纤维增强塑料尾门设计制造技术研究

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）.