塑料在國外的發(fā)展已經(jīng)有上百年的歷史了，從最開始的普通塑料到后來的工程塑料再到現(xiàn)在能夠完全替代部分金屬的特種塑料，塑料儼然有替代金屬材料的發(fā)展趨勢。面對著國內(nèi)外能源的緊缺，汽車輕量化的改革已經(jīng)成為各大汽車制造商的重要法寶，汽車的自重每減少10%，燃油(行駛能量)的消耗可降低6%～8%，為此降低整車質(zhì)量，便成為輕量化的關(guān)鍵而塑料的應(yīng)用顯然具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。由此，以塑代鋼的思想必將是汽車行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界平均每輛汽車的塑料用量在2000 年就已達(dá)105kg，約占汽車總重量的8%～12%。目前，發(fā)達(dá)國家的汽車塑料使用量占汽車總質(zhì)量的平均比例已經(jīng)達(dá)到15%以上 部分國家則超過了20%，其塑料的應(yīng)用范圍除了普通的外觀覆蓋件外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車上的功能零部件，如塑料翼子板、門內(nèi)模塊、前端模塊、背胎盒以及背門系統(tǒng)等。而在國內(nèi)塑料工業(yè)的基礎(chǔ)還比較薄弱與國外比還存在相當(dāng)大的差距，而汽車用塑料的占比也只有8%左右，前面所述在國外已經(jīng)相當(dāng)成熟的塑料零部件，大多數(shù)也還處于研究階段。可見，加快以塑代鋼的研究和應(yīng)用，對于提髙汽車自主產(chǎn)品的競爭力趕超世界汽車強(qiáng)國是一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。

2.1 材料選擇

目前，塑料件在汽車行業(yè)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，塑料在汽車上的應(yīng)用主要分為3類：外裝件、內(nèi)飾件和功能結(jié)構(gòu)件。

塑料外裝件減輕了汽車質(zhì)量，達(dá)到了節(jié)能目的，例如前后保，翼子板及門外板裝飾件；塑料內(nèi)飾件具有安全、環(huán)保、舒適的特征，用可吸收沖擊能量和振動(dòng)能量的彈性體和發(fā)泡塑料制造儀表板、座椅、頭枕等制品，可減輕碰撞時(shí)對人體造成的傷害，提高汽車的安全系數(shù)；功能結(jié)構(gòu)件多采用高強(qiáng)度工程塑料，以減輕質(zhì)量、降低成本、簡化工藝，如塑料燃油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤上的一些零件等。當(dāng)前，汽車用塑料的品種包括：聚丙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、熱固性復(fù)合材料、ABS、聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯等等，一般使用的是它們的改性PP 材料和復(fù)合材料。

PP（聚丙烯）材料由于其來源廣泛、密度小、力學(xué)均衡性好、耐化學(xué)腐蝕、易加工及價(jià)格低廉等突出優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用在汽車各大總成系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。但通用PP 材料存在收縮率大，制品尺寸穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生翹曲變形；低溫易脆斷，低溫韌性差；耐光老化、耐熱老化性能差等缺點(diǎn)。無法滿足汽車保險(xiǎn)杠、發(fā)罩、翼子板及前門裙板等部件的特殊使用要求，需對通用PP 材料進(jìn)行改性。

因此，外飾塑料件選用材料均為改性PP-T20（滑石粉含量為20%的聚丙烯）。

2.2 材料特性的影響

與傳統(tǒng)材料車型相比較，在外觀覆蓋件的應(yīng)用上，傳統(tǒng)材料車型選用的材料為鈑金，而塑料外飾件車型使用的是改性PP材料。在輕量化上有明顯的優(yōu)勢，以翼子板為例，如表1所見，塑料翼子板相對于金屬翼子板有著超過50% 的重量差。

除了重量方面，PP-T20 翼子板其主要性能如下（表2）：

表1 塑料翼子板與金屬翼子板輕量化對比

表2 PP-T20 塑料翼子板性能表

式中：—彎曲應(yīng)力；P—施加外力；L—長度；b—寬度；h—厚度

可得在外力P=2*25MPa*10mm*16mm²/（3*64mm）=41.667N，即在2min 內(nèi)使用大于41.667N 力作用下會(huì)使其發(fā)生彎曲形變，其變量為

根據(jù)成年人最大推力為自重1.5 倍標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，約為300N ＞41.667N，即在不考慮翼子板等塑料件弧形型面的影響進(jìn)行裝配時(shí)，會(huì)造成零件尺寸產(chǎn)生0.5mm 左右的彈性形變。

由于溫度變化而造成零件熱脹冷縮，發(fā)生變形而造成尺寸變化，可由以下公式得出：

式中：D—變形量；T1—高溫；T2—低溫；L—長度；α—膨脹系數(shù)

由于材料在日常溫度下膨脹系數(shù)最大值為5.5E-05，因此形變量D 很小，即對零件尺寸的影響可忽略不計(jì)。

由于塑料外飾件車型外飾件所用材料一致，因此前后蒙皮的零件特性與翼子板相差無幾，在外力作用下理論變形量為=1800MPa/41.667N=0.439mm。

2.3 零件設(shè)計(jì)過程對尺寸的影響

由于塑料覆蓋件自身特性與傳統(tǒng)金屬零件有著巨大的差異，因此在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮PP-T20 塑料的物理及化學(xué)特性在零件制作及成型后零件的尺寸所帶來的影響。

目前塑料件的設(shè)計(jì)一般遵循：形狀和結(jié)構(gòu)的簡化，壁厚合理，避免應(yīng)力集中，加強(qiáng)剛度的設(shè)計(jì)，抗變形設(shè)計(jì)及注塑件的精度等六個(gè)方面。

形狀和結(jié)構(gòu)的簡化(圖1)：

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡化

因此，產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜與否，對零件的尺寸有著直接的聯(lián)系，設(shè)計(jì)產(chǎn)品形狀及結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則零件的尺寸及性能穩(wěn)定性越難以保證，反之采用更為簡化的設(shè)計(jì)方案，在提高零件的質(zhì)量的同時(shí)，也大大的降低了開發(fā)生產(chǎn)成本。

壁厚合理：均勻的壁厚可使制件在成型過程中，熔體流動(dòng)性均勻，冷卻均衡；壁薄部位在冷卻收縮上的差異，會(huì)產(chǎn)生一定的收縮應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致制件在短期之內(nèi)或較長一段時(shí)間后發(fā)生翹形變形，這將直接導(dǎo)致零件成型的尺寸變化，從表一中可得出塑料翼子板的收縮率為≤0.75%，可簡單描述為零件體積產(chǎn)生了0 ～0.75%的變化量，直接影響了零件尺寸，且具有不確定性。

圖2 剛性分析圖

圖3 變形分析圖

圖4 影響注塑成型圖

2.4 小結(jié)

綜合塑料外飾件的材料固有特性及設(shè)計(jì)制造過程分析，可以得出，塑料件在成型過程中對尺寸精度的影響因素較多，因此零件的尺寸會(huì)有一定程度的波動(dòng)，從而直接影響整車零件裝配間隙段差的控制。

避免應(yīng)力集中：應(yīng)力集中具有導(dǎo)致零件開裂變形，直接影響零件合格率的潛在風(fēng)險(xiǎn)；避免應(yīng)力集中最直接有效的方法就是在拐角、棱角、凹槽等輪廓與厚薄交接處采用圓弧過渡。

加強(qiáng)剛度的設(shè)計(jì)：塑料件剛性與鈑金件相比較有著明顯的差距，在外力的作用下容易發(fā)生形變而導(dǎo)致零件尺寸變化（圖2）。

抗變形設(shè)計(jì)：由于變形會(huì)直接造成制件的形狀變化，導(dǎo)致零件尺寸偏差；而變形主要有制件內(nèi)應(yīng)力引起的翹曲變形及熱效應(yīng)引起的熱變形（圖3）。

注塑件的精度：塑料外飾件車型外飾件使用的是注塑成型工藝，因此模具及制作工藝等因素均會(huì)對零件成型尺寸造成重要的影響。

圖5 某車型翼子板注塑模具

3.1 裝配工藝

目前，工業(yè)上對于塑料工件的裝配工藝主要為如下三種：

機(jī)械法，機(jī)械法包括搭扣配合、螺釘、鉚釘和壓接等選項(xiàng)，但不限于這些選項(xiàng)。主要為可拆如汽車燈組及前后蒙皮等工件，在其壽命周期中需要拆卸，通常會(huì)選擇機(jī)械法來裝配。在耗材成本超過設(shè)備價(jià)值的小批量裝配應(yīng)用中也可采用這種裝配方法。

膠黏劑法，膠黏劑法是一種尋求的永久性裝配方法，常被運(yùn)用于工件材料互不相容的裝配中。

摩擦熱法，當(dāng)塑料工件與裝配搭接材料相容時(shí)，通常使用該方法進(jìn)行裝配。用該方法裝配的組件其結(jié)合將是永久性和防干擾密封的。由于該方法不能應(yīng)用于消費(fèi)品組件的裝配，且該方法成本效益相對于前兩者。

由于在汽車外飾件裝配過程中，主要為塑料件安裝在白車身上，為塑料件與鈑金件的搭接，因此主要采用機(jī)械法與膠粘劑法。在這兩種方法中，外飾件裝配除了頂蓋外飾板與頂蓋裝配時(shí)使用卡扣與3M膠粘的裝配方法，其余零件如翼子板、前后保及前門裙板等均為使用卡扣、螺釘?shù)葯C(jī)械裝配工藝，其中卡扣及塑料定位銷的數(shù)量為28，約占機(jī)械裝配點(diǎn)總數(shù)的一半，且其定位作用的均為塑料定位銷及卡扣安裝點(diǎn)（表3）。

從而可知，塑料零件上的定位銷及卡扣與白車身進(jìn)行連接的精度直接體現(xiàn)在整車上，最終間隙段差是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

表3 機(jī)械裝配統(tǒng)計(jì)表

3.2 塑料件與鈑金件配合尺寸質(zhì)量的控制

塑料外飾件大量使用對傳統(tǒng)鈑金件與鈑金件的配合控制提出了新的挑戰(zhàn)。未大量使用塑料外飾件前車門與側(cè)圍、車門與翼子板、翼子板與發(fā)蓋等處的配合在車身車間已完成裝配并調(diào)整至符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而發(fā)蓋、翼子板甚至車門外飾板使用塑料件后，其安裝工序就轉(zhuǎn)移到了總裝車間進(jìn)行，車門在車身車間裝配完成時(shí)無可參照的配合可測量。因此，使用模擬塊輔助裝配成為控制裝配質(zhì)量的必要手段。

模擬塊主要模擬車門和翼子板等零件邊緣，通過鈑金與模擬塊的匹配測量，判斷車門裝配是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。一般選擇車門接縫附近的光孔作為模擬塊定位點(diǎn)，塑料外飾件邊緣作為測量配合面（圖6）。

在車門安裝工藝時(shí)序設(shè)計(jì)時(shí)需要加上安裝模擬塊的時(shí)間，才能在設(shè)計(jì)時(shí)間內(nèi)完成車門安裝工作（圖7）。

正式生產(chǎn)階段的車身尺寸控制一般使用ABC 測量進(jìn)行尺寸監(jiān)控：A 測量是指白車身（不含門蓋及翼子板）CMM（三坐標(biāo)）測量，通過雙懸臂試CMM 測量機(jī)進(jìn)行車身測點(diǎn)尺寸數(shù)據(jù)收集、匯總、整理，形成白車身測點(diǎn)SPC 報(bào)告；B 測量是指門蓋檢具測量數(shù)據(jù)，通過測量工具收集車門在檢具上的尺寸數(shù)據(jù)，形成B 測量報(bào)告；C 測量是指白車身（含門蓋及翼子板）間隙、段差匹配測量，通過測量工具收集測點(diǎn)數(shù)據(jù)形成C 測量報(bào)告。通過將ABC 測量數(shù)據(jù)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)保證白車身尺寸符合要求，也保證了后續(xù)總裝的裝配質(zhì)量。

塑料件的大量使用對C 測量的影響是最明顯的，C 測量白車身上車門及翼子板的周圈無配合或配合間隙、段差數(shù)值過大，直接使用測量工具無法進(jìn)行測量或測量精度降低。C 測量必須使用模擬塊表征塑料件裝配效果，C 測量的數(shù)據(jù)也是測量模擬塊的數(shù)據(jù)而不是直接測量白車身的數(shù)據(jù)。

整車質(zhì)量控制策略也需要做相應(yīng)調(diào)整，車身車間輸出尺寸質(zhì)量應(yīng)以模擬塊表征數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，總裝塑料件裝配根據(jù)車身狀態(tài)需做微小調(diào)整以滿足整車質(zhì)量要求。模擬塊的使用需做到以下兩點(diǎn)：

（1）模擬塊使用過程注意其精度保護(hù)；

（2）模擬塊定期校準(zhǔn)。

圖6 模擬塊

圖7 車門安裝工藝步驟對比

以下，通過對汽車車身塑料外飾件翼子板在整車裝配上出現(xiàn)的尺寸問題為例子進(jìn)行分析，制定解決措施，并總結(jié)可行方案和優(yōu)化建議。

4.1 實(shí)例分析

翼子板從前往后分別與前保險(xiǎn)杠與前門連接，安裝時(shí)既要符合與前保的間隙段差要求，也要兼顧與前門的間隙要求，因此在實(shí)際裝配過程中，易出現(xiàn)顧此失彼的情況。

對其進(jìn)行尺寸鏈分析如下：

圖8 翼子板與前保、前門裝配簡圖

圖9 翼子板與前保、前門尺寸鏈

圖中：L0—翼子板與前門直接間隙尺寸；

L1—翼子板安裝孔直接尺寸；

L2—翼子板后安裝孔到車門鉸鏈安裝孔尺寸；

L3—車門鉸鏈安裝孔到車門包邊尺寸；

L4—翼子板前安裝孔到輪廓尺寸；

L5—車門前后包邊尺寸；

L0’—前保與翼子板直接間隙尺寸；

L6—前保后安裝孔到翼子板前安裝孔尺寸；

L7—前保安裝孔直接尺寸；

L8—前保前安裝孔到輪廓尺寸；

L9—翼子板前后輪廓尺寸

在實(shí)際裝配過程中，安裝順序?yàn)椋很囬T—翼子板—前保。

通過分析車門與翼子板配合尺寸鏈，L0為封閉環(huán)，L2、L3 為增環(huán)，L1、L4 及L5 為減環(huán)。L2 增大或減小，直接導(dǎo)致L0 即翼子板與前門間隙同向增大及減?。欢鳯1、L4 及L5 的尺寸變化將導(dǎo)致L0 反向變化。

翼子板為改性PP 材料，從公式一可知，由于材料的固有特性，進(jìn)行裝配時(shí)在外力的作用下，翼子板會(huì)發(fā)生0.5mm 左右的尺寸變化，因此尺寸鏈中減環(huán)L4 存在X 向尺寸增大或減小約0.5mm 的現(xiàn)象，而L5 為鈑金車門前后包邊尺寸，由于金屬成型的穩(wěn)定性，且在進(jìn)行裝配時(shí)無操作影響其尺寸，可視為常量；L3 為鉸鏈安裝孔到車門包邊尺寸，在裝配時(shí)受到車門與后側(cè)圍間隙的約束，如圖八中2-1、2-2 所示，PQS 標(biāo)準(zhǔn)為3.0 ～5.0mm，公差范圍為2.0mm；L1 為翼子板安裝孔的直接尺寸，由于翼子板在X 向上僅有一處約束點(diǎn)，屬于欠約束裝配，且在進(jìn)行安裝時(shí)無安裝調(diào)整工具，因此導(dǎo)致L1 尺寸在實(shí)際裝配過程中有著大于2.0mm 的尺寸精度誤差；L2則直接體現(xiàn)翼子板與前門間隙大小，公差范圍為±1.5mm*2=±3.0mm。

圖10 某車型前門與側(cè)圍配合PQS 示意圖

圖11 翼子板X 向緊固安裝點(diǎn)

綜上所述，翼子板與前門間隙大小受到零件材料自身特性，安裝約束及公差累積的影響，組成環(huán)對封閉環(huán)L0 間隙影 響 L1’+L2’+L3’+L4’+L5’=-2.0+3.0+2.0-0.5-0=2.5mm。PQS 中 前門翼子板間隙標(biāo)準(zhǔn)為3.5 ～5.5mm，公差范圍2.0mm ＜2.5mm, 且L2 尺寸精度在欠約束的安裝過程中難以控制，同時(shí)出現(xiàn)翼子板與前門上下型面的段差不均而出現(xiàn)段差不合問題，與傳統(tǒng)金屬翼子板的塑性形變不一樣，塑料翼子板由于存在彈性形變，因此對翼子板進(jìn)行按壓與撬挑的調(diào)整斷差方法并不適用。

建議措施：

（1）翼子板與前門匹配處上下設(shè)計(jì)2 個(gè)X 向緊固點(diǎn)；

（2）優(yōu)化安裝工藝，在總裝安裝翼子板時(shí)增加面差調(diào)整工序，同時(shí)考慮使用安裝工具；

（3）進(jìn)一步提升零件及安裝尺寸精度。

4.2 小結(jié)

塑料件由于其自身特性的原因，需在設(shè)計(jì)之初到零件成型及裝配過程中考慮其對整車裝配后使用帶來的影響，而其中最明顯的就是對整車裝配尺寸的變化。通過分析原因可得影響尺寸變化主要因素為塑料零件的物理特性，安裝定位點(diǎn)精度不高、裝配約束不恰當(dāng)及零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不恰當(dāng)造成裝配調(diào)整困難等原因。

現(xiàn)在，塑料替代傳統(tǒng)的鈑金件越來越多的出現(xiàn)在車身外覆蓋件上，如何控制塑料件與鈑金件、塑料件與塑料件間的配合成為整車制造關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。本文從材料特性、零件設(shè)計(jì)、裝配工藝、尺寸控制等方面分析塑料件與鈑金件的差異，并通過實(shí)例提出塑料外飾件配合控制的方法。未來我們將研究更好的設(shè)計(jì)和控制方案，在塑料件更大范圍的應(yīng)用下，保證整車良好的外觀匹配質(zhì)量，制造出更好、更美觀的車身。