摘 要：以某中型车座椅横梁为研究对象，从选材设计、结构设计和工艺设计等方面全面介绍了热塑性复合材料座椅横梁的轻量化设计方案及制造技术；并通过零部件的性能检测和减重效果评价，验证了产品符合使用性能与设计要求，可有效替代原钣金结构，并在成本未显著提升的同时实现减重32%，可有效降低整车油耗，对满足国家油耗强制法规提供了有力支持。
引 言
在我国汽车产业飞速发展的同时，能源安全、节能减排已经成为汽车产业可持续发展所面临的重要问题。国家出台了一系列的政策法规，对汽车的能耗和排放指标均进行了严格的限制，而汽车轻量化正是解决上述问题，满足政策及市场需求的重要手段。
碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）以其优异的机械性能、抗疲劳性能以及远低于金属的密度条件，成为了汽车轻量化的首选材料。但是，目前90%以上的汽车用碳纤维复合材料均采用热固性树脂体系，这类材料存在回收困难、固化周期长等问题，对满足《汽车有害物质和可回收利用率管理要求》将造成较大影响。为此，热塑性碳纤维复合材料就成为解决这一问题的有效手段。
连续纤维增强热塑性复合材料具有较好的机械性能，目前多通过模压工艺实现成型，但是，受工艺特性限制，无法满足一些特殊结构的成型要求。对于这类复杂结构，目前多采用注塑成型的方式，但使用的纤维长度仅3 mm左右，制品的机械性能较差，较难满足车身结构件的使用要求。
如果将模压工艺与注塑成型的方式结合起来，以连续纤维增强热塑性复合材料为骨架，并通过注塑成型的方式实现复杂结构的成型，则可同时满足汽车零部件对性能和结构的需要，进一步拓展热塑性复合材料在汽车结构件上的应用。
为此，项目组依托“国家自然科学基金-中国汽车产业创新发展联合基金”U1664250课题，以某中型车的座椅横梁为研究对象，通过采用模压-注塑混合成型工艺的形式，进行了全流程的设计开发，在降低零部件质量的同时，深入研究了模压-注塑共性关键技术问题，为模压-注塑混合成型工艺在整车上的批量应用积累了宝贵经验。
1. 模压-注塑座椅横梁的选材设计
该中型车座椅横梁由前座椅前横梁、前座椅后横梁、后座椅横梁等构成，以前座椅后横梁为例，该零部件如图1所示，由横梁本体、左侧加强件和右侧加强件3部分组成，其尺寸规格为589 mm×140 mm×110 mm。该零部件采用传统钣金结构，将3个独立钣金件焊接在一起，并通过螺接方式与座椅连接，是典型的车身梁类结构件，总体质量为1.85 kg。
图一：某B级轿车前座椅后横梁
模压-注塑复合材料的材料主要涉及增强纤维和热塑性树脂的选择。
对于模压-注塑混合结构，为了确保模压层与注塑层之间的界面性能，模压区域和注塑区域宜选用相同的树脂体系。而常用热塑性树脂中，POM、PEEK、PEKK等材料流动性差，很难满足注塑成型过程中的充模要求，且材料成本过高，因此不宜考虑；而流动性较好的PP、PA6、PA66等材料中，综合表1中对不同树脂性能-成本的对比分析，PA6具有更优异的性价比，且性能可以满足汽车零部件的应用要求，因此作为首选树脂材料。
不同树脂的性能-成本对比如表1所示。
注：表中数据均为添加30%玻纤后的复合材料数据
而对于增强纤维，目前常用的主要有碳纤维和玻璃纤维2类。其中，玻璃纤维价格较低、抗拉强度也较高，但拉伸模量相对较低；而碳纤维虽然强度和模量都非常高，但价格太高，目前还无法满足汽车的成本控制要求。
从表2给出的不同纤维增强复合材料性能对比可以看到，玻纤增强尼龙6材料（PA6）的拉伸强度显著高于原钣金件使用的HC340/590DP钢，但拉伸模量却不足钢材的1/3；在等刚度设计条件下，零部件厚度需增至原钣金厚度的3倍以上，无法有效发挥出复合材料的轻量化效果。如部分使用碳纤维，则可有效弥补玻纤模量不足的缺陷，降低部件厚度，使零部件最大程度实现减重。
表2 不同材料性能对比
而玻纤增强尼龙6注塑料虽然强度和模量都较低，但可通过结构筋的形式提升零部件的整体刚度，且密度小、成本低，因此可以较大程度替换连续纤维增强尼龙材料，实现减重降本的目标。
因此，在满足刚度条件的情况下，选择玻璃纤维增强尼龙6为零部件材料主体，混杂部分碳纤维增强尼龙6材料改善零部件整体刚度，并通过短玻纤-尼龙6注塑筋进行局部刚度补强，完成了模压-注塑座椅横梁选材方案的制定，如图2所示。
图2 座椅横梁选材方案
图2所示的本体区域采用连续纤维增强PA6材料，连续纤维由碳纤维和玻璃纤维共同组成，并在满足性能需求的基础上尽可能多地提高玻璃纤维比例，以降低用材成本；图2所示的加强筋区域采用非连续玻纤增强PA6的粒料，纤维体积含量为30%～50%。
2. 模压-注塑座椅横梁的选材设计
2.1 原始的座椅横梁钣金件由横梁本体、左侧加强件和右侧加强件、2个焊接螺母及1个焊接加强板等6个部件组成，各部件之间通过焊接的方式连接在一起。改为模压-注塑复合材料结构后，成功的将原有的6个部件简化为1个零部件，并在注塑过程中将螺母预埋到零部件上。
集成结构如图3所示：
图3 座椅横梁集成设计方案
从集成设计方案可以看到，横梁的上部为模压结构，起到主要载荷的承载作用，并与周边零部件连接；横梁的下部为注塑筋结构，主要对零部件的扭转刚度进行补强。
2.2 变厚度设计
根据座椅横梁受力需求及原钣金件结构，对复合材料座椅横梁进行了变厚度设计。
从图3可以看到，座椅横梁钣金件的左右两侧，横梁本体与加强件有较大区域的重叠结构，并通过焊接方式构成封闭截面，因此整体结构刚度更高，改为复合材料结构后需要增加铺层厚度，以满足性能需求；横梁中间区域仅由横梁本体构成，为单层钢板结构，刚度较低，可以适当减少铺层厚度，降低材料质量和成本。
变厚度的设计方案如图4所示，其中左侧和右侧为加厚层，本体壁厚为4.05 mm，共23层；中段为减薄层，本体壁厚为3.55 mm，共21层；注塑区域壁厚为2 mm。
通过进行结构优化设计，复合材料座椅横梁的总体质量为1.23 kg，与原钣金件的1.82 kg相比，实现减重30%以上。
图4 座椅横梁变厚度设计方案
2.3 连接结构设计
替换为复合材料后，座椅横梁无法与地板及周边零部件进行焊接，因此改为胶粘的方式，涂胶区域如图5所示。
图5 座椅横梁胶粘区域设计方案
通过胶粘的方式，既可以满足零部件的结构连接性能需求，还可以对复合材料与钢材的界面起到隔离作用，降低CFRP与钢接触部分可能产生的电化学腐蚀风险。同时，胶层还可以与复合材料协同作用，进一步降低震动对乘员舱的影响，降低车内噪音。
3. 模压-注塑座椅横梁的工艺制造
复合材料座椅横梁采用模压+注塑的混合成型工艺，工艺流程如图6所示。
具体步骤如下：a.根据铺层设计方案，将连续纤维增强PA6预浸料进行铺层，将铺层好的复合材料板材进行预热，待树脂软化后移入模压模具，压制成座椅横梁预成型件；b.取出模压预成型件，进行裁边、打孔、预埋等处理，并通过红外加热等形式对预成型件进行二次预热；c.在较高温度条件下，将预热后的模压预成型件快速移入注塑模具，进行注塑加筋处理；d.开启注塑模具，取出最终的零部件。
通过二次预热，可有效提升注塑过程中，注塑筋与模压件的界面结合性能。但预热后的模压件移动较为困难，且移动时间过长将会导致表面温度降低，难以达到预期目标，因此需要通过机械手臂自动完成，以提高工艺的一致性和稳定性。生产热塑性复合材料座椅横梁使用的模具如图7a和图7b所示。
(a)模压模具 (b)注塑模具
图7 座椅横梁模压-注塑模具
通过模压、预热、注塑等工艺，完成了零部件的试制，制得的碳/玻混杂纤维复合材料座椅横梁样件如图8所示。
图8 座椅横梁样件
4. 模压-注塑复合材料座椅横梁样件的试验验证
根据座椅横梁在车身结构中的主要贡献，制定了部件-台架-整车级性能验证计划，开展了包含零部件外观检测、零部件尺寸公差检测、零部件力学性能检测、台架试验和整车搭载检测等多项测试，具体如下。模压-注塑复合材料座椅横梁力学性能检测结果见表3。
a.表面质量符合设计要求，表面光滑、平整，纤维纹路整齐，无针孔、裂纹、漆点以及砂纸印等明显的外观缺陷；
b.外形尺寸符合设计要求，通过装车检测和三坐标检测，产品的装配尺寸公差符合设计要求；
c.对座椅横梁的强度、刚度、安装点性能等各项力学性能进行检测，其检测的结果如表3所示；
表3 模压-注塑复合材料座椅横梁力学性能检测结果
d.用模压-注塑复合材料座椅横梁替换替换设计车型原有的钣金结构，通过座椅安全台架试验，座椅安装点未发生拔脱现象；
e.搭载模压-注塑复合材料座椅横梁进行设计车型的道路试验，在车速为120 km/h时，未出现共振抖动等不良现象。
5. 模压-注塑复合材料座椅横梁的轻量化效果评价
与原钣金横梁相比，模压-注塑复合材料座椅横梁的质量及其减重效果如表4所示。
表4 模压-注塑复合材料座椅横梁质量及其减重效果
结语
通过对模压-注塑复合材料座椅横梁的设计开发、试制和验证，掌握了模压-注塑混合成型工艺的选材、结构设计和工艺制造特点，并得出如下结论。a.采用模压-注塑混合成型工艺，可成功制造具有复杂加筋结构的复合材料零部件，并同时满足汽车结构件对机械性能的需求；b.在模压-注塑混合成型过程中，模压和注塑部分宜选择相同的树脂体系，并在注塑前对模压预成型件进行预热，以提高模压-注塑界面的结合性能；c.通过合理的选材和结构设计，模压-注塑复合材料座椅横梁的力学性能显著优于原钣金结构，可有效改善整车性能；d.与原钣金件相比，模压-注塑复合材料座椅横梁的减重率达到32%，减重效果明显；e.模压-注塑座椅横梁选用热塑性复合材料体系，易回收，结构性能优异，轻量化效果显著，且可通过多材料混合应用的方式降低零部件成本，是碳纤维及其复合材料在汽车领域应用的重要发展方向之一。
