汽车塑料尾门设计和工艺研究

2021-09-17朱长春杨文叶宋杰李振兴马秋

时代汽车 2021年18期

朱长春　杨文叶　宋杰　李振兴　马秋

摘要：塑料尾门以质轻、集成度高、设计自由、可回收等优势逐步成为汽车轻量化技术发展的未来趋势，是提升车辆竞争力水平的关键技术方向。本文对塑料尾门的技术发展、结构设计、材料选型、工艺控制和仿真分析进行了全面的研究，旨在为整车厂开发塑料尾门提供参考。塑料尾门发展至第三代，应用主流的材料为内板PP-LGF，外板矿粉改性PP，胶粘剂采用双组分聚氨酯。在市面诸多材料牌号中，塑料尾门内、外板和胶粘剂的选型需要综合评估性能、成本、环保、重量和造型等方面。此外，塑料尾门的结构和制造工艺设计需要根据材料选型的结果进行力学性能仿真和Moldflow模流分析，在确保工程制造可行性的同时满足整车对尾门性能的综合需求。

关键词：塑料尾门材料选型结构设计工艺控制

Research on the Design and Process of Automobile Plastic Tailgate

Zhu Changchun Yang Wenye Song Jie Li Zhenxing Ma Qiu

Abstract：Plastic tailgates have gradually become the future trend of the development of automotive lightweight technology due to their advantages of light weight， high integration， design freedom， and recyclability， and are the key technical direction to enhance the level of vehicle competitiveness. This paper conducts a comprehensive research on the technical development， structural design， material selection， process control and simulation analysis of the plastic tailgate， aiming to provide a reference for the vehicle manufacturer to develop the plastic tailgate. The plastic tailgate has developed to the third generation. The mainstream materials used are the inner plate PP-LGF， the outer plate talc modified PP， and the adhesive uses two-component polyurethane. Among the many material grades on the market， the selection of the inner and outer panels of the plastic tailgate and the adhesive requires a comprehensive evaluation of performance， cost， environmental protection， weight， and shape. In addition， the structure and manufacturing process design of the plastic tailgate requires mechanical performance simulation and Moldflow analysis based on the results of material selection to ensure the feasibility of engineering and manufacturing while meeting the overall requirements of the vehicle for the performance of the tailgate.

Key words：plastic tailgate， material selection， structural design， process control

1 前言

隨着汽车工业的快速发展，环保要求日益严苛，汽车轻量化技术逐渐成为实现节能减排，提升车辆竞争力水平的关键方向。2014款奇骏的塑料尾门曾经获得第四十三届SPE“年度汽车创新奖”及“车身外饰奖”，代表了塑料尾门技术的行业地位。该车尾门外板采用了热塑性的聚丙烯改性材料（PP-EPDM-T20），内板采用了长玻璃纤维增强热塑性聚丙烯（PP-LGF30），使尾门在满足整车优异的机械和理化性能要求的同时减轻车重，并且可回收。采用非金属材料制造的汽车塑料尾门与钢制尾门相比，具有质量轻、集成度高、设计自由、生产周期短和行人保护能力强等优点[1-3]。汽车尾门的技术革新，前后经过了钣金冲压、SMC+SMC内外板组合、SMC+PP内外板组合，以及第三代塑料尾门PP-LGF内板+PP外板[4]。与传统钢制尾门不同，塑料尾门的结构设计、选材和工艺都直接关系到尾门性能的优劣甚至成败，而国内整车厂对塑料尾门基材和胶水的选型、性能分析和工艺管控技术有限，导致塑料尾门国产化应用进展艰难。本文综合阐述了塑料尾门开发在材料选型、结构设计、性能分析和工艺管控的流程和关键技术，为塑料尾门开发提供参考。

2 塑料尾门的技术革新

传统的钣金汽车尾门零件繁多，制造工艺和组装工序复杂，重量高且拆解回收困难。塑料尾门的集成度高，如图1所示，部件集成化，减少模具投入降低了成本，供货也可预装线束、尾灯、玻璃、雨刮、铰链摄像头等，模块化供货，提高主机厂产线效率[5]。无线电透过性能更好，更适合设计隐藏式天线，更强的耐腐蚀性能，低速碰撞恢复性好。塑料尾门重量根据不同的造型和结构设计，可以减重25%-40%，轻量化效果显著。

塑料尾门发展至今，按材料性质的不同，大致历经了三代：

第一代热固性塑料尾门，这种尾门内外板基材均选用SMC，代表车型有沃尔沃V70、雷诺梅甘娜Ⅱ等。SMC塑料尾门的特点是刚度高，收缩低，着色性能好，但减重效果一般，材料不可回收。

第二代塑料尾门内板仍使用SMC热固性材料，外板采用PP类或TPO热塑性改性材料，基材韧性比SMC好，轻微碰撞易修复，尾门的造型自由度更高，代表车型有沃尔沃XC60、PSA DS6、路虎揽胜、标志4008、标致5008等。

第三代塑料尾门随着各国更加苛刻的排放法规出台应运而生，尾门内板采用了长玻璃纤维增强的PP改性材料，外板使用矿粉增强的PP改性材料，内外板均为热塑性材料，生产效率更高，比SMC材料密度更低，轻量化效果更优，并且材料几乎100%可回收，气味性好，对环境更友好[6，7]，代表车型有标志308S、日产奇骏、奇瑞小蚂蚁、宝马I3、英菲尼迪QX50等。

3 塑料尾门开发流程和结构设计

图2是塑料尾门的开发流程，从结构设计开始到数据冻结需要经过多次的分析及优化，材料选择和模具设计也同样重要，这是一个比金属尾门开发更复杂的工程。

塑料尾门开发在结构设计之初，需要确定尾门各部位的关键力学性能要求。因车企标准的不同存在差异，某车型塑料尾门的关键性能要求例举如表1。

4 塑料尾门材料选型

塑料尾门的开发，首先需要解决的是材料问题。对于国内大多数主机厂来说，塑料尾门作为一个较新的技术，主机厂没有用材方面的实验及材料数据库信息支撑，材料开发是第一步，也是非常关键的一步，它的用材不同于传统的内、外饰材料，正确的选材，直接关系到尾门开发的性能优劣甚至成败。通过分析汽车塑料尾门设计的性能要求，结合车企轻量化降重需求，第三代塑料尾门选择内板材料PP-LGF40、外板材料PP+EPDM-T30以及胶粘剂材料常温环境下的要性能要求如表2。

由于国内市场已量产的塑料尾门材料及胶水多为外资厂商，国产成熟的材料较少，制造商甚至主机厂在选材方面主动权不足。塑料尾门内外板的选材除了对材料的线性膨胀系数、基本力学性能有更高的要求外，材料与胶水粘接要求达到的表面处理性能以及内外板材料在不同工况下的粘接性能也是材料选型需要重点验证的。经表面处理的内外板材料使用达因笔测试（表面张力测试笔），表面张力值达到48mN/m的试样视为粘接前合格样件。表3塑料尾门常用胶粘性能验证标准可供参考。

图3塑料尾门内外板材料粘接的剪切强度表明，在不同的工况条件下粘接性能存在差异，说明材料性能的侧重点不同，选择性能优异的双组分聚氨酯胶粘剂与不同的基材粘接可以提高尾门的综合性能[8]。而高温环境下明显降低的剪切强度则是塑料尾门选材需要重点关注的指标。双组分聚氨酯与基材的粘接受热老化的影响最为显著，在湿热老化和冷热交变老化条件下稳定性相对较好。因此，塑料尾门材料的开发需充分研究其在实际使用中的极端环境，必须保证高温、低温和老化后的可靠性。

5 塑料尾门制造工艺

塑料尾门最重要的两大塑料组件是内板和外板，需要重点研究塑料材料的特性、内外板的连接、生产工艺、VOC控制等问题。与传统钣金尾门相比，塑料尾门复杂的连锁反应是结构和工艺设计之初难以预测的。在塑料尾门制造的过程中会有诸多的工程和工艺问题，因此，塑料尾门比金属尾门开发的技术难度更高。塑料尾门内、外板采用胶粘方案，但在设计时一些主要的受力点需要预埋金属加强板，以满足刚度及法规要求。金属加强板通常会设计在铰链、气弹簧支架、尾门锁安装位置。金属加强板可以在内板注塑成型时作为嵌件，与内板注塑包胶连接，此种方案会提高生产效率，如标志308S尾门。塑料尾门的制造也可以先注塑内板，再螺接金属加强板，这种方案效率略低，如日产新奇骏。图4是内嵌钣金加强件塑料尾门制造流程。

塑料尾门内外板的粘接通常采用双组分聚氨酯结构胶，此结构胶有不需要配合底涂使用的，如标志308S以及奇瑞小蚂蚁用胶。有些需要配合底涂使用，如菲尼迪QX50、日产新奇骏等。需要底涂的结构胶工艺也相对复杂，成本高，在尾门内、外板做完火焰处理或等离子处理后进行底涂、干燥，制造周期较长。此外，内、外板底涂的厚度也会影响胶水的粘接性能，需要更严格的工艺管控。

6 塑料尾门结构设计和工艺仿真分析

塑料尾门的结构分析主要以模态和各种刚度分析为主，如图5是某车型塑料尾门的模态和刚度分析。很多主机厂没有专门针对塑料尾门的分析要求及规范，刚开始做塑料尾门时，基本都是参照金属尾门，只是可能会在金属尾门的要求上做一些让步，比如间隙、面差要求，刚度、强度上的法规要求塑料尾门和钢制尾门是一致的，但塑料尾门并不是所有性能都能轻易做到和钢制尾门同等的水平，像扭转刚度，部分主机厂在做塑料尾门时也有所放宽。不同主机厂在尾门的刚度标准、分析方法会有些差异。塑料尾门结构设计前期CAE分析，主要選择一些关键的性能要求项目，等数据到一定阶段，再进行全部性能分析，以缩减开发周期。随着数据的完善，整个尾门开发过程中通常会进行3-5个循环的CAE分析和产品优化。

塑料尾门开发除了力学性能方面的分析外，制造工程分析也至关重要，同步需要将工艺分析的结果反馈到结构优化以及模具制造的D-FEMA中去。由于仿真分析结果和实物会存在一定差距，尾门内板模具可能还需要开软模进行相关验证，再用到正式模的方案中去。因此，忽略模具方案的设计和把关也是国内很多公司塑料尾门开发延期甚至开发失败的一个重要原因。塑料尾门模具设计前期的Moldflow模流分析必不可少，浇口的位置设计很关键，直接影响到零件的填充、熔接线及变形量，以图6某车型塑料尾门内板为例，浇口的数据经过多轮优化后，就从当初预计的7个增加到11个，保证了尾门内板注塑成型的质量：

1：充填时间：7.659s时基本填充完成，没有发生短射，可接受;

2：流动前沿温度：流动前沿温度相差138℃，差别比较大，熔体前沿温度不均匀，加强筋位置温度最低，后期注塑可能会有缺陷产生，需要改进;结果分析，加强筋高度过高，温度低的位置都是在加强筋位的最顶端，综合考虑后可降低加强筋的高度，以增加成型成功率;

3：熔接线：熔接线位置基本在装车以后看不见的地方，可以接受;

4：型腔充填压力：型腔充填压力合理范围，可接受;

5：零件变形分析：X向1.198mm，Y向1.787mm，Z向1.742mm，变形量都在2mm以内，对于尾门这样尺寸的零件，变形是比较好的，后续在模具设计上提供反变形措施，零件变形会得到较好的控制。

分析零件的变形量尤其重要，在软模开发时，就做一些的反变形设计，但是软件分析毕竟和实物出来的结果还是有差别的，后续模具还需要6-10个月的测量、修改和产品试制等，才能达到外观、面差、间隙、性能等要求，这些软模上的更改数据，必须都要记录下来，为正式模具提供模具反变形设计的数据。因此，建议塑料尾门内板正式模具制造前先做软模，在无经验积累的情况下，不要直接制造正式模具。

7 结论

本文对塑料尾门的开发进行了全面的阐述，塑料尾门的开发重点关注以下几方面;

1.由于热塑性材料在VOC、环保、重量、造型自由度方面的优势，塑料尾门开发选择内、外板均采用热塑性材料的方案将会是未来发展的主流方向。

2.材料的开发除了要关注基本的力学性能、材料的线性膨胀系数外，材料的火焰处理难易度（达到所用胶水粘接需要的表面张力值处理的难易程度）以及材料粘接后在各种极端环境下的可靠性需要重点验证。

3.产品的设计阶段，要充分考虑材料特性、以及后期制造工艺的特殊性，不同制造工艺会直接影响设计方案，需充分评估工程制造可行性并采用与之相对应的设计方案。

4.产品的仿真与金属尾门相比需要考虑塑料材料的特性和注塑产品的特点，在产品模态及变形要求方面可做部分调整以更加适合塑料产品;模具设计需要一定数据积累，在没有类似模具开发和产品生产经验的情况下，建议先做实验模验证模具设计方案和积累数据。

参考文献：

[1]吴纯，张伟，SEOYUN K，等.长玻纤改性聚丙烯在汽车领域中的应用与展望[J]. 上海塑料，2016（4）：23-25.

[2]邢号彬，付燕鹏，谭敦松，等.复合材料尾门轻量化设计[J].上海汽车，2017（2）：37-39.

[3]闫博，蒋文远，邵之杰，等. 低线性膨胀系数汽车塑料尾门专用料的研制[J].研究与开发，2018（10）：24-27.

[4]王韬，扈福民，刘其文.塑料材料在尾门里板上的应用[J].工艺材料，2018（3）：62-66.

[5]邢号彬，付燕鹏，谭敦松，等. 复合材料尾门轻量化设计[J]. 上海汽车， 2017（2）：37-39.