碳纖維汽車前地板DV測試對其變形影響研究

劉賓賓 王文印

摘? 要：為了驗證碳纖維汽車前地板DV測試對其變形是否有影響，文章以碳纖維預浸料（ACTECH1201/SYT45）為成型材料，以模壓成型工藝為基礎，選擇外型相對復雜、尺寸相對較大的汽車車身前地板作為研究對象，實現一體模壓成型前地板，對總成的前地板進行DV測試（耐熱老化測試、耐高低溫循環測試），在檢具上對測試前、后的前地板總成進行全尺寸檢測，得到：碳纖維前地板總成的全尺寸檢測基本符合汽車車身的裝車要求;耐熱老化測試對前地板總成的面輪廓度基本無影響，可滿足設計要求;耐高低溫循環測試對前地板總成的面輪廓度有一定影響，但整體影響較小，可滿足設計要求。

關鍵詞：碳纖維;前地板;汽車車身;面輪廓度

中圖分類號：TB332 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）30-0057-03

Abstract： In order to verify whether the DV test of the carbon fiber automobile front floor has an impact on its deformation， in this paper， the carbon fiber rapid prepreg （ACTECH1201/SYT45） is used as the molding material. Based on the molding process， the front floor of automobile body with relatively complex appearance and large size is selected as the research object to realize the integrated molding front floor， DV test （heat-resistant aging test， and high and low temperature resistance cycle test） is carried out on the front floor of the assembly， and full-scale inspection is carried on the front floor assembly before and after the test on the inspection tool. The following results are obtained： The full-scale test of the carbon fiber front floor assembly basically meets the loading requirements of the automobile body; the heat-resistant aging test has no effect on the surface profile of the front floor assembly， which can meet the design requirements; the high and low temperature resistance cycle test has a certain impact on the surface profile of the front floor assembly， but the overall impact is small， so it can meet the design requirements.

Keywords： carbon fiber; front floor; automobile body; surface profile

1 概述

汽車輕量化作為有效的節能和環保措施，在未來成為汽車行業大力發展的趨勢，其中碳纖維復合材料在輕量化上有極大的優勢將作為節能和新能源汽車領域的重要發展方向[1]，碳纖維復合材料應用在汽車車身零部件中，減輕質量效果尤為明顯，比鋼鐵材料輕50%，比鋁材輕30%[2]，且有諸多特點：比強度、比模量高、抗疲勞性能好、破損安全性高、減震性好、各向異性、易于成型、耐腐蝕性好等[3]，由于其各向異性的力學特性，碳纖維復合材料的結構形式和鋪層方式都會對其性能產生影響，合理的結構形式和鋪層方式能夠在減輕結構重量的情況下提高結構的力學性能[4]，同時可減少裝配零件數量，使碳纖維零部件實現一體成型。

汽車車身零部件有很多個可使用碳纖維復合材料進行替代，如四門兩蓋、地板、頂棚、A柱、翼子板等[5]，其中地板作為外型相對復雜、尺寸相對較大的零部件，選用碳纖維復合材料成型，因外型復雜因素不易準確判斷出其變形趨勢，即使完成汽車整車裝配，也要滿足在不同環境（如高溫、低溫等）下運行，不發生嚴重變形問題。

因此，本文選擇汽車車身零部件中的前地板做為研究對象，外輪廓尺寸約為1400*1500*200mm，選用碳纖維預浸料為成型材料、模壓成型工藝方法，對成型裝配后的前地板、進行DV測試（耐熱老化測試、耐高低溫循環測試）后的前地板分別進行尺寸檢測，驗證測試前、后的尺寸是否符合設計裝配要求。

2 試驗

2.1 原料與試劑

碳纖維環氧樹脂體系預浸料：ACTECH1201/SYT45，纖維面密度150±5g/m2，樹脂含量40±3%，中航航空高科技股份有限公司;脫模劑：ChemleaseMPP 2180，哈爾濱澳士德商貿有限公司;脫模布、有孔隔離膜、導氣氈、真空袋等輔助材料：保定市瑞彼得復合材料銷售有限公司;真空嘴：自制。

2.2 設備與儀器

碳纖維前地板模具：5120111-BN90-MJ，黃驊市澤方模具有限公司;U4.165F/K型真空泵：德國進口BECKER;8.0兆牛液壓成型機：型號FDY-800，中國上海頤中橡膠機械有限公司;塞尺：0.05-1.00mm，W2869A;切邊/打孔工裝，總成粘接工裝：沈陽興興動力設備開發有限公司;總成檢具：5120000-BN90CP-JJ0701-WW，天津飛悅航空工業股份有限公司;環境箱：MENV082，上海天祥質量技術服務有限公司金橋分公司;色差儀：MELC014，上海天祥質量技術服務有限公司金橋分公司。

2.3 試驗

碳纖維汽車前地板成型制造過程如下：

（1）使用脫模劑對碳纖維前地板模具的上、下模進行保養。

（2）在碳纖維前地板模具的下模上按照鋪層設計角度逐層鋪貼預浸料，環境溫度要求18-27℃，濕度要求不高于80%，鋪貼過程中間隔4-6層進行真空壓實處理。

（3）使用壓機將前地板模具的上、下模合到一起。

（4）設置壓機壓力，作用至產品上為1.0-2.0Mpa，模具升溫125±5℃，保溫20-30min。

（5）前地板模具降至60℃以下，將毛坯件進行脫模。

（6）在三軸機床上機加前地板毛坯件的4個定位孔。

（7）利用前地板定位孔將其固定在切邊/打孔工裝上，對毛坯件進行切邊和打孔操作。

（8）利用前地板定位孔將其固定在總成粘接工裝上，粘接金屬件、標件等，總成件見圖1。

（9）利用前地板定位孔將其固定在總成檢具上，對前地板總成進行尺寸檢測。

2.4 分析與測試

前地板總成面輪廓度檢測：前地板總成置于檢具上，按圖2所示檢測位置，使用通止規檢測面輪廓度，公差±0.7mm，通止規檢測合格即為“Y”，不合格的使用塞尺測量超差數據。

前地板總成耐熱老化測試：高溫80±2℃放置168h，試驗后將零件在室溫下放置1-2h，然后對零件外觀、尺寸等進行評價。要求：色差≤3級，不得出現催化、裂紋、表面收縮、翹曲變形及其他影響使用功能的缺陷，試驗后零件尺寸應滿足設計要求。

前地板總成耐高低溫循環測試：高溫80±2℃，低溫-40±2℃。高溫5h+室溫0.5h+低溫5h+室溫0.5h為一個循環周期，持續進行兩個周期。要求：試驗后不得出現翹曲變形、裂紋、分層及其他影響使用功能的缺陷，色差≤3級，灰度等級≥4級，試驗后零件尺寸應滿足設計要求。

3 結果與討論

碳纖維前地板總成的全尺寸檢測包括產品厚度、開孔孔徑、孔位置度、面輪廓度、線輪廓度，據統計，尺寸檢測合格率高達95%以上（檢測點約150個），基本符合汽車車身的裝車要求。但是，為了保障汽車車身可滿足不同環境下的正常運行，通過實驗室模擬對前地板總成分別做了耐熱老化測試和耐高低溫循環測試，并對前地板總成測試前、后的相關尺寸進行了檢測，驗證前地板總成是否會出現嚴重變形問題。若前地板出現變形問題，對其產品厚度、開孔孔徑、孔位置度無明顯影響，對面輪廓度影響較大，進而引發相應位置的線輪廓度超差，故僅對耐熱老化測試和耐高低溫循環測試前、后前地板總成的面輪廓度進行對比，選取了關重點區域作為檢測位置（如圖2所示），檢測尺寸數據見表1。

表1 耐熱老化和耐高低溫循環測試前、后前地板總成的面輪廓度檢測記錄表

3.1 前地板總成耐熱老化測試前、后面輪廓度檢測分析

由上海天祥質量技術服務有限公司對前地板總成（編號001）進行了耐熱老化測試，測試結果：無催化、裂紋、表面收縮、翹曲變形及其他影響使用功能的缺陷，色差≤3，評判為合格。

關于前地板總成的面輪廓度，從表1中的數據可知，檢測點共計35個，耐熱老化測試前、后的不合格檢測點由3個增加為4個，不合格檢測點主要出現在前地板總成的四個拐角區域，表明前地板本體存在一定變形，但熱老化測試前后的面輪廓度超差相差不大，可見，耐熱老化測試對前地板總成的面輪廓度基本無影響，可滿足設計要求。

3.2 前地板總成耐高低溫循環測試前、后面輪廓度檢測分析

由上海天祥質量技術服務有限公司對前地板總成（編號002）進行了耐高低溫循環測試，測試結果：無翹曲變形、裂紋、分層及其他影響使用功能的缺陷，色差≤3級，灰度等級4/5，評判為合格。

從表1中的數據可知，檢測點共計35個，耐高低溫循環測試前、后的不合格檢測點由4個增加為5個，不合格檢測點主要出現在前地板總成的四個拐角區域和左右兩側（與側圍安裝區），表明前地板本體存在一定變形，除了前地板總成左下拐角區（檢測點27、28）變形較大，其它檢測點面輪廓度超差相差不大，可見，耐高低溫循環測試對前地板總成的面輪廓度有一定影響，但整體影響較小，可滿足設計要求。

4 結論

本文以碳纖維環氧樹脂體系預浸料（ACTECH1201/SYT45）為成型材料，以模壓成型工藝為基礎，選擇外型相對復雜、尺寸相對較大的汽車車身前地板作為研究對象，實現一體模壓成型前地板，對總成的前地板進行DV測試（耐熱老化測試、耐高低溫循環測試），在檢具上對測試前、后的前地板總成進行全尺寸檢測，得到如下結論：

（1）碳纖維前地板總成的全尺寸檢測基本符合汽車車身的裝車要求。

（2）耐熱老化測試對前地板總成的面輪廓度基本無影響，可滿足設計要求。

（3）耐高低溫循環測試對前地板總成的面輪廓度有一定影響，但整體影響較小，可滿足設計要求。

參考文獻：

[1]徐作文，陳偉，趙春.碳纖維復合材料汽車前車門輕量化設計與分析[J].科技創新與應用，2018（36）：79.

[2]丁小馬.碳纖維復合材料汽車前地板成型工藝及性能研究[D].上海：東華大學，2015：8.

[3]張王根.碳纖維復合材料汽車零部件開發與前景探討[J].玻璃鋼，2015（2）：14-15.

[4]程章，朱平，馮奇，等.碳纖維復合材料汽車翼子板優化設計研究[J].汽車工程學報，2015，5（5）：367-368.

[5]彭孟娜，馬建偉.碳纖維及其在汽車輕量化中的應用[J].合成纖維工業，2018，41（1）：55.