车用塑料制品成型工艺

车用塑料制品成型工艺 车用塑料制品成型工艺 塑料是节能型材料，具有价格低、性能优异(密度低、吸音、隔热、防震、电绝缘性和耐化学药品性优良、可复合增韧增强、生产能耗低等)。在汽车上的用量越来越大，适应的零部件范围不断扩展。现在，全塑车已经开始研究开发，将来会推广应用。汽车塑料件的广泛应用可减轻汽车自重、提高燃料效率、缩短加工周期、降低能耗、提高资源利用效率、保障安全和提供舒适的环境等。实际上，这类材料必须经过适当的加工成型，才能成为一定形状结构和功能的车用塑料零部件。在这种意义上，不仅塑料产业的发展推动各类车的更新换代，而且汽车业的快速发展也推动了塑料加工的发展。 可以说，现有塑料制品的成型都已经用于制造汽车上的塑料制品。实际上，相关的制造技术还涉及到高分子材料学和模具等方面。从工艺上看，相对传统车用金属制件，塑料制件有以下优点：①设计自由度大。外观多种多样；着色性好，可按设计实现各种各样的颜色；可采用共混、填充增强和层状复合，大大改善机械性能。可在面或里层进行涂装、装饰等等。②复杂形状制品可一次或用尽可能少的工序成型。很多方法适合大批量生产，生产效率高、成本低(相同的零件，采用塑料制造费用仅为钢或铝的2／3)。大量使用将会引起传统汽车制造工艺的改变和生产设备的革新。但也存在一定不足：①导热性差，加工中加热和冷却工序与金属的有很大不同。②热膨胀系数大，约为金属材料的3～10倍。同时，收缩率也大，尺寸稳定性差，不容易制备高精度制品。这些特点赋予了塑料及其复合材料加工成型方法的多样性和特殊性，下面主要阐述一些重要的方法。 一、注射成型 注射成型简称注塑，是指物料在注射机加热料筒中塑化后，由螺杆或注塞注射人闭合模具的模腔中经冷却形成制品的成型方法。它广泛用于热塑性塑料的成型，也用于某些热固性塑料(如酚醛塑料、氨基塑料)的成型。注射成型的优点是能一次成型外观复杂、尺寸精确、带有金属或非金属嵌件、甚至可充以气体形成空芯结构的塑料模制品；生产效率高，自动化程度高。新型注射方法的出现更加巩固了其在汽车塑料加工中的地位。各种车上的硬仪表板一般采用PP、PC、ABS、ABS／PC等一次性注射成型。就注射技术而言，已经开发了适应性很广的很多新技术。如采用微型注塑成型自动化生产毫克级的高尺寸精度制品，如汽车传感器等自动控制和电子控制部件。 1．气体辅助注塑成型 气体辅助注塑成型技术是一项新兴的塑料注射成型技术，其原理是利用高压气体在塑件内部产生中空截面，利用气体保压代替塑料注射保压，消除制品缩痕，完成注射成型过程。传统注塑工艺不能将厚壁和薄壁结合在一起成型，而且制件残余应力大，易翘曲变形，表面时有缩痕。新发展的气辅技术通过把厚壁的内部掏空，成功地生产出厚壁、偏壁制品，而且制品外观表面性质优异，内应力低。轻质高强。该工艺已用于成型汽车的前后挡板、门把手、保险杠等。 2．水辅助注射成型 水辅助注射成型可以直接冷却制品的内部，更适合较厚和较长的制品成型，能生产出均匀的薄壁制品，零件内表面平滑。可以在更短的成型周期下，减少制品壁厚及减少残留的壁厚，对于大件且较薄的制品可使用较均匀而且较低的压力即可成型。从而节省了材料，拓展了应用范围。循环使用水而可降低生产成本，适合成型管状的零件、汽车油管和其他流体系统、把手、行李架、汽车上的仪表盘、缓冲器、门把手、离合器以及驾驶杆支持架等。 3.反应注塑技术 反应注塑技术(RIM)是将中间体(预聚体或单体)反应性液进人模具时进行撞流混合，注入模具后进行反应，实现交联或聚合而形成固态部件。该工艺最早用于聚氨醋泡沫技术，现已经广泛应用制备轻量的结构件。在相同的反应注射成型机上可生产出性能不同的软泡、弹性体、硬泡制品等。多用于成型汽车保险杠、方向盘、顶棚、侧围以及其它防振产品或减振的强力回弹塑料产品。该技术可低温低压成型一体化复杂零件，对树脂可改性、复合、纤维增强。混入长玻璃纤维的制品尺寸稳定，热膨胀小而刚性却明显提高，尤其适合汽车车身大型覆盖件生产。 4.熔芯注射成型 熔芯注射成型的基本原理是:先用低熔点合金铸造成可熔型芯，然后把可熔型芯作为该件放入模具中进行注射成型，冷却后把含有可熔型芯的制件从模腔中取出，再加热将可熔型芯熔化。当注射成型结构上难以脱模的塑料件，如汽车输油管和进排气管等复杂形状的空心塑料件时，一般是将它们分成两半成型，然后再拼合起来，致使塑料件的密封性较差。随着这类塑料件应用的日益广泛，人们将类似失蜡铸造的熔芯成型工艺引入注射成型，形成了所谓的熔芯注射成型方法。BASF公司最早用尼龙树脂去芯成型生产复杂进气歧管。但该法工艺复杂、成本高、生产效率低，逐渐被其他新工艺替代，推进了制备的工业化应用。1990年，宝马汽车公司用35%玻纤增强尼龙66制备了一体化气缸盖罩、空气过滤器或排气止逆阀。其它的新的用途有:汽车水泵、水泵推进轮、离心热水泵和航天器油泵等。 5.注射膨胀成型 注射膨胀成型是首先注射填充一定量的树脂以形成膨胀前的初期壁厚，然后将模具一部分或全部后移，由于树脂的回弹特性使树脂的体积增大(在树脂内部形成一些细小的孔隙，从而可得到密度低、刚性好、热绝缘性好的制件)，最后通过低压空气以提高表面平滑性和冷却速度。膨胀注射技术可广泛应用于生产汽车仪表盘等内饰件等。 6、金属嵌件注塑成型 金属嵌件注塑可以把金属嵌件组合在塑料制品中，减少复杂的装配过程，降低成本。如制备内外饰件的结构件，也可用作锁、窗户升降器和喇叭的支架组件。至今，总共有17个部件被注塑到门部件之中。一次成型，可满足非常高的机械要求:良好的强度和韧度，不高的敏感度和优异的耐压力裂化性。POM是用于该工艺的典型塑料。 7、双组分注塑成型 双组分注塑是另一种能消除独立装配工艺的实用技术，它被用于把硬质部件和软质部件联结在一起，例如，把密封圈或挡板直接附在一个部件上，而无需装配或分拆。适合用于这种工艺的硬质塑料除了POM以外，还有PBT和PPS。软质部件可从塑料和橡胶中进行选择。双组份注塑在汽车构造中的应用范围从座舱，到发动装置都有涉及。Krauss-Maffei公司开发了一种崭新和灵活的双组分注塑系统，国内北京化工大学等也在开展相关研究。 二、挤出成型 挤出成型又称挤压模塑或挤塑，即借助螺杆或柱塞的挤压作用，使受热熔化的塑料在压力推动下，强行通过口模而成为具有恒定截面的连续型材的一种成型方法。能生产管、棒、丝、板、薄膜、电线电缆和涂层制品等这种方法的特点是生产效率高，适应性强，几乎可用于所有热塑性塑料及某些热固性塑料。在汽车上常用来成型保险杠、燃油箱等部件。 三、压制成型 压制成型是塑料成型加工技术中历史最久，适用于流动性差的塑料，比较容易成型大型制品，而且生产的制品收缩率小、变形小，各性能指标比较均匀，但劳动强度大，不易实现自动化。根据材料的性状和成型加工工艺的特征，又可分为模压成型和层压成型。模压成型又称压缩模塑，这种方法是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的塑料放人加热的阴模模槽中，合上阳模后加热使其熔化，并在压力作用下使物料充满模腔，形成与模腔形状一样的模制品，再经加热(使其进一步发生交联反应而固化)或冷却(对热塑性塑料应冷却使其硬化)，脱模后即得制品。目前，压制热塑性塑料如PVC软制品的工艺在我国还广泛应用，多用于生产汽车发动机罩、地板垫等。 四、吹塑成型 吹塑主要指借助气体压力使闭合在模具中的热熔型坯吹胀形成中空制品的方法。吹塑用的模具只有阴模(凹模)，与注塑成型相比，设备造价较低，适应性较强，可成型性能好(如低应力)、可成型具有复杂起伏曲线(形状)的制品。可生产汽车暖风管、燃油箱和后导流板等。按照吹塑前的熔体供应形式，可分为挤出吹塑、注射吹塑和(挤出或注射)拉伸吹塑。采用多层共挤的多层型坯可进行多层吹塑，制备既有很好阻隔性、又有耐腐蚀的高机械性能的容器。 五、MuCell微发泡 MuCell微发泡不同于反应发泡，主要采用物理介质，如超临界CO2，成核气泡为微泡沫。微发泡部件较轻、残余压力较少，尺寸精度和尺寸稳定性卓越。材料消耗较少、成型周期也较短。当采用纤维增强部件时，弯曲性较小。用这种技术的产品的一个例子是气体重量感应器，它位于引擎箱之中，必须在一40~C～90~C的极宽温度范围内表现出极高的尺寸精度和尺寸稳定性。 六、吸塑成型 吸塑成型是将塑料片材加热到黏弹态，再抽真空使其贴合模壁，然后冷却定型。所成型的汽车部件有：前大灯灯框、装饰件、前后内顶、冷风管、侧立柱盖板等。软质仪表板由表皮、骨架材料、缓冲材料等构成。表皮材料是先真空吸塑成型后修剪，置入发泡模腔内，再放上骨架，然后注入缓冲类发泡材料(如PU)而成形。 七、纤维增强复合材料加工技术 纤维增强复合材料(FRP)是利用纤维的高强度和刚度来改进塑料的力学性能。FRP具有质量轻、强度高、耐腐蚀，可制造“A”级表面汽车外覆盖件并具有和金属相近的机械性能等特点而被广泛应用于汽车工业中。其成型方法主要有：手糊工艺、喷射成型、团状模塑料(BMC)、片状模塑料(sMC)、层压工艺、树脂压铸成型(RTM)、缠绕成型、反应注射成型、拉挤成型等。表l为国外塑料复合材料在发动机上的主要应用情况。SMC是目前汽车生产中最常用的FRP成型方法。SMC是将热固性树脂(不饱和聚酯、酚醛树脂、环氧树脂等)及纤维、固化剂、填料等多种成分组成的模塑料经热压成型的工艺。可用来开发生产保险杠、散热器、车顶、外壳、仪表盘、挡混板、行李箱盖、车门、车身及车身部件、发动机盖下部件、发动机罩、车内装饰部件等，SMC工艺在美国、西欧用得较多。 1．长纤维注塑成型 通常采用的长纤维增强塑料(LFT)具有良好的尺寸稳定性、优良的耐冲击性、刚性、化学稳定性(耐盐、油、燃料等)，优秀的长期耐蠕变性、低的高温线线膨胀系数及可循环利用等。已经成为汽车工业实现低成本高效益目标的理想材料，是目前国际上极为活跃的复合材料开发品种之一。 LFT的基体材料主要是聚丙烯(PP)，用量占70％以上，此外还有聚酰胺、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚氨酯等。应用部位有：保险杠、行李仓底板、蓄电池槽、车门、车身、座椅靠背、备胎架、发动机底座、仪表盘等。 据报道，大型热塑性塑料复合材料车体板的压力成型工艺已经成功地通过了其第一次可行性研究，对具有A级表面的后仓口、车门和车顶的评价工作也将开始。另外，位于底盘和发动机罩盖下的直接成型长纤维增强热塑性塑料复合材料结构件的开发工作也已取得了新的进展。这些进展包括用可调整模具来调节坯料的厚度分布、给无规则短切纤维坯料增加补强织物，以及研究尼龙是否可以作为直接成型热塑性塑料的基体而用于制作罩盖下的零件。 2．连续纤维注塑成型 连续纤维增强塑料复合材料中较典型的有玻璃纤维增强塑料(GFRP)和碳纤维增强塑料(CFRP)。玻璃纤维增强塑料(GFRP)俗称“玻璃钢”，具有强度高、工艺性能好、价格低等特点，可用于制造保险杠、发动机罩、挡泥板，甚至整个车身壳体。克莱斯勒公司于1992年推出的蝰蛇牌跑车，其整个车体都是用玻璃纤维增强塑料(GFRP)压铸模塑成型的。美国的雪佛兰子弹头车的车身壳体也是采用玻璃钢材料。碳纤维增强塑料(CFRP)是汽车轻量化和高性能化更理想的材料，但由于成本太高，CFRP零件尚未实现批量生产。例如，美国福特公司用碳纤维增强塑料CFRP制造的板簧零件强度高，模量大，热膨胀系数小，减磨性好，质量只有14kg，比现有材质减轻76％。一旦解决了成本问题，将有大量的CFRP用于汽车工业中，应用部件包括发动机系统中的推杆、连杆、摇杆、水泵叶轮，传动系统中的传动轴、离合器片、加速装置及其罩等，底盘系统中的悬置件、弹簧片、框架、散热器等，车体上的车顶内外衬、地板、侧门等。 用天然纤维如亚麻、剑麻增强塑料制造车身零件，在汽车行业已经得到认可。一方面是由于天然纤维是环保材料，另一方面植物纤维比玻纤轻40%，减轻车重可降低油耗。用亚麻增强PP制作车身底板。材料的拉伸强度比钢要高，刚度不低于玻纤增强材料，制件更易于回收。对操作工人，可免除因玻纤引起的皮疹和呼吸性疾病。中国江阴一些企业已经开始生产这类材料。 对连续纤维增强塑料复合材料，树脂传递模塑(RTM)在汽车行业工艺逐渐受到重视。随着低黏度树脂的不断开发而逐渐成为一种低成本制造技术。它是在一定压力下，将基体树脂(不饱和聚醋、乙烯基醋树脂、环氧树脂等)注人预先铺设好增强材料的封闭型腔而固化成型的工艺过程。RTM可一次成型大型复杂结构的制件，生产效率高，投资小，可满足汽车工业的大型覆盖件，如车身板、车顶、车箱、地板、排气管等的需要，还可一次成型帆板壳体等。近年来，RTM对RIM,SMC形成强大的竞争，在美国、西欧、日本得到了很快的发展，如美国三大汽车公司RTM的应用以每年20%一50%的速度增长。国内RTM在汽车行业也得到了一定的发展，如用RTM生产汽车车顶、尾翼等。 3．玻纤毡增强热塑性塑料GMT) 由于GMT具有很多的优异性能，如耐化学性好、比强度大，在高、低温环境中的抗冲击性能优良等，GMT产品广泛应用于汽车工业。欧美1997年GMT销量仅为2.4万吨，2003年则增加到5.3万吨。在我国，20世纪90年代后期上汽帕萨特轿车、北京切诺基吉普车、一汽奥迪轿车等少数汽车开始采用GMT片材制造发动机罩，车顶盖，行李箱盖等。GMT的最大用途被认为是汽车前端组件，现仍在大幅增长。GMT车底保护板具有良好抗冲击和刚度性能，在欧洲有很大市场。另外，根据新的安全要求，中部座位的乘客也须佩带安全带。新的设计将此安全带固定装置与座位整体成型。在这方面，GMT比钢材更具有成本和重量优势，在美国，已采用GMT制造的5形梁代替传统的一形截面保险杠。这种5形梁性能好，成本低，重量轻。备胎仓也是GMT的一大应用，新用途还有车门组件等。 目前，GMT成型工艺有两种。一种是干法成型，即利用玻璃纤维针刺毡或连续原丝毡与聚丙烯等热塑性塑料复合成片材，在裁切成所需形状后经红外加热使树脂至塑熔状态，置于模具中加压成型为最终产品。这种片材所制的产品等用于汽车部件，如保险杠衬里等。另一种成型工艺为湿法成型，其工艺类似造纸工艺。它是将短切玻璃纤维(6一25mm)与热塑性塑料(如聚丙烯)粒子在水中混合，借助于助剂的作用使塑料颗粒悬浮在水中，将此浆料进行网上脱水形成片材，该片材经特制的加热系统使塑料粒子达到塑熔状态，将纤维固结在一起最终形成干的片材。用这种片材经模压可以制出各种外观良好的汽车外装饰部件，其强度虽低于干法制品，但是却高于短纤维增强热塑性塑料注塑制品。这种工艺在美国、芬兰及日本均已建线生产。 近年来随着GMT技术的不断改进，出现了性能更为优越的GMT。如Azdel长纤维毡适用于轿车仪表盘、座位等结构件、Hzdel Superlite片材适合汽车内装件如车顶内衬、车门内饰板、遮阳罩、行李架等非结构件。片材表面可加一层与织物、薄膜之类表面材料相容的热熔胶，这样可在一次成型过程中在制件上覆上表面材料。目前在欧美应用十分广泛。 八、冲压成型 将塑料片或其复合材料板放置在冲压模具上快速冲裁而成，主要是成型汽车车身部件。 九、塑料连接 塑料可以通过机械紧固、粘接或焊接等方法进行连接。紧固法连接速度快，适用于所有塑料，但成本高、会产生应力集中，不能形成密封接头或获得适当的性能。粘接法能获得优良的性能和优质接头，但操作困难，需要精心进行接头和表面制备，而且速度很慢，不适于大批生产。而焊接法经济、简单、快捷、可靠，能形成静态强度接于母材的接头，因而适用于大批量生产，获得了愈来愈广泛的应用。 十、全塑汽车 所谓全塑汽车主要指车身为塑料材料。全塑汽车的开发已成为国外各大汽车公司竞相追求的目标。其开发一般分3步:一是装在金属构件上的部件塑料化，如发动机罩、车门、后车门等;二是框架结构的塑料化;三是全塑料车身。从材料开发上，一是塑料合金化改善单一塑料的弱点，二是选择纤维增强复合材料为承力结构件。目前已成功开发出数种塑料车身板材，正在验证应用。杜邦公司开发的车身塑料板材以玻纤增强PET为主，所应用的部件包括车身前后盖、车门、车身垂直板、挡风板、轮胎护板、装饰边梁甚至整个车身，车身板的厚度2一3mm 。然而，目前采用复合材料制造全塑车身还需解决几大难题:一是大批量、稳定生产的成型技术和工艺不够成熟;二是材料替代后设计理论、设计方法的建立;三是在与金属材料混合使用时，两种材料热收缩率差异和表面涂漆的适应性等。 十一、塑料回收 随着塑料在汽车上用量不断增大，在树脂生产、专用料配混和成型加工都会产生废塑料。消费后，尤其伴随大量汽车淘汰而产生的塑料废弃物对环境造成严重的影响。从国外的发展趁势来看，汽车用塑料的回收利用，最好是从源头抓起，即科学选材，选用环保型的塑料，以便于回收利用。塑料有多个品种，有关厂商在选择汽车用塑料时，应注意使品种趋于集中，便于分类回收和整体回收。汽车用塑料的回收利用是一项艰巨的任务，即使在发达国家，车用塑料件回收处理技术也尚在研究完善之中。除填埋、焚烧和化学降解利用外，部分塑料的再生利用逐渐受到重视，北京化工大学在混合塑料再加工方面有自主知识产权的技术。 十二、模具及CAD/CAE/CAM技术 随着塑料在汽车上越来越广泛地应用，对汽车塑料件的质量要求越来越高，而设计制造高质量的汽车塑料零件需要优秀的产品设计、高水准的模具和成型工艺的有机结合。 将CAD/CAE / CAM技术应用到汽车塑料件及模具的开发，可提高生产率、改进产品质量并缩短生产周期。CAD / CAE / CAM技术从根本上改变了传统的塑料件及模具的开发生产方式。CAD软件可以提高绘图效率、优化结构。CAE技术几乎涵盖了模具开发的所有环节。可在产品结构设计及模具结构设计阶段，及时发现设计缺陷，以保证产品结构、尺寸优化，实现产品的可制造性设计，以便在模具加工之前得到优化的产品结构设计及模具设计方案。还可以对注塑过程及工艺参数进行仿真，以判定塑件是否存在缺陷或选择优化的注塑工艺。例如，可以采用模拟流动软件来考察塑料熔体在模具型腔内的流动过程，以此改进流道系统的设计，提高试模的一次成功率;可以采用保压和冷却分析软件来考察塑料熔体的凝固过程和模温的变化，以此改进模具的冷却系统，调整成型工艺参数。提高塑料件质量和生产效率;还可以采用应力分析软件来预测制品出模后的变形和翘曲。借助CAM软件，模具型腔的几何数据能交互地转换为机床刀具曲面运动轨迹，进而生成数控加工指令，对模具的数控加工过程进行仿真，以判定模具的可制造性。这样就可省去木模制作工序，提高型腔表面的加工精度和效率。 我国在塑料件及模具设计技术和塑料模制造技术上与发达国家相比差距较大。目前，汽车用大型塑料件及模具的设计与制造，仍主要以进口为主，因此严重阻碍了汽车用塑料件的国产化进程。据国外公布的数据统计，采用塑料件CAD/CAE/CAM系统，可使设计时间缩短50%，制造时间缩短30%，模具成本下降10%，塑料材料节省7%,这对于竞争日益激烈的汽车制造业来说，采用此项技术无疑会提高企业的竞争力。 结论： 塑料／复合材料在汽车中的广泛应用可大大降低汽车的成本，同时简化制造工序与工艺(可一次成型)，给汽车设计带来更大的灵活性，加速汽车的更新换代。只有开发出新的、可行的塑料成型加工工艺，掌握特殊的新工艺，才能满足汽车轻量化的要求。与世界先进水平相比，我国汽车塑料制造业存在如下问题： 1．生产工艺落后，一些特殊制品配件还需要从国外进口。很多生产设备，特别是特殊工艺和大型生产装置需要从国外引进。一些新技术被国外垄断，国内在自主知识产权高新技术方面很欠缺。需要有关部门引导并加大开发资助力度。 2．塑料业界与车行业缺乏沟通，给设计、制造带来极大障碍。汽车制件的加工与传统金属制品有很大不同，现在很多设计人员照搬金属制件的设计理念，这对合理的原料选择、制品结构设计和成型造成很大阻力。 3．缺少统一的塑料零部件的规范和，不利于规模化生产和质量控制，不同厂家产品的互换性差。 4．车用塑料件生产厂规模往往不大、产量低生产水平不能满足市场需要。 5．模具设计和制造技术落后，许多大型、精密的塑料模具还依赖国外。 6．车用废弃塑料的回收再生技术落后，也没有形成完整的体系。