汽车座椅后座泡沫模具设计

汽车座椅是汽车内饰重要组成部分，在汽车座椅零部件中，泡沫对整张座椅支撑性和乘坐舒适度都有重要影响。其外观尺寸与模具设计有着密切关系，通过研究和优化后座泡沫模具设计过程，避免泡沫尺寸及外观异常的风险点。经过实际生产验证 ，产品符合预期要求 ，达到缩短开发流程的目的。1　产品结构     以某车型后座垫泡沫为研究对象，其结构如图1所示，材质为聚氨酯高回弹软泡，采用36工位4组分发泡生产线实现冷模高压浇注，主材为全 MDI体系（二苯基甲烷二异氰酸酯）。后座泡沫轮廓外形尺寸为539.8 mm×1 267.2 mm×209 mm。

2　模具设计 2.1　模具型腔尺寸设计     汽车座椅聚氨酯泡沫分为A、B表面。A面为正面，与乘坐人员接触，在座椅中承载着舒适性要求，禁止修补，对应的模具工作面结构简单平坦。B 面为反面，与车身金属接触，在座椅中承担功能性要求，允许修补，对应的模具工作面结构复杂起伏。     聚氨酯泡沫的形成需要经历发泡和熟化2个过程。从聚醚、聚氨酯混合到泡沫体积膨胀停止的过程称为发泡。在发泡过程中，体系放出大量的反应热，反应热使发泡剂汽化进入泡沫体的每个泡孔，驱使泡孔体积不断膨胀。泡沫停止膨胀后，体系内部的化学反应并未结束，而是在进行速度较慢的交联反应，直至泡沫体达到最终强度的过程称为熟化。泡沫体积膨胀停止标志发泡过程的结束，熟化过程的开始。    在熟化过程中，泡沫体不再放出大量的反应热，温度逐渐降低，泡沫体在压差作用下发生收缩，称之为“成型收缩”。后座泡沫密度为 50 kg/m3，按照此密度制作宽 30 cm、高 30 cm 的长方体样块，长度分别为 30、80、200、250 cm，计算样块长度收缩率，得到的数值如表1所示。

模具型腔尺寸应为泡沫的实际尺寸与对应收缩率的乘积，计算得出后座泡沫型腔尺寸为 552.8mm×1 290 mm×215.3 mm。模具型腔壁厚是影响产品尺寸的关键参数，决定了模具的强度及刚度，强度不足会导致模具开裂，刚度不够会导致模具变形。根据经验，此后座泡沫壁厚应≥15 mm，故模具型腔外轮廓的最小尺寸应为 582.8 mm×1 320 mm×245.3 mm。2.2　钢丝固定设计    在汽车座椅后座泡沫贴近 A 面附近有 10 根嵌入的钢丝，目的是在组装蒙皮时提供蒙皮固定的支点。为了满足生产人员清理模具、安装钢丝和镶嵌件操作，下模需与地面呈 45°夹角，这种设计会降低生产人员操作难度，但会使钢丝容易脱落，故在下模摆放钢丝的位置增加磁铁凸台，用于固定钢丝，防止其脱落，如图2所示。

2.3　排气销设计    为了保证产品质量，减少因气体汇集导致的填充不足、飞边等问题，在发泡过程中需要安装排气装置，通常是在产品凸起部分对应的模具上设置自动排气销进行被动排气。后座泡沫是从A面起发泡至B面，故在B面模具最顶端位置设计57个φ30 mm的铝制排气销。因为泡沫 B 面构造复杂，若气体排放不顺畅会产生大面积的填充不足，影响一次下线合格率，所以又在10处高风险区域增加排气销。排气销分布如图3所示。

后座泡沫 B 面存在较长的线束预埋沟壑，其宽度为2.35 mm，在Z方向无法增加排气销。为了保证气体顺畅排出，在模具凸起钣金处加开 9 个 φ4 mm通孔，利于气体排出及原料流通充模，如图4所示。


2.4　镶件固定方式设计 后座泡沫B面存在图5所示的6个塑料镶件，其尺寸为 80 mm×65.5 mm×20 mm。在发泡前需要先将塑料镶件固定在上模，发泡过程中泡沫会与镶件粘连，最后镶件会固定在泡沫中。

2.4.1　镶件受力分析    在后座泡沫生产过程中，预留安装镶件的时间为10 s，泡沫脱模取下的时间为 12 s，故需要采用自动锁紧方式进行固定。镶件在泡沫生产过程中存在2种受力方式：①镶件固定在上模时，镶件受到的重力与镶件固定力平衡，保证镶件不脱落；②镶件在泡沫中从模具中取出时，镶件受到的固定力要小于镶件从泡沫上取下的拉拔力。 2.4.2　镶件固定方式分析


工业中存在 2 种自动卡紧塑料镶件的固定方式，分别是弹簧钢片卡紧以及可伸缩顶杆卡紧，如图6 和图7所示。针对弹簧钢片卡紧方式，镶件质量为 19.7 g，根据 F=mg 计算可得卡紧力应高于 0.2N；针对可伸缩顶杆卡紧方式，后座泡沫镶件与泡沫总成接触面积约 52.4 cm2，根据图纸要求镶件拉拔力≥100 N，所以卡紧力需要小于100 N。镶件 2 种固定方式对比如表 2 所示，可伸缩顶杆卡紧力更高及使用次数更多，并且不易受到外力损坏，故选择可伸缩顶杆卡紧方式固定镶嵌件。

2.5　水路设计    模具温度依靠水路来控制，在设计水路时，要在不干涉排气销的情况下尽量均匀排布，水管直径为 φ15 mm，水管间距为 80~150 mm，以保证模具型腔均匀受热。在水路的加热作用下，使模具达到发泡温度，模具水路分布如图8所示。

3　生产验证     根据分析结果，确认模具外轮廓的最小尺寸，设计了钢丝固定的磁铁凸台，对排查出的风险点位置设计了 67个排气销及 9个通孔，根据镶件受力情况选择了合适的可伸缩顶杆卡紧固定方式并设计了让模具加热均匀的水路分布。最终模具结构如图9所示。



模具材料为铝合金并使用消失模铸造成型工艺制作，模具整体外形尺寸为 1 460 mm×750.5 mm×450 mm，总体结构为二板模结构形式，1 模 1 腔布局，模具实物如图 10 所示，上模已安装 6 个塑料镶件，下模已安装7条钢丝。

在实际生产中使用的原材料为 I001 聚氨酯和P014 聚醚，浇筑机器人为 FANUC R-2000ic，模具温度为46 ℃，后座泡沫总成生产实物如图11所示。



经生产验证后座泡沫总成无明显缺料及撕裂痕迹，A面钢丝通过钢丝拉拔力测试其钢丝承受力，测试点的分布如图 12 所示，测试结果如表 3 所示。承受力标准≥70 N，经测试钢丝实际承受力为 70.3~87.7 N，满足设计要求。
  

使用拉力计对泡沫中的6个镶件进行拉拔力测试，测试的方式如图13所示，标准≥100 N，测试结果如表 4 所示，满足设计要求，镶嵌件周边泡沫无撕裂，泡沫总成外观合格。使用亚克力卡板对泡沫尺寸进行测量，卡板的数目和形状与泡沫二维图纸的剖面一致。在竖向尺寸上选择7个截面进行尺寸测量，分别为A、B、C、D、E、F、G截面，在每个截面上选取6个点进行测量。

在横向尺寸上选择 3 个截面进行尺寸测量，分别为H、I、J 截面，在每个截面上也选取 6 个点进行测量，后座泡沫尺寸测量点如图 14 所示,测量结果如表 5所示。后座泡沫总成在卡板中尺寸最大偏差为 2mm，其公差为±3 mm，泡沫尺寸符合设计要求。

4　结束语    对后座泡沫模具设计过程进行了研究，通过泡沫成型收缩率确认了模具型腔外轮廓的最小尺寸为 582.8 mm×1 320 mm×245.3 mm；设计了钢丝固定的磁铁凸台；根据排查的风险点设计了67个排气销及9个通孔的位置；分析了镶件受力情况，选择了合适的可伸缩顶杆卡紧固定方式；设计了让模具加热均匀的水路分布。经过生产验证，后座泡沫总成外观、拉拔力及尺寸都符合标准要求，对新项目泡沫模具设计开发及泡沫类似缺陷的优化具有借鉴意义。

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