塑料翼子板的工藝研究

鐘國留，劉 偉，雷紹闊

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434)

0 前言

2016年10月，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》指出，到2020年、2025年、2030年，整車質(zhì)量需比2015年分別減重10%、20%、35%。對整個汽車行業(yè)來說，輕量化是大勢所趨，越來越具有現(xiàn)實(shí)意義。汽車輕量化促進(jìn)了塑料在汽車零部件上的廣泛應(yīng)用，從內(nèi)飾件、外飾件到結(jié)構(gòu)件，塑料制件隨處可見。目前，汽車用塑料的使用已經(jīng)成為衡量汽車工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一[1]。

塑料在汽車上的應(yīng)用已不限于汽車內(nèi)飾、坐椅、車燈等零件，而是擴(kuò)展到翼子板、后背門、油門踏板等零件。更重要的是，隨著“以塑代鋼”成為汽車設(shè)計(jì)和制造水平的重要標(biāo)志，塑料為汽車輕量化提供了更加廣闊的前景[2]。

筆者所介紹的塑料翼子板是采用可回收的低成本聚丙烯(PP)材料通過注塑成型并采用離線方式制備的零件，應(yīng)用Moldflow軟件分析并驗(yàn)證注塑成型的可行性，并對此類翼子板的成型工藝、變形控制、外觀控制、色差控制給予總結(jié)，為PP基塑料在汽車翼子板上的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 塑料翼子板的優(yōu)勢

塑料翼子板作為汽車輕量化的產(chǎn)物, 相比普通金屬翼子板具有以下優(yōu)勢：(1)減重效果可以達(dá)到40%以上；(2)能夠集成保險杠支架，減少零部件增加所帶來的裝配誤差，提升保險杠安裝精度及降低成本；(3)具有良好的抗沖擊性，可達(dá)到保護(hù)行人的要求；(4)通過注塑成型，更容易應(yīng)用在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上；(5)抗腐蝕性比金屬好。

復(fù)合材料翼子板在歐美已廣泛應(yīng)用，如雷諾Clio、標(biāo)致307/807/C4、大眾Touareg/Phaeton、寶馬6系/3系/X5等，特別在法國，復(fù)合材料翼子板已成為首選。國內(nèi)也有擴(kuò)大之勢，北汽、長安、吉利、

長城等企業(yè)也已經(jīng)有實(shí)際車型的應(yīng)用，并順利實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

2 塑料翼子板的制造

2.1 材料類型

市場上鋼材翼子板居多，但基于減重目的，出現(xiàn)了鋁合金及塑料翼子板，目前塑料翼子板主要用到的材料有片狀模塑料(SMC)、聚酰胺+聚苯醚(PA+PPO)、PP等材料，相關(guān)材料對比見表1。

表1 翼子板材料及工藝對比

SMC具有優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、耐化學(xué)防腐性，但是由于其不可回收性而被多數(shù)主機(jī)廠擯棄，PA+PPO由于采用在線噴涂方式，色差控制得比較好，同時也可以回收再利用，但是此類材料的價格比較高。基于可回收及成本問題，PP材料近年普遍被研究并應(yīng)用，但需要重點(diǎn)解決色差及變形問題。

筆者針對可回收低成本型PP基塑料翼子板進(jìn)行研究。塑料材料的熱膨脹系數(shù)與門板、發(fā)罩等鈑金相差較大(見表2)。

表2不同材料的熱膨脹系數(shù)mm/K

普通PP材料的熱膨脹系數(shù)是鋼材的10倍，從下式可以看出:在溫度變化相同的情況下，塑料翼子板的尺寸變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼材的尺寸變化量，故在設(shè)計(jì)時需要預(yù)留非常大的間隙，以防干涉。因此，塑料PP基翼子板選擇的材料，其熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡量接近鈑金的熱膨脹系數(shù)，此次選用的PP為巴賽爾材料，膨脹系數(shù)為4.1×10-5mm/K。

D=L·(T1-T2)·α

(1)

式中：D為變形量；T1、T2為兩個環(huán)境溫度；L為長度；α為熱膨脹系數(shù)。

2.2 翼子板的涂裝工藝方式

傳統(tǒng)的鈑金翼子板是在焊裝車間進(jìn)行安裝到白車身后，與白車身一起通過電泳及噴涂。對于上述的三種材料類型的塑料翼子板，SMC和PA+PPO是可以以類似鈑金方式，先通過注塑或模壓方式制造后，通過Online或Inline方式完成涂裝。Online和Inline兩種工藝都要求材料具有耐高溫性能[3]，但一般PP材料的熱變形溫度在110 ℃左右，無法與白車身一起經(jīng)過電泳烘烤或噴涂烘烤，只能采用Offline的方式。三種材料的噴涂工藝的對比見表3。

2.3 PP材料翼子板零件方案

(1)PP材料翼子板采用的是注塑成型方式，相對于其他零件來說，其制造難點(diǎn)主要有：熔接線、頂塊印、外觀分型線和色差，難點(diǎn)的成因及解決方法見表4。

(2)PP材料的模量一般較低，造成產(chǎn)品的剛度較差。翼子板一般需要考慮其抗凹性，對于已經(jīng)確定模量的材料，只有更改產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和壁厚，才可能增加其抗凹性，但大面積增加壁厚會增加產(chǎn)品質(zhì)量，這與輕量化的原則相違背，故可考慮局部位置增加壁厚。翼子板是A級外觀面，增加筋條和局部壁厚將可能造成外觀出現(xiàn)縮影，筆者驗(yàn)證了應(yīng)用于翼子板的筋條的設(shè)計(jì)極限及變壁厚漸變方案，效果達(dá)標(biāo)。通過控制增加的壁厚厚度與漸變長度比在1∶100，筋條根部厚度控制在0.65 mm時，無外觀缺陷(見圖1)。

表3 不同噴涂工藝的對比

表4 制造難點(diǎn)成因及解決方法

(a) 變壁厚漸變范圍

(b) 筋條根部厚度極限值

(3)通過仿真分析，得出模具方案。通過順序填充，加以對上述方案的過程管控，最終使產(chǎn)品的變形控制在±0.7 mm。

3 結(jié)語

(1) 塑料翼子板具有輕量化、集成化、安全、造型自由、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但在成型過程中也存在熔接線、頂塊印、分型線、色差等問題。

(2) 通過控制增加的壁厚厚度與漸變長度比、筋條根部厚度，可保證塑料翼子板外觀無缺陷。

(3) 通過仿真分析，可得出模具方案，然后通過順序填充，控制壁厚厚度與漸變長度比、筋條根部厚度，最終可保證產(chǎn)品的變形量在可接受范圍內(nèi)。