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[前后保险杠横梁] 薄壁化技术在汽车保险杠上的应用研究

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发表于 2020-3-4 09:07:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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薄壁化技术在汽车保险杠上的应用研究

李书鹏 李树辉
(广州汽车集团股份有限公司广汽研究院,广州 511434)
【中国汽车材料网】摘要:以保险杠为例,介绍了薄壁化技术的发展趋势,从节约材料、提高注塑成型生产效率和减少制件收缩率等方面分析了薄壁化的优势,着重阐述了要求薄壁化材料具有“三高”性能(高流动性、高模量、高韧性)的意义,对薄壁化设计常见的翘曲变形、表面缺陷、缺胶或飞边等问题进行了说明,并提出了相应的解决措施。
关键词:薄壁化 保险杠 收缩率

对非金属材料而言,目前应用相对较为成熟的轻量化技术有制品薄壁化(如保险杠、门板等)、以塑代钢(如前端框架)以及应用低密度材料。本文主要以汽车保险杠为例,介绍薄壁化技术的发展趋势、应用优势、对改性聚丙烯材料(以下简写为改性PP)的要求以及薄壁设计常见的问题,以期为薄壁设计提供参考。

1 薄壁化发展趋势

目前,塑料保险杠的成型方式主要为注塑成型,主流材料都采用改性PP。迄今,塑料注塑行业关于薄壁化成型并没有统一的定义,Mahishi和Maloney将流长厚度比L/T(L:流动长度,T:制件厚度)为150以上的注塑定义为薄壁注塑,而Whetten和Fasset则认为薄壁注塑是成型的制品厚度<1mm,同时制品的投影面积为50cm2以上的注塑成型[1]。汽车整车部件薄壁化一般是指用更薄的壁厚设计取代传统壁厚设计,同时需要结合模具设计、注塑成型工艺调整以及配合使用薄壁材料等工作,在保证制件满足刚性要求和韧性要求的同时,达到减重目的。

以保险杠为例,保险杠作为汽车重要的外观件和安全件,在确保原有的保护功能基础上,也要追求本身的轻量化[2]。保险杠的轻量化经历了由塑料材料取代金属材料,再到如今塑料保险杠壁厚由厚到薄的变化历程。20世纪70年代,塑料保险杠的壁厚设计多数>4mm,由图1可以看出塑料保险杠壁厚的发展历程。随着Moldflow(模流分析)和CAE(计算机辅助工程)等仿真分析手段的应用及塑料性能的提升,保险杠设计进一步朝薄壁化方向发展。

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图1 塑料保险杠壁厚发展历程

日系主机厂在保险杠薄壁化方面起步较早,目前日系车保险杠主流壁厚为2.2~2.5mm,研发阶段车型的保险杠壁厚达到1.8~2.0mm;欧美主机厂相对保守,量产车型保险杠壁厚为2.7~3.0mm,但最新趋势也在向2.5mm靠近;国内主机厂量产车型保险杠壁厚多为3.0mm左右。


2 薄壁化的优势2.1 节约材料

薄壁化后,制品质量减轻,在满足性能要求的前提下,单件使用材料减少。以保险杠为例,若原材料密度保持不变,壁厚由3.0mm减到2.5mm,可实现减重15%;从3.0mm减到2.2mm,可实现减重20%以上。

2.2 提高生产效率

注塑成型周期主要包括填充时间、保压时间、冷却时间及开/合模时间,其中冷却时间对注塑成型周期影响最大,而制品的壁厚直接与冷却时间相关。理论最短冷却时间计算公式如下。

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式中,tmin为理论最短冷却时间,s;S为制件最大壁厚,mm;σ1为塑料热扩散系数;Tc为注塑温度,℃;Tm为模具温度,℃;T为脱模时的制件温度,℃。

由以上公式可知,壁厚越小,需要的冷却时间也相应减少;同时,由于壁厚降低,模具型腔空间减少,需要材料具有更高的流动性以满足快速填充要求。目前国内保险杠的生产周期为80~95s,日系保险杠的生产周期为40~50s,欧美则正在从60s以上逐渐向50s附近靠近[2]。

2.3 减少制件收缩率

同种材料、不同壁厚制件的收缩率明显不同。图2为金发公司某牌号改性PP材料不同壁厚下的收缩率,可见随着壁厚减小,收缩率相应降低。收缩率降低有利于提高零部件尺寸稳定性,可减少零部件与车身装配过程中的尺寸匹配问题,提升整车品质感。

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图2 某牌号不同壁厚改性PP材料的收缩率


3 薄壁化对材料的要求

薄壁化设计的保险杠要求其使用的改性PP材料具有“三高”性能:高流动性、高模量及高韧性。表1列出了保险杠传统壁厚(壁厚≥3mm)和薄壁设计对材料的基本力学性能和流动性要求。

改性PP材料具有“三高”性能的意义如下。

a.高流动性。壁厚减薄,材料充模过程中的流动空间减小、流动阻力变大,意味着以相同材料注满薄壁型腔需要更大的压力。为此,需要提高材料的流动性(即材料的熔融指数)。在不改变成型温度和模具温度的条件下,高流动性能够使材料在不提升注塑压力的同时快速地充满模具型腔。材料流动性的提升降低了由于壁厚减薄对注塑压力、成型温度和模具温度等条件的影响,同时还可以避免缺胶问题。

b.高模量。壁厚减薄会导致制品刚度下降。为此,一方面需要优化制品结构,引入加强支撑结构提高制品刚度;另一方面需要通过提高材料的模量来弥补制品刚度的不足。如表1所示,传统改性PP材料的弯曲模量为1300~1500MPa,而薄壁改性PP材料的弯曲模量则要求为2000MPa以上。

c.高韧性。汽车保险杠作为安全件,其作用是吸收和缓和外界的冲击力、防护车身前/后部的重要安全装置在使用过程中免受直接碰撞。因此,

表1 传统材料和薄壁材料的要求
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如表1所示,无论是传统保险杠还是薄壁保险杠都要求材料具有高的冲击性能。但材料流动性增加会导致其冲击性能下降,因此,在保证薄壁材料具有高流动性的同时,要重点关注材料的冲击性能,目前国内一些材料厂家通过添加特种共聚增韧剂、新型的纳米纤维状填料等手段解决了材料的流动性和韧性的平衡问题。


4 薄壁化设计的常见问题和应对措施

4.1 翘曲变形

翘曲变形的应对措施从两个方面入手:对于,一方面主要通过调整材料收缩率、模具设计方案及注塑工艺参数等控制制品收缩率;另一方面主要通过调整材料配方、注塑压力以及脱模力等控制制品内应力。

4.2 表面缺陷

薄壁制品表面容易出现流痕和虎皮纹等缺陷。在注塑充模过程中,材料流经薄壁型腔、制品加强筋或卡扣部位受到的剪切力大于常规模具,使材料中相容性差的组分发生相分离,从而造成流痕和虎皮纹的缺陷。

表面缺陷的应对措施有两个方面:材料进行共混改性时,提高材料配方中各组分之间的相容性;制品设计在容易产生虎皮纹的位置可采取渐变式的设计方案。

4.3 缺胶或飞边

缺胶又称填充不足,是指注塑成型过程中材料熔体不能完全充满模具型腔各个角落的现象;而熔体在注塑成型过程中进入模具分型面或其它空隙时,就会产生飞边。壁厚减薄增加了熔体流动阻力,熔体温度和模具温度过低导致熔体粘度过大,都会引起熔体滞流或注射时间太长而使熔体过早凝固造成缺胶;注塑压力过大或模具闭合不好会导致制品产生飞边。

缺胶或飞边的应对措施:合理控制熔体温度、模具温度、注射压力和注塑时间等工艺因素,同时提高模具的配合精度,最大程度地解决缺胶或飞边问题。

5 结束语

综上所述,随着整车轻量化要求的提高,各主机厂的设计和制造能力日益增强,薄壁化技术会越来越多地应用到新项目中。现阶段的薄壁化应用需要进行更多的理论分析和性能验证,包括材料、零部件性能及整车性能的验证;同时,还要进一步提高薄壁化制品的设计能力,才能更好地推进薄壁化技术在整车上应用。




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