汽車保險(xiǎn)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(jì)、制造及成本控制越來越體現(xiàn)出各主機(jī)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(xiǎn)杠的薄壁化設(shè)計(jì)是整車輕量化的重要手段。薄壁設(shè)計(jì)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(duì)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化和節(jié)能環(huán)保有重要意義。汽車保險(xiǎn)杠薄壁設(shè)計(jì)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(xiǎn)杠項(xiàng)目，闡述了保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)及制造過程及控制要點(diǎn)。

汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)各主機(jī)廠保險(xiǎn)杠的主流壁厚在3.0mm，趨勢是往2.5m m演變，而日系主機(jī)廠的主流壁厚是2.5mm，目標(biāo)厚度是2.0mm。汽車保險(xiǎn)杠總體趨勢是在滿足強(qiáng)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(xiǎn)杠薄壁化

1.汽車保險(xiǎn)杠薄壁化原理

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

式中：S為保險(xiǎn)杠強(qiáng)度，E為彈性模量，b為截面寬度，H為截面高度。

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

1）高熔指。由于產(chǎn)品壁厚減薄，材料充填過程中的流動(dòng)空間減小，流動(dòng)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(bǔ)產(chǎn)品剛度的不足。

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

（2）薄壁保險(xiǎn)杠的技術(shù)難點(diǎn) 薄壁保險(xiǎn)杠開發(fā)難點(diǎn)在于薄壁材料要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高熔指、高強(qiáng)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(qiáng)度難度大，且材料的彈性模量和沖擊強(qiáng)度為兩個(gè)相互制約的指標(biāo)。薄壁保險(xiǎn)杠為滿足各種要求，材料成本也高于傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠材料。

2.汽車保險(xiǎn)杠薄壁化優(yōu)勢

（1）薄壁化減重 薄壁保險(xiǎn)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(jì)和模具設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(shí)間。冷卻時(shí)間與壁厚的平方成正比，即壁厚越薄，冷卻時(shí)間越短，則成形周期越短。日系保險(xiǎn)杠的成形周期普遍較低，與保險(xiǎn)杠薄壁化有一定的關(guān)系。

圖2 薄壁化增效

薄壁保險(xiǎn)杠選材

表1為某汽車主機(jī)廠保險(xiǎn)杠不同壁厚對(duì)材料性能的要求。

表1 保險(xiǎn)杠不同壁厚對(duì)材料性能的要求

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

表2 薄壁保險(xiǎn)杠產(chǎn)品設(shè)計(jì)

薄壁保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.薄壁保險(xiǎn)杠Doghouse結(jié)構(gòu)

薄壁保險(xiǎn)杠Doghouse結(jié)構(gòu)指保險(xiǎn)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(jì)螺釘柱或簧片安裝結(jié)構(gòu)，用于固定螺釘。

保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)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(xiǎn)杠在開模時(shí)，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(shí)Doghouse結(jié)構(gòu)豎向筋根部受力造成對(duì)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(xiǎn)杠項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)保險(xiǎn)杠上Doghouse結(jié)構(gòu)造成的產(chǎn)品縮印，需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

1）Doghouse豎向筋對(duì)應(yīng)薄壁區(qū)域需進(jìn)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(duì)應(yīng)的左右側(cè)增加加強(qiáng)連接筋，避免豎向筋根部強(qiáng)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(jì)需滿足：在至少間隔10mm的寬度范圍內(nèi)料厚對(duì)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(jì)優(yōu)化及漸變加料厚示意

2.薄壁保險(xiǎn)杠關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)

薄壁保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)時(shí)，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(shí)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(qiáng)度。同時(shí)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(dòng)或間隙面差超差。圖5所示為某項(xiàng)目薄壁保險(xiǎn)杠在靠近前保翼子板翻遍區(qū)域的料厚設(shè)計(jì)，料厚設(shè)計(jì)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(qiáng)表皮翻邊匹配格柵的強(qiáng)度，避免表皮翻邊變形、松動(dòng)，起到固定保險(xiǎn)杠總成中間區(qū)域的作用，有效保證保險(xiǎn)杠總成中間區(qū)域與車身的間隙面差。

3.薄壁保險(xiǎn)杠模具設(shè)計(jì)

薄壁保險(xiǎn)杠壁厚設(shè)計(jì)在2.2～2.5mm時(shí)，模具頂出結(jié)構(gòu)由于加工、配合、頂出動(dòng)作過程等諸多原因，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品對(duì)應(yīng)區(qū)域受力過大，造成受力不均，從而在產(chǎn)品對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)頂塊印缺陷。薄壁保險(xiǎn)杠產(chǎn)品一般在模具對(duì)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(jì)考慮頂出結(jié)構(gòu)的頂出面積和整個(gè)產(chǎn)品的頂出平衡，規(guī)避薄壁保險(xiǎn)杠頂塊印缺陷。

薄壁保險(xiǎn)杠模具設(shè)計(jì)時(shí)需避免澆口設(shè)計(jì)過小導(dǎo)致填充困難，同時(shí)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(jìn)行合理的澆口布置。

同時(shí)為保證薄壁保險(xiǎn)杠的產(chǎn)品尺寸長度及尺寸穩(wěn)定性，需結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例，合理推薦保險(xiǎn)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(xiǎn)杠穿刺焊接

保險(xiǎn)杠常規(guī)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)通過穿刺焊接進(jìn)行內(nèi)部支架零件固定，但穿刺焊接對(duì)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(xiǎn)杠雷達(dá)支架穿刺焊接在前保表皮上的斷面圖示，雷達(dá)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(jī)廠設(shè)計(jì)和制造能力日益增強(qiáng)，保險(xiǎn)杠薄壁化技術(shù)會(huì)越來越多地應(yīng)用到新車型項(xiàng)目中。通過總結(jié)薄壁保險(xiǎn)杠對(duì)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(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)提供更多支撐與經(jīng)驗(yàn)，更好地推動(dòng)薄壁保險(xiǎn)杠項(xiàng)目在整車輕量化上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)減重降本和節(jié)能環(huán)保的最終目標(biāo)。