孫士杰，張向陽(yáng)，王林鴻

(1.河南恒發(fā)科技股份有限公司，河南長(zhǎng)垣 453400；2.南陽(yáng)理工學(xué)院智能制造學(xué)院，河南南陽(yáng) 473004)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，汽車擁有量逐年增加，但同時(shí)使用汽車所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也日益凸顯出來(lái)。為適應(yīng)節(jié)能減排要求，汽車輕量化勢(shì)在必行。目前實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的最直接有效的方式就是減輕車輛質(zhì)量，研究表明：車輛質(zhì)量每降低10%，就可以提高6%～8%的燃油效率；車身質(zhì)量每降低100 kg，CO2的排放量下降約12.5 g/km，燃油損耗就可以減少0.3～0.6 L/km[1-2]。目前，主要可以通過(guò)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、零部件的集成、以塑代鋼等方式來(lái)達(dá)到汽車輕量化的目的[3]。

“以塑代鋼”主要采用玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料替代汽車金屬零部件，可較大地降低汽車整車質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化目標(biāo)。某款電動(dòng)汽車動(dòng)力總成懸置支架為金屬材質(zhì)，根據(jù)客戶減重需求及公司自身發(fā)展需要，決定采用PA66+45%短玻纖替代金屬支架。本文作者主要從該輕量化支架設(shè)計(jì)階段材料選擇、注塑成型工藝影響因素及強(qiáng)度校核等方面進(jìn)行分析探討，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以期對(duì)同類產(chǎn)品開發(fā)提供借鑒。

1 材料選擇

1.1 GFRTP特點(diǎn)

玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料 ( GFRTP)是纖維復(fù)合熱塑性塑料典型代表，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高硬度、良好的疲勞強(qiáng)度、較高的尺寸穩(wěn)定性及機(jī)械阻尼性能等優(yōu)勢(shì)[4-5]，是替代汽車金屬部件、實(shí)現(xiàn)輕量化的理想材料。

1.2 玻纖含量

玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的性能主要取決于玻纖含量?？傮w來(lái)說(shuō)，其尺寸穩(wěn)定性、力學(xué)性能等會(huì)隨著玻纖含量升高而增強(qiáng)。但是玻纖含量升高到一定程度時(shí)，其力學(xué)性能加強(qiáng)的速率會(huì)隨著玻纖含量升高而下降或者某些性能直接降低。因此，除非有特殊要求(如高模量)，玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的玻纖含量控制在45%以內(nèi)為宜，因此支架材料選定為PA66+45%短玻纖。

1.3 質(zhì)量比較

該懸置支架初始狀態(tài)材質(zhì)為SAPH440，質(zhì)量為627 g。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，調(diào)整材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計(jì)為鑄鋁件和復(fù)合材料件。結(jié)果表明，采用PA66+45%短玻纖其質(zhì)量為392 g，在質(zhì)量上遠(yuǎn)小于另外兩種材質(zhì)(表1)。僅從質(zhì)量上比較，該方案最優(yōu)。

表1 3種材質(zhì)支架質(zhì)量比較

2 注塑成型工藝對(duì)支架性能影響因素

該支架制造采用注塑成型工藝。在注塑成型工藝中，澆口位置的選擇、玻纖取向、熔接線的分布、排氣槽的設(shè)計(jì)等都會(huì)直接影響產(chǎn)品的性能，選擇最佳的工藝參數(shù)是克服產(chǎn)品缺陷的最有效方法。

2.1 注澆口位置選擇

澆注系統(tǒng)在模具設(shè)計(jì)中占有重要地位，其設(shè)計(jì)的合理性在一定程度上決定了注塑件的外觀、性能、成型難易以及生產(chǎn)效率。當(dāng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)根據(jù)客戶需求設(shè)計(jì)完成后，一般不會(huì)進(jìn)行更改，其注塑產(chǎn)品的質(zhì)量要靠澆注系統(tǒng)來(lái)保證，其中注澆口位置的選擇顯得尤其重要。

澆口位置的選擇一般考慮幾個(gè)因素：(1)澆口位置選擇在設(shè)計(jì)件臂厚處；(2)排氣便利；(3)減少熔接線；(4)熔體流程最短，料流變向最少；(5)避免注塑件變形；(6)避開彎曲和沖擊載荷的部位；(7)使熔接線位置處于產(chǎn)品強(qiáng)度要求最低處等。

結(jié)合以上分析，文中研究支架注澆口位置確定兩種方案，如圖1所示。后續(xù)將對(duì)這兩種注澆口位置進(jìn)行模流分析，在玻纖取向、熔接線分布等方面綜合考慮，得出最優(yōu)方案。

圖1 兩種注澆口位置選擇

2.2 玻纖取向

纖維的取向及分布對(duì)其復(fù)合材料的性能有一定的影響，在纖維取向方向上復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和剛度。短纖維取向在注塑成型過(guò)程中易受熔體流動(dòng)方向的影響，出現(xiàn)明顯的“皮-芯”結(jié)構(gòu)。表層纖維的取向更符合熔體流動(dòng)方向；芯層的纖維取向較為隨機(jī)，甚至垂直于流動(dòng)方向。

纖維取向張量值越接近1，表明其取向方向越一致；值越小，說(shuō)明纖維取向比較雜亂。根據(jù)注澆口位置不同，運(yùn)用模流分析結(jié)構(gòu)纖維取向張量，張量值如圖2所示。由圖2可以看出方案一的纖維取向張量值為0.949 1，方案二的纖維取向張量值為0.957 3，即方案二較優(yōu)。

圖2 纖維取向張量分析

2.3 熔接線分布

在注塑成型過(guò)程中，當(dāng)采用多澆口或模具型腔內(nèi)存在嵌件、孔洞等時(shí)，塑料熔體會(huì)在模腔內(nèi)產(chǎn)生兩股及以上方向的流動(dòng)，當(dāng)熔體相遇時(shí)就會(huì)在產(chǎn)品中形成熔接線。熔接線的存在不僅影響產(chǎn)品外觀，而且對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性能有著直接影響[6]。

PA66+45%短玻纖注塑成型時(shí)，熔體在模腔充填過(guò)程中前端主要為塑料熔體，產(chǎn)品熔接線處很少有玻纖存在，因而熔接線處支架強(qiáng)度較低。基于此種原因，注塑模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮澆口位置，盡量把澆口位置設(shè)計(jì)在使熔接線位置處于產(chǎn)品強(qiáng)度要求最低處。根據(jù)不同澆口位置，運(yùn)用模流分析熔接線產(chǎn)生位置如圖3所示，方案一熔接線位置存在位于支架裝配環(huán)處，此處需與襯套進(jìn)行壓裝，強(qiáng)度要求較高，故存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。后期方案一注塑產(chǎn)品壓裝時(shí)，裝配環(huán)處確實(shí)存在斷裂現(xiàn)象，如圖4所示。綜合分析方案二較優(yōu)，注澆口位置采用方案二。

圖3 熔接線分布

圖4 裝配環(huán)壓裂

2.4 排氣槽設(shè)計(jì)

注塑模的排氣不良將會(huì)對(duì)塑件的質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重危害，如熔體充填困難注射量不足、造成氣孔、空洞塑件出現(xiàn)局部碳化、形成流動(dòng)痕和融合痕、降低生產(chǎn)效率等一系列問(wèn)題。合理地開設(shè)排氣槽，可以極大地降低注射壓力、注射時(shí)間、保壓時(shí)間和鎖模壓力等參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。圖5是根據(jù)本支架結(jié)構(gòu)結(jié)合注射澆口位置設(shè)計(jì)的排氣槽，該布置可減少熔接線的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品力學(xué)性能。

圖5 排氣槽設(shè)計(jì)

3 支架強(qiáng)度分析

許多研究表明，短玻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多被認(rèn)為是各向同性材料，但在實(shí)際生產(chǎn)中復(fù)合材料被注入模腔后，模腔位置不同、注入時(shí)間不同，受到熱場(chǎng)和流場(chǎng)對(duì)其影響差異較大，導(dǎo)致玻纖具有取向性，進(jìn)而使材料具有各向異性特性。

3.1 各向同性異性分析比較

為了對(duì)該支架強(qiáng)度進(jìn)行更全面地分析，將從同性和異性兩方面進(jìn)行分析比較，其分析結(jié)果見表2和表3。從表中分析結(jié)果可知，支架各向同性和各向異性分析強(qiáng)度均滿足要求。

表2 材料各向同性分析結(jié)果

表3 材料各向異性分析結(jié)果

3.2 應(yīng)力集中位置比較

對(duì)各向同性和各向異性分析結(jié)果各取其第五工況分析云圖進(jìn)行比較，由圖6、圖7可以看出其應(yīng)力集中在加強(qiáng)筋交接處，此處最薄弱。經(jīng)過(guò)后期實(shí)驗(yàn)室支架破壞試驗(yàn)，證明理論分析與實(shí)際較吻合，如圖8所示。

圖6 材料各向同性分析

圖7 材料各向異性分析

圖8 支架破壞試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)材料各向同性及各向異性分析結(jié)果及結(jié)合支架破壞試驗(yàn)可知，其強(qiáng)度及應(yīng)力集中位置均較吻合，驗(yàn)證了有限元分析的可靠性。

4 結(jié)論

(1)PA66+45%短玻纖具有輕質(zhì)高強(qiáng)、較高尺寸穩(wěn)定性等性能，是替代金屬材料的較優(yōu)選擇，相同結(jié)構(gòu)的懸置支架其質(zhì)量分別是鈑金件和鑄鋁件的62%和48%，降重顯著；

(2)懸置支架設(shè)計(jì)兩種澆口位置，運(yùn)用模流分析各自的玻纖取向、熔接線位置，指出熔接線位置應(yīng)在支架強(qiáng)度要求較低處，比較得出最優(yōu)方案，并對(duì)排氣槽進(jìn)行設(shè)計(jì)分析；

(3)針對(duì)短玻纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性，對(duì)懸置支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行各向同性和各向異性對(duì)比分析，結(jié)果表明支架強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求；

(4)該懸置支架已完成臺(tái)架試驗(yàn)和車輛路試，處于量產(chǎn)狀態(tài)，均未出現(xiàn)懸置支架斷裂反饋；

(5)該懸置支架輕量化材料選擇、注塑成型影響因素分析及強(qiáng)度分析對(duì)同類產(chǎn)品開發(fā)有一定的借鑒作用。