玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料停車楔研發(fā)

李海豐，喬鵬程，孫 銳

（1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；2.湖北濤華材料科技有限公司，湖北 十堰 442002）

0 前言

停車楔是汽車停泊防護(hù)的安全零件，起到防滑、止動(dòng)、警示的重要作用。根據(jù)GB 7258—2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》規(guī)定，自2018年1月起，車長≥6 m的客車和總質(zhì)量≥3 500 kg的貨車，應(yīng)裝備至少2個(gè)停車楔。為此，汽車零部件廠商開發(fā)制造了金屬、橡膠、甚至木材材質(zhì)的停車楔，但使用效果并不理想。一方面不耐用，另一方面零件笨重，不符合汽車行業(yè)輕量化的發(fā)展要求。以塑代鋼、以輕代重是汽車輕量化選材的一個(gè)重要思路[1]，PP以良好的力學(xué)、加工性能以及可回收性，成為了目前汽車上用量較大的材料[2]，但用其制造停車楔的強(qiáng)度難以滿足要求。GF增強(qiáng)PP可以大幅提高其力學(xué)性能和耐蝕性[3?4]，目前國內(nèi)已有很多文獻(xiàn)研究報(bào)道了GF增強(qiáng)PP在汽車及其他領(lǐng)域的應(yīng)用[5?7]，取得了較好效果。停車楔作為法規(guī)件，實(shí)現(xiàn)輕量化具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，本文即從結(jié)構(gòu)、材料和工藝方面對其輕量化研究，在實(shí)現(xiàn)減重的同時(shí)具備較優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于停車楔的工作狀態(tài)，其外形類似直角三角形，總體結(jié)構(gòu)是一定寬度的三角形拉伸體；斜邊與車輪配合，實(shí)際上是有一定半徑的弧面，長直角邊與地面接觸，拉伸體的寬度略大于輪胎寬度。由于斜邊要與輪胎完全貼合，弧面的半徑就是輪胎的半徑，一般重卡的后輪直徑為560～565 mm，輪胎斷面寬度為150～160 mm；長和高參考同體積大小橡膠材質(zhì)的尺寸，約300 mm×200 mm，由此確定結(jié)構(gòu)的外觀基本參數(shù)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要考慮以下幾方面，（1）構(gòu)造簡單，既減重又方便成型；（2）強(qiáng)度牢固，能抗壓抗彎；（3）結(jié)構(gòu)上要有抓取裝置，方便使用；（4）底部應(yīng)有防滑設(shè)計(jì)。因此初步設(shè)計(jì)的停車楔由重復(fù)排列的直管、直管間的連接板和抓取孔構(gòu)成。直管的截面形狀可以是三角形、六邊形和圓形等；設(shè)計(jì)兩處抓取孔，內(nèi)凹置于整體的后端面。零件設(shè)計(jì)為注射成型，并充分考慮抗彎性能，因此直管的截面形狀設(shè)計(jì)為圓形。圖1（a）為最終設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，總體構(gòu)造簡單，易成型；（b）圖紅框所示為抓取孔；（c）圖紅色半圓所示為底部防滑凸臺(tái)。

圖1 設(shè)計(jì)的輕量化結(jié)構(gòu)Fig.1 Lightweight structure

2 材料選取

工程材料的選取除考慮力學(xué)性能、物理與化學(xué)性能、工藝性能和經(jīng)濟(jì)性之外，還必須考慮環(huán)保與再生回收性能。PP輕質(zhì)、廉價(jià)；可回收再生、循環(huán)使用；通過注射成型，零件制造方便；同時(shí)具有良好的力學(xué)和物化性能，使其成為汽車零部件上用量較大的熱塑性塑料[8]。但PP的耐沖擊性能差、又具有低溫脆性，對其進(jìn)行增強(qiáng)增韌改性是當(dāng)前PP材料研發(fā)的重要方向[9]。GF最早從20世紀(jì)40年代起就已被用于塑料的增強(qiáng)體，制備的GF增強(qiáng)樹脂基復(fù)材輕質(zhì)高強(qiáng)，已成為目前汽車輕量化選材的成熟技術(shù)和首要思路[10?12]。因此，對于停車楔這種要求具有較高抗壓抗彎強(qiáng)度的零件，用GF對PP增強(qiáng)改性自然成為汽車輕量化用材的首選。短切玻璃纖維增強(qiáng)PP不僅力學(xué)性能優(yōu)異，而且流動(dòng)性好、易加工、成本低；當(dāng)添加的GF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～35%時(shí)，其綜合性能最好[13?14]。由于目前市面上常見的短切原絲增強(qiáng)PP多為30%的GF含量，因此本項(xiàng)目以普通市售的PP樹脂和無堿GF為原材料，針對輕量化的停車楔用材專門制備了PP/30%GF復(fù)合材料，其主要的性能指標(biāo)見表1。

表1 PP/30%GF主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indexes of PP/30%GF

3 有限元分析

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選取完成后，使用有限元仿真軟件ANSYS對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載荷狀態(tài)下的應(yīng)力與應(yīng)變分析。先對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)簡單，因此選擇自由網(wǎng)格劃分，結(jié)果見圖2。按照技術(shù)要求分析滿載18 T時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變，模型所受約束和承載示意圖見圖3所示，選中停車楔與坡道的接觸面作為約束面。實(shí)際工況下，車輛的兩側(cè)后輪處各放置一件停車楔，分擔(dān)承受18 T的載荷，但為保證設(shè)計(jì)的安全裕度和可靠性，并應(yīng)對實(shí)際可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工況，對單獨(dú)一件停車楔承載18 T進(jìn)行分析。結(jié)果見圖4和圖5。由圖4可知，零件在設(shè)定載荷下的受到的應(yīng)力較小，僅在底部與車輪接觸部位的前端以及背部抓取孔位置受到最大應(yīng)力，其值在20 MPa左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PP/30%GF材質(zhì)的彎曲強(qiáng)度。圖5顯示了零件在設(shè)定載荷下的應(yīng)變情況，可看出在底部與車輪接觸部位的前端以及背部抓取孔位置出現(xiàn)較大變形，其中背部抓取孔位置變形最大，約為0.033 mm，變形非常小，也在允許范圍內(nèi)。對圖4應(yīng)力和圖5應(yīng)變綜合分析，零件底部與車輪接觸部位的前端，由于受到車輪垂直方向的直接壓力，受力集中，因此容易出現(xiàn)較大變形；而零件背部的抓取孔位置，特別是4根圓管的頂部，車輪壓力通過筋板的傳遞到達(dá)背部時(shí)，由于沒有支撐，4根圓管出現(xiàn)向內(nèi)凹陷彎曲的變形，且通過筋板的傳遞后變形最大，但應(yīng)力應(yīng)變值均滿足技術(shù)要求。結(jié)果表明，塑件單獨(dú)使用時(shí)可滿足要求，實(shí)際中是兩件同時(shí)使用，表明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)理論上具有很好的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可行。

圖2 有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Finite element mesh division

圖3 承載示意圖Fig.3 Stress diagram

圖4 應(yīng)力分析Fig.4 Stress analysis

圖5 應(yīng)變分析Fig.5 Strain analysis

需要注意的是，在有限元分析時(shí)，材料被認(rèn)為是各向同性，但由于復(fù)合材料自身具有的及成型過程導(dǎo)致的各向異性，造成實(shí)際情況與有限元模擬結(jié)果有較大差異。通過簡化、近似的有限元分析，只是避免了結(jié)構(gòu)及選材設(shè)計(jì)的先天缺陷和不足，杜絕了明顯的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤；為保證設(shè)計(jì)的安全裕度和可靠性，必須結(jié)合整車試驗(yàn)驗(yàn)證，即將制備的實(shí)物在技術(shù)要求規(guī)定的道路及載荷下進(jìn)行實(shí)測。

4 工藝性分析

注射工藝參數(shù)的設(shè)定對PP/30%GF復(fù)合材料的性能起著較為關(guān)鍵的影響[15]。借助Moldflow模流分析軟件可以對溫度、壓力、時(shí)間等關(guān)鍵因素進(jìn)行分析優(yōu)化，一方面可以預(yù)防控制潛在的質(zhì)量缺陷，如翹曲變形、氣孔等；另一方面對后續(xù)的模具設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)幫助作用[16]。在軟件材料庫中選擇PP/30%GF，然后設(shè)定工藝參數(shù)。模具表面溫度50℃，熔體溫度230℃，模具溫度范圍20～80℃，熔體溫度范圍200～280℃，絕對最大熔體溫度320℃，頂出溫度93℃，最大剪切應(yīng)力0.26 MPa，最大剪切速率24 000 s-1。

圖6展示了進(jìn)膠位置，采用大水口進(jìn)膠，這樣壓力損失小，雖然需要人工去除澆口，但加工簡單；即使表面留有澆口痕跡，但處于零件的底部，不影響外觀及使用。圖7顯示的是產(chǎn)品成型時(shí)的填充情況，藍(lán)色表示最先填充區(qū)域，紅色表示最后填充區(qū)域。結(jié)果顯示填充過程中流動(dòng)較為均衡，表現(xiàn)為所有流動(dòng)路徑基本都能同時(shí)到達(dá)模型邊緣。圖8顯示等值線的間距呈均勻分布，寬間距的等值線表示流動(dòng)比較順暢，窄間距的等值線表示零件填充比較緩慢，阻力較大。結(jié)果顯示充填時(shí)間為1.952 s，充填順利，無短射。圖9顯示的是充填結(jié)束時(shí)的壓力，此結(jié)果顯示的是從速度控制切換為壓力控制時(shí)壓力在模具中沿流動(dòng)路徑分布情況，填充末端壓力應(yīng)為0 MPa；圖中顯示填充末端壓力最大為32.39 MPa，結(jié)果表明壓力分布較均勻，且注射壓力適中，適宜成型。圖10顯示的是從冷卻階段結(jié)束到產(chǎn)品冷卻至環(huán)境參考溫度時(shí)局部體積的減小量，即頂出時(shí)的體積收縮率。可看出產(chǎn)品主體整體收縮均勻，壁厚較厚區(qū)域收縮值偏高。局部高收縮率的區(qū)域可能在產(chǎn)品冷卻時(shí)導(dǎo)致內(nèi)部縮孔或縮痕，這可以通過適當(dāng)延長保壓時(shí)間等措施來解決。圖11給出了零件在注射過程中氣穴的嚴(yán)重程度以及可能出現(xiàn)的位置。從圖中看出，氣穴主要集中在零件的底部，這意味著后續(xù)的模具設(shè)計(jì)要注意排氣設(shè)計(jì)，需要增設(shè)排氣槽。圖12給出了零件成型后的總變形量，可看出各向變形均較小，最大值僅有0.88 mm，無嚴(yán)重翹曲變形，符合技術(shù)要求的規(guī)定。最終模擬優(yōu)化出的最佳成型工藝參數(shù)見表2。

圖6 澆口位置Fig.6 Gate location

圖7 充填時(shí)間Fig.7 Filling time

圖8 充填時(shí)間?等值線Fig.8 Filling time contour

圖9 充填結(jié)束時(shí)的注射壓力Fig.9 Injection pressure at the end of filling

圖10 頂出時(shí)的體積收縮率Fig.10 Volume shrinkage at ejection

圖11 氣穴位置Fig.11 Cavitation location

圖12 總變形量Fig.12 Total deformation

表2 最佳成型工藝參數(shù)Tab.2 Optimal forming process parameters

5 制造與測試

使用公司已有的擠出成型機(jī)，自制改性材料，制備PP/30%GF復(fù)合材料，以降低材料成本。零件1模1腔注射成型，選用HXM410注塑機(jī)，鎖模力4 100 kN。利用表2模擬出的最佳成型工藝參數(shù)批量制備了一批產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)塑件整體成型良好，無缺料等嚴(yán)重缺陷，出現(xiàn)的主要缺陷是流痕和飛邊，解決措施見表3。開模取件后制件需仔細(xì)檢查外觀質(zhì)量，不應(yīng)有色差、變形、開裂、油污、尖角、毛刺、明顯的凸凹不平等影響外觀的缺陷；澆口部位飛邊修剪、平整無凹陷。生產(chǎn)的合格產(chǎn)品如圖13所示，黃色外觀無雜色等缺陷，零件凈重0.98 kg。

表3 常見缺陷及解決辦法Tab.3 Common defects and solutions

圖13 合格產(chǎn)品Fig.13 Qualified products

取合格產(chǎn)品按技術(shù)要求進(jìn)行靜壓試驗(yàn)、冷熱循環(huán)試驗(yàn)和耐低溫沖擊性能檢測，檢測方法和結(jié)果見表4，可見零件性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。最后，還需按照法規(guī)要求（GB 7258）對產(chǎn)品進(jìn)行整車試驗(yàn)，方法為整車滿載18 T、在20°的坡上駐車，將兩件產(chǎn)品分別放置在左右驅(qū)動(dòng)輪后方（要與輪胎貼合），然后松開手剎腳剎，車輛不后滑、停車楔無破損、裂紋等異常即為合格。整車試驗(yàn)見圖14所示，檢測結(jié)果為合格。

表4 零件性能檢測Tab.4 Part performance test

圖14 整車試驗(yàn)Fig.14 Vehicle test

6 綜合對比分析

將開發(fā)成功的新型停車楔與目前市面上橡膠和金屬材質(zhì)的停車楔從質(zhì)量、成本和特點(diǎn)3方面進(jìn)行對比，結(jié)果見表5。可見采用PP/30%GF復(fù)合材料制造的停車楔，總質(zhì)量僅有0.98 kg，相比傳統(tǒng)材質(zhì)，大幅降低了零件自重，同時(shí)成本也最低、經(jīng)濟(jì)性良好。使用復(fù)合材料不僅避免了橡膠材質(zhì)帶來的刺激性氣味，而且材料可回收再生使用；此外，相比金屬材質(zhì)需要焊接成型，復(fù)合材料停車楔采用一次注射成型，生產(chǎn)效率高，還避免了金屬易生銹等缺陷。綜合比較，PP/30%GF復(fù)合材料制造的停車楔輕質(zhì)高強(qiáng)、性能優(yōu)越、成本優(yōu)勢明顯。

表5 3種材質(zhì)停車楔對比Tab.5 Comparison of three kinds of parking wedges

目前，該輕量化停車楔已獲批發(fā)明專利，并在國內(nèi)大型商用車公司批量交付使用，市場反饋使用效果好。

7 結(jié)論

（1）采用圓筒中空結(jié)構(gòu)、PP/30%GF復(fù)合材料注射成型的新型停車楔，其質(zhì)量僅有0.98 kg，成本低；（2）相比原橡膠、金屬材質(zhì)的停車楔，輕量化效果顯著，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，且滿足環(huán)保要求；市場使用效果好。