来源： 模具工业
作者： 张丽丽
传统汽车门板中部插件为获得柔软效果，通常采用手工包覆或低压注射工艺制造。手工包覆工序繁杂，污染环境；低压注射工艺在注射完成后，需要修切多余的面料。目前预裁软质小面料常压合模注射工艺（PC3S）被用于汽车门板中部插件的制造，PC3S技术采用常压合模注射方式实现带有软质泡沫层的表皮与塑料骨架的复合，与手工包覆工艺相比，PC3S技术一次注射成型即可完成面料与骨架的复合，避免后续修切、翻边、喷胶、活化等工序；与低压注射工艺相比，PC3S技术实现了面料尺寸小于骨架尺寸，突破了低压注射工艺因依靠面料在模具分型面封胶而要求面料尺寸必须大于制件尺寸的弊端，避免了成型后面料的修切及清理工序，可提高约30%的面料利用率。但在制件设计阶段使用模具验证时，发现面料与制件注射成型过程中，面料严重阻碍熔体的热传递，使模具冷却时间延长，导致制件出现了严重的变形。
参考文献指出采用铝合金模具制造制件能有效减小制件的变形缺陷，因此该研究使用Moldflow软件对QC-10铝合金模具和P20钢模具在20s内对制件热传导和扩散能力的变化进行对比，探讨QC-10铝合金模具和P20钢模具对汽车门板中部插件变形的影响，解决熔体因热传递导致的制件变形问题。
1.制件材料选择
图1 轿车门板中部插件
图1所示为汽车门板中部插件，制件壁厚2mm，外形尺寸664mm×273mm×75mm。
基板及面料材料如表1所示，PP-TD20收缩率为1%。
2.Moldflow分析
图2 压力曲线
表2所示为Moldflow分析时设定的主要工艺参数，图2所示为压力曲线，时间设定为10s，共分2个阶段：1~4s为保压阶段，压力保持在35MPa；4~10s为释压阶段，压力由35MPa降至0。
3.模具设计
图3 模具结构
1.动模座板 2.热流道板 3.垫块 4.推板 5.推杆固定板 6.动模板 7.动模型芯 8.锁紧块 9.定位块 10.定模型芯 11.定模板 12.定模座板 13.定位圈 14.平行块 15.推杆 16.推杆导套 17.推杆固定块
模具结构如图3所示，模具采用倒装结构，型腔设计在动模侧，型芯及热流道、顶出机构等设计在定模侧。型芯采用镶拼结构，镶件与钢质镶架采用楔形锁紧块固定。
图4 流道与冷却水道
图4所示为流道与冷却水道模型，其中2为流道，1、3分别为型腔板和型芯冷却水道。
1.模具材料对制件成型时热扩散影响
图5 模具材料对制件温度的影响
图5所示为QC-10铝合金和P20钢模具成型时对制件温度的影响。结果表明：QC-10铝合金模具型芯侧制件最高温度为38.21℃（见图5（a）），而P20钢模具型芯侧制件最高温度为65.36℃（见图5（b）），二者对制件温度差异的影响达27℃。QC-10铝合金模具型腔板侧制件最高温度为62.17℃（见图5（c）），P20钢模具型腔板侧制件最高温度为68.38℃（见图5（d））。但QC-10铝合金模具型腔板侧制件的温度热点主要分布在与热流道热嘴接触区域，其余温度则控制在40℃以内。除热嘴接触区域外，P20钢模具型芯、型腔板侧制件温差小于8℃（见图5（f）），而QC-10铝合金模具型芯、型腔板侧制件温差小于3℃（见图5（e）），相对于P20钢模具成型的制件表面温差小5℃。
图6 制件达到顶出温度所需时间
图6所示为不同模具零件材料对制件顶出温度的影响，当模具零件材料为QC-10铝合金时，顶出制件时间为19.17s（见图6（a））；当模具零件材料为P20钢时，顶出制件时间为21.39s（见图6（b））。QC-10铝合金模具顶出制件的时间比P20钢模具少2.22s，如果生产节奏为45s，则生产效率可提高5%，能够降低成型周期和生产成本。由傅里叶定律可知，单位时间内通过单位截面积所传递的热量与热导率λ和垂直于截面方向的温度变化率成正比。
对于模具零件和制件间热力系统，与外界能量交换是通过边界传递热量来实现，表3所示为QC-10铝合金与P20钢热力学性能数值。从表3可以看出，QC-10铝合金材料的热传导率、热扩散率及热膨胀性能明显高于P20钢材料。由式（1）可知，铝合金模具更有利于模具零件与制件之间的热量传递，因此QC-10铝合金能更合理地控制模内温度，使模内温度均匀。由于型腔板内壁表面温度分布的均匀性直接影响制件质量和尺寸精度，降低模内温度差异，从而降低残留应力，使QC-10铝合金模具能更好地保证制件成型质量。
2.模具材料对制件变形量的影响
根据上节分析可知，QC-10铝合金和P20钢模具对制件成型温度、冷却速率有影响，而成型温度、冷却速率将会导致制件变形量不同，因此需对不同模具零件材料对制件变形量的影响进行分析。
图7 冷却不均对制件变形的影响
首先分析在冷却不均条件下，QC-10铝合金和P20钢材料对制件变形量的影响，如图7所示。从图7（a）中可看出，QC-10铝合金模具对制件变形影响最大为0.0635mm，P20钢模具对制件变形影响最大为0.2914mm（见图7（b）），二者变形量均很小，可以忽略不计。
图8 收缩差异对制件变形量的影响
图8所示为QC-10铝合金模具和P20钢模具因收缩差异对制件变形量的影响。QC-10铝合金因收缩差异对制件变形量的影响为3.234mm（见图8（a）），P20钢模具因收缩差异对制件变形量的影响为3.845mm（见图8（b））。二者因收缩差异对制件变形影响较大，可见导致制件变形的主要原因为收缩差异，但QC-10铝合金模具成型的制件的变形量比P20钢模具成型的制件的变形量小0.611mm。
图9 主要因素对制件X、Y、Z方向变形量的影响
为进一步研究不同材料的模具零件对制件变形量的影响，从冷却不均、收缩差异和拐角效应等共同作用下对制件X、Y、Z三个维度进行了模拟分析，如图9所示，分析结果总结于表4。从图9和表4可以看出，QC-10铝合金模具对X、Y、Z方向上制件变形量的影响均小于P20钢模具。结果验证3由上述分析可知，采用QC-10铝合金材料的模具成型汽车门板中部插件，制件变形量小于采用P20钢模具成型的制件。为验证Moldflow分析结果，对QC-10铝合金模具成型的门板中部插件进行白光扫描，并且与理论3D数模进行对比，拟合分析结果如图10所示。
（a）门板中部插件
（b）白光扫描拟合分析
图10 门板中部插件和白光扫描拟合结果
图10（b）中灰色区域表示制件外形尺寸与3D数模一致，端部深色区域表示制件外形尺寸出现了正偏差，四周浅色区域表示制件外形尺寸出现了负偏差，颜色越深，表明偏差增大。从图10（b）可以看出，制件芯部区域的尺寸与3D数模有较好的拟合，变形较小，边缘处制件的变形较大，最大变形量为2mm，这与Moldflow分析结果一致。表5为制件未注公差尺寸的极限偏差，门板中部插件的尺寸为664mm(X方向)，公差要求为±2mm，因此采用QC-10铝合金模具成型的制件能够将外形尺寸控制在公差范围。
采用QC-10铝合金模具制造门板中部插件能较好地控制制件的变形量，但QC-10铝合金作为模具零件材料仍有其局限性。通常在注射过程中，模具长时间使用或者制件造型和结构等更改后会对模具进行调修，一般情况下采用传统的焊接技术。由于铝合金的热扩散率和热膨胀系数高，在焊接中产生连续的熔解区比较困难，焊接变形大，凝固时容易产生龟裂，会使铝合金模具产生焊后缺陷，对成型制件质量造成影响。目前对此问题的解决方案是采用镶件低温嵌入技术（freeze plug repair），即利用热胀冷缩的原理，在温度为-30℃时嵌入镶件，在室温时镶件将会膨胀，进一步对模具进行修复。从生产现场反馈信息可知，采用此方法修复后的模具结构牢固，能够较好地解决模具维修问题。
▍原文作者：张丽丽，张继堂，战磊，于云波，李红，何金光
▍作者单位：长春富维-江森自控汽车饰件系统有限公司
转载来源：本文转载自模具工业公众号。
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