長頭卡車前保險杠本體材料應(yīng)用分析

梁海云 尹中保

梁海云

畢業(yè)于廣西大學(xué)，工學(xué)學(xué)士?，F(xiàn)就職于東風(fēng)柳州汽車有限公司，任系統(tǒng)設(shè)計主任師，主要研究方向?yàn)榭ㄜ噧?nèi)外飾件產(chǎn)品開發(fā)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。曾獲得2項(xiàng)發(fā)明專利，5項(xiàng)實(shí)用新型專利，獲得省級科技進(jìn)步二等獎一項(xiàng)，已發(fā)表3篇論文。

摘? 要：本文基于某長頭重型卡車前保險杠本體外形，分別設(shè)計出冷軋鋼板、SMC片材、PC/ABS、PP-EPDM、PDCPD五種材料的不同結(jié)構(gòu)模型，在原材料物性、結(jié)構(gòu)自由度、輕量化、結(jié)構(gòu)剛度、生產(chǎn)工藝性、投資費(fèi)用、零件成本幾個維度展開對比分析和評價，通過評分雷達(dá)圖的對比，總結(jié)出該五種不同原材料在前保險杠本體應(yīng)用上的優(yōu)缺點(diǎn)，并繪制出依據(jù)卡車產(chǎn)品定位和年生產(chǎn)量綱進(jìn)行原材料選擇的指導(dǎo)圖，為前保險杠零件設(shè)計工程師快速選擇合適的原材料提供參考。

關(guān)鍵詞：輕量化;前保險杠;SMC;PDCPD;PP-EPDM;PC/ABS

中圖分類號：U463.83+9.2? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2022）03-0087-06

Application Analysis of The Material for Front Bumper of a Cab-behind Engine Truck

LIANG Hai-yun， YIN Zhong-bao

（ Dongfeng Liuzhou Motor Co.， Ltd， Liuzhou 545005， China）

Abstract： Based on the shape of bumper body of a Cab-behind engine truck， this study has designed five different structures in five types of materials， they are： cold rolled plate， SMC sheet， PC/ABS， PP-EPDM and PDCPD. Comparison and evaluation have been performed on few aspects： Raw material property， degree of freedom in structure， lightweight， structural stiffness， production process， investment cost and parts' costs.According to the comparison of rating radar chart， advantage and disadvantage of five different materials in the application of front bumper have been concluded.? Guiding map for raw materials selection was drawn according to the truck product positioning and annual output. It provides valuable reference for engineers to quick select proper raw materials when designing front bumper.

Key Words： Lightweight; Front Bumper; SMC; PDCPD; PP-EPDM; PC/ABS

前? 言

對于汽車外飾零件設(shè)計工程師來說，新產(chǎn)品的設(shè)計，需要同時滿足產(chǎn)品功能、美觀性、成本和輕量化等多方面要求。在造型方面，外裝飾件外形結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對材料的結(jié)構(gòu)自由度要求也就越來越高;在成本方面，近年來鋼材、塑料、樹脂等汽車零件生產(chǎn)原材料的大幅漲價，給汽車產(chǎn)品成本帶來了巨大的壓力;在輕量化方面，新法規(guī)將牽引半掛車的最大允許總質(zhì)量限值由55噸減少為49噸，倒逼汽車企業(yè)減輕車輛整備質(zhì)量以提高車輛運(yùn)輸能力。為應(yīng)對全球日益嚴(yán)峻的環(huán)境保護(hù)問題，國家碳排放政策趨嚴(yán)，提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的國家戰(zhàn)略。對于汽車行業(yè)，國家政策一方面引導(dǎo)大力發(fā)展電動汽車，另一方面要求車企逐步降低汽車運(yùn)行油耗，這兩方面都對汽車輕量化提出了更高的要求。為了平衡造型、成本、輕量化三方面日益增長的新挑戰(zhàn)，工程師往往需要對多種原材料展開結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，然后進(jìn)行對比分析，以論證得出最優(yōu)解。本文基于某重型長頭卡車前保險杠本體結(jié)構(gòu)，對冷軋鋼板、SMC片材、PC/ABS、PP-EPDM、PDCPD五種常用原材料的應(yīng)用情況進(jìn)行了對比分析，理清了這幾種材料應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了它們對不同產(chǎn)品定位和生產(chǎn)量綱的零件適用情況，為汽車零件設(shè)計工程師快速選擇原材料提供參考依據(jù)。

1? ? 重型卡車前保險杠本體常用材料關(guān)鍵物性對比

重型卡車前保險杠本體常用材料關(guān)鍵物性見表1。因重型卡車前保險杠本體尺寸較大，同時需承受來自車架的高強(qiáng)度震動，對零件的剛度和強(qiáng)度要求較高，再兼顧輕量化需求，則需側(cè)重對比各種材料的抗拉強(qiáng)度/密度、彎曲模量/密度比值的大小，見表2。從輕量化的潛力看，最優(yōu)的是PDCPD，其次是SMC，最差的是PP-EPDM。

2? ? 不同材料的前保險杠本體結(jié)構(gòu)自由度和輕量化分析

不同的原材料成型的能力差異較大，在不變動外觀造型的總體效果的情況下，需要根據(jù)原材料的成型特點(diǎn)和局限性，設(shè)計出不同的零件結(jié)構(gòu)，既滿足產(chǎn)品美觀性和功能，又滿足生產(chǎn)工藝需求。以下分別對五種原材料的前保險杠結(jié)構(gòu)自由度進(jìn)行分析。

2.1? ?超深沖冷軋鋼板前保險杠本體

本文研究的前保險杠本體的兩個霧燈沉臺較深，整體沖壓成型困難，同時為了提高材料利用率，需要將保險杠本體分成左中右3段，采用寶鋼的BSUFD材料，料厚1.5mm;兩端各焊一個端面支架用于裝配，采用寶鋼的SAPH440材料，料厚1.5mm。為避免保險杠A面出現(xiàn)焊接縮印缺陷，兩端安裝支架與本體的焊接布置在上下翻邊和端面翻邊上。為避免拉延開裂，出模角調(diào)整到10°以上，內(nèi)圓角≥R10。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)果：零件結(jié)構(gòu)自由度差，造型美觀性受限。重量偏重，達(dá)18.88kg。

2.2? ?SMC前保險杠本體

SMC材料剛性好，強(qiáng)度高，零收縮率，故本文研究的前保險杠本體可以采用整體式結(jié)構(gòu)，做變料厚設(shè)計，基本料厚為2.5mm，四周翻邊和離安裝點(diǎn)40mm范圍料厚為4mm，變料厚過度區(qū)寬15mm，均布縱橫加強(qiáng)筋，安裝點(diǎn)預(yù)埋M8×20mm六角銅螺母[1]，如圖2所示。

結(jié)果：零件結(jié)構(gòu)自由度較好，容易達(dá)成造型美觀性。零件理論重量11.00kg，輕量化效果明顯。

本文研究的前保險杠本體量產(chǎn)零件原材料采用SMC，該零件修去毛邊后的實(shí)物重量為11.3kg，理論分析與實(shí)物相符合。

2.3? ? PC/ABS前保險杠本體

PC/ABS材料剛性差且收縮率大（0.5%），具有一定的脆性[2]。為避免表面出現(xiàn)收縮印缺陷，采用內(nèi)外板粘接結(jié)構(gòu)（如VOLVO長頭重卡VN670前保險杠結(jié)構(gòu)），料厚3.5mm，采用ITW公司的Plexus結(jié)構(gòu)膠AO420進(jìn)行粘接，厚度0.5mm。該結(jié)構(gòu)膠是一種性能優(yōu)異的雙組份甲基丙烯酸甲酯（MMA）結(jié)構(gòu)膠，密度0.94g/cm3，彎曲模量50MPa，泊松比0.49，抗拉強(qiáng)度≥18MPa，剪切強(qiáng)度20MPa，剝離強(qiáng)度72MPa。裝配用螺母板粘接在前保險杠內(nèi)板內(nèi)側(cè)面上。如圖3所示。

結(jié)果：零件結(jié)構(gòu)自由度很好，可以做很復(fù)雜的外觀造型。重量11.16kg。

2.4? ?PP-EPDM前保險杠本體

相比PC/ABS材料，PP-EPDM材料的剛性更差，強(qiáng)度低，收縮率更高（0.9%），而且粘接性能差[3]，故采用內(nèi)外板加四周翻邊螺栓連接結(jié)構(gòu)（如弗萊納長頭重卡前保險杠結(jié)構(gòu)），外板為PP-EPDM，料厚3.5mm，內(nèi)板為PP+LGF30（抗拉強(qiáng)度100MPa，密度1.12g/cm3，彎曲模量5500MPa，泊松比0.39），料厚3.5mm，裝配用螺母板熔焊在內(nèi)板內(nèi)側(cè)面上。如圖4所示。

結(jié)果：零件結(jié)構(gòu)自由度很好，可以做很復(fù)雜的外觀造型。重量12.03kg。

2.5? ?PDCPD前保險杠

PDCPD材料剛性好，韌性好，耐沖擊性極佳，但是收縮率大（0.9%），好在可以通過表面刮膩?zhàn)哟蚰ズ蛼伖夤に噥硐s印缺陷。因成型壓力小，零件結(jié)構(gòu)上需要有良好的排氣性能，另外，模具上的產(chǎn)品頂出能力小，零件結(jié)構(gòu)需設(shè)計5度以上拔模角。產(chǎn)品基本料厚不小于3mm，加強(qiáng)筋料厚不小于2.5mm，高度小于厚度的5倍，加強(qiáng)筋拔模角不小于2度[4]?；谝陨蠋讉€基本原則，該保險杠采用整體式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不做縱橫交錯的加強(qiáng)筋，基本料厚為4mm，預(yù)埋螺母和安裝柱結(jié)構(gòu)與SMC前保險杠相同。該保險杠如圖5所示。因PDCPD材料有輕微異味，內(nèi)表面也需噴涂一層薄漆封閉，外觀表面噴涂色漆和罩光漆。

結(jié)果：零件結(jié)構(gòu)自由度較好，容易達(dá)成造型美觀性。重量7.47kg。

3? ? 不同材料的前保險杠本體自由模態(tài)分析

采用Altair公司開發(fā)的有限元分析軟件HyperWorks進(jìn)行模態(tài)CAE分析，該軟件是一個兼容眾多CAD系統(tǒng)、網(wǎng)格劃分軟件、求解器、后處理工具的專業(yè)CAE平臺，功能強(qiáng)大，使用方便、界面友好 [5]。

五種材料的前保險杠本體CAE分析模型采用5mm一階殼單元網(wǎng)格劃分，各材料關(guān)鍵參數(shù)見前文。前保險杠本體前六階自由模態(tài)頻率對比見圖6。從自由模態(tài)分析結(jié)果看，SMC和PDCPD兩種材料的前保險杠自由模態(tài)頻率及振型相當(dāng)，超深沖冷軋鋼板前保險杠自由模態(tài)前3階與SMC相當(dāng)，4、5、6階比SMC的高27%到48%，PC/ABS和PP-EPDM兩種材料的前保險杠自由模態(tài)頻率及振型相當(dāng)，比SMC大一倍。自由模態(tài)頻率越高說明零件剛性越好，對安裝點(diǎn)布置數(shù)量和支架的剛性需要越低，意味著支架可以做得越輕，對整車輕量化好處越大。

4? ? 不同材料的前保險杠本體生產(chǎn)工藝分析

4.1? ?超深沖冷軋鋼板前保險杠本體生產(chǎn)工藝

主要生產(chǎn)工序?yàn)殚_卷→平整→落料→拉延→修邊+沖孔→整形+修邊→側(cè)整形+側(cè)翻邊→側(cè)整形+側(cè)沖孔→焊接→涂裝（轉(zhuǎn)運(yùn)涂裝線→熱水洗→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→表面調(diào)整→磷化→水洗→電泳漆→水洗→滴水→烘干→底漆打磨→中涂→烘干→中涂打磨→噴涂色漆→噴涂罩光漆→烘干→后處理）→包裝轉(zhuǎn)運(yùn)。前保險杠兩邊段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要5套專用模具進(jìn)行5序沖壓才能完成。前保中段則需要4套專用模具進(jìn)行4序沖壓才能完成。單模具沖壓生產(chǎn)節(jié)拍為15秒/件，按正常單班工作排產(chǎn)，年產(chǎn)能約40萬件。鈑金沖壓零件模具制造、沖壓成型、焊接、涂裝生產(chǎn)工藝很成熟，制造風(fēng)險低。

4.2? ?SMC前保險杠本體生產(chǎn)工藝

主要生產(chǎn)工序?yàn)槟＞呒訜帷昧?、稱重→模具清理和放預(yù)埋件→鋪料→合模→保壓→開模取件→去毛邊→鉆孔和清理堵塞的螺紋孔→涂裝（轉(zhuǎn)運(yùn)涂裝線→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→表面修補(bǔ)和打磨→水洗→烘干→靜電除塵→噴涂底漆→烘干→底漆打磨→水洗→烘干→靜電除塵→噴涂色漆→噴涂罩光漆→烘干→后處理）→包裝轉(zhuǎn)運(yùn)。該結(jié)構(gòu)兩端的4個安裝柱厚達(dá)30mm，模具保壓時間長達(dá)6分鐘，單模具模壓生產(chǎn)節(jié)拍為10分鐘/件，通常模具加熱需要5小時，如果上午上班時開機(jī)加熱，則下午只有4小時生產(chǎn)，按正常單班工作排產(chǎn)，年產(chǎn)能約6千件;如果設(shè)置自動加熱系統(tǒng)，在上午上班前將模具加熱到生產(chǎn)溫度，則年產(chǎn)能約1.2萬件。

SMC產(chǎn)品生產(chǎn)過程會產(chǎn)生有害刺鼻的揮發(fā)物質(zhì)和大量粉塵[1]，生產(chǎn)線需做除味、抑塵、以及工作人員的健康防護(hù)工作。

4.3? ?PC/ABS前保險杠本體生產(chǎn)工藝

主要生產(chǎn)工序?yàn)樽⑺軝C(jī)清理和熱機(jī)→合?！⑸浜捅骸_模取件→去澆口和毛邊→螺母板、內(nèi)外板粘接→涂裝（晾干→轉(zhuǎn)運(yùn)涂裝線→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→表面調(diào)整→水洗→烘干→靜電除塵→噴涂色漆→噴涂罩光漆→烘干→后處理）→包裝轉(zhuǎn)運(yùn)。單模具注塑生產(chǎn)節(jié)拍為100秒/件，按正常單班工作排產(chǎn)，年產(chǎn)能約6萬件。模具制造和零件生產(chǎn)工藝成熟，制造風(fēng)險低。

4.4? ?PP-EPDM前保險杠本體生產(chǎn)工藝

主要生產(chǎn)工序?yàn)樽⑺軝C(jī)清理和熱機(jī)→合模→注射和保壓→開模取件→去澆口和毛邊→螺母板熱熔焊→內(nèi)外板組裝→涂裝（轉(zhuǎn)運(yùn)涂裝線→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→表面調(diào)整→水洗→烘干→靜電除塵→噴涂底漆→噴涂色漆→噴涂罩光漆→烘干→后處理）→包裝轉(zhuǎn)運(yùn)。單模具注塑生產(chǎn)節(jié)拍為100秒/件，按正常單班工作排產(chǎn)，年產(chǎn)能約6萬件。模具制造和零件生產(chǎn)工藝成熟，制造風(fēng)險低。

4.5? ?PDCPD前保險杠本體生產(chǎn)工藝

主要生產(chǎn)工序?yàn)槟＞呒訜帷胖妙A(yù)埋件→合?！⑸浜捅骸_模取件→去澆口和毛邊→涂裝（轉(zhuǎn)運(yùn)涂裝線→預(yù)脫脂→脫脂→水洗→表面調(diào)整→水洗→表面修補(bǔ)和打磨→水洗→烘干→靜電除塵→噴涂色漆→噴涂罩光漆→烘干→后處理）→包裝轉(zhuǎn)運(yùn)。單模具注塑生產(chǎn)節(jié)拍為5分鐘/件，按正常單班工作排產(chǎn)，年產(chǎn)能約2萬件。

PDCPD產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝為低壓反應(yīng)注射成型工藝（RIM），生產(chǎn)時分成2組液體，混合后注入模具中固化成型[4]。產(chǎn)品生產(chǎn)過程會產(chǎn)生有害刺鼻的揮發(fā)物質(zhì)，生產(chǎn)線需做除味、以及工作人員的健康防護(hù)工作。

5? ? 不同材料的前保險杠本體成本和投資費(fèi)用對比分析

零件成本主要包含原材料成本、生產(chǎn)能耗、人工成本、模具檢具分?jǐn)傎M(fèi)用、設(shè)備折舊費(fèi)用、管理費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)用、利潤、稅費(fèi)，本文按卡車外飾零件通常的核算方法進(jìn)行成本分析。零件成本可分拆成兩大項(xiàng)：模具和檢具分?jǐn)傎M(fèi)用、不含模具分?jǐn)傎M(fèi)成本，前者隨著年生產(chǎn)量綱的不同而變化，后者則固定不變。不同材料的前保險杠本體成本和投資費(fèi)用見表3。為了保護(hù)商業(yè)秘密，列表中模具和檢具費(fèi)用、不含模具分?jǐn)傎M(fèi)成本都以最低者為1，其它值是它的倍數(shù)。

根據(jù)不同材料的卡車外飾件1套模具的年生產(chǎn)能力、模具投資費(fèi)用回收年限、卡車的銷量，通常的模具和檢具投資費(fèi)用的分?jǐn)倲?shù)量，超深沖冷軋鋼板為10萬件、SMC為4萬件、PC/ABS為10萬件、PP-EPDM為10萬件、PDCPD為6萬件?？偟牧慵杀倦S分?jǐn)倲?shù)量變化趨勢見圖7，為了保護(hù)商業(yè)秘密，圖中不同材料的前保險杠本體成本都乘以一個相同的系數(shù)。

可以看出，產(chǎn)品生命周期產(chǎn)量小于1萬件的前保險杠本體，采用SMC和PDCPD材料成本優(yōu)勢明顯，產(chǎn)量大于6萬件時，采用超深沖冷軋鋼板成本最低。

6? ? 不同材料的前保險杠本體綜合對比分析

按上述分析的8個方面：抗拉強(qiáng)度/密度比值、彎曲模量/密度比值、結(jié)構(gòu)自由度、輕量化、結(jié)構(gòu)剛度、生產(chǎn)工藝性、投資費(fèi)用、制造成本（不含模攤）對不同原材料的前保險杠本體進(jìn)行對比評分對比。

評分規(guī)則是，將有具體參數(shù)的項(xiàng)目，把參數(shù)由優(yōu)到劣排列為X1、X2、X3、 X4 、X5，最優(yōu)項(xiàng)評分Y1=10，最劣項(xiàng)評分Y5=1，中間項(xiàng)評分由以下公式計算出來。

Yn=10-（Xn-X1）/ （X5-X1）×（10-1）? （1）

n=2、3、4

其它沒有具體參數(shù)的項(xiàng)目，按由優(yōu)到劣排列， 最優(yōu)項(xiàng)評分為10，最劣項(xiàng)評分為1，其它項(xiàng)按優(yōu)劣差異程度進(jìn)行打分;

采用不同原材料的前保險杠各項(xiàng)指標(biāo)評分雷達(dá)圖見圖8。

7? ? 結(jié)論

從圖8中可以看出，不同原材料各有優(yōu)缺點(diǎn)。超深沖冷軋鋼板前保險杠本體制造成本（不含模攤）最低但投資大，其它幾個方面表現(xiàn)平常;SMC前保險杠本體制造工藝性和結(jié)構(gòu)剛度差，其它幾個方面表現(xiàn)優(yōu)秀;PC/ABS前保險杠本體的結(jié)構(gòu)自由度、輕量化、生產(chǎn)工藝性三方面表現(xiàn)優(yōu)異，制造成本（不含模攤）卻很高;PP-EPDM前保險杠本體的特點(diǎn)與PC/ABS類似，相對略差一些;PDCPD前保險杠本體輕量化潛力最好，投資費(fèi)用最低，但是結(jié)構(gòu)剛度差，成本也高。

如何揚(yáng)長避短則需要根據(jù)產(chǎn)品的定位和年生產(chǎn)量綱來進(jìn)行選擇，通常來說，產(chǎn)品定位越高，對輕量化和美觀性的需求越高，成本敏感性越低，因此可以從產(chǎn)品定位和年生產(chǎn)量綱兩個維度對5種原材料的適用區(qū)間進(jìn)行排布，如圖9所示。該圖可供設(shè)計師快速選擇前保險杠本體原材料，節(jié)省了同時做幾種原材料的保險杠本體進(jìn)行對比分析的時間，大幅提高工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳藝鋒.商用車SMC前保險杠設(shè)計及工藝研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013，（18）：26-28.

[2]田月.汽車內(nèi)外裝飾用PC_ABS合金專用料開發(fā)研究[D].華東理工大學(xué)，2011.

[3]肖漢文.汽車用三元乙丙橡膠改性聚丙烯[J]. 彈性體，2001，（4）：49-51.

[4]顧莉.DCPD反應(yīng)注射成型工藝及模具技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2009.

[5]王鈺棟，金磊，洪清泉，等.HyperMesh& HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例[K]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.