莊百亮， 徐 清， 韓賢勝， 吳 強(qiáng)， 陳欣呂， 朱文杰

（1.機(jī)械科學(xué)研究總院江蘇分院有限公司，江蘇 常州 213164；2.意特利（滁州）智能數(shù)控科技有限公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

頂蓋作為消費人群直接接觸到的外覆蓋件， 品質(zhì)要求較為苛刻，成型難度較大[1]。為了順應(yīng)當(dāng)下汽車輕量化設(shè)計的趨勢[2]，在保證頂蓋使用強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合材料代替鈑金材料，進(jìn)行輕量化設(shè)計[3]。然而，復(fù)合材料在汽車行業(yè)中的大批量應(yīng)用受到生產(chǎn)成本和效率的制約[4-5]，復(fù)合材料制件成型涉及多方面的工藝技術(shù)， 包括模具設(shè)計與制造、工藝優(yōu)化等，其中，模具結(jié)構(gòu)和尺寸精度對制品成型質(zhì)量和效率影響很大[6]。

本文針對奇瑞某車型頂蓋零件， 通過分析其結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計開發(fā)出碳纖維材質(zhì)零件，并結(jié)合濕法模壓成型工藝技術(shù)特點及成型節(jié)拍要求（5min/件），開發(fā)制造出涵蓋兩個下模的頂蓋模具。

1 零件與工藝分析

圖1 所示為奇瑞某車型頂蓋零件， 其外形尺寸為1319mm×1083.95mm×89.63mm，壁厚為2mm，成型節(jié)拍要求為5min/件。 基于模壓成型具有可重復(fù)性好、效率高、質(zhì)量可靠等優(yōu)點[7]， 而頂蓋尺寸精度和表面精度要求較高， 本文通過設(shè)計開發(fā)出碳纖維頂蓋模壓成型模具，生產(chǎn)制造出符合要求的碳纖維頂蓋零件。模壓成型過程如圖2所示。

圖1 頂蓋零件圖

圖2 濕法模壓成型過程

2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 型芯、型腔設(shè)計

在模具設(shè)計過程中，劃分凹、凸模分模面時主要考慮到碳纖維布放置的難易程度、 定位的方便和可靠性等[8]。因頂蓋為雙拱形且采用濕法模壓工藝成型， 在零件成型前需要鋪上纖維布并噴涂液體樹脂，若采用圖3（a）方式放置零件，零件頂部液體樹脂會流向底部，導(dǎo)致頂部出現(xiàn)缺膠的現(xiàn)象，采用圖3（b）方式放置，零件四邊的液體雖仍會流向底部中心處， 但能夠通過上模將零件底部中心處的液體樹脂壓向四周，保證零件正常成型，具體型芯、型腔結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示。

圖3 凹凸模設(shè)置與型芯、型腔結(jié)構(gòu)

2.2 熱膨脹補償分析

在固化過程中，隨著溫度的升高，模具會膨脹而使尺寸增大；在固化完成后降溫的過程中，模具和固化好的制件都會收縮，但如果模具材料與復(fù)合材料制件的熱膨脹系數(shù)不一致，就會導(dǎo)致制件和模具尺寸有偏差、制件變形等問題[8]。 因此，在選擇模具材料時，要綜合工藝、經(jīng)濟(jì)適用性等對模具材料作出選擇[7]。 常用的模具加工材料及其線膨脹系數(shù)如表1所示。

表1 材料的線膨脹系數(shù)

通過綜合工藝、 經(jīng)濟(jì)適用性等要求， 本模壓模具采用P20 材料。 考慮到P20材料與碳纖維材料的線膨脹系數(shù)差異較大，因此，在模具設(shè)計過程中要考慮結(jié)構(gòu)補償，模具的熱膨脹補償為，

式中：Xm—模具尺寸；Xp—制品尺寸；αm—模具熱膨脹系數(shù)；αp—制件熱膨脹系數(shù)；Tgel—凝膠溫度；Tuse—使用溫度；Sr—樹脂收縮率。

將上述各參數(shù)代入式（1）中，即可求得模具的尺寸。

2.3 加熱、冷卻系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計模具的加熱、冷卻系統(tǒng)時，管道中心位置距離型腔表面最小允許間隔為1.7d（d 為管道直徑），最大為3d[9]，距離太近則使型腔壁面溫度不勻，當(dāng)型腔內(nèi)壓力大時，會使正對管道的型腔壁面壓潰變形。

如圖4 所示，本模壓模具的加熱、冷卻管道采用四進(jìn)四出的形式，管道直徑均為19mm，由于零件為雙拱形，若采用普通直通式管道只能對頂部進(jìn)行加熱冷卻， 對其他區(qū)域的加熱冷卻效果不佳， 因此本模具還設(shè)置了加熱冷卻水井， 其冷卻水井直徑為28mm， 各管道之間距離為52mm。 管道均勻分布，有利于提高加熱、冷卻效果。

圖4 加熱、冷卻系統(tǒng)

2.4 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）頂出結(jié)構(gòu)。 本模具頂出系統(tǒng)位于模具下模，為了保證零件能夠平穩(wěn)頂出，在零件周圍余料上共設(shè)置了10個Ф16 的頂桿，以防止直接頂在零件上，損壞零件外觀。頂桿大端上設(shè)有密封圈，以增強(qiáng)頂桿與型腔之間的密封性， 防止液體樹脂被壓入頂桿與型腔配合的間隙中液體樹脂固化而導(dǎo)致零件頂出困難， 具體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 頂出結(jié)構(gòu)

（2）排氣結(jié)構(gòu)。根據(jù)濕法模壓成型工藝特點，模具需要鋪設(shè)纖維布和噴涂樹脂，合模后，需進(jìn)行抽真空，抽出腔體內(nèi)多余氣體，以防止纖維布之間出現(xiàn)氣泡，影響零件質(zhì)量，因此在型芯上設(shè)置了兩個排氣管道，如圖6 所示。

圖6 排氣結(jié)構(gòu)

（3）溢流結(jié)構(gòu)。 為了保證零件的成型質(zhì)量， 在成型前應(yīng)準(zhǔn)備足量的液體樹脂，當(dāng)型芯型腔壓向纖維布與樹脂時， 多余的樹脂流入溢流槽中， 溢流槽設(shè)置在零件周圍一圈，如圖7 所示。

圖7 溢流結(jié)構(gòu)

3 零件試制

在模具加工完成后，進(jìn)行頂蓋零件的試制，并根據(jù)試制結(jié)果進(jìn)行模具修正，直至試壓出合格的零件[10]。

（1）碳纖維布鋪層確定。 通過有限元軟件，對頂蓋模型進(jìn)行模擬分析，確定最佳鋪層層數(shù)為6 層。由于汽車頂蓋在使用時將受到多個方向的作用力， 所以僅靠一種方向的纖維布無法滿足碳纖維汽車頂蓋對力學(xué)性能的要求。 因此，在滿足碳纖維布層數(shù)和厚度要求的基礎(chǔ)上，通過實驗，最終確認(rèn)采用[1 層方格布/2 層±45°經(jīng)編布/1 層平紋布/1 層±45°經(jīng)編布/1 層平紋布]的鋪層方式。

（2）浸漬溫度確定。 由文獻(xiàn)可知[11]，浸漬溫度為40℃時，樹脂浸漬纖維布的效果較好，樹脂可以滲透到下層纖維布中，此時更容易生產(chǎn)出質(zhì)量良好的產(chǎn)品。

（3）零件試制。 在零件試制過程中，發(fā)現(xiàn)零件有時能夠頂出，有時頂出困難。 通過分析發(fā)現(xiàn)，這是因為頂蓋零件表面與型腔接觸區(qū)域大形成負(fù)壓導(dǎo)致的。因此，通過在下模增加2 處油缸氣門，破真空吹氣，使頂出問題得到解決，如圖8 所示。

圖8 零件問題及解決方案

經(jīng)過多次試驗優(yōu)化， 生產(chǎn)出符合要求的碳纖維汽車頂蓋如圖9 所示，生產(chǎn)節(jié)拍為4 分56 秒，滿足生產(chǎn)要求，這表明本模具設(shè)計方案是可行的。

圖9 合格零件

4 結(jié)論

本文通過對碳纖維汽車頂蓋模壓成型模具的型芯、型腔、加熱、冷卻系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)濕法模壓成型原理，試制出碳纖維汽車頂蓋零件。針對試制過程中發(fā)生的零件頂出困難問題，對模具進(jìn)行修正，最終制得質(zhì)量合格的頂蓋產(chǎn)品，且生產(chǎn)節(jié)拍控制在5min 以內(nèi)，表明模具結(jié)構(gòu)與工藝可靠。