汽車塑料尾門設(shè)計(jì)和工藝研究

朱長(zhǎng)春　楊文葉　宋杰　李振興　馬秋

摘 要：塑料尾門以質(zhì)輕、集成度高、設(shè)計(jì)自由、可回收等優(yōu)勢(shì)逐步成為汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)，是提升車輛競(jìng)爭(zhēng)力水平的關(guān)鍵技術(shù)方向。本文對(duì)塑料尾門的技術(shù)發(fā)展、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選型、工藝控制和仿真分析進(jìn)行了全面的研究，旨在為整車廠開發(fā)塑料尾門提供參考。塑料尾門發(fā)展至第三代，應(yīng)用主流的材料為內(nèi)板PP-LGF，外板礦粉改性PP，膠粘劑采用雙組分聚氨酯。在市面諸多材料牌號(hào)中，塑料尾門內(nèi)、外板和膠粘劑的選型需要綜合評(píng)估性能、成本、環(huán)保、重量和造型等方面。此外，塑料尾門的結(jié)構(gòu)和制造工藝設(shè)計(jì)需要根據(jù)材料選型的結(jié)果進(jìn)行力學(xué)性能仿真和Moldflow模流分析，在確保工程制造可行性的同時(shí)滿足整車對(duì)尾門性能的綜合需求。

關(guān)鍵詞：塑料尾門 材料選型 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 工藝控制

Research on the Design and Process of Automobile Plastic Tailgate

Zhu Changchun Yang Wenye Song Jie Li Zhenxing Ma Qiu

Abstract：Plastic tailgates have gradually become the future trend of the development of automotive lightweight technology due to their advantages of light weight， high integration， design freedom， and recyclability， and are the key technical direction to enhance the level of vehicle competitiveness. This paper conducts a comprehensive research on the technical development， structural design， material selection， process control and simulation analysis of the plastic tailgate， aiming to provide a reference for the vehicle manufacturer to develop the plastic tailgate. The plastic tailgate has developed to the third generation. The mainstream materials used are the inner plate PP-LGF， the outer plate talc modified PP， and the adhesive uses two-component polyurethane. Among the many material grades on the market， the selection of the inner and outer panels of the plastic tailgate and the adhesive requires a comprehensive evaluation of performance， cost， environmental protection， weight， and shape. In addition， the structure and manufacturing process design of the plastic tailgate requires mechanical performance simulation and Moldflow analysis based on the results of material selection to ensure the feasibility of engineering and manufacturing while meeting the overall requirements of the vehicle for the performance of the tailgate.

Key words：plastic tailgate， material selection， structural design， process control

1 前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)保要求日益嚴(yán)苛，汽車輕量化技術(shù)逐漸成為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提升車輛競(jìng)爭(zhēng)力水平的關(guān)鍵方向。2014款奇駿的塑料尾門曾經(jīng)獲得第四十三屆SPE“年度汽車創(chuàng)新獎(jiǎng)”及“車身外飾獎(jiǎng)”，代表了塑料尾門技術(shù)的行業(yè)地位。 該車尾門外板采用了熱塑性的聚丙烯改性材料（PP-EPDM-T20），內(nèi)板采用了長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性聚丙烯（PP-LGF30），使尾門在滿足整車優(yōu)異的機(jī)械和理化性能要求的同時(shí)減輕車重，并且可回收。采用非金屬材料制造的汽車塑料尾門與鋼制尾門相比，具有質(zhì)量輕、集成度高、設(shè)計(jì)自由、生產(chǎn)周期短和行人保護(hù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。汽車尾門的技術(shù)革新，前后經(jīng)過了鈑金沖壓、SMC+SMC內(nèi)外板組合、SMC+PP內(nèi)外板組合，以及第三代塑料尾門PP-LGF內(nèi)板+PP外板[4]。與傳統(tǒng)鋼制尾門不同，塑料尾門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材和工藝都直接關(guān)系到尾門性能的優(yōu)劣甚至成敗，而國(guó)內(nèi)整車廠對(duì)塑料尾門基材和膠水的選型、性能分析和工藝管控技術(shù)有限，導(dǎo)致塑料尾門國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用進(jìn)展艱難。本文綜合闡述了塑料尾門開發(fā)在材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析和工藝管控的流程和關(guān)鍵技術(shù)，為塑料尾門開發(fā)提供參考。

2 塑料尾門的技術(shù)革新

傳統(tǒng)的鈑金汽車尾門零件繁多，制造工藝和組裝工序復(fù)雜，重量高且拆解回收困難。塑料尾門的集成度高，如圖1所示，部件集成化，減少模具投入降低了成本，供貨也可預(yù)裝線束、尾燈、玻璃、雨刮、鉸鏈攝像頭等，模塊化供貨，提高主機(jī)廠產(chǎn)線效率[5]。無(wú)線電透過性能更好，更適合設(shè)計(jì)隱藏式天線，更強(qiáng)的耐腐蝕性能，低速碰撞恢復(fù)性好。塑料尾門重量根據(jù)不同的造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減重25%-40%，輕量化效果顯著。

塑料尾門發(fā)展至今，按材料性質(zhì)的不同，大致歷經(jīng)了三代：

第一代熱固性塑料尾門，這種尾門內(nèi)外板基材均選用SMC，代表車型有沃爾沃V70、雷諾梅甘娜Ⅱ等。SMC塑料尾門的特點(diǎn)是剛度高，收縮低，著色性能好，但減重效果一般，材料不可回收。

第二代塑料尾門內(nèi)板仍使用SMC熱固性材料，外板采用PP類或TPO熱塑性改性材料，基材韌性比SMC好，輕微碰撞易修復(fù)，尾門的造型自由度更高，代表車型有沃爾沃XC60、PSA DS6、路虎攬勝、標(biāo)志4008、標(biāo)致5008等。

第三代塑料尾門隨著各國(guó)更加苛刻的排放法規(guī)出臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生，尾門內(nèi)板采用了長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)的PP改性材料，外板使用礦粉增強(qiáng)的PP改性材料，內(nèi)外板均為熱塑性材料，生產(chǎn)效率更高，比SMC材料密度更低，輕量化效果更優(yōu)，并且材料幾乎100%可回收，氣味性好，對(duì)環(huán)境更友好[6，7]，代表車型有標(biāo)志308S、日產(chǎn)奇駿、奇瑞小螞蟻、寶馬I3、英菲尼迪QX50等。

3 塑料尾門開發(fā)流程和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2是塑料尾門的開發(fā)流程，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始到數(shù)據(jù)凍結(jié)需要經(jīng)過多次的分析及優(yōu)化，材料選擇和模具設(shè)計(jì)也同樣重要，這是一個(gè)比金屬尾門開發(fā)更復(fù)雜的工程。

塑料尾門開發(fā)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，需要確定尾門各部位的關(guān)鍵力學(xué)性能要求。因車企標(biāo)準(zhǔn)的不同存在差異，某車型塑料尾門的關(guān)鍵性能要求例舉如表1。

4 塑料尾門材料選型

塑料尾門的開發(fā)，首先需要解決的是材料問題。對(duì)于國(guó)內(nèi)大多數(shù)主機(jī)廠來(lái)說，塑料尾門作為一個(gè)較新的技術(shù)，主機(jī)廠沒有用材方面的實(shí)驗(yàn)及材料數(shù)據(jù)庫(kù)信息支撐，材料開發(fā)是第一步，也是非常關(guān)鍵的一步，它的用材不同于傳統(tǒng)的內(nèi)、外飾材料，正確的選材，直接關(guān)系到尾門開發(fā)的性能優(yōu)劣甚至成敗。通過分析汽車塑料尾門設(shè)計(jì)的性能要求，結(jié)合車企輕量化降重需求，第三代塑料尾門選擇內(nèi)板材料PP-LGF40、外板材料PP+EPDM-T30以及膠粘劑材料常溫環(huán)境下的要性能要求如表2。

由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已量產(chǎn)的塑料尾門材料及膠水多為外資廠商，國(guó)產(chǎn)成熟的材料較少，制造商甚至主機(jī)廠在選材方面主動(dòng)權(quán)不足。塑料尾門內(nèi)外板的選材除了對(duì)材料的線性膨脹系數(shù)、基本力學(xué)性能有更高的要求外，材料與膠水粘接要求達(dá)到的表面處理性能以及內(nèi)外板材料在不同工況下的粘接性能也是材料選型需要重點(diǎn)驗(yàn)證的。經(jīng)表面處理的內(nèi)外板材料使用達(dá)因筆測(cè)試（表面張力測(cè)試筆），表面張力值達(dá)到48mN/m的試樣視為粘接前合格樣件。表3塑料尾門常用膠粘性能驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)可供參考。

圖3塑料尾門內(nèi)外板材料粘接的剪切強(qiáng)度表明，在不同的工況條件下粘接性能存在差異，說明材料性能的側(cè)重點(diǎn)不同，選擇性能優(yōu)異的雙組分聚氨酯膠粘劑與不同的基材粘接可以提高尾門的綜合性能[8]。而高溫環(huán)境下明顯降低的剪切強(qiáng)度則是塑料尾門選材需要重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)。雙組分聚氨酯與基材的粘接受熱老化的影響最為顯著，在濕熱老化和冷熱交變老化條件下穩(wěn)定性相對(duì)較好。因此，塑料尾門材料的開發(fā)需充分研究其在實(shí)際使用中的極端環(huán)境，必須保證高溫、低溫和老化后的可靠性。

5 塑料尾門制造工藝

塑料尾門最重要的兩大塑料組件是內(nèi)板和外板，需要重點(diǎn)研究塑料材料的特性、內(nèi)外板的連接、生產(chǎn)工藝、VOC控制等問題。與傳統(tǒng)鈑金尾門相比，塑料尾門復(fù)雜的連鎖反應(yīng)是結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)之初難以預(yù)測(cè)的。在塑料尾門制造的過程中會(huì)有諸多的工程和工藝問題，因此，塑料尾門比金屬尾門開發(fā)的技術(shù)難度更高。塑料尾門內(nèi)、外板采用膠粘方案，但在設(shè)計(jì)時(shí)一些主要的受力點(diǎn)需要預(yù)埋金屬加強(qiáng)板，以滿足剛度及法規(guī)要求。金屬加強(qiáng)板通常會(huì)設(shè)計(jì)在鉸鏈、氣彈簧支架、尾門鎖安裝位置。金屬加強(qiáng)板可以在內(nèi)板注塑成型時(shí)作為嵌件，與內(nèi)板注塑包膠連接，此種方案會(huì)提高生產(chǎn)效率，如標(biāo)志308S尾門。塑料尾門的制造也可以先注塑內(nèi)板，再螺接金屬加強(qiáng)板，這種方案效率略低，如日產(chǎn)新奇駿。圖4是內(nèi)嵌鈑金加強(qiáng)件塑料尾門制造流程。

塑料尾門內(nèi)外板的粘接通常采用雙組分聚氨酯結(jié)構(gòu)膠，此結(jié)構(gòu)膠有不需要配合底涂使用的，如標(biāo)志308S以及奇瑞小螞蟻用膠。有些需要配合底涂使用，如菲尼迪QX50、日產(chǎn)新奇駿等。需要底涂的結(jié)構(gòu)膠工藝也相對(duì)復(fù)雜，成本高，在尾門內(nèi)、外板做完火焰處理或等離子處理后進(jìn)行底涂、干燥，制造周期較長(zhǎng)。此外，內(nèi)、外板底涂的厚度也會(huì)影響膠水的粘接性能，需要更嚴(yán)格的工藝管控。

6 塑料尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝仿真分析

塑料尾門的結(jié)構(gòu)分析主要以模態(tài)和各種剛度分析為主，如圖5是某車型塑料尾門的模態(tài)和剛度分析。很多主機(jī)廠沒有專門針對(duì)塑料尾門的分析要求及規(guī)范，剛開始做塑料尾門時(shí)，基本都是參照金屬尾門，只是可能會(huì)在金屬尾門的要求上做一些讓步，比如間隙、面差要求，剛度、強(qiáng)度上的法規(guī)要求塑料尾門和鋼制尾門是一致的，但塑料尾門并不是所有性能都能輕易做到和鋼制尾門同等的水平，像扭轉(zhuǎn)剛度，部分主機(jī)廠在做塑料尾門時(shí)也有所放寬。不同主機(jī)廠在尾門的剛度標(biāo)準(zhǔn)、分析方法會(huì)有些差異。塑料尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期CAE分析，主要選擇一些關(guān)鍵的性能要求項(xiàng)目，等數(shù)據(jù)到一定階段，再進(jìn)行全部性能分析，以縮減開發(fā)周期。隨著數(shù)據(jù)的完善，整個(gè)尾門開發(fā)過程中通常會(huì)進(jìn)行3-5個(gè)循環(huán)的CAE分析和產(chǎn)品優(yōu)化。

塑料尾門開發(fā)除了力學(xué)性能方面的分析外，制造工程分析也至關(guān)重要，同步需要將工藝分析的結(jié)果反饋到結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及模具制造的D-FEMA中去。由于仿真分析結(jié)果和實(shí)物會(huì)存在一定差距，尾門內(nèi)板模具可能還需要開軟模進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證，再用到正式模的方案中去。因此，忽略模具方案的設(shè)計(jì)和把關(guān)也是國(guó)內(nèi)很多公司塑料尾門開發(fā)延期甚至開發(fā)失敗的一個(gè)重要原因。塑料尾門模具設(shè)計(jì)前期的Moldflow模流分析必不可少，澆口的位置設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，直接影響到零件的填充、熔接線及變形量，以圖6某車型塑料尾門內(nèi)板為例，澆口的數(shù)據(jù)經(jīng)過多輪優(yōu)化后，就從當(dāng)初預(yù)計(jì)的7個(gè)增加到11個(gè)，保證了尾門內(nèi)板注塑成型的質(zhì)量：

1：充填時(shí)間：7.659s時(shí)基本填充完成，沒有發(fā)生短射，可接受;

2：流動(dòng)前沿溫度：流動(dòng)前沿溫度相差138℃，差別比較大，熔體前沿溫度不均勻，加強(qiáng)筋位置溫度最低，后期注塑可能會(huì)有缺陷產(chǎn)生，需要改進(jìn);結(jié)果分析，加強(qiáng)筋高度過高，溫度低的位置都是在加強(qiáng)筋位的最頂端，綜合考慮后可降低加強(qiáng)筋的高度，以增加成型成功率;

3：熔接線：熔接線位置基本在裝車以后看不見的地方，可以接受;

4：型腔充填壓力：型腔充填壓力合理范圍，可接受;

5：零件變形分析：X向1.198mm，Y向1.787mm，Z向1.742mm，變形量都在2mm以內(nèi)，對(duì)于尾門這樣尺寸的零件，變形是比較好的，后續(xù)在模具設(shè)計(jì)上提供反變形措施，零件變形會(huì)得到較好的控制。

分析零件的變形量尤其重要，在軟模開發(fā)時(shí)，就做一些的反變形設(shè)計(jì)，但是軟件分析畢竟和實(shí)物出來(lái)的結(jié)果還是有差別的，后續(xù)模具還需要6-10個(gè)月的測(cè)量、修改和產(chǎn)品試制等，才能達(dá)到外觀、面差、間隙、性能等要求，這些軟模上的更改數(shù)據(jù)，必須都要記錄下來(lái)，為正式模具提供模具反變形設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)。因此，建議塑料尾門內(nèi)板正式模具制造前先做軟模，在無(wú)經(jīng)驗(yàn)積累的情況下，不要直接制造正式模具。

7 結(jié)論

本文對(duì)塑料尾門的開發(fā)進(jìn)行了全面的闡述，塑料尾門的開發(fā)重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面;

1.由于熱塑性材料在VOC、環(huán)保、重量、造型自由度方面的優(yōu)勢(shì)，塑料尾門開發(fā)選擇內(nèi)、外板均采用熱塑性材料的方案將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的主流方向。

2.材料的開發(fā)除了要關(guān)注基本的力學(xué)性能、材料的線性膨脹系數(shù)外，材料的火焰處理難易度（達(dá)到所用膠水粘接需要的表面張力值處理的難易程度）以及材料粘接后在各種極端環(huán)境下的可靠性需要重點(diǎn)驗(yàn)證。

3.產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，要充分考慮材料特性、以及后期制造工藝的特殊性，不同制造工藝會(huì)直接影響設(shè)計(jì)方案，需充分評(píng)估工程制造可行性并采用與之相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。

4.產(chǎn)品的仿真與金屬尾門相比需要考慮塑料材料的特性和注塑產(chǎn)品的特點(diǎn)，在產(chǎn)品模態(tài)及變形要求方面可做部分調(diào)整以更加適合塑料產(chǎn)品;模具設(shè)計(jì)需要一定數(shù)據(jù)積累，在沒有類似模具開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的情況下，建議先做實(shí)驗(yàn)?zāi)ｒ?yàn)證模具設(shè)計(jì)方案和積累數(shù)據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介

朱長(zhǎng)春：（1984.02.28—），男，漢族，安徽蕪湖市人;學(xué)歷：本科。