以某中型車座椅橫梁為研究對象，從選材設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)等方面全面介紹了熱塑性復(fù)合材料座椅橫梁的輕量化設(shè)計(jì)方案及制造技術(shù)；并通過零部件的性能檢測和減重效果評價(jià)，驗(yàn)證了產(chǎn)品符合使用性能與設(shè)計(jì)要求，可有效替代原鈑金結(jié)構(gòu)，并在成本未顯著提升的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重32%，可有效降低整車油耗，對滿足國家油耗強(qiáng)制法規(guī)提供了有力支持。

 

1、前言

 

在我國汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的同時(shí)，能源安全、節(jié)能減排已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展所面臨的重要問題。國家出臺了一系列的政策法規(guī)，對汽車的能耗和排放指標(biāo)均進(jìn)行了嚴(yán)格的限制，而汽車輕量化正是解決上述問題，滿足政策及市場需求的重要手段。

 

碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的機(jī)械性能、抗疲勞性能以及遠(yuǎn)低于金屬的密度條件，成為了汽車輕量化的首選材料。但是，目前90%以上的汽車用碳纖維復(fù)合材料均采用熱固性樹脂體系，這類材料存在回收困難、固化周期長等問題。為此，熱塑性碳纖維復(fù)合材料就成為解決這一問題的有效手段。

 

連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料具有較好的機(jī)械性能，目前多通過模壓工藝實(shí)現(xiàn)成型，但是，受工藝特性限制，無法滿足一些特殊結(jié)構(gòu)的成型要求。對于這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)，目前多采用注塑成型的方式，但使用的纖維長度僅3 mm左右，制品的機(jī)械性能較差，較難滿足車身結(jié)構(gòu)件的使用要求。

 

如果將模壓工藝與注塑成型的方式結(jié)合起來，以連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料為骨架，并通過注塑成型的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型，則可同時(shí)滿足汽車零部件對性能和結(jié)構(gòu)的需要，進(jìn)一步拓展熱塑性復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

 

為此，以某中型車的座椅橫梁為研究對象，通過采用模壓-注塑混合成型工藝的形式，進(jìn)行了全流程的設(shè)計(jì)開發(fā)，在降低零部件質(zhì)量的同時(shí)，深入研究了模壓-注塑共性關(guān)鍵技術(shù)問題，為模壓-注塑混合成型工藝在整車上的批量應(yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

 

2、模壓-注塑座椅橫梁的選材設(shè)計(jì)

 

該中型車座椅橫梁由前座椅前橫梁、前座椅后橫梁、后座椅橫梁等構(gòu)成，以前座椅后橫梁為例，該零部件如圖1所示，由橫梁本體、左側(cè)加強(qiáng)件和右側(cè)加強(qiáng)件3部分組成，其尺寸規(guī)格為589 mm×140 mm×110 mm。該零部件采用傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)，將3個(gè)獨(dú)立鈑金件焊接在一起，并通過螺接方式與座椅連接，是典型的車身梁類結(jié)構(gòu)件，總體質(zhì)量為1.85 kg。

圖1 某B級轎車前座椅后橫梁

 

模壓-注塑復(fù)合材料的材料主要涉及增強(qiáng)纖維和熱塑性樹脂的選擇。

 

對于模壓-注塑混合結(jié)構(gòu)，為了確保模壓層與注塑層之間的界面性能，模壓區(qū)域和注塑區(qū)域宜選用相同的樹脂體系。而常用熱塑性樹脂中，POM、PEEK、PEKK等材料流動性差，很難滿足注塑成型過程中的充模要求，且材料成本過高，因此不宜考慮；而流動性較好的PP、PA6、PA66等材料中，綜合表1中對不同樹脂性能-成本的對比分析，PA6具有更優(yōu)異的性價(jià)比，且性能可以滿足汽車零部件的應(yīng)用要求，因此作為首選樹脂材料。

 

不同樹脂的性能-成本對比如表1所示。

表1 不同樹脂性能-成本對比

注：表中數(shù)據(jù)均為添加30%玻纖后的復(fù)合材料數(shù)據(jù)。

 

而對于增強(qiáng)纖維，目前常用的主要有碳纖維和玻璃纖維2類。其中，玻璃纖維價(jià)格較低、抗拉強(qiáng)度也較高，但拉伸模量相對較低；而碳纖維雖然強(qiáng)度和模量都非常高，但價(jià)格太高，目前還無法滿足汽車的成本控制要求。

 

從表2給出的不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能對比可以看到，玻纖增強(qiáng)尼龍6材料（PA6）的拉伸強(qiáng)度顯著高于原鈑金件使用的HC340/590DP鋼，但拉伸模量卻不足鋼材的1/3；在等剛度設(shè)計(jì)條件下，零部件厚度需增至原鈑金厚度的3倍以上，無法有效發(fā)揮出復(fù)合材料的輕量化效果。如部分使用碳纖維，則可有效彌補(bǔ)玻纖模量不足的缺陷，降低部件厚度，使零部件最大程度實(shí)現(xiàn)減重。

表2 不同材料性能對比

而玻纖增強(qiáng)尼龍6注塑料雖然強(qiáng)度和模量都較低，但可通過結(jié)構(gòu)筋的形式提升零部件的整體剛度，且密度小、成本低，因此可以較大程度替換連續(xù)纖維增強(qiáng)尼龍材料，實(shí)現(xiàn)減重降本的目標(biāo)。

 

因此，在滿足剛度條件的情況下，選擇玻璃纖維增強(qiáng)尼龍6為零部件材料主體，混雜部分碳纖維增強(qiáng)尼龍6材料改善零部件整體剛度，并通過短玻纖-尼龍6注塑筋進(jìn)行局部剛度補(bǔ)強(qiáng)，完成了模壓-注塑座椅橫梁選材方案的制定，如圖2所示。

圖2 座椅橫梁選材方案

圖2所示的本體區(qū)域采用連續(xù)纖維增強(qiáng)PA6材料，連續(xù)纖維由碳纖維和玻璃纖維共同組成，并在滿足性能需求的基礎(chǔ)上盡可能多地提高玻璃纖維比例，以降低用材成本；

 

圖2所示的加強(qiáng)筋區(qū)域采用非連續(xù)玻纖增強(qiáng)PA6的粒料，纖維體積含量為30%～50%。

 

3、模壓-注塑座椅橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

3.1 集成設(shè)計(jì)

 

原始的座椅橫梁鈑金件由橫梁本體、左側(cè)加強(qiáng)件和右側(cè)加強(qiáng)件、2個(gè)焊接螺母及1個(gè)焊接加強(qiáng)板等6個(gè)部件組成，各部件之間通過焊接的方式連接在一起。改為模壓-注塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)后，成功的將原有的6個(gè)部件簡化為1個(gè)零部件，并在注塑過程中將螺母預(yù)埋到零部件上。

 

集成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 座椅橫梁集成設(shè)計(jì)方案

從集成設(shè)計(jì)方案可以看到，橫梁的上部為模壓結(jié)構(gòu)，起到主要載荷的承載作用，并與周邊零部件連接；橫梁的下部為注塑筋結(jié)構(gòu)，主要對零部件的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

 

3.2 變厚度設(shè)計(jì)

 

根據(jù)座椅橫梁受力需求及原鈑金件結(jié)構(gòu)，對復(fù)合材料座椅橫梁進(jìn)行了變厚度設(shè)計(jì)。

 

從圖3可以看到，座椅橫梁鈑金件的左右兩側(cè)，橫梁本體與加強(qiáng)件有較大區(qū)域的重疊結(jié)構(gòu)，并通過焊接方式構(gòu)成封閉截面，因此整體結(jié)構(gòu)剛度更高，改為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)后需要增加鋪層厚度，以滿足性能需求；橫梁中間區(qū)域僅由橫梁本體構(gòu)成，為單層鋼板結(jié)構(gòu)，剛度較低，可以適當(dāng)減少鋪層厚度，降低材料質(zhì)量和成本。

 

變厚度的設(shè)計(jì)方案如圖4所示，其中左側(cè)和右側(cè)為加厚層，本體壁厚為4.05 mm，共23層；中段為減薄層，本體壁厚為3.55 mm，共21層；注塑區(qū)域壁厚為2 mm。

 

通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，復(fù)合材料座椅橫梁的總體質(zhì)量為1.23 kg，與原鈑金件的1.82 kg相比，實(shí)現(xiàn)減重30%以上。

圖4 座椅橫梁變厚度設(shè)計(jì)方案

 

3.3 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

替換為復(fù)合材料后，座椅橫梁無法與地板及周邊零部件進(jìn)行焊接，因此改為膠粘的方式，涂膠區(qū)域如圖5所示。

圖5 座椅橫梁膠粘區(qū)域設(shè)計(jì)方案

通過膠粘的方式，既可以滿足零部件的結(jié)構(gòu)連接性能需求，還可以對復(fù)合材料與鋼材的界面起到隔離作用，降低CFRP與鋼接觸部分可能產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，膠層還可以與復(fù)合材料協(xié)同作用，進(jìn)一步降低震動對乘員艙的影響，降低車內(nèi)噪音。

 

4、模壓-注塑座椅橫梁的工藝制造

 

復(fù)合材料座椅橫梁采用模壓+注塑的混合成型工藝，工藝流程如圖6所示。

圖6 座椅橫梁膠工藝制造流程

 

具體步驟如下。

 

a.根據(jù)鋪層設(shè)計(jì)方案，將連續(xù)纖維增強(qiáng)PA6預(yù)浸料進(jìn)行鋪層，將鋪層好的復(fù)合材料板材進(jìn)行預(yù)熱，待樹脂軟化后移入模壓模具，壓制成座椅橫梁預(yù)成型件；

 

b.取出模壓預(yù)成型件，進(jìn)行裁邊、打孔、預(yù)埋等處理，并通過紅外加熱等形式對預(yù)成型件進(jìn)行二次預(yù)熱；

 

c.在較高溫度條件下，將預(yù)熱后的模壓預(yù)成型件快速移入注塑模具，進(jìn)行注塑加筋處理；

 

d.開啟注塑模具，取出最終的零部件。

 

通過二次預(yù)熱，可有效提升注塑過程中，注塑筋與模壓件的界面結(jié)合性能。但預(yù)熱后的模壓件移動較為困難，且移動時(shí)間過長將會導(dǎo)致表面溫度降低，難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此需要通過機(jī)械手臂自動完成，以提高工藝的一致性和穩(wěn)定性。

 

生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料座椅橫梁使用的模具如圖7a和圖7b所示。

圖7 座椅橫梁模壓-注塑模具

通過模壓、預(yù)熱、注塑等工藝，完成了零部件的試制，制得的碳/玻混雜纖維復(fù)合材料座椅橫梁樣件如圖8所示。

圖8 座椅橫梁樣件

按照連接方案將模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁樣件裝配到車身上，即可按照試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行性能驗(yàn)證。

 

5、模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁樣件的試驗(yàn)驗(yàn)證

 

根據(jù)座椅橫梁在車身結(jié)構(gòu)中的主要貢獻(xiàn)，制定了部件-臺架-整車級性能驗(yàn)證計(jì)劃，開展了包含零部件外觀檢測、零部件尺寸公差檢測、零部件力學(xué)性能檢測、臺架試驗(yàn)和整車搭載檢測等多項(xiàng)測試，具體如下。模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁力學(xué)性能檢測結(jié)果見表3。

 

a.表面質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求，表面光滑、平整，纖維紋路整齊，無針孔、裂紋、漆點(diǎn)以及砂紙印等明顯的外觀缺陷；

 

b.外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求，通過裝車檢測和三坐標(biāo)檢測，產(chǎn)品的裝配尺寸公差符合設(shè)計(jì)要求；

 

c.對座椅橫梁的強(qiáng)度、剛度、安裝點(diǎn)性能等各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行檢測，其檢測的結(jié)果如表3所示；

表3 模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁力學(xué)性能檢測結(jié)果

 

d.用模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁替換替換設(shè)計(jì)車型原有的鈑金結(jié)構(gòu)，通過座椅安全臺架試驗(yàn)，座椅安裝點(diǎn)未發(fā)生拔脫現(xiàn)象；e.搭載模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁進(jìn)行設(shè)計(jì)車型的道路試驗(yàn)，在車速為120 km/h時(shí)，未出現(xiàn)共振抖動等不良現(xiàn)象。

 

6、模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁的輕量化效果評價(jià)

 

與原鈑金橫梁相比，模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁的質(zhì)量及其減重效果如表4所示。

表4 模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁質(zhì)量及其減重效果

 

通過對模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁的設(shè)計(jì)開發(fā)、試制和驗(yàn)證，掌握了模壓-注塑混合成型工藝的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制造特點(diǎn)，并得出如下結(jié)論。

 

a.采用模壓-注塑混合成型工藝，可成功制造具有復(fù)雜加筋結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料零部件，并同時(shí)滿足汽車結(jié)構(gòu)件對機(jī)械性能的需求；

 

b.在模壓-注塑混合成型過程中，模壓和注塑部分宜選擇相同的樹脂體系，并在注塑前對模壓預(yù)成型件進(jìn)行預(yù)熱，以提高模壓-注塑界面的結(jié)合性能；

 

c.通過合理的選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁的力學(xué)性能顯著優(yōu)于原鈑金結(jié)構(gòu)，可有效改善整車性能；

 

d.與原鈑金件相比，模壓-注塑復(fù)合材料座椅橫梁的減重率達(dá)到32%，減重效果明顯；

 

e.模壓-注塑座椅橫梁選用熱塑性復(fù)合材料體系，易回收，結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異，輕量化效果顯著，且可通過多材料混合應(yīng)用的方式降低零部件成本，是碳纖維及其復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的重要發(fā)展方向之一。

 

通過本項(xiàng)目，積累了有效的仿真分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，并建立了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，可有效推進(jìn)熱塑性復(fù)合材料體系在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程，可更好的滿足自主品牌車型、特別是新能源車型的輕量化需求。