秦 柳，肖 勇，丁玉梅，虞華春，朱國才，楊衛(wèi)民＊

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.寧波格林美孚新材料科技有限公司，浙江 寧波315000；3.溫嶺市旭日滾塑科技有限公司，浙江 溫嶺317511；4.汽車塑化裝備制造重點實驗室，北京100029）

0 前言

近幾年，我國汽車產(chǎn)銷規(guī)模迅速擴大，汽車產(chǎn)業(yè)以成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。但隨著汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也帶來了環(huán)境污染和能源短缺兩大嚴重的負面影響車身輕量化是新能源汽車領域的關鍵技術之一，汽車輕量化已經(jīng)成為世界各國汽車制造商最新核心競爭力的體現(xiàn)［1］。

未來的汽車將是更加安全、輕便、舒適、環(huán)保、具有經(jīng)濟性，結構可以完美地與其使用要求相吻合，并且低排放、低能耗、高安全性是汽車產(chǎn)品發(fā)展的最終目標。因此，汽車輕量化是必然的選擇。汽車車身輕量化技術包含了許多新理論、新材料、新工藝。汽車車身塑化制造輕量化是在保證汽車強度和安全性能的前提下，盡可能降低車身的質(zhì)量，從而提高汽車的動力利用率，減少能源消耗，降低環(huán)境污染。

目前國內(nèi)外的各大研究機構和汽車制造廠商都在致力研究優(yōu)化車身結構及零部件結構的輕量化設計，歐洲的汽車自重與10年前相比平均減輕20%～26%，并且在某些結構部位呈現(xiàn)出“以鋁代鋼”、“以塑帶鋼”的趨勢；美國汽車零件的復合材料用量達數(shù)十萬噸［2－3］。北京化工大學與寧波格林美孚新材料科技有限公司以及溫嶺市旭日滾塑科技有限公司經(jīng)過多年合作研發(fā)，已成功攻關了全塑車身整體一次成型技術，如圖1所示。

圖1 新能源汽車全塑車身Fig.1 All－plastic body of new energy vehicles

1 全塑車身輕量化結構設計

全塑車身輕量化結構設計，主要涉及開發(fā)新的設計方法、創(chuàng)新結構，實現(xiàn)對汽車車身的精簡、整體化、輕量化。設計主要采用計算機輔助設計（CAD）／計算機輔助工程（CAE）／計算機輔助制造（CAM）一體化技術將離散拓撲優(yōu)化與結構尺寸優(yōu)化相結合，運用有限元分析技術進行結構及工藝過程分析，結合參數(shù)反演技術、多目標全局優(yōu)化等現(xiàn)代汽車工業(yè)設計方法，對汽車總體結構進行分析和優(yōu)化。

由于所選擇的對象是高分子材料全塑車身，因此整個設計思路擯棄了金屬車身的分塊拼裝、焊接方法；此外，旋塑成型工藝的優(yōu)勢是適合制備大型及超大型中空塑料制品，可以整體加工復雜曲面的塑料制品，滿足汽車外觀的線條流線型和圓滑曲面，如圖2所示為所設計的全塑車身整體一次成型結構。因此在滿足設計性能要求的前提下，全塑車身輕量化結構設計盡可能使整體車身薄壁化、中空化、小型化、復合化，用形狀優(yōu)化實現(xiàn)汽車車身的輕量化，以獲得最輕的整體結構設計。

圖2 全塑車身整體結構設計Fig.2 Structure design of all－plastic body

2 全塑車身超輕纖維增強微分發(fā)泡技術

高分子材料在超輕汽車車身的加工中已經(jīng)得到了廣泛的應用，尤其是聚乙烯（PE），因其加工成型溫度廣，在旋塑成型超輕汽車車身中越來越受重視。但是采用旋塑成型制備的純PE 制品收縮率大、力學性能差，雖然通過加厚車身或在車身內(nèi)預埋龍骨的方法能起到一定作用，但是會加大車身的質(zhì)量，且增加加工難度，無法實現(xiàn)真正意義的超輕汽車車身。此外，如果單純通過添加纖維增強改性，無論是預先混合還是后混合都無法使纖維與原料均勻混合，所加工的旋塑汽車車身制品力學性能不穩(wěn)定。圖3所示為纖維增強微分發(fā)泡超輕汽車車身旋塑成型方法所加工的纖維增強微發(fā)泡復合材料結構示意圖。

圖3 纖維增強微發(fā)泡復合材料結構示意圖Fig.3 Fiber reinforced micro－foaming composite

該全塑車身超輕纖維增強微分發(fā)泡技術首先利用混合機對原料粉末顆粒和纖維進行混合，形成混合物：然后，利用高壓容器對上述得到的混合物進行微發(fā)泡，形成纖維增強微發(fā)泡復合材料；最后再利用旋塑成型機纖維增強微發(fā)泡復合材料進行加工，制備超輕汽車車身。

3 成型設備熱流分析與能效優(yōu)化

熱空氣對流，明火直燒和液體導熱是旋塑成型通常采用3 種加熱方式。其中熱空氣對流加熱方式清潔、安全，且容易控制旋塑設備烘箱內(nèi)的溫度場［2－3］，因此，熱空氣對流加熱方式被選作為全塑車身整體塑化一次成型的加工方法。但由于旋塑設備烘箱內(nèi)部的熱空氣時刻都處于運動變化的狀態(tài)，且由于車身結構尺寸大、形狀復雜，有效地控制旋塑設備烘箱中車身模具工作區(qū)域的熱空氣溫度場便是保證全塑車身整體一次成型的關鍵。本文利用Fluent［4］流體力學軟件來模擬分析旋塑設備烘箱內(nèi)溫度場的分布，保證車身模具旋轉運動的空間區(qū)域的溫度能快速達到工作溫度，并保證持續(xù)、均勻、穩(wěn)定。圖4所示為全塑車身旋塑成型有限元分析模型。

首先利用Fluent軟件，對穿梭式旋塑成型機的烘箱溫度場進行模擬分析。如圖5 所示，首先針對溫度場不均勻的現(xiàn)象，模擬分析烘箱內(nèi)部的溫度場和速度場分布；得出烘箱溫度場和速度場的分布情況以后，仿佛優(yōu)化結構模型，分析原因并提出改進方案，最后根據(jù)模擬分析的指導方案，如圖6 所示。最后根據(jù)優(yōu)化結果，改進旋塑成型機烘箱及風道的結構形式，并進行對比試驗，驗證改進后的出風口結構是否能有效地控制烘箱內(nèi)溫度場的分布，縮短烘箱內(nèi)的升溫時間，提高全塑車身的質(zhì)量精度。

圖4 全塑車身旋塑成型有限元分析模型Fig.4 The finite element analysis model of rotational molding of all－plastic bodies

4 全塑車身旋塑成型無線測溫技術

溫度是影響旋塑成型工藝的主要因素，在旋塑成型工藝控制參數(shù)中：設備結構、模具結構和聚合物原材料一定的情況下，旋塑成型的溫度參數(shù)對制品的質(zhì)量有直接的影響，尤其是加工大型復雜制品時，溫度參數(shù)的精確控制保證制品質(zhì)量精度的關鍵［5－6］。目前的旋塑成型工藝主要應用于加工大型塑料容器、戶外設施，對尺寸進度和力學性能的要求較低，因此，旋塑裝備大都沒有配備溫度實時監(jiān)測裝置，很難控制旋塑成型工藝過程中烘箱內(nèi)部各點的溫度。因此，為了保證全塑車身加工的精度，北京化工大學與溫嶺市旭日滾塑科技有限公司聯(lián)合開發(fā)了多通道無線測溫裝置，可以對烘箱內(nèi)部多點的溫度、模具內(nèi)外壁的溫度和物料的溫度變化進行實時監(jiān)測。測溫原理圖如圖7所示。

圖5 改進前烘箱的速度場與溫度場分布圖Fig.5 Velocity and temperature distribution figure of the oven before improvement

圖6 改進后烘箱的速度場與溫度場分布圖Fig.6 Velocity and temperature distribution figure of the oven after improvement

圖7 旋塑成型無線測溫儀原理圖Fig.7 The schematic of rotational molding wireless thermometer

該無線測溫儀設置4 個通道，可以精確地監(jiān)測旋塑成型工藝過程中的溫度參數(shù)。該無線測溫裝置主要包括信息采集模塊、信息處理模塊、FSK 射頻發(fā)射器、內(nèi)部電源、FSK 射頻接收器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖8所示為該無線測溫儀零件。其中，信息采集模塊包括4個K型熱電偶，用于測量不同點的溫度。1個K 型熱電偶安裝在車身模具的內(nèi)部空間中，測量旋塑成型過程中物料的溫度變化；1個K 型熱電偶安裝在車身模具的內(nèi)壁上，測量旋塑成型過程中車身模具的內(nèi)壁溫度變化；1個K 型熱電偶安裝在車身模具的外壁上，測量滾塑成型過程中車身模具的外壁溫度變化；1 個K型熱電偶均勻布置安裝在旋塑設備的模具架上，測量旋塑成型過程中烘箱內(nèi)部的溫度變化。如圖9所示為安裝在模具架上對工藝過程進行監(jiān)測的無線測溫儀，圖10為測溫儀對4個點的監(jiān)測曲線。

圖8 旋塑成型無線測溫儀實物Fig.8 The entity of rotational molding wireless thermometer

5 大型車身模具單元分塊快速開合模

圖9 無線測溫儀現(xiàn)場實驗Fig.9 The field experiments of wireless thermometer

圖10 無線測溫儀實測的溫度曲線Fig.10 Measured temperature curve of wireless thermometer

此外，一次加工成型全塑車身對模具的加工精度、開合模速度、制品統(tǒng)一性有更高的要求。目前旋塑模具普遍采用的制作方法主要有鋁合金鑄模、鋁合金焊接模和鋼板焊接模3種類型，模具的組裝方式基本都是考慮方便制品脫模而采用大量的螺栓連接固定［7］。對于加工像全塑車身類形狀復雜的制品，模具體積和質(zhì)量大、表面結構復雜，若采用不規(guī)則多個方向模具的分塊方式，安裝、拆卸模具時需要翻轉調(diào)節(jié)模具角度，造成開合模難度大、效率低，且當拆卸大塊局部復雜結構的分塊模具時，容易使其裝配精度降低，分塊模具之間的安裝配合錯位。鑒于此，我們采用大型復雜鋁合金模具單元分割組合成型的方法，對全塑車身模具進行三維單元分塊，如圖11所示。

圖11 大型復雜鋁合金模具單元分割組合成型的方法Fig.11 The method of the forming large and complex aluminum mold by element partition and combination

該模具分塊方法主要針對模具型腔的形狀，直接把所制復雜制品的模具沿三維方向進行單元分割，然后利用鋁合金鑄造成型技術制造鋁合金微元，然后采用螺栓組件或快速夾具對微分單元進行組合安裝，拆模具時，根據(jù)制品形狀可任意選擇開模。如圖12所示為采用此方法加工制造的模具。

圖12 大型復雜鋁合金模具單元分割組合成型實物Fig.12 The entity of the forming large and complex aluminum mold by element partition and combination

通過這種單元分割組合成型結構和方法，可以將形狀負責的全塑車身模具化整為零，降低了車身模具整體加工的難度，且安裝組合方便，提高了裝模與脫模的效率，維修方便，此外，此種結構方法可防止拆卸大塊復雜模具時模具錯位和制品卡死現(xiàn)象的發(fā)生，提高了模具的使用壽命，并保證了制品的表觀質(zhì)量。

6 結論

（1）新能源汽車全塑汽車車身采用獨特的旋塑成型工藝成型復合材料車身，簡化了傳統(tǒng)的汽車車身制造工藝包括沖壓工藝、焊接工藝以及涂裝工藝，同時縮短了車身成型周期，簡化了成型設備，易于汽車的生產(chǎn)與研發(fā)；

（2）新能源汽車全塑汽車車身采用輕量化整體結構設計，以超輕纖維增強微分發(fā)泡技術實現(xiàn)全塑車身整體強化，以達到車身制品力學性能穩(wěn)定；

（3）通過Fluent優(yōu)化旋塑設備烘箱進出風口結構形式，并通過無線測溫儀精確監(jiān)測旋塑成型工藝過程中的溫度參數(shù)，以實現(xiàn)控制烘箱內(nèi)溫度場的分布，縮短烘箱內(nèi)的升溫時間，提高全塑車身的質(zhì)量精度；

（4）新能源汽車全塑汽車車身采用大型車身模具單元分塊快速開合模技術，通過將復雜車身模具化整為零，實現(xiàn)了一次加工成型全塑車身，同時提高了安裝效率，減少維修。

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［2］ 李正其，龍仕彰，張 鵬.長纖維增強熱塑性復合材料在汽車前端模塊中的應用［J］.汽車工程師，2012，（2）：52－55.Li Zhengqi，Long Shizhang，Zhang Peng.LFT Application in the Module Front End of Automobile［J］.Auto Engineer，2012，（2）：52－55.

［3］ 馮 奇，范軍鋒，王 斌，等.汽車的輕量化技術與節(jié)能環(huán)保［J］.汽車工藝與材料，2010，（2）：4－6，11.Feng Qi，F(xiàn)an Junfeng，Wang Bing，et al.Automobile Lighting for Energy Conservation and Environmental Protection［J］.Automobile Technology ＆ Material，2010，（2）：4－6，11.

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［7］ S J Liu，C H Tsai.An Experimental Study of Foamed Po－lyethylene in Rotational Molding ［J］.Polym Eng Sci，1999，39：1776－1786.