劉鑒鋒 薛軍 徐希宇 李永祥 耿富榮

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

1 前言

在節(jié)能、環(huán)保的要求下，輕量化成為汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。新材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及先進(jìn)制造工藝是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的3 個(gè)重要途徑，其中又以新材料的應(yīng)用最為有效。塑料及樹脂基復(fù)合材料，具有密度小、比強(qiáng)度和比模量高、耐腐蝕等特點(diǎn)，而且設(shè)計(jì)自由度大、集成性好，可獲得顯著的輕量化效果，目前已在汽車半承載件、承載件、覆蓋件和功能件上得到應(yīng)用。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已大量選用復(fù)合材料進(jìn)行汽車零部件開發(fā)，而我國(guó)在該領(lǐng)域還有不小的差距。

復(fù)合材料件的成本高于鈑金件，嚴(yán)重制約了其在汽車上的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)需求日益多元化、個(gè)性化，汽車制造業(yè)往多品種、小批量和定制化生產(chǎn)的方向發(fā)展。復(fù)合材料件的模具、工裝和設(shè)備投資成本比鈑金件的要低得多，特別適合搭載在小批量車型上，更能適應(yīng)未來汽車定制化、多樣化、更新快的趨勢(shì)。另一方面，近年來復(fù)合材料低成本化技術(shù)逐漸得以發(fā)展，規(guī)?；瘧?yīng)用也初見端倪，逐年下探的成本為復(fù)合材料的應(yīng)用帶來了更多機(jī)遇。

以某款氫燃料電池乘用車的鈑金后地板為研究對(duì)象，選取LFT-D 在線模壓技術(shù)進(jìn)行替代設(shè)計(jì)。從材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析和試驗(yàn)驗(yàn)證4 個(gè)方面，闡述滿足輕量化及性能目標(biāo)的汽車復(fù)材件開發(fā)過程。

2 LFT-D技術(shù)的特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料直接在線成型技術(shù)（Long Fiber reinforced Thermoplastic in Direct processing，LFT-D）可分為在線注射成型（LFT-D-Injection Molding）和在線模壓成型（LFT-D-Compression Molding），本文特指在線模壓成型技術(shù)。LFTD 生產(chǎn)線主要由擠出、輸送和成型3 部分組成。擠出部分一般由樹脂粒料喂料系統(tǒng)（含儲(chǔ)料倉和自動(dòng)補(bǔ)料設(shè)備、失重式計(jì)量秤、自動(dòng)上料系統(tǒng)）、螺桿擠出機(jī)組、連續(xù)纖維導(dǎo)入系統(tǒng)組成；輸送部分包括保溫輸送機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、專用夾具；成型部分包括模具和液壓機(jī)。樹脂粒料、助劑按配比計(jì)量后，連續(xù)喂入到螺桿擠出機(jī)中熔融并混合均勻。連續(xù)纖維粗紗經(jīng)預(yù)熱、分散后，在擠出機(jī)螺桿的旋轉(zhuǎn)作用下被帶入機(jī)筒，在螺桿的剪切作用下被剪斷，并與熔融料混合均勻。熔融料經(jīng)?？跀D出并被計(jì)量切割，隨后經(jīng)過保溫輸送機(jī)，由工業(yè)機(jī)器人或工人送至模具中模壓成型。在擠出混煉過程中，螺桿對(duì)纖維的剪切作用越強(qiáng)，分散效果越好，但對(duì)纖維的損傷會(huì)更嚴(yán)重。通過擠出機(jī)螺桿、機(jī)筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制剪切作用，在充分分散的前提下減少對(duì)脆性纖維的磨損，獲得較長(zhǎng)的纖維保留長(zhǎng)度，是高性能LFT-D 技術(shù)的關(guān)鍵所在。

美國(guó)CPI 公司（Composite Products Inc.）在1989年率先開發(fā)出LFT-D 模壓成型技術(shù)并于1991 年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，其工藝選用了2 臺(tái)單螺桿擠出機(jī)。目前LFT-D 工藝主要有2 條技術(shù)發(fā)展路線。一是以德國(guó)Dieffenbacher 公司為代表的雙階雙螺桿擠出機(jī)配混擠出工藝（圖1[1]）。樹脂粒料、助劑先在第1臺(tái)雙螺桿機(jī)中高速混煉，然后熔融料進(jìn)入第2 臺(tái)雙螺桿機(jī)，同時(shí)導(dǎo)入連續(xù)纖維粗紗，后者在螺桿作用下被剪斷、分散，并與熔融料混合均勻。該機(jī)組中，第1 臺(tái)為普通的雙螺桿擠出機(jī)，螺桿長(zhǎng)徑比（L/D）大、轉(zhuǎn)速高、剪切作用強(qiáng)烈；第2 臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)的螺桿長(zhǎng)徑比（L/D）較小、轉(zhuǎn)速低、對(duì)纖維的剪切較為柔和，有利于保持纖維長(zhǎng)度。另一種是單階雙螺桿擠出機(jī)配混擠出工藝，比較有代表性的是德國(guó)Coperion W&P 公司的技術(shù)方案，其生產(chǎn)線如圖2 所示[2]。該方案的突出特點(diǎn)是僅需1 臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)完成聚合物塑化混煉及纖維剪斷、配混工作。

圖1 雙階雙螺桿擠出機(jī)配混擠出工藝[1]

圖2 單階雙螺桿擠出機(jī)配混擠出工藝[2]

與片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）、玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性塑料（Glass Mat reinforced Thermoplastic，GMT）和長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料造粒技術(shù)（Long Fiber reinforced Thermoplastic Granules，LFT-G）相比，LFT-D 技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)。

a.直接選用樹脂粒料和纖維粗紗進(jìn)行生產(chǎn)，省去了半成品的制造、物流和倉儲(chǔ)成本（圖3[3]），更具經(jīng)濟(jì)性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)大型零件，LFT-D 方案比GMT 方案成本降低40%～50%，比LFT-G 方案成本降低30%～40%[4]；

圖3 LFT-D與SMC、GMT、LFT-G工藝對(duì)比[3]

b.只有1 個(gè)加熱過程，節(jié)能環(huán)保，且有利于保持樹脂性能；

c.適合多種熱塑性樹脂（PP、PA6、PA66、ABS、PET 等）和纖維（玻璃纖維、碳纖維、亞麻纖維、麻纖維、人造纖維等）；

d.纖維種類、纖維含量、樹脂和助劑可根據(jù)需要靈活調(diào)整，不再受制于半成品供應(yīng)商；

e.邊角廢料可在線回收利用，降低能耗，減少污染；

f.效率高，適合大批量生產(chǎn)。

德國(guó)Dieffenbacher 在LFT-D 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出使用單向帶、織物等定向增強(qiáng)的Tailored LFT 復(fù)合成型工藝[5]，以及免噴漆可視表面技術(shù)。歐美汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已將LFT-D 技術(shù)投入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，寶馬、奔馳、Smart、大眾等車企選用該技術(shù)制造底護(hù)板、前端模塊、備胎艙、后掀背門內(nèi)板、備胎箱蓋板等汽車零部件。在國(guó)內(nèi)，2010 年上海耀華大中新材料有限公司從Dieffenbacher 引進(jìn)了1 條LFT-D 自動(dòng)化生產(chǎn)線；華東理工大學(xué)[6]、福建海源機(jī)械、北京機(jī)科國(guó)創(chuàng)、江蘇誠(chéng)盟裝備等公司則自主開發(fā)LFT-D 生產(chǎn)線?？偟膩碚f，國(guó)內(nèi)LFT-D 技術(shù)相關(guān)的裝備制造、理論研究與實(shí)踐應(yīng)用還處在起步階段，在汽車行業(yè)的應(yīng)用則集中于底護(hù)板。本文所述的后地板輕量化案例，旨在為L(zhǎng)FT-D 汽車復(fù)合材料件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供思路。

3 材料選擇

該LFT-D材料以聚丙烯樹脂為基體，以玻璃纖維為增強(qiáng)相（質(zhì)量分?jǐn)?shù)35%），其主要物性見表1。

表1 LFT-D材料的基本性能

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該款氫能源乘用車鈑金后地板結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該零件料厚為0.7 mm，分布有3 條X向連貫加強(qiáng)筋，筋的寬度、高度分別為45 mm 和5 mm。該零件Z向高143 mm，如采用鈑金沖壓工藝，拉延率過高，會(huì)有成型風(fēng)險(xiǎn)。該零件上方覆蓋有10 mm 厚的地毯，屬于非外觀件。零件正下方布置儲(chǔ)氫瓶，零件上焊有2 個(gè)鈑金支架，用于線束及氫氣濃度傳感器的安裝。周邊件的布置要求如表2。

圖4 鈑金后地板結(jié)構(gòu)

表2 布置要求

4.1 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

LFT-D 材料具有高流動(dòng)性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度大，可實(shí)現(xiàn)薄壁深腔、復(fù)雜筋條、變料厚等鈑金不能實(shí)現(xiàn)的形狀和結(jié)構(gòu)。基于等剛度原則及輕量化目標(biāo)，零件的基本料厚定為2.8 mm。布置加強(qiáng)筋以增大截面模量，從而有效提高零件的剛度和強(qiáng)度。如圖5a 所示，與鋼制后地板類似，LFT-D 后地板布置了3 條X向長(zhǎng)筋條，筋條高度為20 mm；為方便零件的堆垛、倉儲(chǔ)，同時(shí)兼顧結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，后地板頂部設(shè)計(jì)了1個(gè)平臺(tái)特征。在平臺(tái)左右兩側(cè)布置有工藝筋，并在側(cè)壁處做皮紋處理，方便總裝時(shí)工人抓?。▓D5b）。該零件的主體拔模角確定為3°。

在產(chǎn)品背面中間處布置放射狀加強(qiáng)筋，并做圓形加強(qiáng)筋以增強(qiáng)，在筋條匯聚的最中間位置作挖空處理（圖5c）；平臺(tái)背面其他位置布置十字型加強(qiáng)筋。由于該零件為非外觀件，機(jī)械性能為優(yōu)先考慮因素，該加強(qiáng)筋高度設(shè)計(jì)為15 mm，根部料厚為2.5 mm。加強(qiáng)筋的拔模角度為1°，采用R=0.5 mm的圓角過渡。

圖5 LFT-D后地板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，LFT-D 后地板與儲(chǔ)氫瓶的最小間隙為12 mm，與行李箱蓋板的最小間隙為45 mm，均滿足表2 的布置要求。

4.2 線束、氫氣濃度傳感器安裝支架集成設(shè)計(jì)

在模具中預(yù)埋3 個(gè)帶內(nèi)螺紋的金屬嵌件，與LFT-D 后地板一體成型，配合M6 螺栓，固定線束及氫氣濃度傳感器（如圖5c 箭頭所示為預(yù)埋嵌件的位置）。

4.3 集成阻尼墊

鋼的損耗因子小，車身薄板結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)并輻射出噪聲，因而鈑金后地板處需要布置阻尼墊。玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料聲輻射系數(shù)低，可取消該阻尼墊。

4.4 定位、安裝及連接

LFT-D 材料可成型凸臺(tái)、BOSS 柱等特征，從而實(shí)現(xiàn)自身定位。在LFT-D 后地板左右側(cè)各設(shè)計(jì)1個(gè)定位銷（圖5c，M 和N 處），在鈑金中地板上分別開圓孔、長(zhǎng)圓孔，實(shí)現(xiàn)后地板與白車身的定位。

LFT-D 后地板無法與白車身通過點(diǎn)焊連接，連接方式變更為膠粘+螺栓混合連接（螺栓點(diǎn)位置如圖5c 所示，A～D，共4 處），且選擇在總裝車間中進(jìn)行安裝?？紤]到該處連接的性能要求，本案例選用單組分聚氨酯膠粘劑，膠層厚度為3 mm。LFT-D 材料與鈑金的熱膨脹系數(shù)差異較大，模量較小、韌性良好的聚氨酯膠能協(xié)調(diào)變形、降低熱應(yīng)力。另外，該聚氨酯膠層還能起到密封防水、吸收公差的作用。后地板上有翻邊結(jié)構(gòu)與白車身鈑金匹配，形成典型的單搭接接頭（圖6）。接頭上有溢膠槽結(jié)構(gòu)，防止施膠時(shí)膠水溢出。LFT-D材料以聚丙烯樹脂為基材，其表面張力較低（約29.7 mN/m）。為滿足膠接工藝的要求，一級(jí)供應(yīng)商需對(duì)樣件翻邊進(jìn)行火焰或等離子處理，施加底涂保護(hù)后運(yùn)送到主機(jī)廠，主機(jī)廠在底涂有效期內(nèi)完成裝車（圖7）。與火焰處理相比，等離子處理具有無明火、常溫下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，可避免高溫下的熱變形，還可以獲得更高的達(dá)因值。本案例采用等離子表面處理，表面張力提高到52 mN/m。

圖6 LFT-D后地板與白車身的膠接接頭

圖7 表面處理及總裝工藝流程

5 性能分析

通過研究后地板的受力狀況，并結(jié)合樣件對(duì)標(biāo)試驗(yàn)，確定LFT-D 后地板的性能要求如下[12]。

a.剛度：約束狀態(tài)下，在后地板頂部中間位置，Z向往下施加200 N 的力，測(cè)量最大位移量。要求性能不弱于鈑金后地板；

b.模態(tài)：約束狀態(tài)下，一階模態(tài)≥50 Hz。

通過Hypermesh 軟件對(duì)幾何模型進(jìn)行前處理，采用殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，設(shè)置單元邊長(zhǎng)為6 mm。與臺(tái)架試驗(yàn)的約束狀態(tài)一致，鈑金后地板翻邊與臺(tái)架鈑金建立焊點(diǎn)連接，LFT-D 后地板與臺(tái)架鈑金通過膠粘劑和螺栓連接，膠粘劑模量E為20 GPa，泊松比NU為0.49，密度RHO為1.2 g/cm3。以O(shè)ptistruct 為求解器，對(duì)鈑金和LFT-D 后地板分別開展剛度和約束模態(tài)分析。

剛度分析中，鈑金件最大位移為0.6 mm（圖8a），而LFT-D零件的最大位移為0.3 mm（圖8b），這表明通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，LFT-D 零件的剛度可優(yōu)于鈑金件。鈑金件的一階模態(tài)為143.5 Hz（圖9a），而LFT-D 零件的為113.3 Hz（圖9b）。同階次下，LFTD 零件的模態(tài)要低于鈑金件，但足以避開車身一階固有頻率（一般20～40 Hz），滿足整車搭載要求。

圖8 剛度分析

圖9 約束模態(tài)分析

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

6.1 尺寸檢測(cè)

對(duì)樣件進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)，以確保產(chǎn)品滿足尺寸要求。對(duì)4 個(gè)安裝孔和2 個(gè)定位銷進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量結(jié)果如表3 顯示，所有測(cè)量的位置度誤差均小于1 mm，滿足要求。

表3 孔銷位置度三坐標(biāo)測(cè)量

LFT-D 后地板的翻邊為膠粘區(qū)域，需要對(duì)其面輪廓度進(jìn)行控制，如圖10 所示，選取12 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)試（逆時(shí)針依次標(biāo)記為點(diǎn)1～12）。同時(shí)對(duì)樣件的邊緣進(jìn)行線輪廓度測(cè)試（圖11，逆時(shí)針選取12 個(gè)點(diǎn)，分別標(biāo)記為點(diǎn)13～24）。測(cè)量結(jié)果如圖12 和圖13 所示，面輪廓度和線輪廓度均滿足±2 mm 的目標(biāo)誤差值，滿足整車匹配要求。

圖10 面輪廓度測(cè)試點(diǎn)

圖11 線輪廓度測(cè)試點(diǎn)

圖12 面輪廓度三坐標(biāo)測(cè)試結(jié)果

圖13 線輪廓度三坐標(biāo)測(cè)試結(jié)果

6.2 性能測(cè)試

鈑金后地板屬于白車身的一部分，并無針對(duì)該零件的設(shè)計(jì)認(rèn)可要求。以塑代鋼后，該零件屬于外購(gòu)件，需要根據(jù)性能要求及LFT-D 材料特點(diǎn)，確定材料、部品、臺(tái)架及整車級(jí)試驗(yàn)計(jì)劃。LFT-D材料是熱塑性塑料，該零件屬于艙內(nèi)件且上表面完全被地毯覆蓋，增加VOC、氣味性、耐高低溫等性能要求。整車試驗(yàn)包括50 km/h 后部碰撞、高強(qiáng)耐久（即24通道石塊路道路模擬試驗(yàn)）、綜合耐久等。關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果見表4。經(jīng)過8×104km各種路況的實(shí)車道路耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，該LFT-D 后地板零件滿足整車使用要求。

表4 LFT-D后地板試驗(yàn)驗(yàn)證

7 輕量化效果及成本分析

LFT-D 后地板零件質(zhì)量為2.30 kg，相比鈑金方案，LFT-D 方案實(shí)現(xiàn)減重2.27 kg（表5）。通過鈑金沖壓工藝成型該零件，需要落料、拉延、切邊共3道工序，對(duì)應(yīng)3 套鋼模；而LFT-D 后地板為一步模壓成型，只需要1 套模具，可大幅降低模具工裝成本。本例鈑金方案模具工裝成本為77 萬元（鈑金后地板為 75 萬元，2 支架分別 1 萬元），而 LFT-D 方案僅需32 萬元（其中LFT-D 后地板25 萬元，左右搭接板各3.5 萬元）。鈑金方案與LFT-D 方案的成本對(duì)比如表6 所示，按照1×105輛均攤模具成本，LFT-D 方案實(shí)現(xiàn)了減重降本。小批量車型給復(fù)合材料的應(yīng)用提供了良好的機(jī)遇。

表5 鈑金與LFT-D方案重量對(duì)比 kg

表6 鈑金與LFT-D方案成本對(duì)比 元

8 結(jié)束語

選取LFT-D 在線模壓技術(shù)，對(duì)某氫能源乘用車后地板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，并開展性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出以下結(jié)論。

a.與鈑金沖壓工藝相比，LFT-D 材料流動(dòng)性極好，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)自由度更大；

b.LFT-D 后地板滿足剛度、模態(tài)等部品性能要求，并順利通過后部碰撞、高強(qiáng)耐久、綜合耐久等整車試驗(yàn)，滿足整車使用要求；

c.LFT-D 方案大幅降低模具工裝成本，在小批量生產(chǎn)下（≤1×105輛）可實(shí)現(xiàn)減重降本。