玻璃纤维增强塑料FRP在汽车车身上的应用

：型整：三苎：丝鱼： 玻璃纤维增强塑料IF即l在汽车车身上的应用 北京吉普汽车有限公司 郭 峰 【Abs咖ct】Thi8p“perintrodueestlmhinoryandp。e靶nts姐LusofFRPmatedalused呲vehicleb甜y8parepans，lts compoIlndprinclple，mai“pedbnnancesarldadvantagescomparedwitllsheetmetals，anddeseribesindetailthetwomain mouldi蜡p∞cessesandcharactedstlcsofF1RPⅢatedal，thespeci6。problems卸dso王lltioⅡsofFRPwhenusedon岫l“gdo啼 inChemkeeJeeDs 【摘要】概述丁rRP材料用于车身零件上的历史与现状，介绍了其材料的复台原理，主要性能，及与金属薄板相 比所具有的优点。详细地讲述了FRP的两种主要成型工艺及特点，及FRP用于切诺基吉普车举升门L遇到的 具体问及解决方法。 Topicwords：Fiberglassreinforcedplastic'Appli∞tion 主题词：玻璃纤维增强塑料应用 1 FRP应用于车身零件的历史与现状 自19世纪中叶以来，世界各汽车生产厂家都在 竞相研制和开发新的材料，以不断提高汽车性能，节 约能源，保护环境，因此越来越多的塑料及复合材料 被用来代替金属制造汽车零部件。FRP困具有强度 高、耐腐蚀、加工性好及可制造“A”级面汽车外覆 盖件等特点而被广泛应用于汽车工业中。早在1955 年欧洲就开始在汽车上使用FRP，如今FRP全塑车 身也止引起全球关注。据报道，1988年美国汽车制 造业巾FRP消耗量为31．5万t，占该国FRP总消耗 量的26．1％；加拿大为2．6万t，占总消耗量的 304％；同时，日本、英国、欧洲等地，近几年也保持 着持续高速发展的趋势。例如，美国克莱斯勒公司 开发的vIPER轿车车身由19件FRP零件组成，采 用RTM工艺进行制造。美国通用公司开发的APV 子弹头多用途旅行车，其FRP件的使用量高达147 k／辆，其中sMc的用量为114奴／辆。英国ELAN 运动车采用真空辅助树脂注射(vARI)工艺制造汽 车车身及结构件，FRP用量为150妇／辆。此外，法 国雷诺公司的EsPAcEMARKⅡ型面包车及意大利 菲亚特公司的微型车等车型在大量采用FRP方面 取得J，成功。到1996年，北美汽车制造业sMc制造 汽车零部件的用量上升到了108900t(与1995年的 90720t相比增加了20％)，其中包括27个制造厂 家牛产的125种车型中的380种汽车零部件。表1 2000年第12期 列出了美国三大汽车公司1996年sMc新件使用情 况。 表1 1996年北美汽车制造业sMC新件使用情况 公司 车刊 部件 车门、发动机罩、翼子 板、顶盖、进气u格栅、 AeIumax 前围侧板、水箱篦子板、 大灯框 福 E。p】删／Ra“舭r 横梁 水箱篦子加强板、轮 F—Se—esl、uck罩板、发动机罩、风扇 护圈、翼子板 特 F＆BMDlh】ck 发动机罩 MustangCobm 发动机罩 FoldTaunJs 散热器支架总成、杂 物箱门、油箱护板、转 ／MercuHSable 向管柱支架 BuickkSabre 萁子板接板 CadillacFleetwood翼子板裙部 散热器支架、仪表板．通 Che’ynpress 接板 ChevmImS一10 踏板接板、侧踏板总成 GMCSafad 水箱篦子加强板、前 用 门锁柱、后部装饰板、／Chevr01etAstm 侧fJ滑道 Chevrolet／(；MC 脚踏板 P—Truck 克 D0d肛ViperCo“pe 发动机罩 菜 se¨ogJxConvenible发动机罩 斯 Je印xJ／YJ 车顶总成、举升门 Voy89er／Camvan通风装置勒 Town＆Countrv 我国FRP制造业及其用于汽车上的FRP的大 27— 万方数据 ·材料·工艺-设备· 批量生产技术起步较晚。为了适应国际汽车发展趋 高了行车安全性。 势，减轻汽车质量，提高汽车性能，各汽车厂家已纷 ￡ FRP成型加工方便，可用于制作大中尺0‘、 纷与FRP生产企业联手，共同研制开发汽车用覆盖 复杂程度高和表面质量优良的制件。 件及受力结构件。如：保险杠、仪表板、举升门等零 g． 我国FRP资源相当丰富。 部件。据统计，1990年北京国际汽车展中，参展的国 h． FRP具有较好的表面涂漆工艺性。 产汽车共140辆，其中装有FRP零件的共有48辆， i． FRP可设计性好，可制备整体结构件，减 占参展车总数的34％。可见，FRP因其性能优良已少零件数，使几个零件的功能集成于一个零件，一 越来越被重视并被广泛应用。 次成型提高了制件的扭转刚性，并且有利于提高劳 根据国家规划，到2000年我国汽车产量将达到动生产率，简化工序，减少丁装设备，使得投资少、 170万辆，其中轿车65万辆。根据汽车发展规划对成本低、周期短。 相关t业提出的要求预测，2000年我国汽车玻璃钢 由此可知，FRP具有质量轻、高强度、设计性好 部件需求将达到6000t以上。 和成型性好的特点，并有和金属相近的机械性能。 2 FRP的性能、工艺 2．1 FRP的性能 FRP作为一种复合材料，其原理就是以较低模 量与强度的树脂为基体，用较高模量与强度的玻璃 纤维为骨架；基体在应力作用下可产牛塑性移动， 从而将负荷传递到骨架上，由它来承担负荷；基体 将骨架粘结同定并保护骨架，使之处于稳定状态。 这样就形成了一种高强度与高弹性模量的复合材 料。FRP材料的性能址表2。 表2兀tP的主要性能 参数 数值 相对密度 1．5—17 吸水率／％ 025 拉伸强度／MPa 80～120 拉伸模量／GPa 6～10 冲击强度／N⋯mm 0265—1．590 弯曲强度／Ml，H 5～8 压缩强度／MPa 180—220 收缩率／％ O．2 玻纤含量／％ 30 巴氏硬度 60—80 延伸率／％ O5～2 热变形温度／'： 200 2．2 FRP与金属薄板的对比 FRP材料具有如下优点： a． FRP耐化学腐蚀性好，优于金属和／k材。 b． FRP阻燃性及电绝缘性能优良。 c． }1RP具有很高的疲劳强度，良好的隔热、 隔音性能。 d． 由于科学技术不断发展，制造工艺不断改 进，使FRP机械性能已趋近于金属。 e． FRP强度高、耐冲击性及减振性能好，提 在一定条件下，其具有金属薄板不可比拟的优点。 2．3 FRP的成型工艺 2．3．1 FRP成型工艺及特点 FRP是当今附界上发展相当成熟的复合材料 技术，其成型方法主要有：手糊T岂、喷射成型工 艺、片状模翅料(sMc)工艺、层压工艺、树脂压铸成 型(RTM)工艺、缠绕成型工艺、反应注射成型工艺、 拉挤成型工艺等。 手糊工艺和RTM—【艺这两种成型方法，囡其工 艺设备简单、方法灵活、适应性强，可以连续施工， 可预埋镶嵌件，可进行局部加强，适于制造大面积 和复杂构彤的制品，所以适于小批量牛产，至今在 FRP生产--p仍占有重要的地位。例如北京吉普汽车 有限公司(BJc)在开发BJ2022“挑战者”车型及其军 用车型的过程中，在样车试制中大量使用手糊工艺 制作车身外覆盖件。 目前，BJc公司的BJ2020sY越野车硬顶的FRP 成型方法主要采用R1砒及sMc成型工艺，这两种 方法是目前汽车生产普遍使用的FRP成型方法， sMc成型工艺适于中等批量生产，并可获得较好性 能及质量的制件。表3是针对手糊、RTM和sMc成 型方法在几方面的比较。 2．3．2 RTM成型工艺的特点 RTM是指低粘度树脂在闭合模具中流动浸润 增强材料并固化成型的一种工艺技术。属于玻璃钢 复合材料成型技术中的液体成型工艺，是当前世界 rRP工业中发展速度较快的成型工岂之一。 图2为RTM工艺原理图。即树脂和催化剂经计 量泵按配比输出到混合器L卜|混合均匀后，注入已合 理铺放好预增强体的闭合模中，模具需有周边密封 和紧固，并保证树脂流动顺畅，然后进行固化。 从图2及表3中，可得出RTM成型工艺具有以 汽车技术 万方数据 材料·工艺·设备 F主要特点： a． 用RTM工艺进行生产，可根据生产规模的 要求，采用不同材料不同档次的模具，可最_人限度地 降低成本，从而获得较佳经济效益。 b． RTM工艺属于闭模树脂注人方法，可最大 程度减少树脂等有害成分对人体和环境的毒害，符 合环保要求。 c． RTM工艺采用低粘度快速固化树脂，生产 过程中可对RTM模具加热，从而进一步提高生产效 率和产品质量。 d． 用RTM工艺有利于制备大巾尺寸、复杂 形状、两面光的整体结构什，尺寸精度好，表面质量 好，机械性能好。 e RTM成型工艺中的增强材料预成型体，可 根据性能要求进行择向增强、局部增强、混杂增强及 采用预埋及夹芯结构，可充分发挥FRP的性能可没 计性。 表3 手糊、RTM、sMc成型工艺的比较 项目 手糊 RTM SMC 表面质量 一般 很好 极好 强 度 良好 很好 一般 叫否方向性增强 可 町 否 成型形式 开模 闹模 闽模 制品厚度是否均匀 小匀 均匀 均匀 材料浪费量 较多 较少 较少 玻璃纤维含量 不稳定 稳定 稳定 废晶率 较多 较少 较少 预埋件 可以 可以 可以 单模年产萤／件 5000 5()000 初始投资 低 中等 高 修边工作量 较多 较少 极少 R寸精度 一般 好 极好 模具寿命／次 3000～4000长期 模具成本 较低 稍高 极高 卡 缓忑树脂玻璃纤维增强材料催化剂树脂 图2 RTM成型原理|冬| 所以，从产品经济性考虑，RTM是中等规模和 中等生产节拍的成刑工艺，介于低成本、低效率的手 糊上艺和高成本、高效率的sMc工艺之间。其初始 2000年第12期 投资较少，成术较低，开发周期较短，设备较低廉，经 济效益较优，适于多品种、小批量的汽车生产。 2．33 sMc成型_T艺的特点 sMc是一种新型的玻璃钢模压材料，它是由含 有不饱和聚酯树脂、引发剂、化学增稠剂、低收缩添 加剂、填料、脱模剂、颜料等组分的树脂充分浸渍短 切玻璃纤维(或毡)，经机械成型，上下两面覆盖聚乙 烯薄膜的片状模压材料。 sMc片材的制造过程见图3。制好的sMc片材 厚为2znm～4mm，单位面积质量25b／m2，制造零 部件时，有时需2～3层熏叠起来模压成型。 图3 SMC片材加工不意图 制造sMc零件的成型方法为模压成型。sMc片 材可在加热的模具中流动，便于制造带有筋、凸起及 不等厚的覆盖件。其成型时同取决于成型温度、压力 和所用树脂一引发剂系统及制件壁厚(一般1mzn壁 厚为lmin)。成型温度为130℃～150℃，还可根据 需要对模具的上、下部设置不同的温度，要求光洁的 一面模具温度应高出lo℃～15℃。对sMc制件， 其模具寿命可达100万次脱模，生产效率很高，生产 周期短，仅为1min～8min。 从表3、表4及以上论述，可得出sMc成型工艺 具有以下特点： a． sMc成型生产效率高，制件强度高，机械 性能好。 h． sMc制件有较好的涂漆工艺性。 c． sMc成型为闭模成型，可最大程度减少树 脂等有害成分对人体和环境的毒害，符合环保要 求。 d． sMc模压成型可得到尺寸准确、各面均光 滑的制件，产品质量相当稳定。 e． 一体一次成型工艺，并町预埋制件、采用 夹芯结构，具有很好的可设计性。 ￡ 模具寿命可达100万次脱模，大批量生产 时可获得较好的经济效益；但模具及设备昂贵，初始 投资大，生产准备周期长。 目前，BJc的BJ2020sY硬顶车的车门上部本 万方数据 万方数据 万方数据 央胶减振钢板电阻点焊试验研究 长春汽车材料研究所 刘国山许嘉平张雷王子国 第一汽车集团公司车身厂 李丽芹 李 蕾 【Abstract】weldi“gtheth㈣-mouldedoⅡd咖一∞nductedtype山脚piIlg8kelplatecanbedoⅡethroughelect^c瞄ls【mnce hea‘pmducedto咄hthedampiogrubberinst∞lplatewhenthdectdccuH℃ntformeda100p1nlheworkpiecesingkpointand c。ntinuou8pointsweIdi”gtestsar8Pe“omedby“si“gdi讹陀nt8peci矗catIonsandparamele碍resp。cti"lyand㈣facto鸭affectlTlg weIdi“gq“ality8rearLaly2edand㈣solutlonsareput如rw甜- 【摘要】热可塑非导电型减振钢板的焊接是通过电流在工件I构成回路时，利用其产生的电阻热将减振胶熔化后进行的。 分别采用不同的参数进行单点、连续点焊试验，对试验中影响焊接质量的因素加以．并提出解决方法。 Topjcwords：D蛐piⅡ舀Steelplate，weldjng，Res翰rcb 主题词：减振钢板焊接研究 ， 昔÷ 的钢板，如图1。 工 HUi 随着环保要求的提高，对汽车噪声的限制越来 越严格，因此，适合于汽车生产使用的减振钢板得 到了广泛应用，如轿车发动机气门罩盖和油底壳。 该钢板中间有一层不导电的减振胶，按传统的电阻 焊原理不能形成熔核，为实现该钢板的焊接生产和 保证质量稳定，需要通过焊接工艺试验研究其焊接 原理、工艺方法、工艺参数及质量保证措施。 2 减振钢板的焊接原理研究 2．1减振钢板的特点 减振钢板是在两层金属板之间夹一层减振胶 树脂胶 图1 这种钢板有导电型和非导电型两种，导电型是 在减振胶中加了导电粒子，可按常规工艺方法焊 接，但价格比非导电型贵。我们试验和生产中采用 的是热可塑非导电型减振钢板。有日本NKK公司 和宝钢生产的两种。NKK生产的钢板性能指标见 表1。 g． sMc零件装饰性强，性能稳定，没有锈蚀 等问题。 h． sMc零件结构较金属薄板件复杂，厚度较 大，尽管sMc密度比金属小得多，但总质量还是较 重。 ；． 成型较金属薄板容易，一次成型，且没有 深度限制及圆角等金属拉延中的制约，有利于发挥 造型特点。 j． 维修性能较差。 k． 附加的工艺，如粘接、喷底漆等较复杂。 1． 回收再利用的技术有待完善。 只有掌握了sMc的这些优缺点，以及RTM和 手糊工艺的特点，并且充分利用它们，扬长避短，运 用新技术(如减轻质量的低密度成型技术，降低成 32 本的低压成型技术，提高表面质量的模内涂饰技术 等)，才能使FRP在汽车工业有更大的发展。 参考文献 1 中国玻璃钢工业西会等RTM成型技术和所用原材料 北京：化学工业出版社，199I 2 粱志勇等．RTM工艺技术及应用北京：化学工业出版 杜，1996， 3 沈开献不饱和聚酯树脂及其应用．北京：化学工业出 版社．1988． 4 李尹熙，骆秀云．汽车塑料应用手册北京：机械工业出 版社．1989 5 黄家康等 复合材料成型技术．北京：化学工业出版 社．1999 (责任编辑良文) 原稿收到日期为2000年8月14日。 汽车技术 万方数据