淺析復(fù)合材料車身整車制造工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)

趙偉 李博

摘 要：隨著復(fù)合材料在汽車產(chǎn)品輕量化材質(zhì)中占比的不斷提高，傳統(tǒng)鋼制車身整車制造工廠已不能滿足輕量化車身產(chǎn)品制造要求。本文以某復(fù)合材料車身產(chǎn)品整車制造工廠為實(shí)例，介紹了復(fù)合材料車身產(chǎn)品整車制造工廠總體制造工藝流程、車間工藝特點(diǎn)及其工程設(shè)計(jì)要求，以供同類新工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料車身 整車制造工廠 工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)

1 引言

汽車輕量化是當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，越來越多的汽車產(chǎn)品中采用復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的鋼、鋁等金屬材料。復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，采用物理或化學(xué)方法，組成具有新性能的材料。復(fù)合材料在性能上可以互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求性能，具有比強(qiáng)度高、比剛度高、比模量高、抗疲勞性能好、減振性能好、耐高溫、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，已被視為理想的汽車輕量化材料之一。因此，復(fù)合材料車輛制造應(yīng)用日益廣泛[1]。

傳統(tǒng)鋼制車身整車制造工廠總體制造工藝包含沖壓、焊接、涂裝、總裝四大核心工藝，相對(duì)應(yīng)的主要車間包括沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間。復(fù)合材料車身產(chǎn)品外覆蓋件為復(fù)合材料，而非鋼材，因此傳統(tǒng)的鋼制車身整車制造工廠已無法滿足其生產(chǎn)制造要求。

本文以某復(fù)合材料車身整車工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例，闡述了復(fù)合材料車身整車制造工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該工廠規(guī)劃綱領(lǐng)10萬臺(tái)/年，生產(chǎn)節(jié)拍為25JPH（Jobs Per Hour）。

2 復(fù)合材料車身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)概況

汽車行業(yè)復(fù)合材料車身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要分為兩大類，一是復(fù)合材料覆蓋件+復(fù)合材料車艙結(jié)構(gòu)，二是復(fù)合材料覆蓋件+鋁合金框架車身結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料主要包含碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維復(fù)合材料（SMC）、工程塑料等。

根據(jù)復(fù)合材料使用的不同，形成了多種復(fù)合材料車身產(chǎn)品。以寶馬i3為代表的復(fù)合材料車身產(chǎn)品，外覆蓋件為工程塑料，車艙為碳纖維復(fù)合材料，車架為鋁合金型材。以前途K50為代表的復(fù)合材料車身產(chǎn)品，外覆蓋件為碳纖維復(fù)合材料，車艙框架為鋁合金型材板材。

本文以外覆蓋件為玻璃纖維復(fù)合材料、車艙框架為鋁合金型材的汽車產(chǎn)品為例進(jìn)行復(fù)合材料車身整車制造工廠規(guī)劃設(shè)計(jì)的介紹。

3 總體制造工藝流程

項(xiàng)目產(chǎn)品采用全新的輕量化材質(zhì)設(shè)計(jì)方案，采用了外覆蓋件為玻璃纖維復(fù)合材料、車艙框架為鋁合金型材的多種輕量化材料。

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，總體制造工藝流程與傳統(tǒng)鋼制車身整車制造工藝不同。

（1）SMC、PP、鋁合金覆蓋件等外協(xié)件進(jìn)入復(fù)合材料零件涂裝車間進(jìn)行噴涂。

（2）油漆后的覆蓋件通過車身-涂裝連廊送往車身車間，其中保險(xiǎn)杠等零部件經(jīng)車身車間的車身-總裝連廊直接送往總裝車間進(jìn)行裝配，剩下的漆后覆蓋件送往車身車間各工位。

（3）車身車間對(duì)鋁合金外協(xié)件和復(fù)合材料零件涂裝車間的漆后覆蓋件進(jìn)行粘接、鉚接等形成漆后整車車身再送往總裝車間。

（4）漆后車身在總裝車間進(jìn)行裝配、檢測(cè)、調(diào)試等工作后去試車跑道進(jìn)行路試。

（5）路試完成后進(jìn)入交檢間進(jìn)行淋雨、檢測(cè)，合格車輛送往成品停放場(chǎng)，不合格車輛進(jìn)入返修區(qū)。

4 車間工藝特點(diǎn)及工程設(shè)計(jì)要求

4.1 復(fù)合材料零件涂裝車間

（1）工藝特點(diǎn)

針對(duì)輕量化車身采用的鋁合金框架、SMC外覆蓋件材質(zhì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，顛覆傳統(tǒng)整車生產(chǎn)工藝，項(xiàng)目決定采用零部件噴涂方式，取消整車涂裝車間，建設(shè)塑料件涂裝車間。

①車間任務(wù)：承擔(dān)車身SMC等外覆蓋件的裝飾性涂裝任務(wù)，具體負(fù)責(zé)工件的漆前處理、噴漆、烘干等工序，并完成油漆材料和產(chǎn)品涂層的檢驗(yàn)工作。

側(cè)圍、頂蓋、門板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等為廠外協(xié)作，涂裝后通過通廊送往車身車間;保險(xiǎn)杠、翼子板等為廠外協(xié)作，涂裝后通過通廊送往總裝車間。

②涂裝質(zhì)量達(dá)到乘用車塑料件涂裝的要求。

③漆前處理采用干冰清洗和靜電除塵，取代化學(xué)前處理，無廢水產(chǎn)生，減少設(shè)備能耗;占地面積小，節(jié)省車間能耗。

④噴漆線：采用兩條噴漆線，每條10NJPH，一期實(shí)施1條線適應(yīng)市場(chǎng)需求。

⑤噴漆采用3C1B工藝，底漆、色漆及清漆噴漆采用機(jī)器人;底漆、清漆采用雙組份溶劑型涂料，色漆采用單組分水性涂料。

⑥噴漆室紙盒干式漆霧處理系統(tǒng)，能耗較低，無廢水產(chǎn)生，循環(huán)風(fēng)比例較高，可減少?gòu)U氣排放。

⑦噴房底漆、清漆廢氣處理采用轉(zhuǎn)輪濃縮和TNV焚燒方式，面涂烘房自帶TNV處理廢氣。

⑧采用輕型滑橇輸送機(jī)組成機(jī)械化自動(dòng)化的連續(xù)流水生產(chǎn)線輸送線。

（2）工程設(shè)計(jì)要求

①?gòu)S房為單層，局部?jī)蓪?廠房高度約15m，低于整車涂裝車間高度;工藝設(shè)備、建筑工程投資均比整車涂裝車間低。

②沒有化學(xué)前處理電泳，僅有漆前處理采用干冰清洗和靜電除塵工藝，無廢水產(chǎn)生。

③塑料件涂裝廢氣量少，廢氣處理量低。

④車間內(nèi)考慮7000m2的物流存儲(chǔ)區(qū)，用于大量外協(xié)件物流存儲(chǔ)。

⑤用電量、空調(diào)制冷量、空調(diào)燃?xì)夂牧枯^整車涂裝均減少。

⑥漆后塑料件需要分別送往車身車間和總裝車間，需建設(shè)兩個(gè)連廊輸送線。

4.2 車身車間

（1）工藝特點(diǎn)

車身車間承擔(dān)鋁合金鈑金件存放;車身骨架總成的涂膠、粘接、鉚接、熱固化;車身總成的涂膠、粘接，門蓋裝配、檢測(cè)等。主要有車身總成、車身骨架總成、地板總成、前艙總成、前地板總成、后地板總成、左/右側(cè)圍總成、左/右前車門總成、左/右后車門總成、前艙蓋總成等。

車身框架采用鋁合金型材和板材通過膠粘劑熱固化膠粘連接。頂蓋、側(cè)圍、翼子板采用復(fù)合材料與車身骨架冷固化粘接。

SMC件涂膠采用機(jī)器人工作站，人工上下件，機(jī)器人涂膠。涂膠完成的SMC件送往車身總成線。

車門外板為SMC復(fù)合材料，采用機(jī)器人涂膠，然后與內(nèi)板粘接。

車身骨架總成線采用滑橇+滾床輸送工件。分別進(jìn)行擦凈、涂底漆、SMC件的粘接、安裝及調(diào)試門蓋等工作[2]。

完成的車身總成通過空中送往總裝車間，見圖2。

（2）工程設(shè)計(jì)要求

①結(jié)構(gòu)膠作業(yè)有溫度要求。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，車間內(nèi)要求恒溫，微正壓，保證清潔生產(chǎn)。廠房需設(shè)置空調(diào)確保夏季溫度不超過30℃，冬季溫度不低于15℃。

②車間潔凈度要求較高，外協(xié)件需在中轉(zhuǎn)區(qū)拆包后才能進(jìn)入物流存放區(qū)。

③采用鋼結(jié)構(gòu)廠房，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋架，屋架工藝吊掛荷載局部2.5kPa。廠房?jī)舾?0m。車間內(nèi)的公用管線、設(shè)備吊掛系統(tǒng)、機(jī)運(yùn)系統(tǒng)等都采用屋架吊掛方式。

④由于采用粘接、鉚接、熱固化、冷固化工藝，而非傳統(tǒng)焊接工藝，因此耗電量、壓縮空氣量大幅減少。

⑤車間內(nèi)無傳統(tǒng)焊機(jī)，不需要冷卻循環(huán)水。

⑥車間由于有烘干爐進(jìn)行熱固化工作，需要提供天然氣，天然氣消耗量小時(shí)最大870m3/h。

⑦生產(chǎn)過程中沒有火花、煙塵產(chǎn)生，無廢氣和廢水產(chǎn)生。

⑧粘接工藝沒有噪聲產(chǎn)生。

⑨車間內(nèi)生產(chǎn)物質(zhì)均為難燃燒物質(zhì)，車間火災(zāi)危險(xiǎn)性類別可定為丁類廠房。

4.3 總裝車間

總裝車間承擔(dān)復(fù)合材料車身整車產(chǎn)品的整車裝配、調(diào)試、檢測(cè)返修以及車門總成、儀表板總成、增程發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成、前后懸架（電機(jī)橋）總成等分裝工作。

復(fù)合材料車身整車制造工廠的總裝車間與普通新能源汽車總裝車間工藝流程、車間布局基本相同。

除了粘接后車身骨架進(jìn)入總裝車間外，復(fù)合材料零件涂裝車間噴漆后的部分外覆蓋件（保險(xiǎn)杠、門檻護(hù)板等）通過連廊直接進(jìn)入總裝車間，也有復(fù)合材料零件涂裝車間噴漆后先送到車身車間進(jìn)行粘接分總成然后送往總裝車間裝配的外覆蓋件（行李箱蓋、翼子板等），為了避免物流交叉，提出了采用分流、合流的機(jī)運(yùn)輸送方式連接起三個(gè)車間的機(jī)械化運(yùn)輸。

5 結(jié)語

隨著復(fù)合材料新工藝、新技術(shù)、新材料的不斷涌現(xiàn)，復(fù)合材料在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用呈明顯遞增趨勢(shì)，相應(yīng)的復(fù)合材料車身整車制造工廠建設(shè)需求也將與日俱增。復(fù)合材料車身整車制造工廠與傳統(tǒng)鋼制車身制造工廠區(qū)別很大，本文對(duì)復(fù)合材料車身整車制造工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行了淺析，并與傳統(tǒng)鋼制車身制造工廠規(guī)劃要點(diǎn)進(jìn)行分析比較，為同類新工廠規(guī)劃提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宏雁，陳君毅.汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料[M].北京大學(xué)出版社，2009.

[2]陸建邦，李賀強(qiáng)，王崇. 新能源汽車車身材料及連接工藝概述[J]. 汽車工藝師，2018，No.181（08）：56-58.