GMT汽车挡泥板的成型工艺研究.docx

GMT汽车挡泥板的成型工艺研究玻璃纤维增强聚丙烯（PP/GMT）片材可通过压缩模塑（Compression Molding）制造较大、较轻和形状复杂的部件，且尺寸稳定性好。因为GMT成型制品仅需要物理加工，所以生产周期短、生产效率高和SMC 相比生产成本低。另外，GMT材料还是一种新型的环保材料，物美价廉并可回收利用，在国外轿车中已大量采用，我国尚处于初步应用开发阶段。GMT模压一般都是薄壁件，厚度方向尺寸远小于其它两个方向。针对某些国产越野车挡泥板的试制，在有效减少设备的投入下，对GMT成型挡泥板产品的工艺制度进行了研究，生产出了合格的制品。 1 GMT制品压缩模塑成型过程 PP/GMT制品压缩模塑过程如下：首先，玻璃纤维毡增强聚丙烯片材被预热到一定的温度，然后转移到温度较低的模具中。几秒钟后，合模。最后，保压冷却到设计的温度，打开模具取出产品。由于合模速度较高，也称为冲压成型，过程如图1所示。压缩模塑过程包括坯料的设计、材料预热、合模和冷却4个主要步骤，以及坯料加热炉、金属压缩模具、模具温度控制系统和液压机4件主要设备。图1 压缩模塑过程 2 挡泥板工艺制度的确定 该挡泥板选用GMT片材模压成型，由3个相互垂直面组成，制品外形如图2所示。产品的厚度仅为3mm，但是长度达到了约600mm，在模具中的垂直高度差将近200mm，特别是其中一个吊耳宽仅25mm，但是长度却有160mm，形状较复杂。所用GMT片材采用美国Azdel公司干法成型片材，基本性能见表1。图2 汽车挡泥板表1 GMT干法片材的典型性能 2.1 挡泥板模具的设计 在前面研究的基础上，针对产品3个面相互垂直的特点，为了使压力有效的平分在各个面上，模具设计如图3所示。对于薄壁、平面尺寸大的产品，为了保证质量，模具表面的温度必须恒定一致，因而模具加热方式的设计很重要。加热模具最好用热油，但是本产品最大尺寸为600 mm，布置加热槽是不现实的，而电加热比较方便。本模具采用电热棒加热，为了保证温度的均匀，采用4点控温，上下模具的前后面分别控温。另外，每个模具前后面等距离各设了4个测温孔，检测温度的均匀性。当温度定为60 和100 ，温度稳定后，用温度计测量各点温度，见表2 所示。图3 挡泥板模具 由表2可以看出，模具温度均匀，整体温度相差不超过3 ，满足温度恒定的要求。但是在测量中发现，控温表头温度到了100 ，但是模具两头孔的温度达到了120 ，要较长时间才会稳定到100 附近。可见，电热器加热达到温度平衡的时间较长。表2 模具温度分布情况 2.2 充填型腔的坯料量及坯料的设计由于GMT片材在充模流动中存在玻璃纤维的取向，纤维处于收缩和剪切流动区时，其取向和流动方向相同，纤维处于扩张流动区则垂直于流动方向。纤维取向将直接影响制品的性能，因此坯料的设计是很重要的。片材的切割由制品的几何形状及厂家片材的尺寸决定，同时也要考虑制品的性能和成型加工的效率。坯料的设计也会影响到表面质量，因为采用的是压缩模塑，当坯料接触到相对冷却的模具而快速冷却时，在制品表面上有印记。一般可通过改变坯料的尺寸来使得印记到一可被接受的位置。因此，要获得正确的坯料设计需考虑的因素有：制品性能与表面质量；厂家片材尺寸等因素。另外，坯料量也是很重要的。 本产品使用的片材是美国Azdel公司GMT片材，尺寸大小为750mm(L)320mm(b)3mm(h)，而产品平铺的面积为800mm260mm。经过合理的设计，裁剪成两块进行搭接布料，采用包覆布料，一张片材成型一个产品。成型后产品的质量约为600g，结合溢料的情况布料质量定为650g。 2.3 坯料预热到加工温度所需的时间 热塑性片材通常用热空气对流或红外辐射炉加热。成型前必须将材料熔融。高聚物PP热导率低，传热慢，而且会发生热降解或热分解，要限制加热温度和加热时间。寻求更高的熔融速率和均化的熔融质量，是材料预热方式的目标。对于PP/GMT材料的预热常采用红外线辐射加热。朱永全等较为系统地研究了热塑性复合材料GMT片材的预热过程，对热板接触、热空气对流及红外线辐射加热过程进行了对比实验研究。研究表明：热空气对流预热的升温速率虽较慢，但是片材内部温度梯度很小，可加工区间较宽，便于控制。本产品研究试制过程中，采用重庆永恒实验仪器厂CS101-3EB烘箱热空气预热片材。 在加热过程中，树脂达到熔融状态，坯料开始膨胀，直至达到未经压实的玻璃纤维毡的厚度，也即为冷坯料厚度的23倍。坯料的加热切忌超过230 ，否则聚丙烯要降解，坯料会发出过量的烟，模制品表面出现白垩色，其强度和耐热性均降低。 下面是热空气预热加工时间的计算公式： t=70.9521+ 0.2318-0.2810T(1) 式中：t适宜预热时间/min；片材厚度/mm；T热空气温度/ 。 适用范围：片材厚度35mm；热空气温度200230 ；最大偏差：0.25 min。 片材厚度为3 mm，预热温度为220 ，由公式(1)计算得预热时间为9.8275min。在实际中，由于放料时烘箱温度下降的影响，经过摸索预热时间定为10min 满足要求。2.4 液压成型机上模板所施加压力的预测 为了提高生产效率，保证制品质量，应尽量提高合模压力和速度，作用是克服模压料的内摩擦及物料与模腔的外摩擦，使物料充满模腔。成型压力取决于两个因素： 模压料的种类及质量指标；制品结构形状尺寸。前者是显而易见的。而后者，由于制品形状的差异其成型压力可以相差数倍。 本工艺中采用的压机为徐州压力机械股份有限公司YX32-2000 液压机。合模力计算公式如下： P=K(F1+1/3F2)/S (2) 式中：P成型压力/MPa ；S压机活塞截面积，为500cm2；F1模具平面部分面积/cm2；F2模具侧面面积/cm2；K实验常数，一般为1020MPa。 对产品的面积进行换算，F1900cm2，F2240cm2。本产品由于布料面积为90%，挡泥板各个面平整，K取510即可。 按公式(2)计算，P在1020MPa之间，实际生产中取15MPa满足要求。 2.5 模具温度及最佳冷却方式的确定 当加热的坯料在模具中因积压流动和填满各个角落后，必须尽快移出热量。当制品的温度下降到足以保证预期的形态时，制品被从模具中推出。为了提高流体的流动性和较高的冷却固化速度，GMT材料有一个最佳的模具温度。如果模具温度过高，就会造成溢料量大、脱模困难，特别是在模具单边温度过高的情况下，还会发生咬模现象；模具温度如过低，也会造成塑件缺料、缩陷和冷斑等不良现象。要达到有效的模具冷却，主要是降低模具中热量流动的内部阻力，即提高热传导效率。这种内部阻力取决于冷却孔道距塑件表面的距离，冷却孔道的中心距和制模材料的导热性能。为使热量能高速移出，循环介质在模具中的流动应属于湍流状，这种条件由进水道尺寸和水流速度来控制。 考虑到片材从烘箱转移到模具中表面温度的降低，模具温度定在120 。对于壁薄、厚度均匀的产品，冷却是相当快的。因而，在本产品生产中不设冷却装置。实践证明：模具的温度定在120 时