关于棉纤维毡高精度快速冷却成型模具的研究

摘 要：棉纤维隔音毡的生产效率和成型精度，一直是棉纤维隔音毡的发展软肋，棉纤维成型模具的工作效率和成型精度都一直是备受高度关注，对于这两个技术难点，本文给出的解决方案是：棉纤维预成型模具与网眼成型模具组合实现棉纤维隔音毡零件型面高精度成型和快速冷却。为了方便阐述本方案观点，本文在给出解决方案的同时，也对隔音毡零件模具的发展过程和发展阶段作了介绍，这样更方便读者理解和接受，以便读者引用和发展本文的技术方案。

关键词：冷却;精度;合模时间;预成型模具;网眼模具;快速冷却

随着我国近10年乘用汽车产业的迅速发展，汽车质量的直线提升，乘用汽车的舒适性越来越受到人们的关注，人们要求车内噪音越来越低，甚至是无，而汽车的噪音源：发动机噪音、轮胎噪音、风的噪音等，而这三大块噪音源是客观存在，就目前的技术是不可消除的，因此势必让大家都关注到车的隔音方面。但各大乘用车主机厂车型的多样化，车型的流水线条化，车的钣金曲面化，要求隔音件与钣金0间隙接触才能保证隔音效果，也就是说隔音件的曲面造型越来越复杂，之前平坦的隔音毡通过压敏胶粘合到车身上已经不能满足汽车钣金的复杂曲面的要求，同时平坦件也无法填充汽车的很多缝隙，这势必需要棉纤维通过模具成型，才能与车身钣金和内饰外观件之间做到无间隙填充，有效的隔音，因此棉纤维成型模具也就顺势而生，本文研究的是棉纤维成型模具的发展过程、和高精度快速成型模具技术难点的解决方案，以及快速冷却高精度成型模具生产中带来的巨大效益。

1、对于棉纤维隔音毡成型技术内容概括和阐述

1.1、棉纤维毡的材料组成和特性简述

棉纤维毡在汽车隔音毡中被广泛应用，其主要原因是，棉纤维毡的低碳环保和其优越的隔音性能。棉纤维毡为什么是低碳环保的材料，看一下棉纤维毡的材料组成：棉纤维毡是服装厂棉材料布的边角料通过加工成纤维，然后和ED纤维以一定的比例进行均为混合，通过机械成网技术或者气流成网技术，使混合均匀的棉纤维和ED纤维形成棉饼，然后通过烘箱加热使得ED纤维半熔化，熔化的ED纤维有粘结作用，让棉纤维和ED纤维进行粘合，最后通过冷却成棉纤维毡。

目前汽车隔音材料主要有两种，一种是，棉纤维毡件;一种是PU聚氨酯发泡件，这两种材料在隔音上都很不错，但是从气味上评价，棉纤维毡要优胜于PU聚氨酯发泡，2010年德国就开始在研究棉纤维毡代替PU聚氨酯的生产工艺，所以棉纤维被广泛应用在乘用车的隔音上，作为汽车隔音件首先材料。

1.2、棉纤维毡在汽车隔音件的应用

棉纤维隔音毡在汽车上应用常以两种形态：一种是平坦隔音件，平坦件隔音毡，绝大多数用于造型简单，车身曲面很少的汽车车型中，比如说20世纪末随乘用车的兴起，乘用车开始刚刚发展，那時间的汽车造型简单，就拿桑塔纳来说，整辆车没有曲面造型，桑塔纳的隔音件就是平坦的隔音毡，就可以满足要求。另一种是成型隔音件，大众推出POLO车型，汽车上开始出现了曲面，为了让隔音毡件填充钣金和内饰之间空隙后间隙最小，必然需要隔音毡能够随着车身钣金贴合，那么这里第一次出现了隔音毡零件型面要求，也是这个年代的技术难点，我们称之为曲面成型，解决的办法是对隔音毡进行模具成型冲切，得到有曲面造型的汽车棉纤维隔音零件。

1.3、普通的棉纤维成型模具

汽车车型的流线型、曲面化的发展，汽车成型隔音件越来越多，零件必须通过模具成型才能满足有曲面造型的车型，因此出现了隔音毡成型模具、冲切模具、成型冲切模具等各种各样模具，这些模具被广泛的用于汽车隔音毡零件的生产。零件的型面和车身贴合度情况，主要反映在模具的加工水平上。

随着后来的CAE、CAD、CAM数控技术快速发展，模具加工质量也越来越好，做成出的零件外观质量也越来越好，默认这样的模具已经是很好，既能满足型面贴合的要求又能满足尺寸要求，就这样第一批有着型面精度和尺寸精度要求的模具，在隔音毡生产方式上延续生产了近20年，这期间的模具虽然有些进步，但没有实质性的技术进步，技术革新。

2、隔音毡零件快速成型的必要性

2.1、普通成型模具的生产效率

普通模具的结构：上模架、上模仁、刀口、下模仁、下模架。

普通模具的生产工艺：（1）、棉纤维隔音毡烘箱加热;（2）、加热的棉纤维毡送入模具;（3）、模具合模成型冲切（约4-5分钟）;（4）、开模取件。

从此模具生产工艺上不难看出制约着生产效率的此模具合模具时间，合模成型时间在4-5分钟，一个7小时班的产能是85件，一天的产能是255件，这样产能的模具是不能满足如今快速发展的车时代的，比如说：上海大众国产化的LAVIDA朗逸的上市，月产量从2000件、到3000件、到8000件、到10000件、到50000件，按此模具产能，需要7付模具来生产才能保证供货，为了安全起见，模具会开发到8付模具，这里面不单是一个模具数量的增加，而且是人工、设备、工位等成本的增加与投入，因此模具能够快速进行隔音毡的成型是非常的有必要。

2.2、水冷却方式模具

研究制约模具产能的因素，发现模具的合模具冷却时间是整个零件生产过程中占比最长的时间段，根据零件厚薄尺寸不同合模冷却时间一般在4-5分钟，就这样长的合模具时间生产的零件也只能满足基本表面冷却成型，然后再在模具边上再配上一个冷却定型的托架，让零件慢慢冷却后再装箱，实际在模具里成型4-5分钟后零件还是没有完成冷却的，怎么让零件冷的快一些，减少合模具时间，开始在模具上加入了水冷，水路是在模具上设置可以循环的运水管道，冷水机将冷水从模具上的进水口注入冷水，再把从模具出水口的热水通过管道送入冷水机，通过冷水的循环带走模具中的热量。在设置了水冷模具的合模时间明显减少，从之前的4-5分钟（8小时班产85件），减少到3-4分钟（8小时班产110件），就这样模具投产的数量减少了1/3。

2.3、抽气冷却方式模具

在效率工厂的今天，效率提升一直是工厂追求的价值，因为“降本无底限”是在不断的要求技术进步，技术对于成本的降低始终是起着重要作用，任何一次技术革命带来都是市场的一次洗牌。怎么让合模时间从3-4分钟能否变成2-3分钟，通过冷水管间距从100mm变成60mm，实践下来没有太大改变，时间没有缩短;调整水管与型面距离大小，从第一次试制的40mm变为20mm，合模时间也没有缩短，就这样反反复复没有什么大的进步，后来发现这个问题是：模具型面的冷却只能冷却零件的表面，不能冷却到零件内部，怎么样才能冷却零件的内部，向零件内部插入冷却水管，想来不现实……水作为冷却介质是不行了。能不能在对模具中的零件通过风来实现冷却，通过简易模具试验结果是可以的，批量生产模具上开始实施抽气，在模具型面上打上抽气孔，在不影响零件的形状的前提下尽量多的打孔，通过深孔和气管将这些吸气孔连接到一个总的抽气口上，然后通过真空风机抽走零件内部的热量，从而实现零件的快速冷却，后来把这个冷却方式叫做“抽气式冷却”，合模时间减少一半，从3-4分钟缩短到1-2分钟，这就是技术带来的生产效率，成本的下降。就这样一个新的冷却方法被引用的隔音毡冷却模具中。在模具即有水冷又有了抽气式冷却，使得模具生产效率大大提升，拿公司的LAVIDA投产模具来说，单个模具7小时班产能达到200件，之前5万件/月需要7付模具同时生产，通过模具冷却方法的改进，模具投产的数量只要3付。

2.4、网眼模具抽风冷却方式模具

汽车产量飞速提升，模具产能问题显得尤为突出，什么样的模具才能满足销量特别大的车型隔音件的生产要求，抽气冷却是棉纤维隔音毡最有效的方法，这样能快速的带走零件上的热量实现对零件的冷却定型，这些热量是通过模具型面上的孔被抽到外面的，基于抽气冷却的基础上，继续深化发展，最终“网眼模具”被定义为棉纤维成型冷却定型的最佳模具结构，简易结构为：上网眼模，上模低压气室，下网眼模，下模高压气室。即上下模具型腔表面都是孔，孔直径4mm，孔间距15mm，任3个孔都能组成一个等边三角形，这样保证了零件表面印迹孔整齐美观，不影响产品的外观质量;上模型腔背面设置一个负压气室，通过对负压气室的空气抽真空，让下模具背面设置的高压室里的空气迅速穿透面纤维隔音毡零件，通过空气的流动对零件实行对零件的冷却，通过分析和实践验证，这才是棉纤维隔音毡零件的真正意义上的全方位冷却，通过大量零件的生产验证，实现了公司内棉纤维隔音件的快速冷却成型，合模具时间实现了30-50秒冷却任何厚度零件的冷却效率。还是拿之前的LAVIDA车型月产量5万件来说，在网眼模投产后，网眼模具的产能提升到600件/8小时班，模具投产的数量只要1付模具。

2.4.1网眼模具的结构介绍

抽气却网眼成型模具的结构（如图A）：上模架、上模仁、[模腔带有孔的上模仁（如图B）]、下模仁（模腔带有孔的下模仁）、模具进风口、出风口，高压气室、低压气室等主要组成部分。

综上分析，网眼模具抽风冷却模具，是真正意义的超快速冷却成型模具，体现了快速冷却网眼模具价值，其实在网眼模技术应用之前，“水冷”，“水冷+抽芯”，都存在一定技术问题，“水冷”只能冷表面，“水冷+抽芯冷”也存在冷却死角，同时水冷在模具表面存在冷凝水，对棉纤维隔音毡有霉变的影响。而网眼模具以空气作为冷却介质，冷却过程不存在冷凝水的问题，也不存在冷却死角的问题。

3、型面高精度对于隔音的意义

3.1、型面精度要求為什么越来越高

随着汽车高速发展，人们对汽车的隔音要求越来越高，越来越关注驾车和乘车的舒适性，人们要求车内噪音越来越低，甚至是无，从业的角度分析，就是要求汽车隔音毡件在车内任何缝隙都要填满，要求隔音毡零件型面精度更高。

3.2、普通工艺生产的隔音毡型面精度不高的原因

从之前的隔音毡零件生产工艺分析，不难看出，之前的隔音毡工艺还是有一些零件的型面、特征不到位的问题，即精度不高。[工艺过程：（1）、半成品隔音毡片通过烘箱加热;（2）、加热的隔音毡被送入模具;（3）、合模具成型冲切]。第一步将半成品隔音毡加热送入模具，因为这时隔音毡已经从棉纤维被制作毡片半成品，因为棉纤维是有长度的，故纤维间在模具成型过程中存在相互摩擦，拉扯，导致材料不能进入模具型面小特征中去，和一些角落里，导致成型特征不全，型面尺寸不到位 ，型面存在误差等问题，（棉纤维成型不可以像注塑件那样充满模具型腔），那么怎么解决这方面的难点，什么样的模具才能让纤维充满模具型腔。

3.3什么样的模具才能使零件型面精度更高

什么样的模具生产工艺才能解决这个技术难点，将原材料棉纤维和ED纤维毡无限蓬松化，即没有制成半成品毡片，根据零件各个区域厚度的不同，通过计算每个区域的材料用量，将这些材料按计算结果分布在一个预成型模具内，然后加热预成型模具中的原材料，加热后的原材料接着迅速送入网眼模具，接着上下模具都同时抽真空形成负压气室，使棉纤维在空气强定向运动，类似液体的流动，使松软的棉纤维在空气动力下运动，充满模具型腔，实现纤维在空气流动的作用下贴合上下模具型面，此方式高压空气是从零件周边被吸入的，从而得到零件的上下型面高精度。（之前的网眼模具的抽气方式是：上模设置低压气室进行抽真空，下模具高压气室的空气迅速向上模低压气室移动，进而实现快速冷却，而在高精度的隔音毡件生产时，我们采用了上下模具都同时抽真空形成负压气室，高压空气从上下模具之间进入，实现快速冷却定型）。由于这样零件成型过程中材料是紧紧贴合模具型面的，所以零件安装到车身上与钣金和内饰件之间也是紧密贴合，使隔音毡的隔音效果发挥到极致，同一个零件，同样的材料消耗，不同的模具生产工艺，快速冷却高精度网眼模具生产出来的零件隔音效果比对半成品棉纤维毡片二次加热成型的零件好很多，实验测定数值，同一个零件使用不同的模具生产，车内噪音下降1.2分贝。

一幅预成型模具（材料通过计算分布，故也成为材料分布模）和网眼模具（上下模具同时抽真空）的组合，成功解决了棉纤维毡零件的高精度超快速生产技术难题。

结束语

通过本文的隔音毡零件快速成型的必要性和型面高精度对于隔音的意义的研究分析，验证了预成型模和网眼模具的组合生产是目前棉纤维隔音毡最有效率、型面精度最高的生产模具，当然技术前进的道路不会停，在棉纤维隔音件的高精度和快速成型的方向上，会有更多新的想法，相信在不久的时间内，通过技术的革新能再一次提升棉纤维隔音件的成型精度和效率，实现更大的经济价值。

参考文献：

[1]刘越《机械制造技术》化学工业出版社.

[2]吕慧瑛《机械设计基础》上海交通大学出版社.

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[6]沈兴春发明专利 专利号：201110383707.1《一种制作带镶孔模具的方法》.

[7]沈兴春发明专利 专利号：201110383698.6 《一种隔音毡的成型冲切模具组件》;

[8]沈兴春适用新型专利 专利号：201020271060.4 《一种隔音毡的冲切成型模具组件》.