汽车保险杠是汽车上比较大的饰件之一, 它具有安全性, 功能性和装饰性三大主要功能.
汽车保险杠的轻量化主要有三种途径: 材料轻量化, 结构优化设计以及制造工艺创新. 材料轻量化一般指的是在一定条件下用密度比较低的材料替代原来的材料, 比如以塑代钢;保险杠轻量化的结构优化设计主要有薄壁化技术;制造新工艺有微发泡材料以及气辅成型等新技术.
塑料保险杠材料选材
塑料因为有质量轻, 使用性能良好, 制造简单, 耐腐蚀, 耐冲击, 设计自由度比较大等特点, 被广泛应用于汽车工业上, 而且在汽车材料中所占比例越来越大. 一辆汽车上塑料用量的多少已经成为衡量一个国家汽车工业发展水平的一个标准之一 . 目前发达国家生产一辆汽车所用塑料已经达到200kg, 大约占整车质量的 20%左右.
塑料在我国汽车工业中应用比较晚, 在经济型轿车中塑料用量仅有 50~60kg, 中高级轿车有 60~80kg, 部分汽车能够达到 100kg, 我国在生产制造中型载货汽车时, 每辆汽车约用 50kg 的塑料. 每一辆汽车的塑料用量仅占汽车重量的 5%~10%.
保险杠的材料通常有以下要求: 良好的抗冲击能力, 良好的耐候性. 良好的油漆附着能力, 良好的流动性, 良好的加工性能, 价格低廉 .
据此, PP 类材料无疑是性价比最优的选择. PP 材料是一种性能比较优良的通用塑料, 但 PP 本身的低温性能和抗冲击能力比较差, 不耐磨, 易老化并且尺寸稳定性也比较差, 因此通常用改性 PP 做汽车保险杠生产材料. 目前聚丙烯汽车保险杠专用料通常以 PP 为主材料, 并加入一定比例的橡胶或弹性体, 无机填料, 色母粒, 助剂等材料经过混炼加工而成.
保险杠薄壁化带来的问题及解决措施
保险杠薄壁化容易引起翘曲变形, 翘曲变形是内应力释放的结果. 薄壁化保险杠在注射成型的各个阶段中都会由于多种原因产生内应力.
一般主要包括取向应力, 热应力以及脱模应力. 取向应力是熔体中的纤维, 大分子链或链段沿着一定的方向取向, 松弛不足而引起的内引力. 取向度与产品的厚度, 熔体温度, 模具温度, 注射压力, 保压时间有关. 厚度越大, 取向度越低;熔体温度越高, 取向度越低;模具温度越高, 取向度越低;注射压力越高, 取向度越高;保压时间越长, 取向度越大.
热应力是是由于熔体的温度较高而模具温度较低而形成较大的温差, 在靠近模具腔体区域熔体的冷却速度较快而产生分布不均匀的机械内应力.
脱模应力主要由于模具的强度和刚度不足, 在注射压力和顶出力的作用下产生弹性变形以及顶出杆分布排列不合理时使产品顶出时受力不均匀而产生的.
保险杠薄壁化还会有脱模困难的问题, 由于壁厚表较小且有较小的收缩量, 使得产品紧紧的粘附在模具上;由于注射速度比较高, 而使得保压时间控制比较困难;比较薄的壁厚和加强筋在脱模时也容易损坏. 模具正常打开需要注射机能够提供足够的开模力, 开模力应该能够克服开模时的阻力.
开模过程中需要克服的阻力有以下几种:
首先是需要克服直接开模力, 开模时塑料在平行于开模方向会有一定的粘附力产生, 这是由于模具冷却时, 塑料件冷却不足, 型腔的弹性膨胀没有完全恢复. 这种粘附力的大小和塑料的性质, 模具的表面质量, 脱模斜度等有关.
此外还需要克服间接开模阻力, 即克服开模时机动侧抽芯过程的抽拔阻力.
还要克服模具动模板和活动模板等机构运动产生的摩擦阻力.
最后还需要克服型腔的参与压力, 开模时型腔的压力可能不等于大气压力, 型腔内压力与外界压力不相等.
为了解决以上两大问题, 需要适当改进模具的设计. 选择合适的模具材料, 提高模具的热强性以及耐磨性. 合理的模具结构设计和制造, 适当增加推板以及中垫板的厚度, 提高模具刚度, 减小模具的弹性变形.
提高抽芯机构, 运动系统的制造和配合精度, 降低型腔, 芯和凸模组件的表面粗糙度, 减小脱模力. 由于制品薄壁化以后要求更高的设计和配合精度, 通常设置连锁装置来防止模芯和模腔发生相对位移.
合理设计浇注系统, 流道设计应该使塑料件在注射过程中从较厚区域向较薄区域过度. 还需要有足够多的排气口. 在注射工艺方面应该尽量减小塑料件的内应力, 提高注射速度, 降低冷却速度. 因此需要提高熔体温度和模具温度, 以便取向的松弛. 还需要选择合理的注射压力, 保压时间和冷却速度.