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汽车轻量化,玻璃钢材质的空间有多大? 热塑性SMC模压片材汽车件 GMT汽车前端模块框架制造技术 随着汽车向轻量化方向发展以及“以人为本”的制造理念的提出,GMT汽车前端模块框架以其所具有的诸多优点而得到了广泛应用。作为模块化汽车端的核心部件,GMT汽车前端模块框架的制造技术对产品的最终质量起着非常关键的作用。     GMT是以连续玻璃纤维毡,或连续玻璃纤维针刺毡为增强芯材与改性聚丙烯复合而成的一种复合材料片材,其英文名为Glass MatReinforced Thermoplastics。由于GMT 具有材料密度低、成型周期短、冲击韧性好以及可再生利用和贮存期长等显著的优点,因此作为绿色环保轻质材料, 从20世纪80年代起就已被欧美国家广泛推广应用,其中80% 被用于对轻量化要求最为迫切的轿车领域。目前GMT可取代的钢制轿车零部件主要有:前端模块框架、仪表板骨架、抗撞保险杠、座椅骨架、蓄电池托架、备胎仓、行李架、车身底部挡泥板、引擎隔声罩等。近年来,在我国生产的汽车中也有很多GMT 汽车零部件开始得到应用。      为使GMT 汽车零部件的制造技术更广泛地为我国的汽车制造业和汽车复合材料行业所认识和了解,在此以GMT 汽车零部件中较为经典的汽车前端框架为例,详细介绍GMT 汽车零部件的成型制造技术,以飨读者。   世界汽车前端模块技术的进步     汽车前端模块技术包括:前端的设计、制造以及交付给OEM装配厂前的包装方式等。传统意义上的汽车前端通常由100 多个散部件组成,这些散部件经零部件供应商生产出来后被交付到OEM 的装配厂中,然后在装配厂的总装线上按工序逐一装配而成。    随着全球汽车制造技术向模块化、集成化方向发展,对汽车实现模块化的一个主要趋势是集中在汽车的前端上。目前,全球各大汽车公司对汽车前端都进行了不同程度的模块化,其中包括目前在中国建有合资企业的美国通用汽车公司、福特汽车公司、德国大众汽车公司等。这些公司使用了一定程度集成化了的格栅构架,即用前端模块框架将照明系统、发动机冷却系统、减震装置、空调冷凝器和空气净化器以及引擎盖锁紧装置、软管和接头等组装在一起形成一个趋向于满载的前端模块,如图1所示。这种汽车前端模块化形式在很大程度上改变了汽车总装生产线上繁杂的组装过程,因此对汽车的设计和制造产生了很大的影响。显然,今后汽车的设计和制作将只涉及到一个白车身和一个开口的前端模块,而不再需要考虑使用传统的连接杆构架或采用众多的横向构件来连接车辆骨架。毫无疑问,现代汽车前端模块的核心在于对前端模块框架的设计、集成和制造。由于这个前端模块框架将放置多个次模块和部件,因此它的制造精度、强度将是影响汽车质量的关键因素之一。   GMT汽车前端模块框架的优点    考虑到前端模块框架位于轿车前端并作为引擎的安全挡块而需要承受具大的冲击力和承重载荷,因此通常汽车制造厂会考虑采用钢铁来制作。至今国内外很多汽车的前端框架均采用的是钢制液压成型和冲压-焊接成型技术制造而成的。但随着汽车向轻量化方向发展以及“以人为本”的制造理念的提出,对轿车前端框架材料的选用也在不断创新,由铝合金、镁合金、金属/ 尼龙、SMC、GMT等各种轻质材料和各种成型工艺制成的前端框架纷纷出现在各大汽车公司的各种车型上,展示着各自的优势和特点。其中GMT 材料以其超一流的轻质高强、良好的成型性能以及可循环使用的绿色环保特点而倍受汽车制造商的青睐,已成为一些新型轿车前端框架制作的主要材料,图2 所示为GMT材料制造的前端模块框架。       GMT 汽车前端模块框架具有如下优点:    ● 能较为方便地综合前端的各项功能;    ● 具有很高的模块刚度和抗疲劳性能;    ● 引擎盖锁具耐冲击且锁紧安全度高;    ● 耐腐蚀,不生锈,无需油漆保养;    ● 具有良好的加工成型性和低的成型周期;    ● 制造成本较低,且重量轻;    ● 材料可回收循环利用。    GMT汽车前端模块框架的制造工艺    GMT 片材通常为材料供应商根据制品的应用特点专门定制的,一般情况下制品生产商只要根据材料供应商提供的GMT 材料技术参数进行选购即可。由于GMT汽车前端模块框架的形状较为复杂,而且又是受力的结构件,因此通常我们会选择流动性较好和玻纤含量较高的、专用于前端框架的GMT 片材。GMT 汽车前端模块框架的制造工艺过程为:下料→称量→坯料预热→铺料→模压→垂直冲切→水平冲切→整理→检测→成品入库。每一道工序虽然看似简单,但都很重要,都有可能因不认真操作而最终影响制品的质量,甚至造成废品。因此,必须认真对待。最关键的步骤是: ●       要根据产品的形状和受力的方向来设计出最佳的坯料尺寸,并进行精确切割; ● 要将坯料送入烘箱预热,经烘箱加热后的坯料的理想表面温度应为205℃~230℃; ● 严格按设定的位置和步骤将加热后的GMT 坯料铺设在模具上; ● 快速闭模、快速加压,使树脂在熔融、流动状态下模塑成型。      当GMT 前端模块框架被压制成型后,还需要对其进行后处理。目前有多种后处理工艺可供选择,如机械切削加工或高压水切割加工,当然,也有一些是通过冲压工艺来完成的。通常,我们建议采用冲压工艺。虽然采用冲压工艺会增加2 套冲压模,但生产效率和产品的制造精度都能得到明显提高,而且能够保证框架的内外结构具有足够的强度。    GMT汽车前端模块框架成型模具      除了原材料、设备和工艺参数的选择之外,GMT汽车前端模块框架成型模具及后处理冲切模具是GMT汽车前端模块框架制作过程中最核心的技术。模具结构设计是否合理、制造是否精细会直接影响到产品的外观及内在质量的均匀性,同时还影响产品的成型效率。因此,设计周到和制作精良的模具不仅能使GMT材料在加热、加压过程中确保纤维增强材料向四周均匀流动并充满模腔,还能保证制品各点温度均匀,尺寸精确,不致于产生GMT制品加工中经常遇到的“注量不足”和留下流痕痕迹以及部件从模具移出后发生收缩率和挠曲变形大大超标而成为废品的尴尬境遇。     从事GMT 制品生产的工程技术人员通常非常重视模具的设计和加工质量,普遍认为:一副高质量、高精度的成型摸具是GMT 汽车前端模块框架成功的一半。图3所示为意大利RANGER 公司为一汽大众BORA轿车所设计制造的GMT前端模块框架成型模具和冲压模具,目前一汽大众BORA 轿车的前端模块框架已首先在国内实现了国产化。      GMT 汽车前端模块设计和制造技术在欧美已经非常成熟,并为欧美汽车制造商所热崇推广。在我国,上海大众、一汽大众、神龙汽车等公司新推出的新型轿车上也已广泛使用了GMT汽车前端,只是绝大部分车型的前端模块框架还是采用进口GMT制件,使这一新技术的应用成本过高。专家们预测,采用包括GMT 在内的长玻璃纤维/ 聚丙烯材料生产的高集成型前端模块框架部件将在以后或更长的一段时间内,在降低汽车制造成本和提高汽车性能方面显示出更为突出的优势。因此,国内的汽车复合材料行业应把GMT汽车前端模块框架的国产化作为提升自身技术水平的一个主要发展方向之一,与我国汽车界的专家一起,共同努力设计、制造出具有中国知识产权的汽车前端模块。 关键词: 汽车轻量化,玻璃钢材质                                           商用汽车零部件、汽车用品,玻璃钢材料及其制品,出人意料地成为汽车零部件中最引人注目的焦点。业内人士评价说,轻质带来节能,这是中国汽车工业向着节能型和谐社会进步的必然趋势。 玻璃钢,轻量化的理想材料 轻量、节能一直是国际汽车工业的研究方向。 有关研究数据显示,汽车车重每降低10%,燃油效率可提高6~8%。伴随轻量化而来的突出优点就是油耗的显著降低。尤其汽车车身约占汽车总质量的30%,对空载而言,约70%的油耗是用在车身质量上的,因此车身的轻质化对减轻汽车自重,提高整车燃料经济性至关重要。同时,轻量化还将带来车辆操控稳定性和冲撞安全性的提升:因为车辆行驶时的颠簸会因底盘重量减轻而减轻,整个车身会更加稳定;轻量化材料对冲撞能量的吸收,又可以有效提高冲撞安全性。 玻璃钢复合材料以其轻质高强、设计自由度大、不锈蚀、无干扰、成型工艺性好等优点,是汽车工业轻量化的理想加工材料。 》来自法国INOPLAST 公司的一组数据,以玻璃钢复合材料中的SMC(片状模塑料)、 玻璃纤维毡增强热塑性材料(GMT)为例,可以非常清晰地说明玻璃钢材料的轻质量和高强度。 材料名称               材料密度(g/cm3)               等强度下厚度(mm)   钢                 7.8                          100                                                       铝                         2.7                           50 SMC                       1.9                           75 低密度SMC                1.4                           55 GMT                       1.1                          45 数据显示,达到与钢铁同样的强度要求,SMC和GMT材料只需要75%和45%的厚度,而质量仅仅约为原来的25%和15%。 》轻量化之外,玻璃钢材料的还具有模块化和成本上的突出优势。 汽车零部件的发展正向着模块化设计的方向发展。玻璃钢材质良好的成型性,带来较高的设计自由度,为设计师拓宽视野、灵活设计提供了便利条件;玻璃钢材质的零部件向结构复杂、功能集成的大型化、模块化部件拓展,使原本需要组装的零部件数量大大降低,大大减少了模具数量和相关费用。以普通轿车后举升门为例,采用金属材料加工,需要制作模具10套,花费达400万之巨,而采用SMC材料加工,仅需要制作模具3套,花费120万。且大大减少了组装成本。 与此同时,按照INOPLAST的综合成本计算,在批量较小的应用中,SMC玻璃钢成型工艺的成本,一直低于金属冲压成型工艺的成本,直到15万辆的规模后,前者成本才高于后者。 》按照有关业界人士的说法,SMC、GMT等玻璃钢复合材料除了作为车身材料具有刚柔并济的特点,在技术和成本上都完全可以满足车身外饰材料的需要之外,GMT在对外载荷的冲击和吸收方面,还有非常稳定而均衡的优越表现。 全球知名GMT厂商QPC公司的葛悦先生展示了GMT在“行人保护”方面的应用,利用GMT可以有效吸收外来冲击的优势,他们开发了GMT材质的“小腿保护器”构件,安装于汽车的前围,当车辆不慎撞到行人时,在该构件的作用下,行人将慢慢倒向车体,而不是飞向车外的交通洪流中。 玻璃钢材料的应用 目前玻璃钢复合材料的应用非常广泛,尤其在欧美车系中。其中尤以SMC、和GMT的应用最为广泛。MAN、RENAULT、VOLVO、BENZ、IVECO、DAF等欧洲重型卡车制造商的驾驶室材料中,都大量选用了SMC。按照2004年的数据,平均每个卡车驾驶室 SMC / BMC (用于立体造型的SMC)的用量,达到70公斤。在国内,SMC材料在汽车领域也得到了广泛的应用,尤其是商用汽车领域。中国重汽、陕西重汽、福田欧曼、重庆红岩等主要重型卡车制造商,其驾驶室的制造都不同程度地采用了SMC材料。 据介绍,从1970年代,SMC材料开始工业化应用,到1990年代,欧美车系的汽车制造商几乎全部采用了SMC作为车身材料,包括宝马、雷诺等对车身表面要求极高的高等级轿车车身。1990年代以后,更具轻量化和环保回收性的GMT材料得到新的发展和应用。在国内,对于新兴GMT材料,有关单位已在八五、九五期间开展了GMT材料生产及产品成型工艺的研究,并具备了批量生产GMT材料的能力。年产0.3万吨GMT材料的生产线已经在江苏江阴建成, 国内汽车生产厂也在一些车型设计上采用GMT材料,并已开始批量试制。目前,在国内引进型的轿车车型生产中,都有GMT的采用。自主品牌中,“解放”轻卡已经开始采用GMT材料于其驾驶门脚踏板中。 》目前,国内玻璃钢复合材料SMC应用量最大的是用于生产各类汽车外附件,如各种汽车外顶盖、保险杠、前面板、两侧板、车门板、后举升门、导流罩、脚踏板等,占SMC用量的70%。 》国际上应用增长最快的是结构件和传动器零件 比如增强的SMC越来越多地被应用在汽车结构部件上,如汽车仪表板、转向机、散热器系统及电子装置系统、发动机油底壳等,发挥其在结构设计方面的优势;低密度SMC相比钢铁制作的同类部件可减重约45%,比SMC材料可减重约30%,被越来越多地应用于如车门、发动机罩、车顶内饰等;SMC还被开发运用于生产其他一些零件,如:充气车顶、保险杠骨架、遮阳板、车顶排水管、车棚侧横条、货车车箱等。奔驰Actros、Ategro系列载重卡车就采用了SMC材料的油底壳;用于立体造型的BMC材质的车灯反射罩,也开始被Ford、Peugeot等多家轿车生产企业采用。 事实上,展会现场,我们也欣喜地看到,江苏协诺汽车附件有限公司也已经开发出SMC发动机油底壳和备胎仓等结构件样品。 》针对玻璃钢复合材料的应用状况,北汽福田有关市场技术人员表示,目前在卡客车领域,玻璃钢材质比较广泛地应用于车身辅助件上。而作为整体车身的使用,一些自卸车的企业曾做过尝试,但在强度和油漆附着力上效果不甚理想。该专家表示,随着轻量化和降低成本的进一步要求,玻璃钢部件作为批量商用汽车零部件的空间,将长期存在。值得期待的是玻璃钢复合材料的技术进步。通过技术性能上的进一步改善,玻璃钢部件的应用程度将得到提高。 空间仍然巨大 玻璃钢复合材料的科技进步一日千里,但在实际的应用中,还有众多的因素限制着其在汽车工业中的运用。北京汽车玻璃钢有限公司总经理吴凯分析了其中的主要限制因素: 一是规模产量的问题,目前全球SMC的年产量仅为70万吨左右,远远低于钢材的产量。新兴的GMT产量也不过几万吨,这决定了玻璃钢在短期内只能是一种替代材料的地位。 二是成型周期的问题,吴凯表示,SMC的成型周期根据厚度不同,从几分钟到10几分钟,与以“秒”为单位的金属成型周期相比,生产效率明显偏低,比较适应产品品种丰富、批量较小的商用汽车生产。 三是环保回收问题,作为化学性复合材料,玻璃钢材质同样存在难以降解、难以回收的问题。改善玻璃钢材料的环境亲和力,成为环境问题日益突出的当今社会条件下,业界必须下大力气攻关的课题。 对比挑战,机遇也更大 来自浙江省复合材料学会的数据显示,60%以上的SMC和80%的GMT,被用在了汽车工业中。随着汽车工业的不断扩容,玻璃钢复合材料的市场空间巨大。同时,玻璃钢复合材料的科技进步也是一日千里。对比SMC以“分钟”计的成型周期,新兴玻璃钢复合材料GMT的成型周期仅为35~50秒,比SMC模压制品的生产率高6倍以上,这意味着当大量生产某种部件时,可以节省模具费用,并实现快速机械化生产。意味着对比传统的金属成型工艺,其生产效率已经相差无几,完全可以满足轿车市场大批量/快速生产的需求。 业界人士普遍认为,汽车轻量化的强烈要求,以及总体生产成本下降的需要,将为玻璃钢复合材料的应用开辟更大的市场空间。国际汽车工业的发展已经展示了玻璃钢材料的成功应用,在今后的发展中,更多复杂的应用必将展现出SMC/BMC/GMT等复合材料的设计灵活性和性能的优异性。汽车玻璃钢企业将是推动这种应用的生力军。 宁波恒力液压机械制造有限公司总经理张先生表示,扩大和发掘更多的应用,玻璃钢材质在汽车工业上的应用空间还将更大,欧洲市场如此,中国市场也不例外。 玻璃钢塑料在汽车工业领域应用日渐广泛 [转] 在汽车工业领域大量使用玻璃钢塑料零配件替代各种昂贵的有色金属及合金材料,不仅提高了汽车造型的美观与设计的灵活性,降低了零部件加工、装配与维修的费用,而且还可以降低汽车的能耗,是解决世界能源紧张的一个有效途径。目前,全球汽车用玻璃钢塑料制品的市场规模为454万吨/年,其中美国为172万吨/年,欧洲为136万吨/年,而我国现在每年的用量只有十几万吨。   汽车上采用的玻璃钢塑料零配件主要有内外装饰件、功能件与结构件等。据中国玻璃钢塑料工业协会统计,目前,我国汽车玻璃钢塑料用量在逐年增加,经济型轿车每车玻璃钢塑料用量达50-60千克,中高级轿车达60-80千克,有的甚至可达100千克;轻、中型载货车玻璃钢塑料用量达50千克左右。平均每辆汽车玻璃钢塑料用量占汽车自重的5%-10%,达到国外20世纪80年代初、中期水平。据预测,到2010年,我国的汽车玻璃钢塑料总用量将达到94万吨(含20%的社会车维修用玻璃钢塑料量),可见,我国的汽车玻璃钢塑料配件业还有很大的发展空间。  内饰件  汽车内饰件所用玻璃钢塑料量占整车用玻璃钢塑料量的56%。以前的汽车内饰件应用较多的有PVC、ABS、PU等。目前,在仪表板、内护板、座椅中,PVC已被其他玻璃钢塑料所取代。门内手柄、杂物箱、门槛饰条及其他零件,已逐渐使用改性PP、ABS及玻璃钢塑料合金等。填充PP可改善制品的表观质量,近来发展的气辅注射成型方法,可以解决表面缩孔和熔接痕问题,同时也可减轻仪表板的质量,不失为一种好的成型方法。   仪表板     目前使用的仪表板可分为硬质仪表和软质仪表板两种。硬质的材料可用MPPO、ABS的填充PP。软质仪表板由表皮、骨架材料、缓冲材料等组成。骨架材料有用PC/ABS合金的,也有用ABS、改性PP等的。表皮材料多用PVC/ABS合金片材。为了便于回收利用,正在发展用TPO玻璃钢热塑性聚烯烃表皮和改性PP骨架和PP发泡材料构成仪表板。  门内板  目前门内板的材料也已多样化,如ABS有良好的流动性,在加工形状复杂的流线型门内板时,可将各种凹凸槽整体注射成型。有的门内板采用50%天然纤维和50%PP热压而成,使车门减重,成本下降,隔音性能改进。   座椅  座椅上的高分子材料有表皮、缓冲垫、骨架。表皮材料可选用PVC人造革、各种化纤纺织品,真皮和人造皮、真丝和毛织品。根据汽车档次和顾客需要选用。座椅缓冲材料为模压发泡的软质高弹性PU,目前尚无其他发泡材料可以替代。骨架材料可用GMT玻璃纤维毡片原代钢铁材料。  顶棚   顶棚由基材和表皮构成。基材一般使用热塑性聚氨酯发泡片材、PP发泡片材、蜂窝状塑料带等。表皮材料可用纺织物、无纺布、TPO、PVC人造革等。我国轿车顶棚一般用TPU发泡片材、玻璃纤维、无纺涤纶布材料层压制成。   门手柄 门内手柄一般以ABS改性PP等材料经注射而成。  门槛饰条 每扇门有上下两根门槛饰件,采用ABS经注射而成。  侧窗防霜器 侧窗防霜器孔中喷出冷热气体,以消除侧窗的模糊。  吸音材料 消声材料有废毛毡、发泡PU、玻璃纤维纸板等。   在内饰件方面,国外汽车制造商正在研究开发整体成型的玻璃钢塑料横梁和无缝玻璃钢塑料安全气囊门,加大改性PP的应用,并使顶盖内饰组件(包括遮光板、上置货舱、接线架等)一体化。  外饰件  轿车车身材料和覆盖件   轿车车身的质量约占整车质量的20%-40%左右,所以汽车轻量化的关键在于汽车车身。为此,世界各国的汽车公司除积极研究高强度钢板、镀层钢板、复合钢板外,还花大量的人力物力开展用非金属材料来制造车身的研究。如用玻璃纤维来增强不饱和聚酯和其他热固性材料,其表面光滑、耐热、耐冲击,质量轻,仅是钢制车身质量的40%左右。但玻璃钢汽车车身废弃件不易腐烂,不利于废料回收利用,所以近来各国都在研究此类车身废弃料的再生利用和生产所用的模压成型工艺过程中的喷漆涂装工序。  保险杠  目前,国外中高档次轿车的保险杠已采用PC/PBT合金制作,此材料不仅机械性能高,而且冲击强度比PP制保险杠高出许多。  散热器格栅   一般用ABS或PC/ABS合金经模压成型制造,也有采用耐候性好的ASA材料,可不用涂装,这样能使成本降低50%。最近还出现以聚酯弹性体做格栅,经表面溅射金属铬后使用的制作方法。  挡泥板(轮罩壳)  对材料的要求是耐气候老化和良好的成型加工性,是防止汽车在行驶过程中,被车轮卷起的砂石泥浆溅到车厢底部的设置,桑塔纳轿车的挡泥板是用增韧改性PP经模压成型而成。  侧防撞条   一般轿车大都使用金属芯材和PVC型材,即PVC被挤出成中空状的型材,然后在中间镶嵌以金属芯材复合制成,粘接在轿车前后门外门板的下部。高档轿车上是用RIM法(反应模压成型)的PU。考虑到材料的回收利用和轻量化,侧防撞条材料应提倡使用改性PP和TPO。  后导流板   可采用SMC(片材模塑材料)、MPPO等材料,也可用改性PP和ABS。  灯类  前大灯要求透明性、耐候性、冲击性佳以及易于成型、多数采用表面涂敷硬膜的PC,从而进一步提高了耐擦伤和耐候性。前大灯反射镜壳,为了满足耐热性及表面处理要求,一般采用BMC(团状模材料)、PPS、PC、PBT等制成。后排指示组合灯罩材料为有机玻璃,灯壳为填充改性PP,它们之间用热熔胶粘剂粘接。随着振动焊接技术的发展,灯壳材料开始采用耐候ABS,便于材料的再生利用。  功能与结构件  方向盘 已全部采用玻璃钢塑料。根据结构可分为硬质和半硬质两种。硬质采用模压成型,成本低、质感差,多用于载货车及低档轿车,半硬质的是低压发泡自结皮结构,手感好,安全,多用于轿车。方向盘是安全材料之一,要求一定强度,而且可耐-40℃-90℃反复冷热的变化。一般用改性ABS制作。   燃油箱   由于燃油箱的形状很不规整,许多制造商都设法用玻璃钢塑料制作燃油箱,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)经模压成型制成的燃油箱,防火花,耐冲击,耐汽油的渗漏、耐高低温,在欧洲很早就被采用。对于塑料燃油箱的防渗漏问题,欧洲一般是在燃油箱制作中对其内壁作氟化处理,或制成后作磺化处理,目前国外汽车公司以采用多层共挤吹塑为主,这是轿车燃油箱的发展趋势。  发动机进气歧管  发动机周边零件的玻璃钢塑料化是汽车轻量化的一个重要方面,但是其难度更大,因为发动机周边的零件要能承受-40℃~-140℃的环境温度,而且要耐砂石的冲击和盐雾腐蚀以及各种油、洗涤剂的侵蚀。进气歧管塑料化除减轻质量(减重40%~60%)外,还由于塑料进气歧管内外表面光滑,空气流动阻力小,从而提高燃油效率,改善发动机的性能。  散热泵水箱  为减轻质量,提高耐腐性,散热器上下水箱可用塑料来制造。要求材料能耐热水和长效防冻液以及有较高的抗蠕变、耐疲劳、抗振动等性能,尤其不能有变形翘曲等现象。    油门离合器踏脚板   采用PA66+30%GF制造。玻璃钢塑料踏脚板为整体结构,因而运动间隙小,灵敏度高。它具有比钢制品便宜、且减重50%-70%、吸振性好等优点。   发动机和汽缸罩 材料可选用玻纤改性的PA66和玻纤改性的PET、SMC等。   燃油蒸发污染控制器(碳罐)我国自1999年开始限制汽车燃油蒸发排放污染量,因而又增加了燃油蒸发污染控制器(碳罐)。罐体材料要求耐热、耐油、且易焊接,一般采用PA制成。  汽车轮胎固定罩 要求有较高的强度和耐候性,良好的可涂性,要耐洋雪雨水侵蚀,国外一般用PPO/PBT合金制造。  车窗玻璃  若用PC做挡风琉璃,则在发生车祸时,能减少碎片对司机和乘客的伤害。另一种材料是PVB树脂,它透明性、粘接性能十分优良,可作为两块无机琉璃之间的粘接层,当受到外力冲击时,由于优良的粘接力,碎的玻璃仍被PVB膜粘接在一起。目前由于价格和加工工艺问题,PVB片材作为汽车窗玻璃尚未普及。  汽车底盘的塑料制品   底盘上的塑料零件,大部分用在需要耐磨的运动件上,零件不大,但对材料要求具有高强度、摩擦磨损性好。因此多用改性POM、PBT等材料制成。 汽车车身新材料的应用及发展趋势       现代汽车车身除满足强度和使用寿命的要求外,还应满足性能、外观、安全、价格、环保、节能等方面的需要。在上世纪八十年代,轿车的整车质量中,钢铁占80%,铝占3%,树脂为4%。自1978年世界爆发石油危机以来,作为轻量化材料的高强度钢板、表面处理钢板逐年上升,有色金属材料总体有所增加,其中,铝的增加明显;非金属材料也逐步增长,近年来开发的高性能工程塑料、复合材料,不仅替代了普通塑料,而且品种繁多,在汽车上的应用范围广泛。本文着重介绍国内外在新型材料应用方面的情况及发展趋势。    车身新材料的种类    高强度钢板    从前的高强度钢板,拉延强度虽高于低碳钢板,但延伸率只有后者的50%,故只适用于形状简单、延伸深度不大的零件。现在的高强度钢板是在低碳钢内加入适当的微量元素,经各种处理轧制而成,其抗拉强度高达420N/mm2,是普通低碳钢板的2~3倍,深拉延性能极好,可轧制成很薄的钢板,是车身轻量化的重要材料。到2000年,其用量已上升到50%左右。中国奇瑞汽车公司与宝钢合作,2001年在试制样车上使用的高强度钢用量为262kg,占车身钢板用量的46%,对减重和改进车身性能起到了良好的作用。    低合金高强度钢板的品种主要有含磷冷轧钢板、烘烤硬化冷轧钢板、冷轧双相钢板和高强度1F冷轧钢板等,车身设计师可根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。 含磷高强度冷轧钢板:含磷高强度冷轧钢板主要用于轿车外板、车门、顶盖和行李箱盖升板,也可用于载货汽车驾驶室的冲压件。主要特点为:具有较高强度,比普通冷轧钢板高15%~25%;良好的强度和塑性平衡,即随着强度的增加,伸长率和应变硬化指数下降甚微;具有良好的耐腐蚀性,比普通冷轧钢板提高20%;具有良好的点焊性能; 烘烤硬化冷轧钢板:经过冲压、拉延变形及烤漆高温时效处理,屈服强度得以提高。这种简称为BH钢板的烘烤硬化钢板既薄又有足够的强度,是车身外板轻量化设计首选材料之一; 冷轧双向钢板:具有连续屈服、屈强比低和加工硬化高、兼备高强度及高塑性的特点,如经烤漆后其强度可进一步提高。适用于形状复杂且要求强度高的车身零件。主要用于要求拉伸性能好的承力零部件,如车门加强板、保险杠等; 超低碳高强度冷轧钢板:在超低碳钢(C≤0.005%)中加入适量的钛或铌,以保证钢板的深冲性能,再添加适量的磷以提高钢板的强度。实现了深冲性与高强度的结合,特别适用于一些形状复杂而强度要求高的冲压零件。    轻量化迭层钢板    迭层钢板是在两层超薄钢板之间压入塑料的复合材料,表层钢板厚度为0.2~0.3mm,塑料层的厚度占总厚度的25%~65%。与具有同样刚度的单层钢板相比,质量只有57%。隔热防振性能良好,主要用于发动机罩、行李箱盖、车身底板等部件。    铝合金     与汽车钢板相比,铝合金具有密度小(2.7g/cm3)、比强度高、耐锈蚀、热稳定性好、易成形、可回收再生等优点,技术成熟。德国大众公司的新型奥迪A2型轿车,由于采用了全铝车身骨架和外板结构,使其总质量减少了135kg,比传统钢材料车身减轻了43%,使平均油耗降至每百公里3升的水平。全新奥迪A8通过使用性能更好的大型铝铸件和液压成型部件,车身零件数量从50个减至29个,车身框架完全闭合(见图1)。这种结构不仅使车身的扭转刚度提高了60%,还比同类车型的钢制车身车重减少50%。由于所有的铝合金都可以回收再生利用,深受环保人士的欢迎。    根据车身结构设计的需要,采用激光束压合成型工艺,将不同厚度的铝板或者用铝板与钢板复合成型,再在表面涂覆防腐蚀材料使其结构轻量化且具有良好的耐腐蚀性。    镁合金    镁的密度为1.8g/cm3,仅为钢材密度的35%,铝材密度的66%。此外它的比强度、比刚度高,阻尼性、导热性好,电磁屏蔽能力强,尺寸稳定性好,因此在航空工业和汽车工业中得到了广泛的应用。镁的储藏量十分丰富,镁可从石棉、白云石、滑石中提取,特别是海水的盐分中含 3.7%的镁。近年来镁合金在世界范围内的增长率高达20%。    铸造镁合金的车门由成型铝材制成的门框和耐碰撞的镁合金骨架、内板组成。另一种镁合金制成的车门,它由内外车门板和中间蜂窝状加强筋构成,每扇门的净质量比传统的钢制车门轻10kg,且刚度极高。随着压铸技术的进步,已可以制造出形状复杂的薄壁镁合金车身零件,如前、后挡板、仪表盘、方向盘等。    泡沫合金板    泡沫合金板由粉末合金制成,其特点是密度小,仅为0.4~0.7g/cm3,弹性好,当受力压缩变形后,可凭自身的弹性恢复原料形状。泡沫合金板种类繁多,除了泡沫铝合金板外,还有泡沫锌合金、泡沫锡合金、泡沫钢等,可根据不同的需要进行选择。由于泡沫合金板的特殊性能,特别是出众的低密度、良好的隔热吸振性能,深受汽车制造商的青睐。目前,用泡沫铝合金制成的零部件有发动机罩、行李箱盖等。    蜂窝夹芯复合板    蜂窝夹芯复合板是两层薄面板中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。根据夹芯材料的不同,可分为纸蜂窝、玻璃布蜂窝、玻璃纤维增强树脂蜂窝、铝蜂窝等;面板可以采用玻璃钢、塑料、铝板和钢板等材料。由于蜂窝夹芯复合板具有轻质、比强度和比刚度高、抗振、隔热、隔音和阻燃等特点,故在汽车车身上获得较多应用,如车身外板、车门、车架、保险杠、座椅框架等。英国发明了一种以聚丙烯作芯,钢板为面板的薄夹层板用以替代钢制车身外板,使零件质量减轻了50%~60%,且易于冲压成型。    工程塑料    与通用塑料相比,工程塑料具有优良的机械性能、电性能、耐化学性、耐热性、耐磨性、尺寸稳定性等特点,且比要取代的金属材料轻、成型时能耗少。二十世纪七十年代起,以软质聚氯乙烯、聚氨酯为主的泡沫类、衬垫类、缓冲材料等塑料在汽车工业中被广泛采用。福特公司开发的LTD试验车,塑料化后的车身取得了轻量化方面的明显成果(见表2)。    中国工程塑料工业普遍存在工艺落后、设备陈旧、规模小、品种少、质量不稳定的状况,而且价格高,缺乏市场竞争力。工程塑料在汽车上的应用仅相当于国外上世纪八十年代的水平。如上海桑塔纳轿车塑料用量仅为2.86kg/辆,红旗CA7228型轿车为2.4kg/辆,而日本轿车平均为14kg/辆,宝马则更高,为35.64kg/辆。但这种局面将很快被打破,由上海普利特复合材料有限公司投资新建、国内最大的汽车用高性能ABS工程塑料生产基地日前在上海建成投产。此项目引进了世界先进的工程塑料生成线和试验检测仪器等设备,形成了年产15,000吨高性能ABS工程塑料的能力。    高强度纤维复合材料    高强度纤维复合材料,特别是碳纤维复合材料(CFRP),因其质量小,而且具有高强度、高刚性,有良好的耐蠕变与耐腐蚀性,因而是很有前途的汽车用轻量化材料。碳纤维复合材料在汽车上的应用,美国开展的最好。    二十世纪八十年代后期,复合材料车身外覆件得到大量的应用和推广,如发动机罩、翼子板、车门、车顶板、导流罩、车厢后挡板等,甚至出现了全复合材料的卡车驾驶室和轿车车身。据统计,在欧美等国汽车复合材料的用量约占本国复合材料总产量的33%左右,并继续呈增长态势,复合材料作为汽车车身的外覆件来说,无论从设计还是生产制造、应用都已成熟,并已从车身外覆件的使用向汽车的内饰件和结构件方向发展。图2为法国SORA公司为雷诺汽车公司开发的全复合材料轿车车身和重型卡车驾驶室。上海通用柳州汽车公司和东风公司计划推出全复合材料车身的家庭用小轿车。    车身新材料应用的现状    目前,国内外车身轻量化的研究方向是开发具有较高强度的轻质高性能新材料及设计新的轻量化结构。通过多年的探索,已取得了新的进展。德国大众九十年代末开发的路波TDI车型就是采用新设计、新材料、新工艺的综合成果。    TDI所有车身部件都是轻质金属制成的,包括前挡泥板、车门、发动机罩和尾门,其中尾门的金属外层是铝质,内板是镁制成的。汽车的内部设备许多也是轻质金属制成的,如,座椅的框架由铝制成,方向盘的内骨架是镁制成。乘客舱和发动机室之间组合隔板是铝质的。支撑结构通常也是由高强度的薄板金属制成的。    为解决新材料的防腐蚀保护和连接,大众采用创新的冲孔铆接法、迭边压接、激光钎焊等技术。    路波TDI的自重为830kg,包括417kg(50.5%)的钢、136kg轻质金属(16.4%,包括3.7kg的镁)、116kg塑料(14.0%)。在保证车身抗扭刚度、使用寿命和安全性的前提下,车身的重量减轻了50kg,汽车的总重减轻了154kg。由于汽车自重大幅度减轻,使得百公里油耗降至2.99升,总能量消耗只是传统汽车的一半。这意味着二氧化碳的排放量也将减少一半,碳氢化合物的排放量降到四分之一,是典型的环保型轿车,也是世界上批量生产的最经济轿车之一。    新材料应用的发展趋势    新材料回收再用性的研究    研究汽车新材料的最终处置问题至关重要,从某种程度上讲,关系到它的生存与发展。目前,汽车上约占自重25%的材料无法回收再用,其中三分之一为各种塑料,三分之一为橡胶,还有三分之一为玻璃、纤维。鉴于这种情况,世界各国都花费大量的人力、物力进行材料的回收再生问题的研究。现在可以通过三种途径进行回收:颗粒回收,重新碾磨;化学回收,高温分解;能源回收,将废弃物作为燃料。    德国在回收塑料等材料的法规是世界上最为完善的,其管理方式非常明确,即首先是避免产生,然后才是“循环使用”和“最终处理”。1991年规定回收塑料中的60%必须是机械性回收,另有40%可以机械回收,也可以采用填埋或能量回收的方式。通过十年的努力,现在的回收率已高达87%。日本是循环经济立法最全面的国家,其目的是建立一个资源“循环型社会”。为此,日本对废旧塑料的回收利用一直保持积极态度。此外,日本还大力支持以废塑料为主的工业垃圾发电事业。计划到2010年在全国建立150个废塑料发电设备。    减少材料的品种    未来汽车在工程塑料类型的选择上将会发生巨大的变化。目前汽车使用的塑料由几十种高分子材料组成,当前世界各大汽车公司致力于减少车用塑料的种类,并尽量使其通用化。这将有利于材料的回收再生和生态环境的保护。    降低成本    制约汽车车身新材料应用的重要因素是价格。作为主要新材料的高强度钢、玻璃纤维增强材料、铝和石墨增强,其成本分别为普通碳钢的1.1倍、3倍、4倍和20倍。所以只有大幅度降低这些新材料的制造成本,才可能使诸多新材料进入批量生产。如玻璃纤维增强材料将在成本上成为钢材的有力竞争者,虽然它的重量减轻有限,但价格却能为用户接受。石墨合成材料尽管性能良好,但因其成本居高不下,目前它在汽车工业上很难有所作为。    先进的制造工艺的研发    采用新材料与先进的制造工艺是相辅相成的,汽车工业正在努力开发新的制造方法,对传统的工艺进行更新。例如:适用于轻量化设计的连接工艺今年来有所发展,如德国某汽车公司在大批生产的轿车上采用CO2激光束焊接,与传统的焊接工艺相比,焊接成的高强度钢板车身的强度提高了50%。又如,一些复合材料的SMC壳体的材料较厚,大约为2.5~3mm,限制了轻量化的幅度。法国雷诺公司采用新的A级表面精度的SMC模压技术和低密度填料,减薄了零件厚度,使轿车壳体重量比普通SMC工艺下降了30%。    车身设计方法的革命    据欧洲汽车界人士预测,在今后十年中,轿车自身质量还将减轻20%,除了大量采用复合材料和轻质合金外,车身设计方法也将发生重大变化。    由于大量采用新型材料,传统的车身结构及其设计方法可能不再适用,取而代之的是一种基于生物学增长规律的形状优化设计法,这种设计方法即能减少零件质量,又延长了零件的使用寿命。此外,采用新的设计方法还能使车身零件数大幅度减少。如某车型的零件数已由400个减少到75个,质量减轻30%。美国克莱斯勒汽车公司尚未投放市场的概念车由于采用了创新的优化设计法,使整车自重降至544kg。这说明轻量化设计具有极大的潜力。玻璃钢化粪池玻璃钢化粪池:官网http://www.hengaofrp.com联系电话:13623385096

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