汽车塑料尾门的设计开发与制造工艺研究

随着汽车电动化发展，对于零部件的轻量化需求越来越高，同时新势力造车的涌起，独特的外观造型成为吸引用户的法宝。体现在汽车尾门上就是越来越多的主机厂在使用复合材料的塑料尾门来代替传统的钣金尾门。一方面以实现减重，另一方面是实现钣金冲压无法达到的各种复杂造型[1]。而在汽车智能化和网联化的大趋势下，对于人与车 / 车和车交互的安全性和便捷性提出了更高要求，那么尾门和电子、灯光、声音、人体识别模块的高度集成，复合材料的塑料尾门的优势会更加明显。

该项目是某一国内自主品牌主机厂经过多年调研后，由于造型需要，第一次采用复合材料制作的尾门。并且该项目是一个全新的正向开发的产品，相比国产化和改型来说，从造型到周边环境件的方案都需要全新开发，此外传统上四门两盖（前盖和尾门）属于车身部，而车外塑料覆盖件属于外饰部负责开发。当传统的钣金尾门由塑料尾门替代后，由负责钣金开发的工程师来负责塑料产品的开发，对产品的要求理解方式也不一样。

2.1 开发流程

和传统正向开发产品一样，塑料尾门的开发遵从一般性的汽车零部件开发流程，具体如下：造型面的可行性分析→数据和图纸设计发布→模、检、工的设计和制造→试模及调试→匹配和试验验证→皮纹和油漆件的外观批准→PPAP→量产。其中设计阶段具体包括空间布置截面线，粗数据设计，关键性能参数的有限元分析，数据优化，模流分析，第二轮有限元模拟分析，数据检查及发布。

2.2 结构设计

塑料尾门总成按集成度可以分成两个等级，一是高集成的尾门模块，即除了尾门总成外，还装载玻璃和尾灯等结构强重量大的直供件；二是尾门总成，主要由内板、外板、局部加强板及连接的胶水和紧固件构成。内板和局部加强板提供结构强度，外板提供外观和匹配效果。内外板由结构胶压合而成。外板主要根据来自主机厂的造型面偏置而成，考量的结构主要是贯穿尾灯及牌照灯的布置，在玻璃区域的与内板的搭接特征，见图 1。

塑料尾门的主体结构包括内板，上下外板及局部加强件，及这些零件件连接中用到的结构胶及及紧固件。对于材料选择来说，每种材料的类型基本上都是一样的，内板提供结构强度，基本上都是由长玻纤含量 40%的PP 注塑而成；下外板提供外观造型，由于需要考虑热膨胀和外观强度，基本上是由滑石粉 30%的 TPO 注塑喷涂而成；而对于上外板，取决于整体空间布置。局部加强件基本上都是高强度冷轧镀锌钢板冲压电泳而成。但由于尾门作为一个集合结构，外观，尺寸和功用的产品，且其在塑料件上少用的粘接工艺需要，使得内外板材料除了考虑强度和外观性外，还需要考虑和结构胶水的兼容性。表 1 和表 2 分别是结构胶的对比和尾门内外板材料应用的市场调查。综合考虑后性能、成型工况、成本及市场应用案列，PPG6021 结构胶成为该项目首选。在内外板材料的选择上，确定了沙比克 40YM240 和巴塞尔 519X 的组合。

相对于其他汽车上用塑料部件，复合材料尾门的制造线长且工艺复杂，技术难度大。首先，作为主体的内板成型技术难度就很高，一方面尺寸大，另一方面长波纤的各向异性的收缩，不仅需要 3200T-4000T 的大吨位注塑机，而且需要产品的修偏和注塑工艺来控制尺寸。对于钣金件与内板不同的固定接合形式会导致对于钣金件的质量要求也各不相同。一种是粘接，另外一种是嵌件注塑。粘接来说，由于胶水厚度可以吸收一定的钣金形变，对于钣金尺寸要求不是很严格，但胶水和涂胶工序，会使用成本上升。而嵌件注塑，由于铁件要先放入内板模具内再注塑，可以减少胶水成本并安装工序，但对于钣金件尺寸整个型面和边缘轮廓要求都高，否则碰伤模具或者零件漏铁。

其次，作为关键的内外板的表面处理、涂胶、加热压合工艺。这一步关系到整个尾门外观，尺寸和性能，尤其是直接影响泄漏。因为内外板的材质都为 PP 基材属于非极性材料，对胶结剂的附着力差，所以内外板上涂胶面的表面处理扩大浸润性。常规的表面处理有两种：一种是火焰处理，其速度快，距离工件距离远，适用于结构复杂处;另外一种是等离子，可以保护外观面。故在内外板间多用火焰处理，而玻璃胶的粘接面，由于相对平滑且为了保护油漆外板，现在多用等离子处理。涂胶和压合在同一工位上进行，涂胶要关注在凸凹结构或者特征过渡区域，防止因为漏胶、铲胶，溢胶导致的漏水。压合工装是保证塑料尾门尺寸的关键因素，该步骤可以吸收一定的单件尺寸公差，通过胶厚来调整面差，通过零件在压合胎膜上的位置，可以适当调整配合间隙。而且由于量纲和压合节拍的考量，会需要多个压合工装，保证两个压合工装的一致性和稳定性，是工艺开发中的重要课题[4]。

5.1 拓扑分析的应用

由于产品大，如何用最轻量的结构做出满足性能要求的产品，那么拓扑分析的应用会加快前期设计阶段的最优方案的选择。首先准备工作，需要明确零件和紧固粘接的材料，创建简易数模包括周边硬点（铰链、锁撑杆加强件）；然后对于关键负载工况进行仿真分析，如模态，负载变形和扭转。依次对钣金件，塑料件和总成件进行拓扑分析，更新数据，然后再次重复上面的分析，多次迭代逼近最终结构数据，见图 2。

5.2 内板修偏

复合材料尾门的开发中最复杂最关键的是内板的开发，而其高的长玻纤含量，结构复杂，导致其变形很大；同时尾门装载在车身上时，受到密封条、撑杆、缓冲块和玻璃等的作用力，即使复合材料的结构会提供很高的强度，但和钣金相比，也会产生一定的塑性变形。所以在开发中就需要考虑内板注塑的翘曲形变和尾门总成的负载形变。在设计阶段，就需要结合仿真中的负载变形和模流分析的变形两个因素作出反变形分析，做出不同的数据状态用于模具，检具和工装的开发。首先是在满足客户的形变要求的情况下，将仿真的结果和理论数值对比，按变形边界分区域；其次进行模流分析，进行对变形和理论数值的对比，两者结合进行负载力的反变形分析，数据优化后；再次进行负载变形分析和模流分析，进行翘曲变形的反变形分析，创建修偏数据；最后再进行模流进行验证。如果结果相关性高，则可以开模[5]。否则继续重复上述步骤，见图 3。

复合材料尾门的开发和应用正从成长期走向成熟，随着实践经验越多，开发中的难题得到了越来越全面的认识和解决。设计规范和数据库的创建，标准化的开发流程建立，产品功能的可靠性保证，造型独特优异性，复合材料尾门会成为更多主机厂的选择。同时伴随者 AI 技术的兴起，相信不管从辅助建模，在仿真分析中快速迭代的优化，到工艺制造的虚拟演示更会加快产品开发速度和准确度，开发周期和成本会缩减；当智能化网联化来临时，复合新材料对于电、波、光的低干扰性和可穿透性，且复合材料的尾门对实现后端模块的整体集成化相对更容易，这将为人车交互和车车交互提供更多的可能性。为复合材料尾门的发展带来更广阔的应用。