某車(chē)型前保險(xiǎn)杠材料性能特征分析與匹配優(yōu)化

趙博文，王晶琦，鄭 凱，張 璞，張 琪，丁祖學(xué)Zhao Bowen，Wang Jingqi，Zheng Kai，Zhang Pu，Zhang Qi，Ding Zuxue

某車(chē)型前保險(xiǎn)杠材料性能特征分析與匹配優(yōu)化

趙博文，王晶琦，鄭 凱，張 璞，張 琪，丁祖學(xué)
Zhao Bowen，Wang Jingqi，Zheng Kai，Zhang Pu，Zhang Qi，Ding Zuxue

（北京汽車(chē)集團(tuán)越野車(chē)有限公司，北京 101300）

靜態(tài)感知質(zhì)量提升在汽車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中是一個(gè)系統(tǒng)性、復(fù)雜性的工程，其對(duì)保險(xiǎn)杠及其相關(guān)部件的匹配精度及穩(wěn)定性有極高要求。由于不同注塑材料的性能與結(jié)構(gòu)研究尚不完善，所以外飾件的匹配成為新車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。介紹了某車(chē)型前保險(xiǎn)杠匹配的方法，同時(shí)針對(duì)材料的性能與工藝特點(diǎn)提出一種有效的解決方案?；谧⑺芄に嚨脑恚ㄟ^(guò)優(yōu)化注塑克重、調(diào)整冷卻工裝等，在保證所需物理和機(jī)械性能的前提下，成功地將前保險(xiǎn)杠兩端向尺寸控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，同時(shí)避免修模所帶來(lái)的高額成本，將產(chǎn)品合格率從50.3%提升至100%。

感知質(zhì)量；前保險(xiǎn)杠；尺寸匹配；材料性能

0 引 言

近年來(lái)，隨著整車(chē)制造水平的快速發(fā)展，人們對(duì)車(chē)輛外觀感知質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。輪眉與前保險(xiǎn)杠是整車(chē)前圍裝飾及造型的主要部件，且對(duì)車(chē)身面具有一定的防護(hù)功能，需要保證其安裝方便及牢靠。整車(chē)輪眉與前保險(xiǎn)杠匹配已成為內(nèi)外飾工作的一項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，大多采用注塑成型工藝，這是一個(gè)復(fù)雜的多因素耦合作用的動(dòng)態(tài)加工過(guò)程，每個(gè)因素都對(duì)制品的成型質(zhì)量有重要影響；其中成型收縮等是影響制品質(zhì)量的關(guān)鍵，其不僅影響注塑制品的尺寸精度與表觀質(zhì)量，還會(huì)引起制品結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)在質(zhì)量缺陷[1]。汽車(chē)輪眉與散熱器均需要與車(chē)身配合，一旦尺寸發(fā)生超差，會(huì)出現(xiàn)間隙或面差，影響整車(chē)感知質(zhì)量[2]；因此，如何通過(guò)優(yōu)化注塑工藝保證注塑件的尺寸以滿足整車(chē)匹配間隙和DTS（Dimension Technical Specifica- tions，面差標(biāo)準(zhǔn)）成為了難題[3]。

1 問(wèn)題描述

某款車(chē)型在批量裝車(chē)驗(yàn)證過(guò)充中，其前輪眉與前保險(xiǎn)杠匹配不良，部分車(chē)輛存在間隙超差（1.1～1.3 mm）、面差超差（1.1～1.3 mm），如圖1所示，DTS中要求間隙為（0.5±0.5）mm，面差為（-0.5±0.5）mm。

圖1 前輪眉與前保險(xiǎn)杠間隙、面差超差

圖2為該款車(chē)型每日故障率曲線，從圖中可知，在連續(xù)19天的試生產(chǎn)過(guò)程中，間隙、面差超差的平均故障率約為50.3%。由于故障處于表面明顯可見(jiàn)區(qū)域，對(duì)車(chē)型整體感知質(zhì)量及第一印象有很大影響，亟需解決。

圖3為前輪眉與前保險(xiǎn)杠匹配模型，將故障區(qū)域劃分為4個(gè)位置。表1為2輛故障車(chē)前輪眉與前保險(xiǎn)杠的DTS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)可知，1#、2#整車(chē)的間隙測(cè)量數(shù)據(jù)在位置1、位置2處全部符合DTS要求，位置3、位置4處的合格率為25%；1#、2#整車(chē)的面差測(cè)量數(shù)據(jù)在位置1、位置2處符合公差要求，在位置3、位置4處前保險(xiǎn)杠外表面明顯高于輪眉本體，合格率為12.5%，且位置4處的面差為1.1～1.3 mm，超出設(shè)計(jì)值(-0.5±0.5) mm，故障嚴(yán)重。

圖2 前輪眉與前保險(xiǎn)杠間隙故障率

圖3 前輪眉與前保險(xiǎn)杠匹配模型

表1 故障車(chē)前輪眉與前保險(xiǎn)杠的DTS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) mm

注：LH（Left-Head ，車(chē)頭左前），RH（Right-Head，車(chē)頭右前）。

2 原因分析

整車(chē)內(nèi)外飾匹配質(zhì)量分析一般從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等方面進(jìn)行。通過(guò)前期調(diào)查初步分析，前輪眉與前保險(xiǎn)杠DTS超差可能由人員裝配問(wèn)題、白車(chē)身精度問(wèn)題、輪眉與散熱器單品尺寸問(wèn)題等造成。

2.1 輪眉與前保險(xiǎn)杠裝配分析

圖4為前輪眉與前保險(xiǎn)杠裝配順序圖，其為大燈支架總成—前大燈總成—前輪眉總成—格柵總成—前保險(xiǎn)杠總成—前輪眉飾條總成。按照裝配順序及相關(guān)工藝卡要求，連續(xù)選取總裝線上10臺(tái)整車(chē)進(jìn)行跟蹤，確認(rèn)總裝裝配人員和裝配過(guò)程符合工藝要求，裝配順序及要點(diǎn)均按照工藝卡執(zhí)行；將1#、2#故障車(chē)相關(guān)部件拆解，按工藝卡要求重新裝配，故障復(fù)現(xiàn)，且2次測(cè)量值基本一致，判斷DTS問(wèn)題非由裝配造成。

圖4 前輪眉與前保險(xiǎn)杠裝配順序

2.2 白車(chē)身安裝點(diǎn)精度分析

圖5為白車(chē)身前部三坐標(biāo)測(cè)量，由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，中央支撐安裝螺母、前大燈安裝支架螺母、翼子板安裝螺母孔位合格率達(dá)97.9%，符合公差要求。這些孔位均為前輪眉與前保險(xiǎn)杠安裝于車(chē)身的相關(guān)安裝孔位，一致性較好，判斷DTS問(wèn)題與白車(chē)身精度相關(guān)性較低。

圖5 白車(chē)身前部三坐標(biāo)測(cè)量

2.3 零部件尺寸及匹配分析

零件尺寸不合格（尺寸超差）也是造成不匹配問(wèn)題的一個(gè)可能原因。輪眉、前保險(xiǎn)杠的個(gè)體尺寸對(duì)相互匹配有重要影響，分別對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行檢測(cè)。圖6為前輪眉通過(guò)專(zhuān)用檢具檢測(cè)，經(jīng)檢驗(yàn)，輪眉所有檢測(cè)面的間隙和面差合格，判斷DTS問(wèn)題非輪眉尺寸超差造成。

表2為1#故障車(chē)前保險(xiǎn)杠在CUBING（標(biāo)準(zhǔn)車(chē)身，一種檢具）上的DTS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)高度一致，在位置3、位置4處存在嚴(yán)重超差問(wèn)題，間隙超差最大值為1.25 mm，面差超差分別為1.1 mm、1.3 mm。

表2 1#故障車(chē)前保險(xiǎn)杠CUBING的DTS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) mm

圖7 前保險(xiǎn)杠兩端Y向尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)

隨機(jī)挑選10個(gè)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行兩端向尺寸測(cè)量，從圖7可知，前保險(xiǎn)杠兩端向尺寸為1 850.5～1 852 mm，高于設(shè)計(jì)值(1 848±1) mm，結(jié)合前保險(xiǎn)杠與輪眉兩端的搭接結(jié)構(gòu)，判斷前保險(xiǎn)杠兩端向尺寸超差導(dǎo)致在位置4無(wú)法與輪眉貼合，產(chǎn)生較大的面差超差（左、右各超差1.6～1.75 mm），同時(shí)對(duì)兩零部件配合間隙以及位置3處DTS產(chǎn)生一定影響；因此，判斷前保險(xiǎn)杠兩端向尺寸超差為輪眉與前保險(xiǎn)杠匹配不良的主要原因。

3 改善方案

3.1 注塑克重優(yōu)化

經(jīng)調(diào)查，前保險(xiǎn)杠供應(yīng)商自行調(diào)整了工藝參數(shù)，增加了進(jìn)料量的克重，變?yōu)? 885～1 895 g（鎖定的零件克重比普遍增加約53 g，最大增加93 g），導(dǎo)致前保險(xiǎn)杠尺寸變大；因此，通過(guò)調(diào)整進(jìn)料克重進(jìn)行改善。經(jīng)過(guò)2輪工藝參數(shù)摸索，確定供應(yīng)商需嚴(yán)格控制前保險(xiǎn)杠克重為（1 825±10）g。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)對(duì)比，料重過(guò)大對(duì)前保險(xiǎn)杠尺寸超差的影響為0.5～0.65 mm。

為了進(jìn)一步減小前保險(xiǎn)杠向尺寸，嘗試?yán)^續(xù)降低進(jìn)料克重，但是通過(guò)多輪注塑參數(shù)調(diào)整，前保險(xiǎn)杠選用的PP+EPDM-T20（聚丙烯+三元乙丙橡膠+20%滑石粉）材料已達(dá)最小尺寸極限，再降低克重會(huì)使本體表面出現(xiàn)塑痕，無(wú)法接受。

進(jìn)一步提出更換注塑材料的方案，表3為不同注塑材料物理與機(jī)械性能，可以看出，廠家1、廠家2與故障車(chē)型的前保險(xiǎn)杠材料均為PP+EPDM-T20，其在熔體指數(shù)、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲模量方面均表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)具有符合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的輕量化、薄壁、高剛性等性能，現(xiàn)已在多款車(chē)型中應(yīng)用。材料API-1925、API-2010懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度偏低，存在脆斷風(fēng)險(xiǎn)；材料ABP-1507彎曲模量偏低，其注塑產(chǎn)品剛性低，指壓性能不滿足要求。因此，備選材料均無(wú)法滿足前保險(xiǎn)杠性能要求，確定注塑材料不發(fā)生變化，仍采用PP+EPDM-T2。

表3 不同注塑材料的物理與機(jī)械性能

3.2 冷卻、噴涂工裝調(diào)整

前保險(xiǎn)杠主要注塑材料為PP+EPDM-T20，在注塑成型、噴涂工藝過(guò)程中，由于本體材料屬于結(jié)晶性材料，溫度對(duì)尺寸的影響較大，即注塑成型過(guò)程中，前保險(xiǎn)杠從模具型腔取出經(jīng)空氣冷卻后會(huì)發(fā)生較大收縮，其原因?yàn)椋海?）高分子鏈的伸展與卷曲（圖8），材料分子鏈在注塑過(guò)程中發(fā)生分子鏈解纏—冷卻固化—再次卷曲，宏觀表現(xiàn)為注塑件收縮[4]；（2）材料中包含大量PP結(jié)晶性聚合物，材料由非晶態(tài)向結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)形成更加有序的排布，體積也會(huì)減少，宏觀表現(xiàn)為注塑件收縮。

圖8 注塑過(guò)程中分子鏈的變化過(guò)程[4]

對(duì)供應(yīng)商審核發(fā)現(xiàn)，前保險(xiǎn)杠冷卻、噴涂工裝向?qū)嶋H尺寸偏大（1 845～1 853 mm），如圖9所示，沒(méi)有充分考慮前保險(xiǎn)杠冷卻后收縮實(shí)際情況，使本體零件在冷卻、噴涂烘烤后，工裝向限制面A與本體干涉，無(wú)法自然收縮，導(dǎo)致零件尺寸偏大，超差達(dá)到0.9～1.2 mm。

圖9 前保險(xiǎn)杠?chē)娡抗ぱb

為解決前保險(xiǎn)杠無(wú)法自然收縮問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析，制定掛具改制方案。將掛具兩側(cè)與保險(xiǎn)杠的限制面（圖9中A區(qū)域）在向進(jìn)行內(nèi)收，左、右兩端分別內(nèi)收20 mm，改進(jìn)后向?qū)嶋H尺寸為1 805～1 813 mm，留出足夠的自然收縮空間。

4 效果驗(yàn)證

為檢測(cè)前保險(xiǎn)杠的改善效果及前保險(xiǎn)杠與前輪眉DTS匹配狀況，采用前保險(xiǎn)杠專(zhuān)用檢具檢測(cè)優(yōu)化后的前保險(xiǎn)杠，如圖10所示，所有檢測(cè)面的間隙和面差合格；此外進(jìn)行裝車(chē)檢測(cè)，實(shí)車(chē)試裝中安裝無(wú)問(wèn)題，安裝后與前輪眉以及其他零部件配合良好，測(cè)量數(shù)據(jù)符合DTS要求（表4），經(jīng)過(guò)100輛車(chē)批量驗(yàn)證，合格率為100%。

圖10 前保險(xiǎn)杠專(zhuān)用檢具檢測(cè)

表4 改進(jìn)后前輪眉與前保險(xiǎn)杠DTS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) mm

5 結(jié) 論

針對(duì)前保險(xiǎn)杠與輪眉匹配超差的感知質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)其裝配工藝、搭接結(jié)構(gòu)、零部件尺寸鏈驗(yàn)證，確認(rèn)前保險(xiǎn)杠向尺寸超差為根本原因。因此，對(duì)高分子材料分子構(gòu)成及注塑過(guò)程的材料晶體變化分析，確定減少注塑克重、掛具工裝內(nèi)收優(yōu)化方案，從而提高車(chē)頭部位配合精度，滿足靜態(tài)感知質(zhì)量要求。分析和解決問(wèn)題的思路與過(guò)程希望可以為同行提供借鑒。

[1]馮志新. 基于DOE的汽車(chē)保險(xiǎn)杠注塑工藝參數(shù)的優(yōu)化方法研究[J]. 塑料工業(yè)，2017，45（7）：73-76.

[2] COLE R E，F(xiàn)LYNN M S. Automotive Quality Reputation：Hard to Achieve，Hard to Lose，Still Harder to Win Back[J].California Management Review，2009，52（1）：67-93.

[3]田克平，胡敏，單永飛，等. 寬體輕型客車(chē)尺寸匹配難點(diǎn)及對(duì)策[J]. 北京汽車(chē)，2016（1）：18-20.

[4]徐偉，羅竟?jié)?，堯永春，? 汽車(chē)PP保險(xiǎn)杠注塑成型收縮及涂裝后收縮的研究[J]. 汽車(chē)科技，2015（2）：58-62.

2021-06-22

1002-4581（2021）05-0028-05

U463.32+6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.008