试论汽车塑料保险杠设计与制造有关技术

轿车的前后保险杠基本都采用比重较小、可塑性好的塑料。目前国外发达国家和地区车用塑料已占塑料总消耗量的7-11%，而我国经济型轿车每辆车塑料用量为50~60kg，中型载货车塑料用量仅为40~50kg。预计未来10年内，轿车自身重量还将继续减轻20%。新型轻量化塑料材料的开发与应用将继续成为汽车材料的热点。因此，研究汽车塑料保险杠在汽车上的应用迫切需要。

1 可制造性分析

1.1开模方向和分型线设计

保险杠在开始设计时首先要确定其开模方向和分型线，检查零件所有断面是否存在无法脱模的负角，尽量避免侧壁凹槽或与脱模方向垂直的孔，以保证尽可能减少抽芯机构和消除分型线对外观的影响，这样可简化模具结构。

1.1.1开模方向确定后，产品的加强筋、卡扣、凸起等机构尽可能设计成与开模方向一致，以避免抽芯减少拼缝线，延长模具寿命。

1.1.2保险杠的开模方向一般为车身坐标X方向，如果开模方向设计成与X轴不一致，则必须在产品图中注明其夹角。

1.1.3开模方向确定后，可选择适当的分型线，以改善外观及性能。

1.2脱模角度

1.2.1适当的脱模斜度可避免产品表面拉伤。光滑表面的脱模斜度应大于0.5°，细皮纹表面大于1°，粗皮纹大于1.5°。

1.2.2收缩率大的制件选用较大的脱模斜度;对于大尺寸制件或尺寸要求高的制件采用较小的脱模斜度。

1.2.3适当的脱模斜度可避免产品顶伤。

塑料件设计必须考虑脱模角度，避免脱模角度为零或负角。脱模角度越大，零件越容易脱模，但容易造成零件厚度不均，影响制造精度。一般脱模角度与零件深度有关，最小和最大脱模角度可参考表1。但皮纹件脱模角度相对非皮纹件需大些，具体与皮纹深度有关，一般每增加0.025mm皮纹深度需增加1°脱模角度，皮纹深度增加时脱模角度随之加大。

1.3结构合理性设计

保险杠一般均通过螺栓、卡扣等连接件与车身本体或相邻件诸如翼子板等相连。为保证汽车外型的美观和防盗，安装点设计尽量隐藏在产品内部，但同时为方便维修拆卸，设计时更需考虑在更换零件时尽可能少拆或不拆周边零件。当产品尺寸很大时，需要把产品分成几个易加工的单件。江铃福特一款新车保险杠因尺寸太大，如果做成一个整体，模具很难实现，模具费用也会增加很多。最后把该保险杠分成三段，每段加工完后通过螺栓装配在一起，如图1所示。这样提高注塑产品结构的刚性，减少变形，尽量避免平板结构，合理设置翻边，凹凸结构。

2 可靠性设计措施

尽量避免零件局部突出过大的悬臂结构，如图2前保险杠左右两侧安装点区域刚性较差，装配后零件易变形。设计时需在该区域各增加一个塑料支架以起加强作用。

3 制件的壁厚确定

3.1应尽量壁厚均匀、厚度适当、不应有突变，厚度不同时应逐渐过渡。

3.2各种塑料均有一定的壁厚范围，一般0.5～4mm，当壁厚超过4mm时，将引起冷却时间过长，产生缩痕等问题，应考虑改变产品结构。满足要求时尽量减小壁厚。

3.3壁厚不均会引起表面缩印。如PP、POM、PE、PA更为显著。汽车外饰件一般壁厚取2.5+0.25mm，大型件如保险杠取3+0.25mm至3.5+0.25mm。

4 加强筋设计注意事项

4.1加强筋的合理应用，可增加产品刚性，减少变形。

4.2加强筋的厚度一般不大于产品壁厚的1/3，特殊条件下(如满足强度要求的前提下)需小于产品壁厚的1/2，否则引起表面缩痕。

4.3加强筋的单面斜度应大于1.5度，以避免顶伤。

4.4多条加强筋相互错开、布置得当，之间的距离大于4t(t为塑件件壁厚)。筋的高度低于3t，不易过大，否则会使筋部受力破损。

4.5螺钉柱子的筋应低于柱子端面1mm，筋至少需要低于零件表面或分型面1mm。

4.6设置方向应与槽内料流方向一致，为了增加保险杠的强度，设计产品避免料流干扰而损害产品的质量。的加强筋又将导致产品出现收缩痕，时需要在保险杠背面做加强筋，但增添杠在设计时克服了这些难点，严重影响产品外观。

如图3所示。该保险构设计在产品棱线上，巧妙地把容易产生收缩痕的加强筋和安装柱等结实现了既不影响产品外观，又增强了产品强度。

5 支撑面

若用整个面作为零件的支撑面，稍有变形就会影响与车身的配合。因此实际常采用凸边或者局部凸起的支角作为支撑面。

图3 保险杠的加强筋与安装柱

6 圆角

外饰件表面不可有尖锐的楞线，凸出车身的外饰件圆角必须按相关标准设计，如我国 GB11566《轿车外部突出物》对其有严格规定。在保险杠内外表面的转折处应设计圆角，这样即可以提高产品机械强度和改善外观质量，同时可以提高熔融塑料在模具型腔的流动性。一般零件最小圆角取R0.5，但零件分型面避免有圆角，否则将增加制造成本和难度。

7 孔

保险杠上的各种孔必需设置在不减弱产品机械强度的部位，其形状也需方便模具制造。孔与壁之间应保持一定距离，孔至边界最小至少是孔径的1.5倍。

8 保险杠材料性能要求

韧性高:在低速下发生碰撞时，要防止行人受伤及车辆损坏。

外观方面:设计自由，不发生热变形，对环境不敏感，耐划伤，不出现裂纹、缩孔等。

易于喷涂。

零间隙:线性膨胀系数尽可能低(PP类保险杠材料模具收缩率一般在0.8- 1.0%较好)。

薄壁化:丰田公司将纳米PP复合材料用于汽车前后保险杠，使原保险杠厚度由4mm减至3mm，重量减轻约1/3。要求材料具有高流动性(MFR≧18g/10min)。

PP为基体的一种改性方式介绍:以PP为基体树脂、以EPR为增韧剂，辅以少量PE，通过交联改性，并添加一定量的刚性无机填料，制成超高冲击强度保险杠专用材料。在实际应用中，技术工艺容易掌握、生产工艺稳定、成型性能良好，产品外形尺寸稳定。同时，制品的主要技术质量合乎标准。以PP为基体树脂，以一种新型聚烯烃热塑性弹性体乙烯-辛烯共聚物POES为增韧剂，乙烯-丁烯共聚物为助增韧剂，用处理过的CaCO3为无机增刚、增韧填充剂，通过动态微交联剂的动态微交联作用，制成了聚丙烯汽车保险杠专用材料，性能达到相关指标的要求。采用国产设备、国产聚丙烯，选择合适的工艺和先进的配方，完全可以生产出合格的轿车用保险杠料，达到了进口料的标准。根据保险杠的要求，这款保险杠的材料选用质轻(密度:0.92留cm3)、韧性好、流动性好 (MFR:15g/10min)和化学性能好的一种改型PP。

9 模具安装与注塑工艺

注塑模具安装包括以下七部分:预检模具、吊装模具、紧固模具、闭模松紧度的调节、低压保护调节、顶出距离和顶出次数调节、接通冷却水管或加热线路。

注塑过程包括合模、升压、注射、保压、冷却(PP材料由熔融状态降低到约60℃)、塑化、卸压及取出等动作过程。

注塑工艺五大要素:温度、时间、压力、速度、行程

注塑应考虑三个方面，模具，设备，工艺，其中工艺有温度，压力，时间，距离，速度。

10 产品生产中的相关缺陷种类

注塑过程中树脂需经过受热软化、熔融、注射、保压和冷却定型等五个阶段的物理变化过程，树脂内部产生大分子定向、结晶以及残余应力等。由于塑料熔体的流动过程是一个极为复杂的过程，各种因素相互影响。注射成型过程中的成型参数(如注射压力、保压压力、螺杆背压、注射速度、注射量、锁模力、加热筒温度、模具温度、保压时间和冷却时间)选择（下转87页）（接上47页）不当或材料和模具本身存在的问题，会使注塑制品出现许多不良现象。缺陷的种类很多。在保险杠实际生产过程中，主要关注填充不足(也叫缺料)、熔接痕、收缩痕、气穴、翘曲、飞边等几种影响产品外观质量的缺陷。

总之，由于汽车的特殊功能，保险杠在设计时必须坚持标准化，系列化，通用化的“三化”设计原则，同时满足合理性，先进性，维修方便性，可靠性，经济性，制造工艺性的 “六性”要求。

参考文献：

[1]周伟.浅谈当代汽车保险杠的设计[J].企业科技与发展，2008，(20).

[2]周一兵.汽车塑料发展现状及趋势[J].国外塑料，2008，(01).

[3]李永泉，李峰，孙晋.基于Moldflow的汽车保险杠注射成型分析[]].中国塑料，2010，(07).

作者简介：

吕雪（1981.9—）汉族，辽宁海城人。广西城市职业学院机电工程分院助教。

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