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发表于 2021-5-25 13:38:04 | 显示全部楼层 |阅读模式
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汽车塑料外观件对整车外观尺寸的影响及控制方法
刘浩
上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007
摘 要: 本文对汽车塑料外观件对整车尺寸的影响和控制方法进行探讨,从塑料翼子板、前后保及前门裙板等外观覆盖件切入,分别从这些零件的材料组成,物理特性,设计制作及装配工艺进行讲述,并与传统钣金覆盖件进行对比,通过分析塑料件在整车装配中实际产生的尺寸问题,制定解决措施并总结经验,为后续车型大面积使用塑料外饰件的尺寸问题解决及零件装配等工艺优化具有重要意义。
关键词:塑料件 装配 模拟块 尺寸 经验总结
1 背景

塑料在国外的发展已经有上百年的历史了,从最开始的普通塑料到后来的工程塑料再到现在能够完全替代部分金属的特种塑料,塑料俨然有替代金属材料的发展趋势。面对着国内外能源的紧缺,汽车轻量化的改革已经成为各大汽车制造商的重要法宝,汽车的自重每减少10%,燃油(行驶能量)的消耗可降低6%~8%,为此降低整车质量,便成为轻量化的关键而塑料的应用显然具有得天独厚的优势。由此,以塑代钢的思想必将是汽车行业的一个重要发展方向。据统计全世界平均每辆汽车的塑料用量在2000 年就已达105kg,约占汽车总重量的8%~12%。目前,发达国家的汽车塑料使用量占汽车总质量的平均比例已经达到15%以上 部分国家则超过了20%,其塑料的应用范围除了普通的外观覆盖件外已经广泛应用于汽车上的功能零部件,如塑料翼子板、门内模块、前端模块、背胎盒以及背门系统等。而在国内塑料工业的基础还比较薄弱与国外比还存在相当大的差距,而汽车用塑料的占比也只有8%左右,前面所述在国外已经相当成熟的塑料零部件,大多数也还处于研究阶段。可见,加快以塑代钢的研究和应用,对于提髙汽车自主产品的竞争力赶超世界汽车强国是一个很好的机会。

2 塑料件选材与零件设计2.1 材料选择

目前,塑料件在汽车行业已经得到了广泛的应用,塑料在汽车上的应用主要分为3类:外装件、内饰件和功能结构件。

塑料外装件减轻了汽车质量,达到了节能目的,例如前后保,翼子板及门外板装饰件;塑料内饰件具有安全、环保、舒适的特征,用可吸收冲击能量和振动能量的弹性体和发泡塑料制造仪表板、座椅、头枕等制品,可减轻碰撞时对人体造成的伤害,提高汽车的安全系数;功能结构件多采用高强度工程塑料,以减轻质量、降低成本、简化工艺,如塑料燃油箱、发动机和底盘上的一些零件等。当前,汽车用塑料的品种包括:聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、热固性复合材料、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯等等,一般使用的是它们的改性PP 材料和复合材料。

PP(聚丙烯)材料由于其来源广泛、密度小、力学均衡性好、耐化学腐蚀、易加工及价格低廉等突出优点被广泛使用在汽车各大总成系统中获得了广泛应用。但通用PP 材料存在收缩率大,制品尺寸稳定性差,容易产生翘曲变形;低温易脆断,低温韧性差;耐光老化、耐热老化性能差等缺点。无法满足汽车保险杠、发罩、翼子板及前门裙板等部件的特殊使用要求,需对通用PP 材料进行改性。

因此,外饰塑料件选用材料均为改性PP-T20(滑石粉含量为20%的聚丙烯)。

2.2 材料特性的影响

与传统材料车型相比较,在外观覆盖件的应用上,传统材料车型选用的材料为钣金,而塑料外饰件车型使用的是改性PP材料。在轻量化上有明显的优势,以翼子板为例,如表1所见,塑料翼子板相对于金属翼子板有着超过50% 的重量差。

除了重量方面,PP-T20 翼子板其主要性能如下(表2):

表1 塑料翼子板与金属翼子板轻量化对比

表2 PP-T20 塑料翼子板性能表


式中: —弯曲应力;P—施加外力;L—长度;b—宽度;h—厚度

可得在外力P=2*25MPa*10mm*16mm2/(3*64mm)=41.667N,即在2min 内使用大于41.667N 力作用下会使其发生弯曲形变,其变量为根据成年人最大推力为自重1.5 倍标准计算,约为300N >41.667N,即在不考虑翼子板等塑料件弧形型面的影响进行装配时,会造成零件尺寸产生0.5mm 左右的弹性形变。

由于温度变化而造成零件热胀冷缩,发生变形而造成尺寸变化,可由以下公式得出:


式中:D—变形量;T1—高温;T2—低温;L—长度;α—膨胀系数

由于材料在日常温度下膨胀系数最大值为5.5E-05,因此形变量D 很小,即对零件尺寸的影响可忽略不计。

由于塑料外饰件车型外饰件所用材料一致,因此前后蒙皮的零件特性与翼子板相差无几,在外力作用下理论变形量为=1800MPa/41.667N=0.439mm。

2.3 零件设计过程对尺寸的影响

由于塑料覆盖件自身特性与传统金属零件有着巨大的差异,因此在进行零件设计时需要考虑PP-T20 塑料的物理及化学特性在零件制作及成型后零件的尺寸所带来的影响。

目前塑料件的设计一般遵循:形状和结构的简化,壁厚合理,避免应力集中,加强刚度的设计,抗变形设计及注塑件的精度等六个方面。

形状和结构的简化(图1):

因此,产品形状结构的设计复杂与否,对零件的尺寸有着直接的联系,设计产品形状及结构越复杂,则零件的尺寸及性能稳定性越难以保证,反之采用更为简化的设计方案,在提高零件的质量的同时,也大大的降低了开发生产成本。

壁厚合理:均匀的壁厚可使制件在成型过程中,熔体流动性均匀,冷却均衡;壁薄部位在冷却收缩上的差异,会产生一定的收缩应力,内应力会导致制件在短期之内或较长一段时间后发生翘形变形,这将直接导致零件成型的尺寸变化,从表一中可得出塑料翼子板的收缩率为≤0.75%,可简单描述为零件体积产生了0 ~0.75%的变化量,直接影响了零件尺寸,且具有不确定性。

图1 产品结构简化

图2 刚性分析图

图3 变形分析图

图4 影响注塑成型图

2.4 小结

综合塑料外饰件的材料固有特性及设计制造过程分析,可以得出,塑料件在成型过程中对尺寸精度的影响因素较多,因此零件的尺寸会有一定程度的波动,从而直接影响整车零件装配间隙段差的控制。

避免应力集中:应力集中具有导致零件开裂变形,直接影响零件合格率的潜在风险;避免应力集中最直接有效的方法就是在拐角、棱角、凹槽等轮廓与厚薄交接处采用圆弧过渡。

加强刚度的设计:塑料件刚性与钣金件相比较有着明显的差距,在外力的作用下容易发生形变而导致零件尺寸变化(图2)。

抗变形设计:由于变形会直接造成制件的形状变化,导致零件尺寸偏差;而变形主要有制件内应力引起的翘曲变形及热效应引起的热变形(图3)。

注塑件的精度:塑料外饰件车型外饰件使用的是注塑成型工艺,因此模具及制作工艺等因素均会对零件成型尺寸造成重要的影响。

图5 某车型翼子板注塑模具

3 装配工艺及配合质量控制3.1 装配工艺

目前,工业上对于塑料工件的装配工艺主要为如下三种:

机械法,机械法包括搭扣配合、螺钉、铆钉和压接等选项,但不限于这些选项。主要为可拆如汽车灯组及前后蒙皮等工件,在其寿命周期中需要拆卸,通常会选择机械法来装配。在耗材成本超过设备价值的小批量装配应用中也可采用这种装配方法。

胶黏剂法,胶黏剂法是一种寻求的永久性装配方法,常被运用于工件材料互不相容的装配中。

摩擦热法,当塑料工件与装配搭接材料相容时,通常使用该方法进行装配。用该方法装配的组件其结合将是永久性和防干扰密封的。由于该方法不能应用于消费品组件的装配,且该方法成本效益相对于前两者。

由于在汽车外饰件装配过程中,主要为塑料件安装在白车身上,为塑料件与钣金件的搭接,因此主要采用机械法与胶粘剂法。在这两种方法中,外饰件装配除了顶盖外饰板与顶盖装配时使用卡扣与3M胶粘的装配方法,其余零件如翼子板、前后保及前门裙板等均为使用卡扣、螺钉等机械装配工艺,其中卡扣及塑料定位销的数量为28,约占机械装配点总数的一半,且其定位作用的均为塑料定位销及卡扣安装点(表3)。

从而可知,塑料零件上的定位销及卡扣与白车身进行连接的精度直接体现在整车上,最终间隙段差是否符合标准。

表3 机械装配统计表

3.2 塑料件与钣金件配合尺寸质量的控制

塑料外饰件大量使用对传统钣金件与钣金件的配合控制提出了新的挑战。未大量使用塑料外饰件前车门与侧围、车门与翼子板、翼子板与发盖等处的配合在车身车间已完成装配并调整至符合标准要求。而发盖、翼子板甚至车门外饰板使用塑料件后,其安装工序就转移到了总装车间进行,车门在车身车间装配完成时无可参照的配合可测量。因此,使用模拟块辅助装配成为控制装配质量的必要手段。

模拟块主要模拟车门和翼子板等零件边缘,通过钣金与模拟块的匹配测量,判断车门装配是否符合标准要求。一般选择车门接缝附近的光孔作为模拟块定位点,塑料外饰件边缘作为测量配合面(图6)。

在车门安装工艺时序设计时需要加上安装模拟块的时间,才能在设计时间内完成车门安装工作(图7)。

正式生产阶段的车身尺寸控制一般使用ABC 测量进行尺寸监控:A 测量是指白车身(不含门盖及翼子板)CMM(三坐标)测量,通过双悬臂试CMM 测量机进行车身测点尺寸数据收集、汇总、整理,形成白车身测点SPC 报告;B 测量是指门盖检具测量数据,通过测量工具收集车门在检具上的尺寸数据,形成B 测量报告;C 测量是指白车身(含门盖及翼子板)间隙、段差匹配测量,通过测量工具收集测点数据形成C 测量报告。通过将ABC 测量数据控制在标准范围内保证白车身尺寸符合要求,也保证了后续总装的装配质量。

塑料件的大量使用对C 测量的影响是最明显的,C 测量白车身上车门及翼子板的周圈无配合或配合间隙、段差数值过大,直接使用测量工具无法进行测量或测量精度降低。C 测量必须使用模拟块表征塑料件装配效果,C 测量的数据也是测量模拟块的数据而不是直接测量白车身的数据。

整车质量控制策略也需要做相应调整,车身车间输出尺寸质量应以模拟块表征数据为准,总装塑料件装配根据车身状态需做微小调整以满足整车质量要求。模拟块的使用需做到以下两点:

(1)模拟块使用过程注意其精度保护;

(2)模拟块定期校准。

图6 模拟块

图7 车门安装工艺步骤对比

4 实际问题分析与对策

以下,通过对汽车车身塑料外饰件翼子板在整车装配上出现的尺寸问题为例子进行分析,制定解决措施,并总结可行方案和优化建议。

4.1 实例分析

翼子板从前往后分别与前保险杠与前门连接,安装时既要符合与前保的间隙段差要求,也要兼顾与前门的间隙要求,因此在实际装配过程中,易出现顾此失彼的情况。

对其进行尺寸链分析如下:

图8 翼子板与前保、前门装配简图

图9 翼子板与前保、前门尺寸链

图中:L0—翼子板与前门直接间隙尺寸;

L1—翼子板安装孔直接尺寸;

L2—翼子板后安装孔到车门铰链安装孔尺寸;

L3—车门铰链安装孔到车门包边尺寸;

L4—翼子板前安装孔到轮廓尺寸;

L5—车门前后包边尺寸;

L0’—前保与翼子板直接间隙尺寸;

L6—前保后安装孔到翼子板前安装孔尺寸;

L7—前保安装孔直接尺寸;

L8—前保前安装孔到轮廓尺寸;

L9—翼子板前后轮廓尺寸

在实际装配过程中,安装顺序为:车门—翼子板—前保。

通过分析车门与翼子板配合尺寸链,L0为封闭环,L2、L3 为增环,L1、L4 及L5 为减环。L2 增大或减小,直接导致L0 即翼子板与前门间隙同向增大及减小;而L1、L4 及L5 的尺寸变化将导致L0 反向变化。

翼子板为改性PP 材料,从公式一可知,由于材料的固有特性,进行装配时在外力的作用下,翼子板会发生0.5mm 左右的尺寸变化,因此尺寸链中减环L4 存在X 向尺寸增大或减小约0.5mm 的现象,而L5 为钣金车门前后包边尺寸,由于金属成型的稳定性,且在进行装配时无操作影响其尺寸,可视为常量;L3 为铰链安装孔到车门包边尺寸,在装配时受到车门与后侧围间隙的约束,如图八中2-1、2-2 所示,PQS 标准为3.0 ~5.0mm,公差范围为2.0mm;L1 为翼子板安装孔的直接尺寸,由于翼子板在X 向上仅有一处约束点,属于欠约束装配,且在进行安装时无安装调整工具,因此导致L1 尺寸在实际装配过程中有着大于2.0mm 的尺寸精度误差;L2则直接体现翼子板与前门间隙大小,公差范围为±1.5mm*2=±3.0mm。

图10 某车型前门与侧围配合PQS 示意图

图11 翼子板X 向紧固安装点

综上所述,翼子板与前门间隙大小受到零件材料自身特性,安装约束及公差累积的影响,组成环对封闭环L0 间隙影 响 L1’+L2’+L3’+L4’+L5’=-2.0+3.0+2.0-0.5-0=2.5mm。PQS 中 前门翼子板间隙标准为3.5 ~5.5mm,公差范围2.0mm <2.5mm, 且L2 尺寸精度在欠约束的安装过程中难以控制,同时出现翼子板与前门上下型面的段差不均而出现段差不合问题,与传统金属翼子板的塑性形变不一样,塑料翼子板由于存在弹性形变,因此对翼子板进行按压与撬挑的调整断差方法并不适用。

建议措施:

(1)翼子板与前门匹配处上下设计2 个X 向紧固点;

(2)优化安装工艺,在总装安装翼子板时增加面差调整工序,同时考虑使用安装工具;

(3)进一步提升零件及安装尺寸精度。

4.2 小结

塑料件由于其自身特性的原因,需在设计之初到零件成型及装配过程中考虑其对整车装配后使用带来的影响,而其中最明显的就是对整车装配尺寸的变化。通过分析原因可得影响尺寸变化主要因素为塑料零件的物理特性,安装定位点精度不高、装配约束不恰当及零件结构设计不恰当造成装配调整困难等原因。

5 总结

现在,塑料替代传统的钣金件越来越多的出现在车身外覆盖件上,如何控制塑料件与钣金件、塑料件与塑料件间的配合成为整车制造关注的一个重点。本文从材料特性、零件设计、装配工艺、尺寸控制等方面分析塑料件与钣金件的差异,并通过实例提出塑料外饰件配合控制的方法。未来我们将研究更好的设计和控制方案,在塑料件更大范围的应用下,保证整车良好的外观匹配质量,制造出更好、更美观的车身。



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