汽車保險杠薄壁化研究與應(yīng)用

陳松，陳才華，周宇，樊薇，盧紅玲，肖麗麗

武漢燎原模塑有限公司 湖北武漢 430056

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，零部件設(shè)計、制造及成本控制越來越體現(xiàn)出各主機廠的核心競爭力。輕量化是汽車“四化”的主要發(fā)展方向之一，作為汽車主要外飾件保險杠的薄壁化設(shè)計是整車輕量化的重要手段。薄壁設(shè)計能有效減輕產(chǎn)品重量，縮短成型周期，降低生產(chǎn)成本，降低整車油耗，對實現(xiàn)汽車輕量化和節(jié)能環(huán)保有重要意義。汽車保險杠薄壁設(shè)計與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、模具及成型工藝密切相關(guān)。本文結(jié)合武漢燎原模塑有限公司新型薄壁保險杠項目，闡述了保險杠薄壁化設(shè)計及制造過程及控制要點。

汽車保險杠產(chǎn)品發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)各主機廠保險杠的主流壁厚在3.0mm，趨勢是往2.5m m演變，而日系主機廠的主流壁厚是2.5mm，目標(biāo)厚度是2.0mm。汽車保險杠總體趨勢是在滿足強度和性能要求的前提下，不斷在向薄壁化、輕量化、低密度、成型周期短和更加環(huán)保的方向發(fā)展。

汽車保險杠薄壁化

1.汽車保險杠薄壁化原理

保險杠的強度與壁厚及材料的彎曲模量有直接關(guān)系（具體強度計算公式如下）。當(dāng)保險杠壁厚減少時，為達到相同的產(chǎn)品強度必須選擇模量更大的材料。

式中：S為保險杠強度，E為彈性模量，b為截面寬度，H為截面高度。

（1）保險杠材料主要特性指標(biāo) 保險杠材料主要特性指標(biāo)有高熔指、高彈性模量和高沖擊強度。

1）高熔指。由于產(chǎn)品壁厚減薄，材料充填過程中的流動空間減小，流動阻力變大，意味著以相同材料注滿薄壁型腔需要更大的壓力。為了保證產(chǎn)品順利成型和良好外觀，需要提高材料的熔指。

2）高彈性模量。由于產(chǎn)品壁厚減薄，需要通過提高材料的彎曲模量來彌補產(chǎn)品剛度的不足。

3）高沖擊強度。汽車保險杠主要吸收和緩沖外界沖擊力，保護車身前后部重要安全裝置免受碰撞損壞的同時降低對行人的危害，故保險杠需要有良好的機械平衡性及韌性，降低保險杠壁厚則相應(yīng)要求提高薄壁保險杠材料的沖擊強度。

（2）薄壁保險杠的技術(shù)難點 薄壁保險杠開發(fā)難點在于薄壁材料要同時實現(xiàn)高熔指、高強度和高沖擊。高熔指產(chǎn)品分子量低，韌性差，提高材料沖擊強度難度大，且材料的彈性模量和沖擊強度為兩個相互制約的指標(biāo)。薄壁保險杠為滿足各種要求，材料成本也高于傳統(tǒng)保險杠材料。

2.汽車保險杠薄壁化優(yōu)勢

（1）薄壁化減重 薄壁保險杠可有效降低產(chǎn)品質(zhì)量，壁厚由傳統(tǒng)3.0mm壁厚減到2.5mm，產(chǎn)品質(zhì)量減少約16.7%，壁厚由傳統(tǒng)的3.0mm壁厚減到2.0mm，產(chǎn)品質(zhì)量減少約33.3%（見圖1）。但具體減重幅度與造型、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和模具設(shè)計及生產(chǎn)工藝等因素有關(guān)。

圖1 薄壁化減重

（2）薄壁化增效 薄壁保險杠能縮短生產(chǎn)制造的成型周期（見圖2）。成形周期與生產(chǎn)成本相關(guān)，高節(jié)拍意味著成本降低，而影響成形周期最大的因素是冷卻時間。冷卻時間與壁厚的平方成正比，即壁厚越薄，冷卻時間越短，則成形周期越短。日系保險杠的成形周期普遍較低，與保險杠薄壁化有一定的關(guān)系。

圖2 薄壁化增效

薄壁保險杠選材

表1為某汽車主機廠保險杠不同壁厚對材料性能的要求。

表1 保險杠不同壁厚對材料性能的要求

武漢燎原模塑有限公司具有多年設(shè)計開發(fā)薄壁保險杠的經(jīng)驗，針對主機廠不同壁厚保險杠的需求，從保險杠材料、結(jié)構(gòu)和工藝進行多輪開發(fā)和調(diào)試，使得薄壁材料能夠滿足各主機廠保險杠對材料性能的要求。表2為武漢燎原模塑在薄壁保險杠應(yīng)用項目中的材料、壁厚設(shè)計。

表2 薄壁保險杠產(chǎn)品設(shè)計

薄壁保險杠結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.薄壁保險杠Doghouse結(jié)構(gòu)

薄壁保險杠Doghouse結(jié)構(gòu)指保險杠背面由四面構(gòu)成的倒扣結(jié)構(gòu)，一側(cè)預(yù)留開口便于模具斜頂出模，其上設(shè)計螺釘柱或簧片安裝結(jié)構(gòu)，用于固定螺釘。

保險杠設(shè)計經(jīng)常使用Doghouse結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)造成產(chǎn)品正面不可避免存在縮印缺陷。這是由于保險杠在開模時，產(chǎn)品在長度方向上整體存在收縮，但Doghouse結(jié)構(gòu)的豎向連接筋與收縮方向不一致（垂直），導(dǎo)致豎向筋根部存在收縮內(nèi)應(yīng)力，從而造成產(chǎn)品開模時Doghouse結(jié)構(gòu)豎向筋根部受力造成對應(yīng)的正面縮印明顯（見圖3）。

圖3 Doghouse結(jié)構(gòu)縮印缺陷

根據(jù)過往薄壁保險杠項目經(jīng)驗，針對保險杠上Doghouse結(jié)構(gòu)造成的產(chǎn)品縮印，需要進行相應(yīng)調(diào)整。

1）Doghouse豎向筋對應(yīng)薄壁區(qū)域需進行局部漸變加壁厚到3.0mm。

2）將Doghouse結(jié)構(gòu)豎向連接筋的根部碰穿直到轉(zhuǎn)角R角處，碰穿處預(yù)留2～3mm高度。

3）Doghouse結(jié)構(gòu)豎向筋對應(yīng)的左右側(cè)增加加強連接筋，避免豎向筋根部強度差而斷掉。

4）Doghouse結(jié)構(gòu)在模具抽芯方向上需有至少1°以上的脫模角度避免拉模。

6）漸變加料厚設(shè)計需滿足：在至少間隔10mm的寬度范圍內(nèi)料厚對應(yīng)均勻增加0.1mm。

具體如圖4所示。

圖4 Doghouse結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及漸變加料厚示意

2.薄壁保險杠關(guān)鍵尺寸設(shè)計

薄壁保險杠設(shè)計時，前后保表皮及翼子板翻邊區(qū)域料厚需加厚到2.5mm以上，同時加厚區(qū)域需覆蓋至少100mm高度范圍，保證兩側(cè)翼子板區(qū)域的強度。同時保證與側(cè)支架連接的有效性，避免總成翼子板區(qū)域翻轉(zhuǎn)、松動或間隙面差超差。圖5所示為某項目薄壁保險杠在靠近前保翼子板翻遍區(qū)域的料厚設(shè)計，料厚設(shè)計2.5mm。

圖5 前保表皮與翼子板翻遍配合關(guān)鍵尺寸

前保表皮與格柵配合的翻遍料厚需至少2.5mm及以上，加強表皮翻邊匹配格柵的強度，避免表皮翻邊變形、松動，起到固定保險杠總成中間區(qū)域的作用，有效保證保險杠總成中間區(qū)域與車身的間隙面差。

3.薄壁保險杠模具設(shè)計

薄壁保險杠壁厚設(shè)計在2.2～2.5mm時，模具頂出結(jié)構(gòu)由于加工、配合、頂出動作過程等諸多原因，會導(dǎo)致產(chǎn)品對應(yīng)區(qū)域受力過大，造成受力不均，從而在產(chǎn)品對應(yīng)位置出現(xiàn)頂塊印缺陷。薄壁保險杠產(chǎn)品一般在模具對應(yīng)有頂塊區(qū)域局部漸變加厚到2.5mm及以上，前期模具設(shè)計考慮頂出結(jié)構(gòu)的頂出面積和整個產(chǎn)品的頂出平衡，規(guī)避薄壁保險杠頂塊印缺陷。

薄壁保險杠模具設(shè)計時需避免澆口設(shè)計過小導(dǎo)致填充困難，同時模具需根據(jù)產(chǎn)品料厚的分布情況以及模流分析結(jié)果進行合理的澆口布置。

同時為保證薄壁保險杠的產(chǎn)品尺寸長度及尺寸穩(wěn)定性，需結(jié)合實際應(yīng)用案例，合理推薦保險杠模具收縮率，避免后期調(diào)整材料。同一材料，不同壁厚，需要采用不同的收縮率。

4.薄壁保險杠穿刺焊接

保險杠常規(guī)設(shè)計中，經(jīng)常會通過穿刺焊接進行內(nèi)部支架零件固定，但穿刺焊接對兩焊接零件的產(chǎn)品壁厚有嚴(yán)格的要求，如表皮零件為避免在焊接過程中壁厚過薄導(dǎo)致焊接過熱鼓包，則表皮穿刺焊接位置料厚需3.2mm及以上。圖6所示為某薄壁保險杠雷達支架穿刺焊接在前保表皮上的斷面圖示，雷達支架料厚1.2mm，前保表皮穿刺焊接區(qū)域料厚從2.5mm漸變加厚到3.2mm，無外觀缺陷，滿足穿刺焊接工藝要求（見圖6）。

圖6 穿刺焊接配合處料厚示意

結(jié)語

隨著整車輕量化要求的提高，主機廠設(shè)計和制造能力日益增強，保險杠薄壁化技術(shù)會越來越多地應(yīng)用到新車型項目中。通過總結(jié)薄壁保險杠對材料性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具結(jié)構(gòu)和特殊工藝的相關(guān)要求，為薄壁保險杠設(shè)計開發(fā)提供更多支撐與經(jīng)驗，更好地推動薄壁保險杠項目在整車輕量化上的應(yīng)用，實現(xiàn)減重降本和節(jié)能環(huán)保的最終目標(biāo)。