熱壓工藝參數對麻纖板減薄率影響分析

丁宏參 候慶江 劉賽科 王一棟　吳賢益

摘 要：麻纖維制品因其高強度、高耐磨、來源廣、易降解等優點，成為汽車內飾件環保、超高輕量化的新一代理想材料。為研究熱壓過程中熱壓參數對麻纖板減薄率的影響，文章應用自主設計的模具，通過杯突實驗研究了熱壓參數對麻纖板減薄率的影響，實驗發現溫度和熱壓行程與麻纖板減薄率存在正相關的關系，熱壓速度與麻纖板減薄率存在負相關關系。根據實驗得到的數據，應用SPSS數據分析軟件，分別建立了麻纖板減薄率與溫度與熱壓速度的一元線性回歸預測模型和與熱壓行程的一元回歸預測模型。通過建立的模型，可以在熱壓-注塑一體化成形工藝中預測對熱壓破壞進行預防、改善注塑工藝參數提高生產效率。最后，文章從機理上分析了麻纖板減薄率與溫度、熱壓速度和熱壓行程的關系。

關鍵詞：麻纖板 杯突實驗 減薄率 回歸預測模型

1 引言

加快推動綠色低碳技術實現“雙碳”目標，汽車零部件材料的輕量化是重要發展方向。近幾年國內逐步加強和推行限塑令，汽車內飾塑料件產品的使用將趨于減弱，而麻纖維制品因其高強度、高耐磨、來源廣、易降解等優點，逐漸在汽車內飾材料中取代了塑料等制品，成為汽車內飾件環保、超高輕量化的新一代理想材料[1]。

麻纖板是由麻類天然纖維制成的板材，麻纖板的成分主要包括麻纖維、粘合劑和填充物等。麻纖維是麻纖板的主要成分之一，常用于制作纖維增強復合材料[2]。本實驗研究以可回收再利用的新型麻纖維環保材料（即聚丙烯和木粉的混合物）為實驗材料。

為研究熱壓參數對減薄率的影響，本文設計了杯突實驗，杯突試驗應用于板材成形性能研究、熱壓工藝模擬和成型工藝參數研究和評估等領域，是具有普遍意義的模擬試驗方法之一。通過杯突實驗得到麻纖板的減薄模型，通過此減薄模型來預測熱壓過程缺陷發生點，進而能在熱壓之前做出預防措施。還可以根據熱壓后的板材厚度來設計注塑的澆口與流道，大大提高成品率。因此，麻纖板在杯突實驗中的減薄率測量研究對熱壓-注塑一體化成形工藝有著十分重要的意義[3-4]。

2 實驗

為研究熱壓參數對麻纖板的減薄率的影響并建立減薄預測模型，本文設計了兩組實驗。一組為溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率的影響研究，另一組為熱壓行程對麻纖板減薄率的影響研究。在溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率的影響研究實驗中，本文根據麻纖板的熱壓條件設計了四個溫度點和四種熱壓速度，研究了麻纖板在熱壓出現裂口時，裂口處的減薄率，并建立了減薄預測模型。在熱壓行程對麻纖板減薄率的影響研究中，設計了在特定溫度與熱壓速度下不同熱壓行程下麻纖板減薄率的測量實驗，得到了減薄預測模型。

2.1 溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率的影響

溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率的影響實驗是在Shimadzu材料高溫持久性能試驗機上進行，如圖1（a）所示。高溫杯突模具由自己設計加工，示意圖如圖1（b），采用螺栓擰緊提供壓邊力，并保證四個螺栓的壓邊力相等，如圖1（c）所示。杯突試樣是由麻纖板切削而成的、尺寸為φ138mm×0.9mm的圓片，同時四邊開直徑為12 mm的通孔，如圖1（d）所示，而試驗條件則如表1所示。

實驗步驟：實驗開始之前，每個樣品取四個點，并使用游標卡尺測量每個點的厚度，取平均值作為其初始厚度，如圖2（a）所示。安裝好樣品，如圖1（c）所示，然后通過加熱圈加熱模具和壓邊圈，通過熱傳導的方式加熱麻纖板，達到成形溫度后開始杯突成形。試樣破壞之后，試驗停止，保存載荷和沖頭位移等試驗數據，取出樣品，改變溫度或熱壓速度，重復實驗。待樣品冷卻后，將樣品沿著裂紋方向切開，切開后每一側取三個點，使用游標卡尺記錄其厚度，取平均值作為杯突實驗后麻纖板的厚度。最后計算麻纖板的減薄率，并得到減薄率隨溫度與熱壓速度變化的減薄模型。

減薄率的計算公式如下：

其中為減薄率，為杯突實驗前麻纖板的厚度，為杯突實驗后麻纖板的厚度。

2.2 熱壓行程對麻纖板減薄率的影響

熱壓行程對麻纖板減薄率的影響實驗也是在Shimadzu材料高溫持久性能試驗機上進行，使用的模具與樣品大小也和上一個實驗相同。

實驗步驟：實驗開始之前，每個樣品取四個點，并使用游標卡尺測量每個點的厚度，取平均值作為其初始厚度，如圖2（a）所示。安裝好樣品，如圖1（c）所示，然后通過加熱圈加熱模具和壓邊圈，通過熱傳導的方式加熱麻纖板，達到成形溫度后開始杯突成形。設置不同的行程，當熱壓行程達到預設行程時停止實驗，取出樣品，保持溫度與熱壓速度不變，改變行程，重復實驗。待樣品冷卻后，將樣品切開，切開后每一側取三個點，使用游標卡尺記錄其厚度，取平均值作為杯突實驗后麻纖板的厚度。最后計算麻纖板的減薄率，并得到減薄率隨行程變化的減薄模型。實驗條件如表2所示。

3 結果與討論

通過上訴實驗得到了麻纖板在不同條件下的減薄率，再利用這些數據，通過SPSS數據分析軟件得到麻纖板的減薄模型，結果如下。

3.1 溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率影響結果分析

為研究溫度對麻纖板減薄率的影響，本文設計了四組溫度實驗，因為麻纖板熱壓實際溫度在140℃左右，本文選取的溫度點為100、120、140、160℃。熱壓速度控制在2 mm/min。每組重復3次實驗，得到材料平均減薄率。如表3所示，當溫度逐漸升高時，材料平均減薄率也不斷增大。

為研究熱壓速度對麻纖板減薄率的影響，本文設計了四組熱壓速度實驗，本文選取的熱壓速度點為2、30、60、120mm/min。溫度控制在140℃。每組重復3次實驗，得到材料平均減薄率。如表4所示，當熱壓速度逐漸增大時，材料平均減薄率也不斷減小。

3.2 溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率影響預測模型

為了更加直觀的表示麻纖板的減薄率與溫度和熱壓速度的關系，本文根據測量數據建立了減薄率與溫度和熱壓速度的一元回歸模型，模型表示如下：

其中η表示減薄率，t表示溫度，v表示熱壓速度，a、b、c為待定參數。

為求得待定參數a、b、c，本文將前面得到的麻纖板與溫度和熱壓速度關系的實驗數據和模型輸入到SPSS數據分析軟件中，分析計算結果如下表5所示，根據表5可知麻纖板的減薄模型可以表示為：

3.3 熱壓行程對麻纖板減薄率影響結果分析

由前面的實驗結果得到麻纖板在行程帶到12mm左右就會被破壞，因此在研究熱壓行程對麻纖板減薄率的影響時，最大行程設置在10mm。本文設置了5組實驗每組實驗重復3次，熱壓速度與溫度控制在2 mm/min和140℃。結果如表６所示，當熱壓行程不斷增大時，麻纖板的減薄率在不斷增大。

3.4 熱壓行程對麻纖板減薄率影響預測模型

依照前文方法為更加直觀的表示熱壓行程與麻纖板減薄率的關系，依照前文方法，本文建立了減薄預測模型結果如下：

3.5 總結

通過實驗分析可知，熱壓參數中溫度對麻纖板減薄率存在正相關關系，熱壓速度與麻纖板減薄率存在負相關關系。根據實驗數據，建立了溫度與熱壓速度對麻纖板減薄率影響預測模型。熱壓參數中熱壓行程與減薄率存在正相關關系，建立了熱壓行程與麻纖板減薄率預測模型。

利用減薄率預測模型公式 可以得到在某工藝條件下麻纖板最大減薄率。再利用減薄率預測模型公式和最大減薄率可以得到該工藝條件下的最大熱壓行程。利用最大熱壓行程可以預測熱壓過程缺陷發生點，進而能在熱壓之前做出預防措施。利用減薄模型還可以預測熱壓后的板材厚度，通過板材厚度來設計注塑的澆口與流道，大大提高成品率。

基金項目：

寧波市重大科技攻關項目（2022Z010）。

參考文獻：

[1]梅皓然，談政，盛杰.汽車內飾件用麻纖維板與玻纖板性能的比較[J].汽車工藝與材料，2015，（07）：56-59.

[2]孫銳，袁學虎，周天平，等.輕質GMT板材在商用車內飾頂棚開發中的應用及與麻纖維板制品的對比[J].汽車零部件，2014，（04）：44-47.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2014.04.012.

[3]董曉傳，倪煬，蔡玉俊，等.7075鋁合金擋風梁熱熱壓成形減薄預測模型[J].中國有色金屬學報，2021，31（03）：590-597.

[4]鄭兵.編織碳纖維增強熱塑性復合材料熱壓-注塑整體化成形關鍵技術[D].武漢：華中科技大學，2019.DOI：10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004716.