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薄壁免喷涂聚丙烯保险杠材料可行性研究
作者:上汽通用五菱汽车股份有限公司 徐伟 潘杰花
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近年来,汽车制件薄壁化技术发展较为迅速,它不仅提升了操控性能,而且减轻了整车重量,降低了整车油耗,对汽车生产者来说还缩短了成型周期,降低了生产成本,在一定程度上推动了汽车工业的发展。

同时汽车制件免喷涂化也正蓬勃发展。它不仅满足了不同的美观需求,对汽车生产者来说还免去了喷涂工序VOC的产生,节约了成本且易回收,对环保作出了一定的贡献。

保险杠是汽车上较大的外覆盖件之一,作为一个独立的总成安装在汽车上,在整车结构中起装饰和保护作用,在设计时保护作用需要放在首位,在此前提下再考虑装饰作用。一般经济环保型汽车多采用自身吸能的方式,在碰撞时利用泡沫材料或橡胶材料的变形吸收能量,起到保护翼子板、散热器、发动机罩和灯具等部件的作用。因此,不管是喷涂还是免喷涂保险杠,必须要有优异的高、低温冲击韧性,刚性、耐老化性、耐热性、耐寒性,还应具有耐汽油、润滑油、油漆等特性。

本文对薄壁保险杠和免喷涂保险杠分别进行了阐述,对薄壁免喷涂保险杠进行可行性研究,提出了一些薄壁免喷涂保险杠设计初期时的注意事项。

薄壁保险杠

目前,欧美系车的塑料件出于高安全系数的考虑,其典型壁厚基本定义为3.0mm,最低仍达到了2.8mm;而日系车的塑料件更多考虑到降低燃油消耗,它的多款设计的实际零件壁厚已经达到了2mm,且仍有下降趋势,其材料多是与材料供应商同步开发。而已知的国内自主品牌汽车的塑料件的最薄壁厚为2.6mm。因此,这类经济环保型汽车,面对日益激烈的价格竞争,更需要加紧步伐,跟上日系车的改革步伐。

对于同一种材料,壁厚不同,收缩率会存在差异。图1数据取自金发科技的牌号为ABP-2040 的材料标准样板,测试标准采用GB/T 17037.4-2003。由图1可以看出,随厚度降低,材料的收缩率也在降低,且降低幅度趋于平稳,这对于模具设计初期模腔尺寸的确定及后续的生产过程控制是有利的。同时,若要与材料供应商同步开发此款材料,需要在模具开发前先定义好零件的壁厚。

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对于同一种材料,壁厚不同,缓冲系统的模态也会存在差异。图2取自保险杠进行CAE模拟振动分析时的振动图像及分析数据。由图2可以看出,保险杠的厚度对缓冲系统模态的影响呈线性上升关系,即保险杠越厚,振动频率越高,刚性越大。因此,在减薄保险杠厚度的情况下,需要大幅提高材料的刚性,使减薄可以在不降低保险杠刚性以保证安全系数的条件下顺利进行。

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对于减薄后的保险杠,我们希望它的安全系数至少与减薄前相当。因此我们最终还是需要根据它的零件试验,来判断刚性和韧性是否达标。

对于刚性,我们采用刚度计,按照以下方法进行实际零件的刚度测试。即选取合适大小的接触直径(一般选择直径为50mm的触头),在有突兀造型处施力,读数,计算,得出刚度值。如图3所示。

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对于韧性,我们的评估方法是低温落球试验及整车撞击试验。低温落球试验即在-40℃的条件下存放4h后,以500g钢球从1m高度落下,对刚性支撑的保险杠任意表面进行冲击不允许出现破损现象;整车撞击试验需要满足强制国标GB 17354-1998的规定。

另外,保险杠减薄后,在同样的熔指条件下,熔体在模腔里更容易凝固而导致不断补充的熔体难以继续流动,很容易造成保险杠充填不满,这也是我们需要从材料本身去解决的问题之一。

综上,薄壁保险杠呈现的材料特性是高模量,高韧性,高熔指。其中高模量是为了满足制件减薄后的刚性要求,高韧性是为了满足零件碰撞或者模拟碰撞试验的要求,这也是保证保险杠材料所固有的高韧性性能,另外,在壁厚减薄的前提下,材料的加工性能必然要求更高,这就更需要以高熔指作为必要条件,在保证外观的前提下完成材料对模具的填充。因此,这种高模量,高韧性,高熔指材料的配方体系及润滑体系需要同时朝着这三个方向发展。一般来说,比较起常规保险杠材料,在减薄率达到10%的情况下,材料单价成本约提高30%,总体成本约提高7%。

免喷涂保险杠

传统保险杠为了美观与奢华,常采用喷涂处理工艺实现保险杠的不同效果和质感,经喷漆处理的保险杠既容易实现不同颜色之间的相互配合,使之与汽车车身同色,在外观上更加具有整体感,色泽更加艳丽明亮,还可以掩盖塑料表面的花纹或划伤等缺陷,提高合格率。另外,保险杠外部的漆膜保护层还可以提高表面硬度,使保险杠的耐候性、耐水性、耐油性、耐化学药品性和防尘性得到大幅提高。

然而, 喷涂保险杠的缺点也不少。首先,对于汽车生产者来说,它需要设置喷涂生产线,工艺复杂,工序多,且PP材料本身是一种非极性高聚物,表面张力低,即使用EPDM进行改性也只能改善其抗溶剂性,而不能从根本上增强表面张力,提高基材与涂膜的黏结性。因此喷漆前还必须对基材进行一些适当的化学方法前处理,如化学浸蚀,化学氧化,表面接枝反应,辐射反应及等离子体聚合反应,或采用火焰法,电晕法,等离子体法,离子束法,紫外线法,激光法及X射线法等物理方法进行前处理。目前最普遍采用的是火焰法,即用火焰的蓝色氧化焰部分接触PP保险杠的材料表面,使高达1100~2800℃的火焰温度造成PP表面进行脱氢和氧化反应生成氨基、羟基、羧基等含氧极性基团和不饱和双键,增加表面极性,提高表面能。另外,在整个喷涂工艺过程中,产生VOC污染环境,而且对于喷漆件的不良品回收目前因成本偏高比较难实现。

免喷涂保险杠可以避免以上问题,也免去了有关油漆的诸多试验,但对本体的要求提高了很多,尤其是耐刮擦性和耐老化性。在耐刮擦方面,一般采用十字刮擦仪,选择10N的压力,保证△<2;在耐老化性方面,需要一系列老化测试进行约束,例如大众体系某车型需要满足的测试有:交变气候测试(PV2005),干热耐候性测试(PV3929,1500h),湿热耐候性测试(PV3930,1600h),热老化测试(90℃ 500h)以及湿热老化测试(42-48℃ RH95-100%环境下168h),比较起喷涂保险杠的原材料来讲,成本提高率约有50%。

金属效果在展现美观与奢华的效果方面为大多数汽车生产者所青睐,目前已经成熟应用的免喷涂的、具有金属效果的PP、ABS有:汽车保险杠护板、导流板、装饰件、引擎罩盖。
为达到金属效果,免喷涂保险杠配方里可以添加金属粉,例如一款银白色免喷涂的材料配方为1.0%金属粉+0.2%色粉(图4左),一款银灰色的配方为0.3%金属粉+0.3%二氧化钛+0.04%炭黑(图4右)。图5为一款免喷涂金属光泽色板与铝板的对比图。

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薄壁免喷涂保险杠及设计初期注意事项

薄壁对材料提出高模量,高韧性,高熔指的要求,而免喷涂对材料提出耐刮擦和耐老化性的要求,两者在满足材料性能要求方面并无矛盾,因此两者同时在保险杠上实现初步估计是可行的。

有关研究表明,在注塑工艺中,若对模具采取激冷激热的工艺方法,薄壁保险杠的外观光泽度将会有极大改善,同时在此前提下,免喷涂的缺陷将同时被掩盖,机理就在于当模具激冷时,填充的金属粉末快速冷却凝固在型腔里,极大程度上减少了后续熔体对其冲击的影响。

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另外,薄壁免喷涂保险杠还对保险杠设计,模具设计及注塑工艺提出了要求。例如,为避免应力集中,使冲击承受力提高,保险杠设计时形状应是流线型,没有尖锐转折,背面应没有筋位、字模、卡勾等装配结构配置在制件边缘;为便于熔体流动,浇口应开成大扇形浇口且热流道需要采取顺序阀进胶;为避免出现金属带,注塑时各段充填的速度应均衡。

结论

薄壁和免喷涂薄壁性能对材料提出高模量、高韧性、高熔指的要求,而免喷涂性能对材料提出耐刮擦和耐老化性的要求。两者在满足材料性能要求方面并无矛盾,实现薄壁免喷涂保险杠材料设计方案是可行的,值得进一步进行试制研究。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (1/8/2015)
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