汽車塑料外觀件對(duì)整車外觀尺寸的影響及控制方法

劉浩

摘 要：本文對(duì)汽車塑料外觀件對(duì)整車尺寸的影響和控制方法進(jìn)行探討，從塑料翼子板、前后保及前門(mén)裙板等外觀覆蓋件切入，分別從這些零件的材料組成，物理特性，設(shè)計(jì)制作及裝配工藝進(jìn)行講述，并與傳統(tǒng)鈑金覆蓋件進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)分析塑料件在整車裝配中實(shí)際產(chǎn)生的尺寸問(wèn)題，制定解決措施并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)車型大面積使用塑料外飾件的尺寸問(wèn)題解決及零件裝配等工藝優(yōu)化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：塑料件 裝配 模擬塊 尺寸 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

The Influence of Automobile Plastic Exterior Parts on the Exterior Size of the Whole Vehicle and its Control Method

Liu Hao

Abstract：This article discusses the influence of automotive plastic exterior parts on the size of the entire vehicle and the control methods， starting from the appearance covering parts such as plastic fenders， front and rear guards， and front door skirt panels， respectively， from the material composition， physical characteristics， design and manufacture of these parts. The assembly process is described and compared with traditional sheet metal panels. By analyzing the actual size problems of plastic parts in the assembly of the whole vehicle， formulating solutions and summing up experience， the size problems of using plastic exterior parts in a large area for subsequent models process optimization such as solution and part assembly is of great significance.

Key words：plastic parts， assembly， simulation block， size， experience summary

1 背景

塑料在國(guó)外的發(fā)展已經(jīng)有上百年的歷史了，從最開(kāi)始的普通塑料到后來(lái)的工程塑料再到現(xiàn)在能夠完全替代部分金屬的特種塑料，塑料儼然有替代金屬材料的發(fā)展趨勢(shì)。面對(duì)著國(guó)內(nèi)外能源的緊缺，汽車輕量化的改革已經(jīng)成為各大汽車制造商的重要法寶，汽車的自重每減少10%，燃油（行駛能量）的消耗可降低6%～8%，為此降低整車質(zhì)量，便成為輕量化的關(guān)鍵而塑料的應(yīng)用顯然具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。由此，以塑代鋼的思想必將是汽車行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000年就已達(dá)105kg，約占汽車總重量的8%～12%。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的汽車塑料使用量占汽車總質(zhì)量的平均比例已經(jīng)達(dá)到15%以上 部分國(guó)家則超過(guò)了20%，其塑料的應(yīng)用范圍除了普通的外觀覆蓋件外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車上的功能零部件，如塑料翼子板、門(mén)內(nèi)模塊、前端模塊、背胎盒以及背門(mén)系統(tǒng)等。而在國(guó)內(nèi)塑料工業(yè)的基礎(chǔ)還比較薄弱與國(guó)外比還存在相當(dāng)大的差距，而汽車用塑料的占比也只有8%左右，前面所述在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)成熟的塑料零部件，大多數(shù)也還處于研究階段?？梢?jiàn)，加快以塑代鋼的研究和應(yīng)用，對(duì)于提髙汽車自主產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力趕超世界汽車強(qiáng)國(guó)是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。

2 塑料件選材與零件設(shè)計(jì)

2.1 材料選擇

目前，塑料件在汽車行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，塑料在汽車上的應(yīng)用主要分為3類：外裝件、內(nèi)飾件和功能結(jié)構(gòu)件。

塑料外裝件減輕了汽車質(zhì)量，達(dá)到了節(jié)能目的，例如前后保，翼子板及門(mén)外板裝飾件;塑料內(nèi)飾件具有安全、環(huán)保、舒適的特征，用可吸收沖擊能量和振動(dòng)能量的彈性體和發(fā)泡塑料制造儀表板、座椅、頭枕等制品，可減輕碰撞時(shí)對(duì)人體造成的傷害，提高汽車的安全系數(shù);功能結(jié)構(gòu)件多采用高強(qiáng)度工程塑料，以減輕質(zhì)量、降低成本、簡(jiǎn)化工藝，如塑料燃油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤(pán)上的一些零件等。當(dāng)前，汽車用塑料的品種包括：聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯等等，一般使用的是它們的改性PP材料和復(fù)合材料。

PP（聚丙烯）材料由于其來(lái)源廣泛、密度小、力學(xué)均衡性好、耐化學(xué)腐蝕、易加工及價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用在汽車各大總成系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。但通用PP材料存在收縮率大，制品尺寸穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生翹曲變形;低溫易脆斷，低溫韌性差;耐光老化、耐熱老化性能差等缺點(diǎn)。無(wú)法滿足汽車保險(xiǎn)杠、發(fā)罩、翼子板及前門(mén)裙板等部件的特殊使用要求，需對(duì)通用PP材料進(jìn)行改性。

因此，外飾塑料件選用材料均為改性PP-T20（滑石粉含量為20%的聚丙烯）。

2.2 材料特性的影響

與傳統(tǒng)材料車型相比較，在外觀覆蓋件的應(yīng)用上，傳統(tǒng)材料車型選用的材料為鈑金，而塑料外飾件車型使用的是改性PP材料。在輕量化上有明顯的優(yōu)勢(shì)，以翼子板為例，如表1所見(jiàn)，塑料翼子板相對(duì)于金屬翼子板有著超過(guò)50%的重量差。

除了重量方面，PP-T20翼子板其主要性能如下（表2）：

根據(jù)彎曲強(qiáng)度公式：（公式一）

式中：—彎曲應(yīng)力;P—施加外力;L—長(zhǎng)度;b—寬度;h—厚度

可得在外力P=2*25MPa*10mm*16mm2/（3*64mm）=41.667N，即在2min內(nèi)使用大于41.667N力作用下會(huì)使其發(fā)生彎曲形變，其變量為=1900MPa/41.667N=0.456mm，根據(jù)成年人最大推力為自重1.5倍標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，約為300N>41.667N，即在不考慮翼子板等塑料件弧形型面的影響進(jìn)行裝配時(shí)，會(huì)造成零件尺寸產(chǎn)生0.5mm左右的彈性形變。

由于溫度變化而造成零件熱脹冷縮，發(fā)生變形而造成尺寸變化，可由以下公式得出：

D=（T1-T2）×L×α? ? ? ? （公式二）

式中：D—變形量;T1—高溫;T2—低溫;L—長(zhǎng)度;α—膨脹系數(shù)

由于材料在日常溫度下膨脹系數(shù)最大值為5.5E-05，因此形變量D很小，即對(duì)零件尺寸的影響可忽略不計(jì)。

由于塑料外飾件車型外飾件所用材料一致，因此前后蒙皮的零件特性與翼子板相差無(wú)幾，在外力作用下理論變形量為=1800MPa/41.667N=0.439mm。

2.3 零件設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)尺寸的影響

由于塑料覆蓋件自身特性與傳統(tǒng)金屬零件有著巨大的差異，因此在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮PP-T20塑料的物理及化學(xué)特性在零件制作及成型后零件的尺寸所帶來(lái)的影響。

目前塑料件的設(shè)計(jì)一般遵循：形狀和結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，壁厚合理，避免應(yīng)力集中，加強(qiáng)剛度的設(shè)計(jì)，抗變形設(shè)計(jì)及注塑件的精度等六個(gè)方面。

形狀和結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化（圖1）：

因此，產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜與否，對(duì)零件的尺寸有著直接的聯(lián)系，設(shè)計(jì)產(chǎn)品形狀及結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則零件的尺寸及性能穩(wěn)定性越難以保證，反之采用更為簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方案，在提高零件的質(zhì)量的同時(shí)，也大大的降低了開(kāi)發(fā)生產(chǎn)成本。

壁厚合理：均勻的壁厚可使制件在成型過(guò)程中，熔體流動(dòng)性均勻，冷卻均衡;壁薄部位在冷卻收縮上的差異，會(huì)產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致制件在短期之內(nèi)或較長(zhǎng)一段時(shí)間后發(fā)生翹形變形，這將直接導(dǎo)致零件成型的尺寸變化，從表一中可得出塑料翼子板的收縮率為≤0.75%，可簡(jiǎn)單描述為零件體積產(chǎn)生了0～0.75%的變化量，直接影響了零件尺寸，且具有不確定性。

避免應(yīng)力集中：應(yīng)力集中具有導(dǎo)致零件開(kāi)裂變形，直接影響零件合格率的潛在風(fēng)險(xiǎn);避免應(yīng)力集中最直接有效的方法就是在拐角、棱角、凹槽等輪廓與厚薄交接處采用圓弧過(guò)渡。

加強(qiáng)剛度的設(shè)計(jì)：塑料件剛性與鈑金件相比較有著明顯的差距，在外力的作用下容易發(fā)生形變而導(dǎo)致零件尺寸變化（圖2）。

抗變形設(shè)計(jì)：由于變形會(huì)直接造成制件的形狀變化，導(dǎo)致零件尺寸偏差;而變形主要有制件內(nèi)應(yīng)力引起的翹曲變形及熱效應(yīng)引起的熱變形（圖3）。

注塑件的精度：塑料外飾件車型外飾件使用的是注塑成型工藝，因此模具及制作工藝等因素均會(huì)對(duì)零件成型尺寸造成重要的影響。

2.4 小結(jié)

綜合塑料外飾件的材料固有特性及設(shè)計(jì)制造過(guò)程分析，可以得出，塑料件在成型過(guò)程中對(duì)尺寸精度的影響因素較多，因此零件的尺寸會(huì)有一定程度的波動(dòng)，從而直接影響整車零件裝配間隙段差的控制。

3 裝配工藝及配合質(zhì)量控制

3.1 裝配工藝

目前，工業(yè)上對(duì)于塑料工件的裝配工藝主要為如下三種：

機(jī)械法，機(jī)械法包括搭扣配合、螺釘、鉚釘和壓接等選項(xiàng)，但不限于這些選項(xiàng)。主要為可拆如汽車燈組及前后蒙皮等工件，在其壽命周期中需要拆卸，通常會(huì)選擇機(jī)械法來(lái)裝配。在耗材成本超過(guò)設(shè)備價(jià)值的小批量裝配應(yīng)用中也可采用這種裝配方法。

膠黏劑法，膠黏劑法是一種尋求的永久性裝配方法，常被運(yùn)用于工件材料互不相容的裝配中。

摩擦熱法，當(dāng)塑料工件與裝配搭接材料相容時(shí)，通常使用該方法進(jìn)行裝配。用該方法裝配的組件其結(jié)合將是永久性和防干擾密封的。由于該方法不能應(yīng)用于消費(fèi)品組件的裝配，且該方法成本效益相對(duì)于前兩者。

由于在汽車外飾件裝配過(guò)程中，主要為塑料件安裝在白車身上，為塑料件與鈑金件的搭接，因此主要采用機(jī)械法與膠粘劑法。在這兩種方法中，外飾件裝配除了頂蓋外飾板與頂蓋裝配時(shí)使用卡扣與3M膠粘的裝配方法，其余零件如翼子板、前后保及前門(mén)裙板等均為使用卡扣、螺釘?shù)葯C(jī)械裝配工藝，其中卡扣及塑料定位銷的數(shù)量為28，約占機(jī)械裝配點(diǎn)總數(shù)的一半，且其定位作用的均為塑料定位銷及卡扣安裝點(diǎn)（表3）。

從而可知，塑料零件上的定位銷及卡扣與白車身進(jìn)行連接的精度直接體現(xiàn)在整車上，最終間隙段差是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 塑料件與鈑金件配合尺寸質(zhì)量的控制

塑料外飾件大量使用對(duì)傳統(tǒng)鈑金件與鈑金件的配合控制提出了新的挑戰(zhàn)。未大量使用塑料外飾件前車門(mén)與側(cè)圍、車門(mén)與翼子板、翼子板與發(fā)蓋等處的配合在車身車間已完成裝配并調(diào)整至符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而發(fā)蓋、翼子板甚至車門(mén)外飾板使用塑料件后，其安裝工序就轉(zhuǎn)移到了總裝車間進(jìn)行，車門(mén)在車身車間裝配完成時(shí)無(wú)可參照的配合可測(cè)量。因此，使用模擬塊輔助裝配成為控制裝配質(zhì)量的必要手段。

模擬塊主要模擬車門(mén)和翼子板等零件邊緣，通過(guò)鈑金與模擬塊的匹配測(cè)量，判斷車門(mén)裝配是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。一般選擇車門(mén)接縫附近的光孔作為模擬塊定位點(diǎn)，塑料外飾件邊緣作為測(cè)量配合面（圖6）。

在車門(mén)安裝工藝時(shí)序設(shè)計(jì)時(shí)需要加上安裝模擬塊的時(shí)間，才能在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)完成車門(mén)安裝工作（圖7）。

正式生產(chǎn)階段的車身尺寸控制一般使用ABC測(cè)量進(jìn)行尺寸監(jiān)控：A測(cè)量是指白車身（不含門(mén)蓋及翼子板）CMM（三坐標(biāo)）測(cè)量，通過(guò)雙懸臂試CMM測(cè)量機(jī)進(jìn)行車身測(cè)點(diǎn)尺寸數(shù)據(jù)收集、匯總、整理，形成白車身測(cè)點(diǎn)SPC報(bào)告;B測(cè)量是指門(mén)蓋檢具測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量工具收集車門(mén)在檢具上的尺寸數(shù)據(jù)，形成B測(cè)量報(bào)告;C測(cè)量是指白車身（含門(mén)蓋及翼子板）間隙、段差匹配測(cè)量，通過(guò)測(cè)量工具收集測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)形成C測(cè)量報(bào)告。通過(guò)將ABC測(cè)量數(shù)據(jù)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)保證白車身尺寸符合要求，也保證了后續(xù)總裝的裝配質(zhì)量。

塑料件的大量使用對(duì)C測(cè)量的影響是最明顯的，C測(cè)量白車身上車門(mén)及翼子板的周圈無(wú)配合或配合間隙、段差數(shù)值過(guò)大，直接使用測(cè)量工具無(wú)法進(jìn)行測(cè)量或測(cè)量精度降低。C測(cè)量必須使用模擬塊表征塑料件裝配效果，C測(cè)量的數(shù)據(jù)也是測(cè)量模擬塊的數(shù)據(jù)而不是直接測(cè)量白車身的數(shù)據(jù)。

整車質(zhì)量控制策略也需要做相應(yīng)調(diào)整，車身車間輸出尺寸質(zhì)量應(yīng)以模擬塊表征數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，總裝塑料件裝配根據(jù)車身狀態(tài)需做微小調(diào)整以滿足整車質(zhì)量要求。模擬塊的使用需做到以下兩點(diǎn)：

（1）模擬塊使用過(guò)程注意其精度保護(hù);

（2）模擬塊定期校準(zhǔn)。

4 實(shí)際問(wèn)題分析與對(duì)策

以下，通過(guò)對(duì)汽車車身塑料外飾件翼子板在整車裝配上出現(xiàn)的尺寸問(wèn)題為例子進(jìn)行分析，制定解決措施，并總結(jié)可行方案和優(yōu)化建議。

4.1 實(shí)例分析

翼子板從前往后分別與前保險(xiǎn)杠與前門(mén)連接，安裝時(shí)既要符合與前保的間隙段差要求，也要兼顧與前門(mén)的間隙要求，因此在實(shí)際裝配過(guò)程中，易出現(xiàn)顧此失彼的情況。

在實(shí)際裝配過(guò)程中，安裝順序?yàn)椋很囬T(mén)—翼子板—前保。

通過(guò)分析車門(mén)與翼子板配合尺寸鏈，L0為封閉環(huán)，L2、L3為增環(huán)，L1、L4及L5為減環(huán)。L2增大或減小，直接導(dǎo)致L0即翼子板與前門(mén)間隙同向增大及減小;而L1、L4及L5的尺寸變化將導(dǎo)致L0反向變化。

翼子板為改性PP材料，從公式一可知，由于材料的固有特性，進(jìn)行裝配時(shí)在外力的作用下，翼子板會(huì)發(fā)生0.5mm左右的尺寸變化，因此尺寸鏈中減環(huán)L4存在X向尺寸增大或減小約0.5mm的現(xiàn)象，而L5為鈑金車門(mén)前后包邊尺寸，由于金屬成型的穩(wěn)定性，且在進(jìn)行裝配時(shí)無(wú)操作影響其尺寸，可視為常量;L3為鉸鏈安裝孔到車門(mén)包邊尺寸，在裝配時(shí)受到車門(mén)與后側(cè)圍間隙的約束，如圖八中2-1、2-2所示，PQS標(biāo)準(zhǔn)為3.0～5.0mm，公差范圍為2.0mm;L1為翼子板安裝孔的直接尺寸，由于翼子板在X向上僅有一處約束點(diǎn)，屬于欠約束裝配，且在進(jìn)行安裝時(shí)無(wú)安裝調(diào)整工具，因此導(dǎo)致L1尺寸在實(shí)際裝配過(guò)程中有著大于2.0mm的尺寸精度誤差;L2則直接體現(xiàn)翼子板與前門(mén)間隙大小，公差范圍為±1.5mm*2=±3.0mm。

綜上所述，翼子板與前門(mén)間隙大小受到零件材料自身特性，安裝約束及公差累積的影響，組成環(huán)對(duì)封閉環(huán)L0間隙影響L1+L2+L3+L4+L5=-2.0+3.0+2.0-0.5-0=2.5mm。PQS中前門(mén)翼子板間隙標(biāo)準(zhǔn)為3.5～5.5mm，公差范圍2.0mm<2.5mm，且L2尺寸精度在欠約束的安裝過(guò)程中難以控制，同時(shí)出現(xiàn)翼子板與前門(mén)上下型面的段差不均而出現(xiàn)段差不合問(wèn)題，與傳統(tǒng)金屬翼子板的塑性形變不一樣，塑料翼子板由于存在彈性形變，因此對(duì)翼子板進(jìn)行按壓與撬挑的調(diào)整斷差方法并不適用。

建議措施：

（1）翼子板與前門(mén)匹配處上下設(shè)計(jì)2個(gè)X向緊固點(diǎn);

（2）優(yōu)化安裝工藝，在總裝安裝翼子板時(shí)增加面差調(diào)整工序，同時(shí)考慮使用安裝工具;

（3）進(jìn)一步提升零件及安裝尺寸精度。

4.2 小結(jié)

塑料件由于其自身特性的原因，需在設(shè)計(jì)之初到零件成型及裝配過(guò)程中考慮其對(duì)整車裝配后使用帶來(lái)的影響，而其中最明顯的就是對(duì)整車裝配尺寸的變化。通過(guò)分析原因可得影響尺寸變化主要因素為塑料零件的物理特性，安裝定位點(diǎn)精度不高、裝配約束不恰當(dāng)及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不恰當(dāng)造成裝配調(diào)整困難等原因。

5 總結(jié)

現(xiàn)在，塑料替代傳統(tǒng)的鈑金件越來(lái)越多的出現(xiàn)在車身外覆蓋件上，如何控制塑料件與鈑金件、塑料件與塑料件間的配合成為整車制造關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。本文從材料特性、零件設(shè)計(jì)、裝配工藝、尺寸控制等方面分析塑料件與鈑金件的差異，并通過(guò)實(shí)例提出塑料外飾件配合控制的方法。未來(lái)我們將研究更好的設(shè)計(jì)和控制方案，在塑料件更大范圍的應(yīng)用下，保證整車良好的外觀匹配質(zhì)量，制造出更好、更美觀的車身。

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