种新型的结构和材料,在减轻质量的同时保证其强度、刚度等性能要求。其中一个研究热点就是塑料尾门[1][2]。戴姆勒奔驰汽车在奔驰A级和SMART品牌车型上,率先应用了塑料尾门和翼子板,实现了显著的减重效果[3]。
本文将从纤维增强塑料尾门模具设计、注塑分析、模具制造等方面对塑料尾门的制造过程进行详细的阐述,并对设计制造过程中的关键注意事项进行了分析总结。
2 塑料尾门总成结构设计
本文研究的尾门总成分为内板、外板及加强板三部分,图1为尾门总成件。总成尺寸145mm×1197mm×878mm。
图2左右所示分别为尾门内、外板。内板尺寸145mm×1197mm×874mm,材料选用PP-LGF40,缩水1.003;外板尺寸63mm×891mm×530mm,材料选用PP-T30,缩水1.005。
3 塑料尾门模具结构设计
尾门内外板模具无滑块斜顶以及其他抽芯结构,为典型2板模模具;根据产品的尺寸大小、模具封胶位大小以及模具零配件布置空间大小,确定外板模具大小为1700mm*1200mm*800mm,内板模具大小为1700mm*1200mm*942mm,内外板注塑成型所需的合模力为1600吨。尾门内、外板的前后模具如图3、4所示。
为了确保尾门内板的刚度和强度,内板模具设计时,背面布置了相当数量的加强筋以及柱位,其中14个柱位需要镶嵌螺母,与产品一起成型。为使产品脱模顺畅,对所有加强筋都进行拔模1度处理;为防止柱位因胶厚导致缩水,对柱位根部增加火山口处理,如图5所示。
模具冷却系统内外板均采用水路加水井进行冷却,如图6所示。
另外,由于外板对外观有较高要求,喷涂面不能看到顶针印痕,故外板模具采用頂块加顶针配合顶出,内板模具采用顶针顶出,如图7所示。
4 塑料尾门内外板成型分析
注塑成型CAE仿真分析的流程主要分为三个部分:仿真前处理(仿真模型的准备)、数值仿真分析(基于仿真的工艺参数优化)和仿真结果后处理(结果分析讨论)。目前,应用最广泛的注塑模流分析软件是Autodesk公司的MoldFlow。数值模拟分析流程如图8所示:
4.1 尾门CAD模型的导入
汽车尾门内外板的三维CAD建模,实用UG NX软件进行。为了进行模流仿真分析,需要将NX中的CAD数据进行转换,以IGES数据格式导入Mold Flow中。
4.2 网格划分
目前Mold Flow分析只支持Midplane网格和3D网格两种网格划分方式。
4.3 尾门模流分析
(1)确认零件基本信息
尾门内板基本信息如表1所示。尾门内板材料为PP-LGF40,外板材料为PP-T30,其力学性能可以满足尾门要求[4]。对内外板进行壁厚分析,壁厚均匀,如图9和10所示。
(2)进浇口选择
进浇口的数量和位置以及采用什么进浇方式,有无顺序进浇等,这些直接影响产品能否成型。根据对尾门内外板结构的分析,拟对尾门内板10点热流道进胶,尾门外板5点热流道进胶,如图11和12所示。内板热流道直径18mm,浇口大小6mm;外板热流道直径16mm,浇口大小4mm。
(3)模流分析参数设置
根据材料物性,设置模流分析参数。尾门内板模流分析参数如表2。
(4)模流分析结果
根据尾门内外板模流结果分析,存在熔接线和缩痕的问题,可以通过提高流动波前温度以及适当增加注射保压来改善。通过内外板模流分析可以看出,外板的翘曲变形不是很大,在产品组装过程中可以通过粘胶固定。内板的翘曲变形需在模具上做预变形处理,将模具数据往变形的反方向设计。建议参考分析结果在产品结构数据上做一半的变形量,并在模具设计上要考虑模具修改的难易程度做考量,在做预变形的位置上按照镶块(如图14)的形式做[5],这样后期继续调整变量时,可以较快完成,且不影响模具的实际开发进度。
5 尾门工装及检具设计开发
5.1 工装设计开发要点
工装包含多个方面,有辅助产品装配的胎具,也有产品直接装配的工装,是产品开发过程中必不可少的工具。
工装设计开发关键包括以下三点;
1)工装台面的定义尽可能考虑通用性:工装台面的尺寸,有效活动尺寸在设计开发前期需考虑好使用的范围,以最大程度保证投入的重复使用;
2)工装胎具拆换的便利性:通过内部胎具的更换,做到一物多用;
3)工装底座考虑拆换以及移动的便利性,必要时增加万向轮,方便工装场地运转。
4)胎具的开发需要多方位调试,除组装后需要进行三坐标检测确认,好需要将工件进行测试,以保证工装开发的准确性。
5.2 检具设计开发要点
多功能型检具开发:通过产品需要检测的位置及要求,合理设置检具开发方式,主要将分件与总成件的检具开发进行合并:
1)根据所测分件产品的定位,合理布局产品的测量机构;
2)增加总成产品的定位及检测方式,避开分件测量机构;
6 总结
本文对纤维增强塑料尾门的设计制造、成型分析,模具设计制造等进行了全面的阐述。纤维增强塑料尾门设计制造关键点有以下几方面:
1)前期的产品设计和制造工艺分析:尾门结构的前期设计,需要充分考虑后期的制造工艺要求。在满足产品结构力学性能要求的前提下,尽量简化产品和模具结构,避免多余的成本浪费;
2)模具结构设计:模具的设计源于制造经验,根据多项经验积累和横向对比,以及资源考察等为结构设计做好了铺垫。
3)产品开发经验:通过量产制造积累的经验,对于模具材料的选择以及成型的影响可以进行预判定。
项目资助信息:
柳州市科学研究与技术开发计划(柳科计字2017第19号)资助项目。项目名称:汽车纤维增强塑料覆盖件设计制造关键技术研究与产品开发(2017AA10104)
项目资助信息:
湖南省创新型省份建设专项资助项目,项目名称:新能源汽车复合材料零部件研发及智能制造示范平台建设项目(2019XK2104)
参考文献:
[1]邵萌,王燕文.长玻纤增强材料在汽车塑料尾门中的应用[B].工艺材料,1674-1986(2016).
[2]冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J].汽车工程,2006,28:213-220.
[3]丘国华,任侃磊,杨亭福.车身轻量化技术路径发展研究[N].上海汽车报,2015(6).
[4]庄辉,刘学习,任璞等,长玻纤维增强聚丙烯复合材料的力学性能比较[J],塑料工业,2007(4).
[5]俞瑗权,SMC在乘用车开闭件上的轻量化设计运用[J].上海汽车,2013(9).