表皮真空成型性能研究

徐钧，刘兵，郭庆



表皮真空成型性能研究

徐钧，刘兵，郭庆

（延锋汽车内饰系统有限公司，上海 200233）

真空覆合表皮是广泛应用的汽车内饰表皮成型工艺。为了在设计过程中避免皮纹变浅，厚度减薄等工艺问题，需要研究表皮拉伸参数以进行表皮真空成型工艺仿真。由于直接准确测量表皮拉伸参数较困难，为此利用一种简单的顶出试验，并结合六西格玛优化方法提出了一种准确提取表皮参数的方法。这种材料参数的获取方法是利用表皮顶出试验与仿真比对的方式，并利用六西格玛工具搜索最优材料参数组合，即表皮的材料参数。比较了样件表皮实测厚度和工艺仿真的表皮厚度，比对结果证明了该表皮参数提取方法的可行性。

汽车内饰；真空成型；CAE；六西格玛

真空覆合表皮工艺是一种应用广泛的汽车内饰表皮成型工艺[1]。在真空成型过程中，表皮在高温下受到模具和零件骨架作用发生拉伸，最终在真空作用下通过胶水粘附在零件骨架上形成表皮的包覆层，如图1所示。在表皮拉伸过程中表皮的皮纹会变浅，厚度会变薄。这种现象会造成外观质量下降以及零件间的匹配间隙变大，从而造成外观的质量问题。

图1 阳模真空成型过程

为了避免后期因为外观质量问题调整模具而产生的开发延迟和成本上升，延锋内饰引入了仿真的方法以预防过度的皮纹变浅和厚度减薄。在仿真中，表皮在高温下的拉伸性能对于结果准确性是至关重要的。为此，本文利用6 Sigma方法提出了表皮材料参数获取的方法，并且比较了表皮厚度仿真值与实测值，以此说明方法的有效性。

1 表皮材料测试方法

在真空成型的工艺中，表皮的拉伸主要是多向拉伸的应力状态。如果要直接获取表皮材料多向拉伸的机械性能参数，理论上需要采用双轴拉伸机进行测量。但是，双轴拉伸机昂贵并且在工业企业的试验室中十分难以获得。为了能够利用现有的设备（单向拉伸机）进行测试并获得表皮多向拉伸的材料参数，本文设计了表皮的顶出试验，通过顶出的方法拉伸表皮，同时测试压头力对位移的曲线，如图2所示。为了测量表皮在拉伸过程中减薄的情况，表皮最终拉伸的厚度也通过显微镜进行测量并记录，如图3所示。

图2表皮材料测试方法

为了说明本文搭建的测试系统的有效性，必须针对测试方法进行重复性和再现性的分析[2]。测量结果包括压力和表皮厚度的测量。针对压力测量的重复性和再现性，本文特别选取了力值较大（E2LB）以及力值较小（K8）的表皮。表1为测试结果，表2为重复性和再现性分析的结果，可区分的类别数＝13（＞4）。从分析结果可以看出，压头力值的辨识度达到13，超过通常要求的4，所以压力测量完全符合研究的需求。其次，针对厚度测量，本文特别选取了厚度较大（E2LB）以及厚度较小（CN210）的表皮。表3为测试结果，表4为重复性和再现性分析结果，可区分的类别数＝13（＞4）。从分析结果可以看到，厚度测量的辨识度达到7，也完全符合研究的需求。

表1 最大力值重复性和再现性测试结果

表2 压头力值测量的重复性和再现性分析

表3 表皮重复性和再现性测量结果

2 表皮材料参数提取方法

真空成型仿真采用Lsdyna求解器，表皮材料采用MAT24材料模型[3]，模型包含参数如表5所示。参数提取的过程描述如下。首先，通过顶出试验的方法，每一次测试均可以得到5个测量值，即：25%、50%、75%和100%最大位移的力值以及表皮顶端的最终壁厚。第二，通过有限元模型研究表皮MAT24模型中的6个参数作为因子，对压头反力及表皮顶端最终壁厚的影响。并利用六西格玛工具获取压头反力及表皮顶端厚度基于6个参数的插值公式。这6个参数实际的范围根据经验如表5所示。第三，根据插值公式，利用六西格玛工具优化6个参数使得压头反力及表皮顶端厚度的预测值接近顶出试验中的测量值。经过优化得到这6个参数即为该材料的材料参数，图4为某一种表皮材料参数仿真求解的顶出曲线与物理测试的顶出曲线的比较。从图中可以看出，利用优化后的材料参数仿真得到的顶出曲线与物理测试的曲线非常吻合，说明材料参数的获取具有足够的准确性。

3 工艺仿真及样件测试结果比较

为了确定上述材料参数获取方法的在实际真空成型仿真中应用的准确性，本文针对一款具体产品进行了真空成型的仿真。为了更好的说明仿真与测量结果直接的比对情况，本文根据经验选取了～等13个点进行了厚度测量，如图5所示。

表4 厚度测量重复性和再现性分析结果

表5 表皮材料参数表

图4 最优材料参数值与测量值的比较

图5 工艺仿真表皮厚度与样件实测厚度的比较

同时，在仿真结果中亦读取相应位置的厚度值作为厚度测量值的比对对象，并列为柱状图，如图5（c）所示。所有的测量区域中，由于区域C和H与门内饰及A柱盖板有匹配，所以这两个区域厚度的变化对于产品的外观匹配影响最大。从图5（c）所示的柱状图中可以看出，仿真结果在区域C和区域H的厚度值十分接近，可以达到预测表皮厚度减薄的目的。

4 小结

本文利用六西格玛工具及优化方法提出了一种准确提取表皮参数的方法，分析了材料测试的重复性和再现性。通过应用了本文提出的表皮材料参数提取方法，真空成型工艺仿真得到的表皮厚度和实际表皮厚度的吻合良好，肯定了本文提出的表皮参数提取方法的准确性。

[1]周强，成薇.汽车内饰模具结构及工艺概论[M]. 北京：人民交通出版社，2014.

[2]马逢时，周暐，刘传冰，等. 六西格玛管理统计指南[M]. 北京：中国人民大学出版社，2013.

[3]Hallquist J.O.. LS-DYNA Theory Manual[M]. Livermore: Livermore Software Technology Corporation, 2006.

A Study on Skin Performance in Vacuum Forming Process

XU Jun，LIU Bing，GUO Qing

( Yanfeng Global Automotive Interior Systems Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

Vacuum forming skin is a widely used automotive interior skin forming process. To avoid grain wear and thickness reduction, a study of skin performance is conducted to obtain a good vacuum forming simulation. Considering the difficulty of directly obtaining accurate skin parameters, a simple skin push-out test as well as 6 Sigma optimization method is used to extract skin parameters accurately. Skin push-out test is used to correlate simulation so as to search the optimized combination of material parameters with 6 Sigma tools, namely the skin parameters. Simulated skin thickness is compared to the thickness of sample skin, and the good correlation proves that the extraction method of skin parameters is feasible.

automotive interior；vacuum forming；CAE；6 Sigma

TF124.39

A

1006－0316 (2018) 04－0015－04

2017－05－09

徐钧（1970－），男，上海人，本科，工程师，主要从事汽车内饰设计、工程开发、系统集成、技术规划管理等方面的工作。

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.004