某车型前保险杠材料性能特征分析与匹配优化

赵博文，王晶琦，郑 凯，张 璞，张 琪，丁祖学Zhao Bowen，Wang Jingqi，Zheng Kai，Zhang Pu，Zhang Qi，Ding Zuxue

某车型前保险杠材料性能特征分析与匹配优化

赵博文，王晶琦，郑 凯，张 璞，张 琪，丁祖学
Zhao Bowen，Wang Jingqi，Zheng Kai，Zhang Pu，Zhang Qi，Ding Zuxue

（北京汽车集团越野车有限公司，北京 101300）

静态感知质量提升在汽车研发设计过程中是一个系统性、复杂性的工程，其对保险杠及其相关部件的匹配精度及稳定性有极高要求。由于不同注塑材料的性能与结构研究尚不完善，所以外饰件的匹配成为新车开发过程中的一个难点。介绍了某车型前保险杠匹配的方法，同时针对材料的性能与工艺特点提出一种有效的解决方案。基于注塑工艺的原理，通过优化注塑克重、调整冷却工装等，在保证所需物理和机械性能的前提下，成功地将前保险杠两端向尺寸控制在设计范围内，同时避免修模所带来的高额成本，将产品合格率从50.3%提升至100%。

感知质量；前保险杠；尺寸匹配；材料性能

0 引 言

近年来，随着整车制造水平的快速发展，人们对车辆外观感知质量的标准不断提高。轮眉与前保险杠是整车前围装饰及造型的主要部件，且对车身面具有一定的防护功能，需要保证其安装方便及牢靠。整车轮眉与前保险杠匹配已成为内外饰工作的一项重点内容，大多采用注塑成型工艺，这是一个复杂的多因素耦合作用的动态加工过程，每个因素都对制品的成型质量有重要影响；其中成型收缩等是影响制品质量的关键，其不仅影响注塑制品的尺寸精度与表观质量，还会引起制品结构变形与内在质量缺陷[1]。汽车轮眉与散热器均需要与车身配合，一旦尺寸发生超差，会出现间隙或面差，影响整车感知质量[2]；因此，如何通过优化注塑工艺保证注塑件的尺寸以满足整车匹配间隙和DTS（Dimension Technical Specifica- tions，面差标准）成为了难题[3]。

1 问题描述

某款车型在批量装车验证过充中，其前轮眉与前保险杠匹配不良，部分车辆存在间隙超差（1.1～1.3 mm）、面差超差（1.1～1.3 mm），如图1所示，DTS中要求间隙为（0.5±0.5）mm，面差为（-0.5±0.5）mm。

图1 前轮眉与前保险杠间隙、面差超差

图2为该款车型每日故障率曲线，从图中可知，在连续19天的试生产过程中，间隙、面差超差的平均故障率约为50.3%。由于故障处于表面明显可见区域，对车型整体感知质量及第一印象有很大影响，亟需解决。

图3为前轮眉与前保险杠匹配模型，将故障区域划分为4个位置。表1为2辆故障车前轮眉与前保险杠的DTS实测数据，从数据可知，1#、2#整车的间隙测量数据在位置1、位置2处全部符合DTS要求，位置3、位置4处的合格率为25%；1#、2#整车的面差测量数据在位置1、位置2处符合公差要求，在位置3、位置4处前保险杠外表面明显高于轮眉本体，合格率为12.5%，且位置4处的面差为1.1～1.3 mm，超出设计值(-0.5±0.5) mm，故障严重。

图2 前轮眉与前保险杠间隙故障率

图3 前轮眉与前保险杠匹配模型

表1 故障车前轮眉与前保险杠的DTS实测数据 mm

注：LH（Left-Head ，车头左前），RH（Right-Head，车头右前）。

2 原因分析

整车内外饰匹配质量分析一般从人、机、料、法、环、测等方面进行。通过前期调查初步分析，前轮眉与前保险杠DTS超差可能由人员装配问题、白车身精度问题、轮眉与散热器单品尺寸问题等造成。

2.1 轮眉与前保险杠装配分析

图4为前轮眉与前保险杠装配顺序图，其为大灯支架总成—前大灯总成—前轮眉总成—格栅总成—前保险杠总成—前轮眉饰条总成。按照装配顺序及相关工艺卡要求，连续选取总装线上10台整车进行跟踪，确认总装装配人员和装配过程符合工艺要求，装配顺序及要点均按照工艺卡执行；将1#、2#故障车相关部件拆解，按工艺卡要求重新装配，故障复现，且2次测量值基本一致，判断DTS问题非由装配造成。

图4 前轮眉与前保险杠装配顺序

2.2 白车身安装点精度分析

图5为白车身前部三坐标测量，由测量数据可知，中央支撑安装螺母、前大灯安装支架螺母、翼子板安装螺母孔位合格率达97.9%，符合公差要求。这些孔位均为前轮眉与前保险杠安装于车身的相关安装孔位，一致性较好，判断DTS问题与白车身精度相关性较低。

图5 白车身前部三坐标测量

2.3 零部件尺寸及匹配分析

零件尺寸不合格（尺寸超差）也是造成不匹配问题的一个可能原因。轮眉、前保险杠的个体尺寸对相互匹配有重要影响，分别对相关尺寸进行检测。图6为前轮眉通过专用检具检测，经检验，轮眉所有检测面的间隙和面差合格，判断DTS问题非轮眉尺寸超差造成。

表2为1#故障车前保险杠在CUBING（标准车身，一种检具）上的DTS实测数据，其测量数据与实车数据高度一致，在位置3、位置4处存在严重超差问题，间隙超差最大值为1.25 mm，面差超差分别为1.1 mm、1.3 mm。

表2 1#故障车前保险杠CUBING的DTS实测数据 mm

图7 前保险杠两端Y向尺寸测量数据

随机挑选10个前保险杠进行两端向尺寸测量，从图7可知，前保险杠两端向尺寸为1 850.5～1 852 mm，高于设计值(1 848±1) mm，结合前保险杠与轮眉两端的搭接结构，判断前保险杠两端向尺寸超差导致在位置4无法与轮眉贴合，产生较大的面差超差（左、右各超差1.6～1.75 mm），同时对两零部件配合间隙以及位置3处DTS产生一定影响；因此，判断前保险杠两端向尺寸超差为轮眉与前保险杠匹配不良的主要原因。

3 改善方案

3.1 注塑克重优化

经调查，前保险杠供应商自行调整了工艺参数，增加了进料量的克重，变为1 885～1 895 g（锁定的零件克重比普遍增加约53 g，最大增加93 g），导致前保险杠尺寸变大；因此，通过调整进料克重进行改善。经过2轮工艺参数摸索，确定供应商需严格控制前保险杠克重为（1 825±10）g。经过多次试验对比，料重过大对前保险杠尺寸超差的影响为0.5～0.65 mm。

为了进一步减小前保险杠向尺寸，尝试继续降低进料克重，但是通过多轮注塑参数调整，前保险杠选用的PP+EPDM-T20（聚丙烯+三元乙丙橡胶+20%滑石粉）材料已达最小尺寸极限，再降低克重会使本体表面出现塑痕，无法接受。

进一步提出更换注塑材料的方案，表3为不同注塑材料物理与机械性能，可以看出，厂家1、厂家2与故障车型的前保险杠材料均为PP+EPDM-T20，其在熔体指数、悬臂梁缺口冲击强度、弯曲模量方面均表现优异，同时具有符合行业发展趋势的轻量化、薄壁、高刚性等性能，现已在多款车型中应用。材料API-1925、API-2010悬臂梁缺口冲击强度偏低，存在脆断风险；材料ABP-1507弯曲模量偏低，其注塑产品刚性低，指压性能不满足要求。因此，备选材料均无法满足前保险杠性能要求，确定注塑材料不发生变化，仍采用PP+EPDM-T2。

表3 不同注塑材料的物理与机械性能

3.2 冷却、喷涂工装调整

前保险杠主要注塑材料为PP+EPDM-T20，在注塑成型、喷涂工艺过程中，由于本体材料属于结晶性材料，温度对尺寸的影响较大，即注塑成型过程中，前保险杠从模具型腔取出经空气冷却后会发生较大收缩，其原因为：（1）高分子链的伸展与卷曲（图8），材料分子链在注塑过程中发生分子链解缠—冷却固化—再次卷曲，宏观表现为注塑件收缩[4]；（2）材料中包含大量PP结晶性聚合物，材料由非晶态向结晶态转变时，内部结构会形成更加有序的排布，体积也会减少，宏观表现为注塑件收缩。

图8 注塑过程中分子链的变化过程[4]

对供应商审核发现，前保险杠冷却、喷涂工装向实际尺寸偏大（1 845～1 853 mm），如图9所示，没有充分考虑前保险杠冷却后收缩实际情况，使本体零件在冷却、喷涂烘烤后，工装向限制面A与本体干涉，无法自然收缩，导致零件尺寸偏大，超差达到0.9～1.2 mm。

图9 前保险杠喷涂工装

为解决前保险杠无法自然收缩问题，经现场分析，制定挂具改制方案。将挂具两侧与保险杠的限制面（图9中A区域）在向进行内收，左、右两端分别内收20 mm，改进后向实际尺寸为1 805～1 813 mm，留出足够的自然收缩空间。

4 效果验证

为检测前保险杠的改善效果及前保险杠与前轮眉DTS匹配状况，采用前保险杠专用检具检测优化后的前保险杠，如图10所示，所有检测面的间隙和面差合格；此外进行装车检测，实车试装中安装无问题，安装后与前轮眉以及其他零部件配合良好，测量数据符合DTS要求（表4），经过100辆车批量验证，合格率为100%。

图10 前保险杠专用检具检测

表4 改进后前轮眉与前保险杠DTS实测数据 mm

5 结 论

针对前保险杠与轮眉匹配超差的感知质量问题，通过其装配工艺、搭接结构、零部件尺寸链验证，确认前保险杠向尺寸超差为根本原因。因此，对高分子材料分子构成及注塑过程的材料晶体变化分析，确定减少注塑克重、挂具工装内收优化方案，从而提高车头部位配合精度，满足静态感知质量要求。分析和解决问题的思路与过程希望可以为同行提供借鉴。

[1]冯志新. 基于DOE的汽车保险杠注塑工艺参数的优化方法研究[J]. 塑料工业，2017，45（7）：73-76.

[2] COLE R E，FLYNN M S. Automotive Quality Reputation：Hard to Achieve，Hard to Lose，Still Harder to Win Back[J].California Management Review，2009，52（1）：67-93.

[3]田克平，胡敏，单永飞，等. 宽体轻型客车尺寸匹配难点及对策[J]. 北京汽车，2016（1）：18-20.

[4]徐伟，罗竟涛，尧永春，等. 汽车PP保险杠注塑成型收缩及涂装后收缩的研究[J]. 汽车科技，2015（2）：58-62.

2021-06-22

1002-4581（2021）05-0028-05

U463.32+6

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.05.008