基于輕量化材料的汽車塑料件設(shè)計(jì)與制造工藝研究

摘要：由于社會經(jīng)濟(jì)的快速擴(kuò)張和生活水平的持續(xù)提高，汽車已成為人們生活中最重要的交通方式之一。汽車的迅速普及使個(gè)人的交通更加便利，但與此同時(shí)，汽車駕駛帶來的環(huán)境問題引起了社會各界的廣泛關(guān)注。汽車輕量化發(fā)展的軌跡已經(jīng)通過塑料基汽車零部件的創(chuàng)造和使用而確定。輕質(zhì)汽車塑料部件的生產(chǎn)方法是本文分析和討論的主要課題。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化塑料；生產(chǎn)工藝

一、汽車輕量化方式

（一）結(jié)構(gòu)的輕量化

計(jì)算機(jī)技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造的許多方面的廣泛應(yīng)用，以及數(shù)字制造業(yè)的持續(xù)增長，加快了汽車工業(yè)化的進(jìn)程。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)階段，制造汽車的公司利用矢量化軟件在虛擬環(huán)境中完成汽車組合的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)方法大大提高了理論模型的有用性和適應(yīng)性，同時(shí)也減少了創(chuàng)建汽車零部件所需的時(shí)間。為了減輕汽車的整體重量并提高其駕駛性能，設(shè)計(jì)師主要利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)以合理的方式設(shè)計(jì)和優(yōu)化當(dāng)前的車輛結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合安全規(guī)定。除了成功降低汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本外，汽車結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)優(yōu)化還顯著提高了其制造的質(zhì)量和生產(chǎn)率。為了設(shè)計(jì)車輛的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和其他特征，操作員使用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)仿真環(huán)境。操作員根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果評估車輛的整體安全性能，以防止車輛總重量的減少對操作過程中的安全產(chǎn)生任何負(fù)面影響[1]。此外，通過采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)生成碰撞和汽車模擬，包括流體和塑料力學(xué)，通過準(zhǔn)確模擬汽車駕駛和碰撞，專業(yè)人員可以了解并精通汽車結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。盡管如此，所獲得的實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的科學(xué)基礎(chǔ)為改進(jìn)車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了非常重要的幫助，即使這種模擬實(shí)驗(yàn)不能完全取代真正的碰撞試驗(yàn)。

（二）材料的輕量化

從過去的概念設(shè)計(jì)開始，由于材料科學(xué)的快速發(fā)展，汽車、飛機(jī)和船舶等工業(yè)物體在強(qiáng)大的技術(shù)支持下進(jìn)入了人們的生活。除了為其他領(lǐng)域?qū)⒗碚摳吨T實(shí)踐提供框架外，材料技術(shù)對一個(gè)國家的增長和繁榮至關(guān)重要。經(jīng)過多年的研究，工程塑料和復(fù)合材料科學(xué)領(lǐng)域的兩條重要途徑在飛機(jī)生產(chǎn)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。汽車行業(yè)也可以從這項(xiàng)技術(shù)中受益。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料首次被開發(fā)時(shí)，復(fù)合材料長期以來一直被汽車研發(fā)領(lǐng)域的幾位專家視為輕量化汽車材料發(fā)展的必然趨勢。

二、輕量化的汽車塑料件生產(chǎn)工藝

（一）PLC 控制技術(shù)

輕型汽車塑料部件生產(chǎn)工藝的發(fā)展在技術(shù)上得到了PLC控制技術(shù)的有力支持，該技術(shù)結(jié)合了邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和輸送能力。中央處理單元、輸入/ 輸出單元、功能模塊和連接設(shè)備組成了PLC 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要使用循環(huán)掃描來調(diào)節(jié)輕量化汽車塑料部件在使用過程中的制造。首先，根據(jù)輕量化汽車塑料部件制造技術(shù)規(guī)范，對PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和調(diào)試。調(diào)試完成后，將系統(tǒng)投入實(shí)際生產(chǎn)。由于汽車塑料部件制造中最重要的工藝之一是成型，其質(zhì)量和成型效果顯著影響汽車塑料部件的生產(chǎn)效率。我們的汽車內(nèi)外件自動化生產(chǎn)系統(tǒng)基于現(xiàn)場總線控制技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)，合理利用了PLC 控制技術(shù)。通過同步監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行，這不僅滿足了零部件生產(chǎn)過程中自動系統(tǒng)報(bào)警、故障顯示和自動診斷的目標(biāo)，而且大大提高了汽車內(nèi)外部零部件生產(chǎn)的穩(wěn)定性。其次，在制造過程中，不同的設(shè)備層系統(tǒng)通過合理使用PLC 以太網(wǎng)通信模塊緊密相連，形成設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)[2]。接下來，根據(jù)產(chǎn)品制造的需求，輸送機(jī)鏈系統(tǒng)的處理器，為了將復(fù)雜的整個(gè)系統(tǒng)拆分為可管理的子系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可控性，選擇了過程控制、廢氣和廢水處理等控制器。除了成功降低企業(yè)的生產(chǎn)成本外，這種生產(chǎn)汽車外部和內(nèi)部零件的方式還為生產(chǎn)汽車塑料零件的企業(yè)增長提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（二）計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)

企業(yè)制造汽車塑料部件廣泛使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來支持工業(yè)生產(chǎn)過程。根據(jù)企業(yè)當(dāng)前的情況，選擇一種或多種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來支持汽車行業(yè)塑料部件自動化生產(chǎn)水平的成功提升。例如，汽車塑料部件的制造經(jīng)常使用CAD 技術(shù)，該技術(shù)使用計(jì)算機(jī)軟件根據(jù)塑料部件的尺寸、性能和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化塑料部件的結(jié)構(gòu)。為接下來的塑料部件制造做好充分準(zhǔn)備，然后根據(jù)汽車塑料部件的尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成型模具。為了劃分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和優(yōu)化成形工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)者需要首先將成形模具設(shè)計(jì)從CAD 軟件導(dǎo)入CAE 軟件。除了根據(jù)汽車塑料件的生產(chǎn)要求模擬整個(gè)成型工藝過程外，目前最流行的CAE 軟件Moldflow還可以為設(shè)計(jì)人員提供最準(zhǔn)確的產(chǎn)品參數(shù)信息，包括自動原材料選擇、模具澆口位置、冷卻和澆注系統(tǒng)、模腔樹和結(jié)構(gòu)確定等，提高汽車塑料件生產(chǎn)的整體質(zhì)量和效率。利用CAD 和CAE軟件，除了允許設(shè)計(jì)人員選擇成型工藝和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的參數(shù)和流程外，CAM 軟件還可以與數(shù)控機(jī)床緊密連接，以調(diào)節(jié)數(shù)控機(jī)床的操作，生產(chǎn)出更精確可靠的汽車塑料部件。除了成功地降低了傳統(tǒng)汽車塑料零件生產(chǎn)過程中工人的計(jì)算負(fù)擔(dān)外，在汽車塑料零件制造中越來越多地使用各種接收器軟件也促進(jìn)了生產(chǎn)精度的持續(xù)提高[3]。

（三）工業(yè)機(jī)器人技術(shù)

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是一種用機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)體力勞動的尖端制造技術(shù)。在汽車塑料部件的自動化制造和加工中，機(jī)器人是必不可少的。在生產(chǎn)過程中，制造汽車塑料部件的公司只需要訓(xùn)練機(jī)器人完成各種手工無法完成的活動。經(jīng)過廣泛的研究和分析，發(fā)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在汽車塑料零件制造和加工中的推廣和使用主要涉及以下幾個(gè)階段：（1）第一階段。在汽車塑料部件的制造中，這一步大多使用氣動機(jī)器人來執(zhí)行基本的包裝和拆卸任務(wù)。（2）快速增長階段。從氣動機(jī)器人到伺服機(jī)器人的過渡是這一階段的主要重點(diǎn)。除了有效地完成額外的工作外，伺服機(jī)器人還可以通過手動編程和控制顯著提高其工作效率和塑料制品的制造效率。（3）未來階段。目前，只有規(guī)模較大的國際公司生產(chǎn)這種水平的汽車塑料部件；自動控制單元主要用于機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜的操作，如組件組裝、尺寸測量和噴涂。在汽車塑料零件制造過程中推廣和實(shí)施先進(jìn)的自動化技術(shù)理論，不僅實(shí)現(xiàn)了重組和優(yōu)化生產(chǎn)過程的目標(biāo)，而且鼓勵全面提高組件生產(chǎn)質(zhì)量和效率。例如，在建造汽車塑料包裝生產(chǎn)線時(shí)，必須手動執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的手動包裝程序，包括材料回收、捆綁、密封和碼垛。一旦自動化包裝生產(chǎn)線得到改進(jìn)和優(yōu)化，通過使用自動化控制技術(shù)設(shè)計(jì)自動進(jìn)料機(jī)構(gòu)和碼垛系統(tǒng)，以及使用工業(yè)機(jī)器人完成產(chǎn)品包裝過程，可以提高汽車塑料包裝的效率。此外，操作員可以根據(jù)生產(chǎn)過程提前計(jì)劃生產(chǎn)參數(shù)，并管理工業(yè)機(jī)器人在汽車塑料外部部件、廢水處理、消防系統(tǒng)等的自動涂裝生產(chǎn)線上完成生產(chǎn)。

三、塑料在汽車輕量化中的具體應(yīng)用

（一）在汽車內(nèi)飾方面的應(yīng)用

汽車儀表板、車門內(nèi)板、座椅和其他部件是汽車驅(qū)動部件的主要用途。每個(gè)地方使用的塑料材料必須不同，因?yàn)榈乩斫Y(jié)構(gòu)會影響對塑料的觸覺、美學(xué)和舒適性的要求。例如，生產(chǎn)商應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇耐熱性高、不易變形的塑料，因?yàn)槠噧x表板使用了大量塑料。汽車車門的內(nèi)板通常使用壓縮成型和低壓注塑生產(chǎn)。內(nèi)板是通過將皮膚加工并壓縮到尚未凝固的聚乙烯上而制成的。

（二）在汽車外飾方面的應(yīng)用

在汽車制造業(yè)中，塑料部件因其輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工成型等特性而被廣泛應(yīng)用，其中模壓塑料板和改性聚丙烯（PP）材料是制造汽車保險(xiǎn)杠等關(guān)鍵部件的主要工藝手段。這些材料不僅能夠有效降低車身重量，提升燃油效率，還能在保證安全性能的同時(shí)，賦予汽車更加流暢和現(xiàn)代化的外觀設(shè)計(jì)。

模壓塑料板工藝通過高溫高壓將塑料板材壓制成型，適用于制造形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高的部件，如保險(xiǎn)杠。改性PP 材料則通過添加各種改性劑來增強(qiáng)其物理性能和加工性能，使其更加適應(yīng)汽車部件的制造需求。這些材料的應(yīng)用，不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了生產(chǎn)成本，是現(xiàn)代汽車制造業(yè)不可或缺的一部分。

散熱器格柵作為汽車前臉的重要組成部分，其材料選擇同樣至關(guān)重要。ABS 和ABS/PC 合金因其良好的加工性能、表面光澤度和耐沖擊性能而被廣泛采用。ABS 材料具有良好的成型性和可塑性，可以方便地加工成各種復(fù)雜形狀；而ABS/PC合金則結(jié)合了ABS 和PC 兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的耐熱性和強(qiáng)度。

ABS 材料的耐熱性相對較弱，這在一定程度上限制了其在高溫環(huán)境下的應(yīng)用。為了解決這個(gè)問題，生產(chǎn)過程中需要添加黑色耐熱化學(xué)品，以提高ABS 材料的耐熱性能。這些化學(xué)品不僅能夠增強(qiáng)材料的熱穩(wěn)定性，還能改善其耐候性和抗老化性能，從而延長汽車部件的使用壽命。

模壓塑料板和改性PP 材料在制造汽車保險(xiǎn)杠等部件中發(fā)揮著重要作用，而ABS 和ABS/PC 合金則是散熱器格柵等部件的理想選擇。通過添加耐熱化學(xué)品等改進(jìn)措施，可以進(jìn)一步提升這些材料的性能，滿足汽車制造業(yè)對高質(zhì)量、高性能部件的需求。隨著科技的進(jìn)步和材料的不斷創(chuàng)新，未來汽車制造業(yè)將迎來更多高效、環(huán)保、安全的塑料部件解決方案。

結(jié)論

總之，塑料材料最大限度地提高了汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需求，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。此外，汽車輕量化的進(jìn)步使塑料和相關(guān)復(fù)合材料的使用和推廣成為該行業(yè)未來增長的不可避免的趨勢。為了使中國汽車行業(yè)健康、可持續(xù)地發(fā)展，推進(jìn)汽車塑料部件在汽車輕量化制造中的應(yīng)用研究至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

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