热压工艺参数对麻纤板减薄率影响分析

丁宏参 候庆江 刘赛科 王一栋　吴贤益

摘 要：麻纤维制品因其高强度、高耐磨、来源广、易降解等优点，成为汽车内饰件环保、超高轻量化的新一代理想材料。为研究热压过程中热压参数对麻纤板减薄率的影响，文章应用自主设计的模具，通过杯突实验研究了热压参数对麻纤板减薄率的影响，实验发现温度和热压行程与麻纤板减薄率存在正相关的关系，热压速度与麻纤板减薄率存在负相关关系。根据实验得到的数据，应用SPSS数据分析软件，分别建立了麻纤板减薄率与温度与热压速度的一元线性回归预测模型和与热压行程的一元回归预测模型。通过建立的模型，可以在热压-注塑一体化成形工艺中预测对热压破坏进行预防、改善注塑工艺参数提高生产效率。最后，文章从机理上分析了麻纤板减薄率与温度、热压速度和热压行程的关系。

关键词：麻纤板 杯突实验 减薄率 回归预测模型

1 引言

加快推动绿色低碳技术实现“双碳”目标，汽车零部件材料的轻量化是重要发展方向。近几年国内逐步加强和推行限塑令，汽车内饰塑料件产品的使用将趋于减弱，而麻纤维制品因其高强度、高耐磨、来源广、易降解等优点，逐渐在汽车内饰材料中取代了塑料等制品，成为汽车内饰件环保、超高轻量化的新一代理想材料[1]。

麻纤板是由麻类天然纤维制成的板材，麻纤板的成分主要包括麻纤维、粘合剂和填充物等。麻纤维是麻纤板的主要成分之一，常用于制作纤维增强复合材料[2]。本实验研究以可回收再利用的新型麻纤维环保材料（即聚丙烯和木粉的混合物）为实验材料。

为研究热压参数对减薄率的影响，本文设计了杯突实验，杯突试验应用于板材成形性能研究、热压工艺模拟和成型工艺参数研究和评估等领域，是具有普遍意义的模拟试验方法之一。通过杯突实验得到麻纤板的减薄模型，通过此减薄模型来预测热压过程缺陷发生点，进而能在热压之前做出预防措施。還可以根据热压后的板材厚度来设计注塑的浇口与流道，大大提高成品率。因此，麻纤板在杯突实验中的减薄率测量研究对热压-注塑一体化成形工艺有着十分重要的意义[3-4]。

2 实验

为研究热压参数对麻纤板的减薄率的影响并建立减薄预测模型，本文设计了两组实验。一组为温度与热压速度对麻纤板减薄率的影响研究，另一组为热压行程对麻纤板减薄率的影响研究。在温度与热压速度对麻纤板减薄率的影响研究实验中，本文根据麻纤板的热压条件设计了四个温度点和四种热压速度，研究了麻纤板在热压出现裂口时，裂口处的减薄率，并建立了减薄预测模型。在热压行程对麻纤板减薄率的影响研究中，设计了在特定温度与热压速度下不同热压行程下麻纤板减薄率的测量实验，得到了减薄预测模型。

2.1 温度与热压速度对麻纤板减薄率的影响

温度与热压速度对麻纤板减薄率的影响实验是在Shimadzu材料高温持久性能试验机上进行，如图1（a）所示。高温杯突模具由自己设计加工，示意图如图1（b），采用螺栓拧紧提供压边力，并保证四个螺栓的压边力相等，如图1（c）所示。杯突试样是由麻纤板切削而成的、尺寸为φ138mm×0.9mm的圆片，同时四边开直径为12 mm的通孔，如图1（d）所示，而试验条件则如表1所示。

实验步骤：实验开始之前，每个样品取四个点，并使用游标卡尺测量每个点的厚度，取平均值作为其初始厚度，如图2（a）所示。安装好样品，如图1（c）所示，然后通过加热圈加热模具和压边圈，通过热传导的方式加热麻纤板，达到成形温度后开始杯突成形。试样破坏之后，试验停止，保存载荷和冲头位移等试验数据，取出样品，改变温度或热压速度，重复实验。待样品冷却后，将样品沿着裂纹方向切开，切开后每一侧取三个点，使用游标卡尺记录其厚度，取平均值作为杯突实验后麻纤板的厚度。最后计算麻纤板的减薄率，并得到减薄率随温度与热压速度变化的减薄模型。

减薄率的计算公式如下：

其中为减薄率，为杯突实验前麻纤板的厚度，为杯突实验后麻纤板的厚度。

2.2 热压行程对麻纤板减薄率的影响

热压行程对麻纤板减薄率的影响实验也是在Shimadzu材料高温持久性能试验机上进行，使用的模具与样品大小也和上一个实验相同。

实验步骤：实验开始之前，每个样品取四个点，并使用游标卡尺测量每个点的厚度，取平均值作为其初始厚度，如图2（a）所示。安装好样品，如图1（c）所示，然后通过加热圈加热模具和压边圈，通过热传导的方式加热麻纤板，达到成形温度后开始杯突成形。设置不同的行程，当热压行程达到预设行程时停止实验，取出样品，保持温度与热压速度不变，改变行程，重复实验。待样品冷却后，将样品切开，切开后每一侧取三个点，使用游标卡尺记录其厚度，取平均值作为杯突实验后麻纤板的厚度。最后计算麻纤板的减薄率，并得到减薄率随行程变化的减薄模型。实验条件如表2所示。

3 结果与讨论

通过上诉实验得到了麻纤板在不同条件下的减薄率，再利用这些数据，通过SPSS数据分析软件得到麻纤板的减薄模型，结果如下。

3.1 温度与热压速度对麻纤板减薄率影响结果分析

为研究温度对麻纤板减薄率的影响，本文设计了四组温度实验，因为麻纤板热压实际温度在140℃左右，本文选取的温度点为100、120、140、160℃。热压速度控制在2 mm/min。每组重复3次实验，得到材料平均减薄率。如表3所示，当温度逐渐升高时，材料平均减薄率也不断增大。

为研究热压速度对麻纤板减薄率的影响，本文设计了四组热压速度实验，本文选取的热压速度点为2、30、60、120mm/min。温度控制在140℃。每组重复3次实验，得到材料平均减薄率。如表4所示，当热压速度逐渐增大时，材料平均减薄率也不断减小。

3.2 温度与热压速度对麻纤板减薄率影响预测模型

为了更加直观的表示麻纤板的减薄率与温度和热压速度的关系，本文根据测量数据建立了减薄率与温度和热压速度的一元回归模型，模型表示如下：

其中η表示减薄率，t表示温度，v表示热压速度，a、b、c为待定参数。

为求得待定参数a、b、c，本文将前面得到的麻纤板与温度和热压速度关系的实验数据和模型输入到SPSS数据分析软件中，分析计算结果如下表5所示，根据表5可知麻纤板的减薄模型可以表示为：

3.3 热压行程对麻纤板减薄率影响结果分析

由前面的实验结果得到麻纤板在行程带到12mm左右就会被破坏，因此在研究热压行程对麻纤板减薄率的影响时，最大行程设置在10mm。本文设置了5组实验每组实验重复3次，热压速度与温度控制在2 mm/min和140℃。结果如表６所示，当热压行程不断增大时，麻纤板的减薄率在不断增大。

3.4 热压行程对麻纤板减薄率影响预测模型

依照前文方法为更加直观的表示热压行程与麻纤板减薄率的关系，依照前文方法，本文建立了减薄预测模型结果如下：

3.5 总结

通过实验分析可知，热压参数中温度对麻纤板减薄率存在正相关关系，热压速度与麻纤板减薄率存在负相关关系。根据实验数据，建立了温度与热压速度对麻纤板减薄率影响预测模型。热压参数中热压行程与减薄率存在正相关关系，建立了热压行程与麻纤板减薄率预测模型。

利用减薄率预测模型公式 可以得到在某工艺条件下麻纤板最大减薄率。再利用减薄率预测模型公式和最大减薄率可以得到该工艺条件下的最大热压行程。利用最大热压行程可以预测热压过程缺陷发生点，进而能在热压之前做出预防措施。利用减薄模型还可以预测热压后的板材厚度，通过板材厚度来设计注塑的浇口与流道，大大提高成品率。

基金项目：

宁波市重大科技攻关项目（2022Z010）。

参考文献：

[1]梅皓然，谈政，盛杰.汽车内饰件用麻纤维板与玻纤板性能的比较[J].汽车工艺与材料，2015，（07）：56-59.

[2]孙锐，袁学虎，周天平，等.轻质GMT板材在商用车内饰顶棚开发中的应用及与麻纤维板制品的对比[J].汽车零部件，2014，（04）：44-47.DOI：10.19466/j.cnki.1674-1986.2014.04.012.

[3]董晓传，倪炀，蔡玉俊，等.7075铝合金挡风梁热热压成形减薄预测模型[J].中国有色金属学报，2021，31（03）：590-597.

[4]郑兵.编织碳纤维增强热塑性复合材料热压-注塑整体化成形关键技术[D].武漢：华中科技大学，2019.DOI：10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004716.