薄壁化技術(shù)在汽車保險(xiǎn)杠上的應(yīng)用探討

房彥明

摘要：輕量化是汽車行業(yè)深化發(fā)展的必然趨勢，薄壁化技術(shù)在汽車零部件輕量化方面起到促進(jìn)作用。因此，本文從不同角度入手客觀探討了薄壁化技術(shù)在汽車保險(xiǎn)杠上的應(yīng)用，保證汽車保險(xiǎn)杠運(yùn)行安全的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化，提高汽車運(yùn)行的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：薄壁化技術(shù);汽車保險(xiǎn)杠;應(yīng)用;探討

0? 引言

安全、環(huán)保、節(jié)能是當(dāng)下汽車工業(yè)發(fā)展中三大關(guān)鍵性話題[1]，汽車輕量化是不可忽視的重要策略。與此同時(shí)，保險(xiǎn)杠是汽車運(yùn)行中必不可少的安全件、外觀件，要在細(xì)化分析的基礎(chǔ)上從材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝等層面入手，靈活應(yīng)用薄壁化技術(shù)的同時(shí)優(yōu)化汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)，在控制保險(xiǎn)杠重量的基礎(chǔ)上有著較高的安全性、裝飾性、功能性，持續(xù)改進(jìn)汽車質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)綜合效益目標(biāo)。

1? 汽車保險(xiǎn)杠壁厚發(fā)展趨勢與薄壁化技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1 汽車保險(xiǎn)杠壁厚發(fā)展趨勢

根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會的報(bào)告：汽車自身重量每減少10%，汽車燃油消耗可以降低6%到8%，排放量可以降低5%到6%。保險(xiǎn)杠是現(xiàn)代化汽車不可或缺的部件，隨著汽車工業(yè)全面以及深層次發(fā)展，保險(xiǎn)杠已被提出全新的要求，實(shí)現(xiàn)多樣化功能作用的同時(shí)要具有鮮明的輕量化特點(diǎn)。在科技發(fā)展過程中，汽車保險(xiǎn)杠壁厚也在動態(tài)變化，20世紀(jì)70到80年代，汽車保險(xiǎn)杠壁厚大都在4mm以上，20世紀(jì)90年代到2003年，汽車保險(xiǎn)杠的壁厚范圍大都為3到4mm，2003年到2012年，汽車保險(xiǎn)杠的壁厚范圍大都為2到3mm，2012年到現(xiàn)在，小于2mm是汽車保險(xiǎn)杠壁厚發(fā)展的趨勢。

1.2 薄壁化技術(shù)在汽車保險(xiǎn)杠上的應(yīng)用優(yōu)勢

薄壁化技術(shù)深化發(fā)展的同時(shí)多方面優(yōu)勢作用明顯，將其應(yīng)用到汽車保險(xiǎn)杠是可行的，在保證汽車保險(xiǎn)杠運(yùn)行安全以及質(zhì)量的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行合理化薄壁處理，在不改變保險(xiǎn)杠原材料密度的基礎(chǔ)上減小壁厚，保險(xiǎn)杠重量也會發(fā)生明顯的變化，比如，保險(xiǎn)杠壁厚由3mm減到2.5mm，保險(xiǎn)杠減重15%;保險(xiǎn)杠壁厚由3mm減到2.2mm，保險(xiǎn)杠減重超過20%[2]，減輕重量的同時(shí)還能減少應(yīng)用到汽車保險(xiǎn)杠中的材料。在此過程中，汽車保險(xiǎn)杠注塑成型的周期受到填充時(shí)間、冷卻時(shí)間、開模時(shí)間等影響，冷卻時(shí)間又和保險(xiǎn)杠壁厚有著直接聯(lián)系。薄壁化技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用可以減小汽車保險(xiǎn)杠壁厚，冷卻時(shí)間也會明顯縮短，模具型腔空間也會減少，縮短汽車保險(xiǎn)杠生產(chǎn)周期的同時(shí)生產(chǎn)效率明顯提高。薄壁化技術(shù)的應(yīng)用可以降低汽車保險(xiǎn)杠制件的收縮率，提高保險(xiǎn)杠的尺寸穩(wěn)定性，解決和車身裝配中呈現(xiàn)的尺寸匹配問題，提高汽車整體結(jié)構(gòu)性能以及運(yùn)行效果。

2? 薄壁化技術(shù)在汽車保險(xiǎn)杠上的具體應(yīng)用

2.1 薄壁化技術(shù)應(yīng)用中對汽車保險(xiǎn)杠材料的要求

薄壁化技術(shù)應(yīng)用到汽車保險(xiǎn)杠的優(yōu)勢作用體現(xiàn)在多個(gè)方面，但在具體應(yīng)用過程中對保險(xiǎn)杠材料有一定的要求。首先，汽車保險(xiǎn)杠材料要具有較高的流動性，將壁厚減薄對成型溫度、注塑壓力等的影響最小化，在成型以及模具溫度、注塑壓力不變的情況下[3]，模具型腔可以迅速被高流動性的材料充滿。其次，汽車保險(xiǎn)杠材料要具有較高的模量。汽車保險(xiǎn)杠壁厚減薄的同時(shí)剛度也會有所降低，需要優(yōu)化保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)體系，應(yīng)用到保險(xiǎn)杠中的材料也要有著較高的模量。最后，汽車保險(xiǎn)杠材料要具有較高的韌性。保險(xiǎn)杠在汽車運(yùn)行過程中起到多樣化的作用，比如，緩和外界的沖擊力，防護(hù)車身前部的安全裝置，這就要求保險(xiǎn)杠材料的韌性要高，在流動性、韌性、沖擊性等相互作用下保證材料質(zhì)量，滿足汽車保險(xiǎn)杠性能要求。相應(yīng)地，表1是薄壁化材料、傳統(tǒng)材料二者性能對比情況。

2.2 汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)

2.2.1 壁厚設(shè)計(jì)

汽車保險(xiǎn)杠薄壁化并不是表示所有位置的壁厚都要特別薄，要在優(yōu)化應(yīng)用薄壁化技術(shù)基礎(chǔ)上針對保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)性能、安全系數(shù)、材料性質(zhì)等，規(guī)范化設(shè)計(jì)各個(gè)部位的壁厚，將厚度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，比如，局部翻邊位置的壁厚不能太薄，而主體面不能太厚。壁厚過渡位置要具有較高的均勻性，盡可能拉長對應(yīng)的過渡區(qū)間，以3倍壁厚長度最佳[4]。在壁厚設(shè)計(jì)過程中，要注意流動通道變化，動態(tài)控制壓力損失以及注塑各個(gè)環(huán)節(jié)，避免注塑的制件表面凹凸不平，要控制好制件的設(shè)計(jì)壁厚、實(shí)際壁厚，通過測量、調(diào)整等，將模具加工中呈現(xiàn)的誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2.2 卡扣、加強(qiáng)筋與翻邊設(shè)計(jì)

在應(yīng)用薄壁化技術(shù)過程中，汽車保險(xiǎn)杠的壁厚會減薄，卡扣、螺絲柱等位置的壁厚也需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對性調(diào)整，優(yōu)化設(shè)計(jì)卡扣的同時(shí)避免制件表面出現(xiàn)大量的縮痕。增設(shè)加強(qiáng)筋是提高汽車保險(xiǎn)杠機(jī)械性能的重要手段，要在薄壁化技術(shù)作用下，準(zhǔn)確把握加強(qiáng)筋分布的位置，科學(xué)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋的同時(shí)避免出現(xiàn)應(yīng)力集中、收縮不均勻等問題，在發(fā)揮加強(qiáng)筋功能作用基礎(chǔ)上促使汽車保險(xiǎn)杠運(yùn)行中有著較高的機(jī)械性能。此外，通常情況下，汽車的保險(xiǎn)杠都存在不同類型的翻邊，要在薄壁化技術(shù)應(yīng)用中科學(xué)設(shè)計(jì)翻邊，在應(yīng)用防縮槽基礎(chǔ)上合理減薄翻邊、壁面二者連接處的壁厚，防止翻邊位置出現(xiàn)明顯的縮痕。

2.3 汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)的問題與解決對策

2.3.1 表面缺陷

表面缺陷是汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)中常見的問題，比如，保險(xiǎn)杠表面出現(xiàn)虎皮紋、流痕[5]，主要是因?yàn)樵谧⑺軟_模的時(shí)候，材料會流經(jīng)薄壁的型腔、卡扣位置等，會受到較大的剪切力，明顯大于常規(guī)的模具，材料中不具有較好相容性的組成成分將會分離，保險(xiǎn)杠表面也會出現(xiàn)缺陷問題。在解決表面缺陷問題中，需要深化把握保險(xiǎn)杠材料的流動性、力學(xué)性能等，在應(yīng)用方法、技術(shù)過程中優(yōu)化材料組成成分，提高相容性以及材料的整體性能，對保險(xiǎn)杠表面極易出現(xiàn)流痕等缺陷問題的位置進(jìn)行針對性處理。

2.3.2 翹曲變形

汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的翹曲變形問題和釋放的應(yīng)力、制件收縮率、冷卻時(shí)間、結(jié)晶速度等密切相關(guān)。針對汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)具體要求以及關(guān)鍵點(diǎn)，以翹曲變形嚴(yán)重程度為出發(fā)點(diǎn)，在合理調(diào)整模具的設(shè)計(jì)方案以及保險(xiǎn)杠材料的收縮率、注塑的工藝參數(shù)等基礎(chǔ)上動態(tài)控制收縮率，在調(diào)整注塑壓力、脫模力等過程中將應(yīng)力系數(shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，高效解決翹曲變形問題。

2.4 缺膠和飛邊

缺膠、飛邊都是汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)中不可忽視的問題。缺膠主要是在注塑成型的時(shí)候，模具的型腔沒有被材料完全填充。隨著保險(xiǎn)杠的壁厚不斷減薄，熔體的流動阻力持續(xù)增大，熔體、模具二者溫度明顯降低，熔體粘度增大，出現(xiàn)熔體滯流、注射時(shí)間延長等情況，導(dǎo)致熔體沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)凝固，出現(xiàn)缺膠問題，也可以叫做填充不足問題。飛邊主要是因?yàn)樽⑺軌毫Τ^規(guī)定范圍，模具的閉合效果不好。針對薄壁化技術(shù)應(yīng)用要求以及汽車保險(xiǎn)杠運(yùn)行性能，聯(lián)系各方面實(shí)際的同時(shí)動態(tài)控制薄壁化設(shè)計(jì)中熔體、模具二者溫度，包括注塑的時(shí)間、注射的壓力，最大化提升模具配合的精準(zhǔn)程度，在源頭上高效處理缺膠以及飛邊問題。此外，針對汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)中呈現(xiàn)的翹曲變形、表面缺陷等問題，進(jìn)一步優(yōu)化薄壁化技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié)，在發(fā)揮效能基礎(chǔ)上改進(jìn)汽車保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)體系，在保險(xiǎn)杠及其材料性能提升基礎(chǔ)上提高汽車整體運(yùn)行效果，保證汽車保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)質(zhì)量，促使薄壁化技術(shù)更好地應(yīng)用到整車輕量化設(shè)計(jì)中，在減輕重量、提高安全系數(shù)、降低能耗、減少成本等過程中提高汽車運(yùn)行的綜合效益。

3? 結(jié)語

總而言之，保險(xiǎn)杠是汽車輕量化實(shí)現(xiàn)的重要方面，要在把握性能要求的基礎(chǔ)上探索新思路、新方法的同時(shí)高效應(yīng)用薄壁化技術(shù)，減輕保險(xiǎn)杠重量的同時(shí)優(yōu)化完善保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)體系，在能耗、運(yùn)行成本高效控制過程中充分發(fā)揮保險(xiǎn)杠功能作用，最大化提高汽車運(yùn)行效率以及效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]李智，李凱，焦金鶴，張闖.一種薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（23）：1-3.

[2]譚飛，王旭飛，焦登寧，張重陽，王蒙.某微型電動汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析[J].陜西理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，35（06）：22-26，47.

[3]張世湖，呂偉妮，陳俊，熊希平，黎勝欽.汽車塑料保險(xiǎn)杠模態(tài)分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（12）：91-95.

[4]程健，劉凱，黃家奇.某車型薄壁化保險(xiǎn)杠的Moldflow分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（06）：102-104.

[5]王鎮(zhèn)江，何造，龔世海，馬泉，韋永樂.汽車塑料保險(xiǎn)杠的薄壁化技術(shù)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（04）：51-53，61.