轿车内饰件热压成型模具的制造工艺

HEATS

    0 引言   
    在轿车内饰件中，诸如主地毯、行李箱侧板、行李箱地毯、衣帽架、门和顶棚等，称为软内饰件，是汽车内饰件中最为关键的部分。此类内饰件不仅要求色彩淡雅，手感柔软、舒适，同时也要求外观造型别致，因而成型过程也有其独特的一面。某公司技术人员经过多年对此类产品模具的摸索、研制和开发，已形成一整套完整的设计、制造工艺流程。从利用德国GOM公司的流动式光学扫描设备获取样件3D数据开始，运用逆向工程技术进行内饰件产品设计，到使用UG II软件进行模具设计，制定铸件浇铸工艺，最终使用日本Toshiba BTD-13R22大型四轴卧式镗铣床加工成型模具，其设计、造型、制造、工艺等技术已相当成熟。   
    1．轿车内饰件的特点   
    轿车内饰件根据不同用途，可采用不同材料制造，但每件内饰都由两部分构成：面料和骨架。面料大多为针刺地毯、簇绒地毯、布料等；骨架多采用麻纤维+聚丙烯（PP），棉纤维+聚丙烯（PP），废纤维+树脂，木粉板等。在制造过程中，面料不必加热，而骨架需预先加热软化成型，再与面料粘合，冷却成型。同时为追求内饰件高雅的气质，面料一般采用浅色材料，因此成型后不能有任何污迹粘附。而且就地毯、行李箱侧板、轮罩这些内饰件的形状而言，外形尺寸较大，型面都为自由曲面，难以用传统二维图纸描述，型面起伏多变，高低落差悬殊。综合以上特点，传统的模具设计、制造工艺无法满足产品成型要求。   
    2．模具特点   
    根据以上产品的特点，成型模具不能采用常规的钢质材料，同时要求模具材料除了达到基本硬度外，还要求具有导热性好、不生锈的特点。综上所述，我们选用铝合金作为模具材料。成型过程参照金属覆盖件拉延过程，模具没有贴合的分型面，在模具成型部分外留出类似压料圈的延伸面，用来固定面料，同时在成型面以下相同距离采用水管冷却法，加快产品定型固化。   
    3．模具设计   
    3．1 源数据类型   
    在内饰件模具设计前，首先要得到产品的三维数据模型，根据当前条件，客户提供的数据源形式可分为三维数模、样件或图纸，任何软件制作的三维数模通过IGS文件接口，都可由UG软件读入进行设计。如提供的是样件，则需通过扫描，得到数据点云，采用反求工程技术构建产品型面，通过不断比较修正，最终得到三维内饰件产品造型。如条件许可，还可以用聚氨酯材料加工出一比一的凹腔模型，将实物与其对应，进行匹配，以防止局部缺陷造成最终影响。   
    3．2模具结构   
    考虑到产品成型的特殊性和模具材料的特点，该公司制造的模具结构为：成型部分铝合金厚度为35毫米，且随起伏多变型面，反面每隔300mm至400mm固定距离，增加纵横交错的支撑筋，模具上下底板采用槽钢或工字钢，整个模具皆采用铝合金铸件。   
    3．3成型面的延伸设计   
    由于内饰件产品骨架在成型前需加热软化，产生拉延变形，随后将其与面料贴合，故在成型过程中需保证产品外部在一定张力的作用下保持相对静止。同时，考虑最终产品轮廓根据实际装车情况有延伸的可能性，因此在模具设计中，参照金属拉延模的做法，将产品成型部分型面按原有趋势延伸15毫米，既是产品成型过程需要，又可加强模具周边的强度。随后根据产品表面造型，使用UGII软件的加厚操作，完成单个模具的整体设计、造型工作，同理，通过偏置内饰件产品的壁厚，可得到另一模具的三维造型。   
    3．4 冷却水管的设计   
    由于内饰件产品在成型过程中，骨架材料先加热软化，温度需达到150～200摄氏度，以使其具有塑性，便于拉延成型。当软化材料成型并与面料粘结后，又需要及时冷却定型，以防止产品从模具中取出后变形，故需对模具进行快速冷却。冷却模具采用水冷方式，即在模具内铺设冷却水管。由于产品材料冷却的特殊要求，需将冷却水管排布均匀，最好离模具成型面保持相同距离。该公司采用UGII软件在先前设计完毕的模具造型上直接排布，根据产品型面起伏给出偏置距离，使水管的走向与型面的曲面变化一致，保证水管在工作中的冷却效果。设计完毕的水管可在计算机上给出效果图，方便验证。随后，可生成二维图纸，交给专门部门进行水管弯制，以备后用。   
    4．制造流程   
    4．1 木模模型的制造   
    由于内饰件模具尺寸较大，考虑到模具重量和冷却方式，该公司采用实型铸造方法得到铝合金毛坯。根据实型铸造工艺，需先制作一个木模，按传统做法，需根据设计要求手工制模成型。由于该公司已在计算机上完成模具整体的设计、造型工作，就可以非常方便的利用数控机床切削出铸造所需要的木模型面，既减轻了工作量，缩短了木模制造周期，又保证了浇注后的毛坯具有均匀的加工余量。   
    4．2 冷却水管的预埋与铸件的成型   
    水管制作完成后，需用预埋的内置的方法，在毛坯浇注的同时完成。即在浇注模具毛坯时，将冷却水管预先固定在泥芯上，离型面约5～8毫米，待上铸型与下铸型合模浇注后，冷却水管就自然被铝合金包住，采用这种方法排布的冷却水管，与模具成型面距离统一，吸热效率极高，冷却效果非常好，模具工作时表面温度可降低至5～10摄氏度。同时，由于严格控制了水管走向，可保证铝铸件加工时不会破坏水管层。由于铸件体积较大，铸造工艺也及其复杂，经过多次试验，我们已能用砂型铸造和实型铸造两种方法浇铸大型铝合金模具毛坯。实型铸造最大重量可达250公斤，砂型铸造最大重量已达1500公斤。   
    4．3 模具型面加工   
    模具毛坯浇注完成后，该公司得到的是一个具有均匀余量的铸件，此类模具毛坯最大重量达1.5吨，最大尺寸为1900 X 1700 X 450 毫米，需要选择合适的加工中心完成最后的数控加工。在该公司的制造过程中，Toshiba BTD-13R22大型四轴卧式镗铣床起到了关键作用。该机床功率强大，适合重力切削，数控系统和机械运动机构能够长时间持续稳定运行，高精度大型旋转工作台，能做到一次装夹，多面加工，还可利用可伸展主轴切削较为低洼处的曲面。   
    根据毛坯铝合金材质特性和型面起伏的特征，为提高加工效率和节约刀具成本，该公司采用WALTER模块化螺纹连接式接杆和刀头，刀具类型使用仿形铣刀，粗加工使用镶嵌式多片铣刀，精加工使用镶嵌式单片铣刀，材料选择适合铝合金加工的WMG和WK10类刀片，该类刀片采用耐磨硬质合金，前角和后角较大，易排屑。   
    4．4 模具装配及拉料夹持装置的安装   
    对于类似地毯、行李箱侧板或轮罩的模具，上模和下模在合模过程中采用定位柱和定位孔作为合模的装置，或者采用导向板定位。一旦模具调试完成，并进行正式使用时，定位装置一概卸除，靠产品的料厚和模具的形状自行地位，此类结构省略了一般模具的导柱/导套装置，结构简单，安装方便。   
    为防止面料在成型过程中产生折皱现象，对于产品边缘起伏落差小的形态，比如地毯，我们采用在边缘的顶部和底部安装一排拉针，阻止面料随模具成型而跟紧型腔，拉针拉住面料，迫使面料拉延并延伸，使其变形，最终在快速冷却后使面料和骨架迅速定型。对于产品型面起伏落差很大的形态，比如行李箱侧板或轮罩，在四周边缘，采用夹持框架方式，拉住面料。框架形状与产品轮廓一致。