汽車輕量化XPE空調(diào)風(fēng)管的設(shè)計及工藝研究

吳藝鋒，譚廣華

（1.廣西鑫深科技有限公司，廣西 柳州 545005；2.廣西方鑫技術(shù)有限公司，廣西 柳州 545005）

0 前言

隨著我國汽車保有量不斷攀升，能源短缺、霧霾污染等問題日益凸顯，節(jié)能減排成為每個車企的追求目標(biāo)，這使得輕量化也被廣泛地應(yīng)用到普通汽車及新能源汽車。輕量化的廣泛應(yīng)用，使得車輛在提升操控性和動力性的同時，還具有出色的節(jié)油表現(xiàn)。研究實(shí)驗(yàn)表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量每減少 100 kg，百公里油耗可降低 0.3～0.6 L。常規(guī)的汽車空調(diào)風(fēng)管采用HDPE進(jìn)行吹塑成型，本文介紹的輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管采用交聯(lián)聚乙烯發(fā)泡材料（PE）。PE發(fā)泡材料有兩種生產(chǎn)工藝，即化學(xué)交聯(lián)方法和輻射交聯(lián)方法。與化學(xué)交聯(lián)方法相比，輻射交聯(lián)的高密度聚乙烯泡沫塑料有光滑、均一的表面，閉孔和樹脂的內(nèi)在性質(zhì)賦予它良好的機(jī)械性能、耐沖擊性、絕緣性［1］；但輻射交聯(lián)的高密度聚乙烯泡沫塑料成本更高?；瘜W(xué)交聯(lián)方法是用低密度聚乙烯樹脂加交聯(lián)劑和發(fā)泡劑經(jīng)過高溫連續(xù)發(fā)泡而成，通過吸塑成型及熱板焊接等工藝制造成性能優(yōu)異的空調(diào)風(fēng)管。XPE在汽車減重、安全、節(jié)能、耐用等方面發(fā)揮著重要的作用，并且聚乙烯XPE材料是一款環(huán)保材料，具有以下獨(dú)特的性能：①密度為90 kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吹塑風(fēng)道所用的HDPE（950 kg/m3）； ②表面結(jié)皮，密閉獨(dú)立泡孔結(jié)構(gòu)，吸水率低，導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱效果佳，是隔熱、隔音、防潮的上佳材料；③耐候、抗嚴(yán)寒、耐高溫、防潮、抗撕裂。

1 輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管產(chǎn)品的設(shè)計

1.1 真空吸塑成型工藝介紹

真空吸塑成型工藝是一種熱成型加工方法，利用熱塑性塑料片材，制造開口塑料殼體制品的一種方法。將塑料片材裁成一定尺寸加熱軟化后，借助片材兩面的氣壓差和機(jī)械壓力，使其變形后敷貼在特定的模具輪廓面上，經(jīng)過冷卻定型，并切邊修整后完成吸塑制品的過程［2-3］。在加工過程中，塑料片加熱后，快速將其與模具間空氣抽走，造成真空狀態(tài)，形成壓力差，這樣塑料片就貼在模具的成型面上。

輕量化汽車XPE空調(diào)風(fēng)管就是利用真空吸塑成型原理，把空調(diào)風(fēng)管分成上下兩片單獨(dú)吸塑成型，上下兩半風(fēng)管通過熱板焊接工藝焊接成現(xiàn)在的空調(diào)風(fēng)管。

1.2 XPE風(fēng)管產(chǎn)品脫模斜度設(shè)計要求

XPE材料烘烤軟化后，模具抽真空使材料吸附到模具表面上形成產(chǎn)品形狀，但脫模斜度太小直接拉伸吸附，拉伸較高位置產(chǎn)品壁厚將會拉伸得很薄，為了保證產(chǎn)品壁厚達(dá)到設(shè)計的公差要求，建議XPE空調(diào)風(fēng)管沿著脫模方向的平面脫模斜度設(shè)計為3°～5°。XPE材料屬于軟質(zhì)材料，在產(chǎn)品造型不能修訂的情況下局部位置也可以設(shè)計為倒扣模式。

1.3 產(chǎn)品壁厚設(shè)計要求

原HDPE吹塑成型工藝的汽車空調(diào)風(fēng)管，屬于硬質(zhì)的材料，但受工藝的局限性影響，其設(shè)計的產(chǎn)品壁厚一般為1.0～2.5 mm。對于XPE 輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管，其使用在儀表臺或副儀表板內(nèi)，內(nèi)部的安裝點(diǎn)相對較少，為了方便裝配，其壁厚設(shè)計不宜過薄，否則易導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)度不足，而產(chǎn)品過厚則浪費(fèi)成本。建議設(shè)計的產(chǎn)品壁厚為2～3 mm。安裝空調(diào)風(fēng)管的儀表臺內(nèi)部管梁、線速等較多，XPE輕量化空調(diào)風(fēng)管屬于發(fā)泡材質(zhì)，不存在碰撞異響風(fēng)險，可以將XPE空調(diào)風(fēng)管距離儀表臺其他安裝輔件的間隙設(shè)計為3～5 mm。

1.4 輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管的安裝設(shè)計要求

輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管為軟質(zhì)材料，兩個風(fēng)管必須采用一個硬質(zhì)的注塑管接頭進(jìn)行連接；輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管與出風(fēng)口的連接不能直接搭接到儀表臺的內(nèi)表面，設(shè)計時必須考慮風(fēng)管與出風(fēng)口連接問題。同時，為了保證輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管與出風(fēng)口的連接處的密封性，設(shè)計時建議出風(fēng)口與風(fēng)管的連接單邊過盈0.5 mm。此外，避免風(fēng)管與出風(fēng)口在使用過程中震動脫落，風(fēng)管與出風(fēng)口的連接必須考慮止脫結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

圖 1 止脫結(jié)構(gòu)

1.5 輕量化汽車空調(diào)風(fēng)管的焊接邊分型線設(shè)計要求

按輕量化XPE空調(diào)風(fēng)管的焊接邊分型線的設(shè)計要求，為避免產(chǎn)品壁厚因吸塑成型局部拉伸高度過大導(dǎo)致產(chǎn)品壁厚過薄，產(chǎn)品分型建議從產(chǎn)品側(cè)邊垂直脫模方向的中間位置分型；為了保證焊接強(qiáng)度符合設(shè)計要求，避免因焊接邊局部虛焊導(dǎo)致產(chǎn)品氣密不合格失效，建議焊接邊的設(shè)計寬度在8～10 mm（如圖2所示）。

圖 2 焊接邊設(shè)計

2 模具設(shè)計原則

2.1 拼模方案選擇

從成本上考慮，結(jié)合設(shè)備的裝模尺寸等要求，模具設(shè)計時需綜合考慮最優(yōu)的拼模方案，盡可能把同樣需求量且拉伸高度差異不大的產(chǎn)品拼模到同一副模具內(nèi)，以達(dá)到最優(yōu)的材料利用率。一般設(shè)計模具型腔到模具邊沿的距離為25～35 mm（如圖3所示），預(yù)留20～35 mm的單邊夾料寬度，即原材料寬度方向的下料尺寸為模具寬度尺寸增加40～70 mm。

2.2 吸塑模具材質(zhì)的選擇

常規(guī)的吸塑模具材質(zhì)一般有鑄鋼和鑄鋁兩種，部分吸塑模具設(shè)計為成型沖裁一體的模具，材質(zhì)的選擇就需要硬度較高的材質(zhì)，一般采用SK11模具鋼；但從成本、模具加工周期及產(chǎn)品冷卻效率上綜合考慮，不帶沖裁的模具材質(zhì)建議選擇鑄鋁。

2.3 吸塑模具吸氣孔及吸塑槽設(shè)計

汽車輕量化XPE風(fēng)管的成型尺寸穩(wěn)定性、外形是否吸塑成型到位與設(shè)計的吸氣孔大小、吸氣孔的排布有較大的關(guān)系。吸氣孔大小的設(shè)計與產(chǎn)品的外觀要求有關(guān)，吸氣孔設(shè)計過大，產(chǎn)品表面會有吸氣凸點(diǎn)；吸氣孔過小，則真空吸力不足導(dǎo)致產(chǎn)品成型不到位。結(jié)合XPE材料特性，建議XPE風(fēng)管的模具吸氣孔大小設(shè)計為φ0.5～0.6 mm，3～4個吸氣孔為一組；每一組吸氣孔距離不超過60 mm，同時需注意在拉伸最深處及R角處設(shè)計吸氣孔（如圖4所示）。

圖4 吸氣孔設(shè)計

從吸氣孔加工工藝及后期模具維護(hù)方面考慮，使用的鉆頭越小，鉆頭鉆孔過程越容易斷且加工效率越低。吸塑模具吸氣孔設(shè)計為吸氣塞鑲件方式。吸氣塞高度設(shè)計為5～8 mm，方便鉆孔加工。模具日常維護(hù)清理吸氣孔積碳可以直接拆卸吸氣塞進(jìn)行清理。

從產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性考慮，避免材料冷卻收縮過大導(dǎo)致尺寸不符，吸塑模具在型腔周圈設(shè)計直徑為10 mm的半圓吸塑槽。在產(chǎn)品冷卻過程中，通過吸塑槽限制產(chǎn)品過度收縮（如圖5所示）。

圖5 吸塑槽設(shè)計

3 生產(chǎn)工藝介紹

3.1 工藝流程

汽車輕量化XPE風(fēng)管生產(chǎn)工藝流程如下：加熱烘料→吸塑成型→焊接→氣密檢測→切口→檢驗(yàn)。

3.2 加熱烘料

吸塑成型工藝常規(guī)的加熱方式有陶瓷加熱板加熱和鹵素?zé)艄芗訜醿煞N方式。陶瓷加熱板主要是靠熱傳導(dǎo)，熱效率高，但升溫時間長，有燒料的風(fēng)險。鹵素?zé)艄苤饕繜彷椛浞绞郊訜?，具有可瞬間加熱、加熱不氧化、使用壽命長等特點(diǎn)。XPE材料采用鹵素?zé)艄芗訜岱绞綗岽┩改芰^強(qiáng)，并且可以根據(jù)不同加熱部位進(jìn)行可控調(diào)整，建議XPE材料采用鹵素?zé)艄芗訜岱绞郊訜岷婵尽?/p>

3.3 吸塑成型

汽車輕量化XPE風(fēng)管吸塑機(jī)成型流程：由操作人員將卷材料放入自動上料機(jī)構(gòu)，由機(jī)構(gòu)將材料送入設(shè)定好尺寸的大梁導(dǎo)軌中。按啟動按鈕，加熱爐自動移至加熱區(qū)，上加熱爐開始對片材進(jìn)行按工藝要求設(shè)定的溫度加熱。加熱好的材料由導(dǎo)軌自動拉到吸塑成形工位，模具抽真空產(chǎn)品負(fù)壓吸塑成形。產(chǎn)品冷卻通過模具的冷卻裝置冷缺和吸塑成型設(shè)備上的風(fēng)冷裝置同步進(jìn)行。冷卻后的產(chǎn)品再由大梁軌道拉到固定收料框切刀位置，切刀把每模產(chǎn)品進(jìn)行橫切，通過皮帶輪自動輸送到收料箱內(nèi)。

為了保證吸塑產(chǎn)品的壁厚均勻性，吸塑成型前通過輔助模具把材料擠到模腔內(nèi)，再通過抽真空把烘烤軟化的XPE吸附到模腔內(nèi)。為保證產(chǎn)品吸附到位，真空壓力要達(dá)到 0.6～0.8 MPa?？赏ㄟ^產(chǎn)品表面的永久性標(biāo)識清晰程度判斷風(fēng)管是否成型到位。

3.4 焊接

XPE空調(diào)風(fēng)管的焊接一般采用鹵素?zé)艄芗訜岱绞降臒岚搴附庸に?，加熱燈管需按焊接邊的造型定制。為了保證批量生產(chǎn)合格率，需在批量生產(chǎn)前對燈管連續(xù)預(yù)熱5 min，按經(jīng)批量驗(yàn)證設(shè)定的加熱時間、加熱距離及冷卻時間等工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。焊接工序作業(yè)順序如下：①把兩片風(fēng)管產(chǎn)品放到對應(yīng)的模具型腔內(nèi)，設(shè)備自帶的吸附系統(tǒng)自動將產(chǎn)品牢固地吸附在焊接模具上；②仿形鹵素加熱管通過伺服電機(jī)驅(qū)動進(jìn)到上下風(fēng)管之間加熱；③加熱完成后鹵素加熱管退出，上下模合模熱壓成型；④按工藝要求冷卻后開模取件。

焊接工序主要存在焊接不牢和焊接卷邊等問題。焊接不牢主要原因是焊接邊的焊接溫度達(dá)不到要求，可以從增加加熱時間和燈管到焊接邊的距離進(jìn)行調(diào)整和驗(yàn)證。焊接好的產(chǎn)品冷卻后可以通過手撕焊接邊進(jìn)行破壞測試，確認(rèn)焊接邊是否是基材破壞，確保焊接合格。焊接邊卷邊主要原因是材料加熱后卷曲，可通過對焊接邊抽真空吸附或者對焊接邊進(jìn)行固定限位解決。

3.5 氣密檢測

氣密檢測是檢驗(yàn)風(fēng)管產(chǎn)品是否焊接牢固或者局部是否有虛焊的一種檢測手段。結(jié)合汽車內(nèi)空調(diào)實(shí)際設(shè)計的風(fēng)量及壓力數(shù)據(jù)，通過設(shè)定氣密檢測儀的檢測參數(shù)確認(rèn)XPE風(fēng)管是否有局部漏氣的缺陷。即通過氣密檢測儀從零件的一側(cè)通入500 Pa壓力的空氣，經(jīng)過充氣—平衡—檢測3個階段，檢測氣體泄漏量。檢測壓力為500 Pa，氣體泄漏量≤ 27.7 L/min（2 kg/h），該檢測方式可以規(guī)避虛焊的風(fēng)險。XPE風(fēng)管漏氣屬于功能缺陷，建議氣密檢測作為全檢的生產(chǎn)檢驗(yàn)工序。

3.6 切口

汽車輕量化XPE風(fēng)管焊接后還是處于一個密閉狀態(tài)，與出風(fēng)口裝配的管口需按規(guī)定的尺寸切割開口?？芍谱鲗Ｓ每磕＿M(jìn)行精準(zhǔn)定位，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向到帶鋸上切割。

3.7 檢驗(yàn)

性能方面，重點(diǎn)檢驗(yàn)焊接強(qiáng)度，可以直接手撕焊接邊，如果是基材破壞即可滿足焊接性能要求。尺寸方面，通過檢具檢驗(yàn)管口尺寸和風(fēng)管外形尺寸，確認(rèn)是否成型到位。外觀方面，重點(diǎn)檢驗(yàn)表面刮傷、碰傷、表面泛白、褶皺、無印紋、標(biāo)識是否清晰等外觀問題。

4 汽車輕量化XPE風(fēng)管成型常見缺陷及其解決方法

汽車輕量化XPE風(fēng)管成型過程一般會出現(xiàn)焊接不牢、焊接錯位、褶皺、破洞等缺陷，對生成過程出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行分析及解決（見表1）。

表1 汽車輕量化XPE風(fēng)管成型常見缺陷及其解決方法

5 結(jié)束語

通過對汽車輕量化XPE風(fēng)管的產(chǎn)品性能、結(jié)構(gòu)和工藝研究發(fā)現(xiàn)，與達(dá)到相應(yīng)要求的HDPE吹塑風(fēng)管對比，其重量減輕超過80%，保溫性能提升10倍，降噪性能提升15%。XPE屬于發(fā)泡材料，可以取消原HDPE吹塑空調(diào)風(fēng)管，防止結(jié)露需要粘貼保溫海綿，達(dá)到高性價比的目的。該工藝在一流主機(jī)廠如“大眾”“奔馳”“寶馬”，新能源汽車主機(jī)廠如“特斯拉”“蔚來”“比亞迪”已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。