客車玻璃鋼前后圍開(kāi)發(fā)

陳再霖，陳成海，郝守海

（東風(fēng)汽車有限公司 東風(fēng)商用車技術(shù)中心，武漢 430056）

車身前后圍是客車車身結(jié)構(gòu)上制造工藝相對(duì)較復(fù)雜、制造難度較大、制造投入成本較高、制造準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)總成件。根據(jù)生產(chǎn)需要的綜合考慮，采用合適的前后圍蒙皮制造工藝，對(duì)客車車身前后圍的產(chǎn)品質(zhì)量、制造成本、開(kāi)發(fā)周期具有決定性意義。

1 玻璃鋼材料的特點(diǎn)及在客車車身上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

玻璃鋼是由樹脂、增強(qiáng)材料和多種輔助成分合理組合而成。確切的名稱是玻璃纖維增強(qiáng)塑料。它是由玻璃纖維氈、玻璃纖維織物與合成樹脂（如聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等）復(fù)合而成的一種復(fù)合材料。

玻璃鋼材料的特點(diǎn)及在客車車身上應(yīng)用具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）玻璃鋼質(zhì)量輕。其密度僅為1.6～2.1，是鋼鐵的 1／4～1／5，是鋁材的 3／5 左右。 可以減輕汽車自身重量。

2）玻璃鋼材料具有優(yōu)良的成型性能?？沙浞掷脴渲牧鲃?dòng)性和玻璃纖維的層壓性，制造形狀復(fù)雜的曲面，容易滿足流線型、圓滑結(jié)構(gòu)的車身外表面需求。

3）玻璃鋼前后圍外板適合采用一體化成型?？墒共Ａт撉昂髧獍暹_(dá)到較高的外表面質(zhì)量的同時(shí)，還能減少部件的數(shù)量及裝配工序，提高部件匹配精度。玻璃鋼制件只須具備模具，就可把不同厚度的零件及其凸起部、筋、棱等特征全都一體成型；適合于制造用金屬板難于制造、難于保證制造及裝配精度的零件及總成。

4）玻璃鋼制件防腐蝕性能好。在車身上采用玻璃鋼材料可有效避免在北部高寒地區(qū)，為防止路面凍結(jié)撒鹽，導(dǎo)致鋼板制造的車身很快腐蝕的問(wèn)題，延長(zhǎng)車身使用壽命。

采用玻璃鋼制造客車車身前后圍蒙皮，成型模具投入成本少，前后圍外表面質(zhì)量好，制造周期短。所以，在某客車上選擇采用玻璃鋼制造車身前后圍蒙皮。

2 客車車身玻璃鋼前后圍設(shè)計(jì)

2.1 車身結(jié)構(gòu)分塊

車身結(jié)構(gòu)分塊按結(jié)構(gòu)特征、功能需求及制造工藝要求進(jìn)行分塊。把復(fù)雜的雙曲曲面劃分給前后圍，側(cè)圍、頂蓋部分為單曲率曲面，便于實(shí)施頂蓋、側(cè)圍的張拉蒙皮工藝，提高車身外表面質(zhì)量。為提高各總成合裝的工藝方便性，結(jié)構(gòu)分塊接口盡量采用 “面面”對(duì)接的方式，應(yīng)盡量避免階梯面對(duì)接，無(wú)法避免時(shí)則設(shè)法減少對(duì)接面的階梯數(shù)。

某車身結(jié)構(gòu)分塊方案如下：

1）車身后圍與車身中段對(duì)接接口采用“面面”對(duì)接方式，如圖1所示。

2）車身前圍分塊有兩種方案，如圖2所示。

第一種結(jié)構(gòu)分塊方案如圖2（a）所示，前圍與車身對(duì)接接口采用“面面”對(duì)接方式。

優(yōu)點(diǎn)：合裝工藝方便；乘客門門洞、司機(jī)窗窗洞在前圍總成上，門洞、窗洞尺寸容易制作精確，可提高門窗的裝配質(zhì)量。

缺點(diǎn)：門洞、窗洞在前圍總成上，前圍總成體積過(guò)大，骨架焊接工裝投入大；蒙皮與骨架連接工作中，總成翻轉(zhuǎn)不便；成品總成儲(chǔ)運(yùn)不便。

第二種結(jié)構(gòu)分塊方案如圖2（b）所示，前圍與車身對(duì)接采用階梯面對(duì)接方式。

優(yōu)點(diǎn)：前圍相應(yīng)小，制造便利；

缺點(diǎn)：門洞、窗洞由前圍與側(cè)圍兩片合圍形成，增大了門窗與門洞窗洞的匹配誤差。

兩種結(jié)構(gòu)分塊方案各有優(yōu)劣，根據(jù)裝配精度的要求，某客車第一輪試制，前圍分塊采用第一種分塊方案；考慮到儲(chǔ)存、長(zhǎng)途運(yùn)輸及制造工藝要求，改進(jìn)后采用第二種分塊方案。

2.2 車身前后圍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 前后圍分塊

在滿足功能的前提下零部件數(shù)量最少化。

后圍分為：后圍、后背門、左右保險(xiǎn)杠、中間后保險(xiǎn)杠、后窗玻璃六塊，見(jiàn)圖3所示。分出左右保險(xiǎn)杠是為了降低維護(hù)成本；左右保險(xiǎn)杠損壞后，只需更換小塊保險(xiǎn)杠，零部件維護(hù)成本低。但在試制過(guò)程中，考慮到為保證后圍整體質(zhì)量、減少裝配工藝、保證玻璃鋼后圍的整體性，而把左右保險(xiǎn)杠與后圍做成一體，見(jiàn)圖4所示。前圍分為：前圍總成、左右燈板、前開(kāi)門、前風(fēng)窗玻璃四塊結(jié)構(gòu)。左右燈板朝兩側(cè)旋開(kāi)，前開(kāi)門朝上旋開(kāi)，便于前大燈、雨刮的安裝維護(hù)，見(jiàn)圖5所示。

2.2.2 前后圍蒙皮設(shè)計(jì)

前后圍蒙皮、保險(xiǎn)杠等面積較大且有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的總成或部件，為了保證制件具有足夠的強(qiáng)度及剛度，基本料厚采用4mm。前后圍蒙皮上按結(jié)構(gòu)和功能的需求開(kāi)設(shè)門洞、窗洞及門匹配止口、窗玻璃止口、附件安裝孔等結(jié)構(gòu)。

2.2.3 前后圍骨架設(shè)計(jì)

車身前后圍骨架在車身結(jié)構(gòu)中主要是承載、加強(qiáng)作用，所以骨架需選擇合適的規(guī)格，按功能結(jié)構(gòu)做合理地布局，使前后圍骨架整體具有足夠的強(qiáng)度。為了保證玻璃鋼前后圍蒙皮與骨架總成能扣合結(jié)合工藝，對(duì)接部骨架沿接口采用曲梁，骨架外表面離玻璃蒙皮內(nèi)表面設(shè)計(jì)間隙為3mm；其余骨架用直梁或折梁，以減少梁的制造難度。窗洞周邊的骨架盡量貼近窗洞止口，以加強(qiáng)窗洞的強(qiáng)度及剛性；另外特別需要承載的骨架應(yīng)增大規(guī)格，滿足承載要求（見(jiàn)圖6、圖7）。

3 客車玻璃鋼前后圍制造

3.1 制造工藝選擇

手工成型是一種簡(jiǎn)單成熟的成型工藝。其典型工藝過(guò)程是：在涂有脫模劑的模具上，將加有固化劑的樹脂混合料和玻璃纖維織物手工逐層鋪放，浸膠并排除氣泡，層合至設(shè)計(jì)厚度，固化后，形成制件。

手工成型法特點(diǎn)：無(wú)需專用設(shè)備，投資少，不受制品形狀和尺寸的限制。特別適于數(shù)量少、整體式結(jié)構(gòu)及復(fù)雜的大型制品的制作。制造過(guò)程中，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求合理利用增強(qiáng)材料，能隨意局部增強(qiáng)，做到以最低的成本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求；而且當(dāng)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，能方便地進(jìn)行修改。操作方便，容易掌握，便于推廣。由于手工成型工藝簡(jiǎn)單、成本低，在玻璃鋼的各種成型工藝中占有相當(dāng)重要的地位。手工成型工藝流程見(jiàn)圖8。

由于客車車身前后圍覆蒙皮只對(duì)輪廓尺寸及外側(cè)表面質(zhì)量要求比較高，而對(duì)造型精度及內(nèi)側(cè)表面質(zhì)量要求不是很高；且由于客車每款車型的生產(chǎn)批量不是很大；所以，從經(jīng)濟(jì)性、及工藝難度上考慮，車身前后圍玻璃鋼覆蒙皮采用手工成型完全可以滿足生產(chǎn)工藝及使用性能要求。

3.2 前后圍木模模型的制作

玻璃鋼前后圍蒙皮質(zhì)量的好壞，取決于玻璃鋼成型模具的精度及表面質(zhì)量好壞；而玻璃鋼模具是從車身前后圍木模翻制而成，所以木模的制造質(zhì)量決定了最終玻璃制件的表面質(zhì)量。

依據(jù)車身主模型線圖，制作各個(gè)部位的截面線樣板。在參照曲線樣板的基礎(chǔ)上，制作車身前后圍木模模型見(jiàn)圖9、圖10。

3.3 成型模具制作

木模制作完成后，在前后圍主模型木模上，用玻璃鋼材料翻制外蒙皮成型模。外蒙皮成型模精度要求較高，相對(duì)其理論外緣尺寸公差為土l.5mm。為保證如此大型模具的制造精度，采取如下措施：

1）在前后圍主模型木模上，直線尺寸按0.15%、弧度尺寸按0.2%增加收縮余量，作為固化收縮的補(bǔ)償量；

2）為減少模具樹脂的固化收縮，采用無(wú)堿玻璃纖維復(fù)合氈增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，膠液采用改性環(huán)氧樹脂，層合厚度8～12mm；使模具變形小且強(qiáng)度足夠。

每件玻璃鋼模具在生產(chǎn)中能用約300次左右，即每生產(chǎn)300件后需要重新在制件上翻制模具，以使制件尺寸及質(zhì)量穩(wěn)定。所以，重新翻制模具時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要對(duì)車身外形進(jìn)行局部改進(jìn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代快、更新成本低。

3.3.1 分體式玻璃鋼前后圍工藝和整體式玻璃鋼前后圍工藝對(duì)比分析［1］

按前后圍外蒙皮與前后圍骨架結(jié)合工序及結(jié)合方法的不同可分為：分體式玻璃鋼前后圍工藝和整體式玻璃鋼前后圍工藝。

3.3.1.1 分體式玻璃鋼前后圍制造工藝

分體式玻璃鋼前后圍制造工藝即將前后圍骨架總成與玻璃鋼蒙皮分開(kāi)制作，當(dāng)前后圍骨架與車身骨架焊接完成后，再將前后圍玻璃鋼蒙皮用鉚釘鉚接到前后圍骨架上。

其工藝特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下：

1）車身焊接好之后再裝玻璃鋼外蒙皮。避免了車身骨架合圍焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致玻璃鋼外蒙皮開(kāi)裂、翹皮等問(wèn)題。

2）前后圍玻璃鋼外蒙皮單獨(dú)制作。成型質(zhì)量較好，可層疊放置，便于儲(chǔ)存及運(yùn)輸。

3）前后圍骨架與玻璃鋼外蒙皮制作精度要求很高。這樣蒙皮與骨架吻合好，外形平滑、貼合牢固。

不足之處如下：

1）骨架與玻璃鋼連接僅通過(guò)鉚釘鉚接，可能會(huì)由于抽芯鋁鉚釘?shù)乃蓜?dòng)導(dǎo)致了玻璃鋼前后蒙皮與骨架鉚接處脫開(kāi)，或在鉚釘連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使玻璃鋼蒙皮開(kāi)裂，造成車身早期損壞，嚴(yán)重縮短客車車身的使用壽命；

2）骨架的制作精度要求較高，所以骨架制造成本高；

3）骨架與玻璃鋼蒙皮間的間隙誤差要求較小，若間隙過(guò)大，超過(guò)玻璃鋼的彈性范圍，就會(huì)在骨架與玻璃鋼蒙皮連接的鉚釘處導(dǎo)致玻璃鋼蒙皮開(kāi)裂。

3.3.1.2 整體式玻璃鋼前后圍制造工藝

整體式玻璃鋼前后圍制造工藝，是車身前后圍骨架總成在與車身焊接前先把前后圍骨架總成與整體式玻璃鋼前后圍蒙皮合成一體的工藝過(guò)程。玻璃鋼前后圍蒙皮成型后，將前后圍骨架總成放入前后圍蒙皮中，沿玻璃鋼前后蒙皮周邊把前后圍玻璃鋼蒙皮鉚接到骨架總成上；再用樹脂、玻璃纖維織物沿骨架各處局部糊制，將骨架與玻璃鋼前后圍蒙皮連成一體（圖 11、圖 12）。

整體式玻璃鋼前后圍工藝的優(yōu)點(diǎn)：

1）前后圍骨架總成與前后圍玻璃外鋼蒙皮采用鉚接加糊制的雙重連接方式，骨架與蒙皮連接牢固、可靠；

2）鉚接加多點(diǎn)分散糊制，減少了由于前后圍骨架總成與玻璃鋼前后圍蒙皮之間連接時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，避免了應(yīng)力集中；

3）骨架的制作精度要求低。即使骨架與玻璃鋼蒙皮之間間隙大于5mm，也可通過(guò)包纏玻璃纖維、涂糊樹脂膠液的方式實(shí)現(xiàn)骨架與蒙皮的連接；

4）簡(jiǎn)化了前后圍制造工藝，縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

不足之處如下：

1）整體式玻璃鋼前后圍在與車身焊接時(shí)，由于焊接產(chǎn)生的熱量傳到玻璃鋼蒙皮，易造成前后圍與車身焊接處玻璃鋼開(kāi)口、翹皮問(wèn)題；

2）骨架與玻璃鋼蒙皮連接必須通過(guò)人工包樹脂玻璃鋼布，容易產(chǎn)生氣孔，包布不均勻等問(wèn)題。

整體式玻璃鋼前后圍工藝由于骨架制造精度低，制造成本相對(duì)低；骨架與玻璃鋼蒙皮連接方便；連接強(qiáng)度可靠，總成無(wú)應(yīng)力集中，總成質(zhì)量可靠。所以從制造工藝、制造成本、總成質(zhì)量方面考慮，在某客車車身設(shè)計(jì)中采用整體式玻璃鋼前后圍制造工藝。

3.3.2 整體式玻璃鋼前后圍制作

外蒙皮固化脫模后，將組焊、校形完后的金屬骨架扣入外蒙皮中；調(diào)整骨架與蒙皮的相對(duì)位置，使骨架與外蒙皮間定位準(zhǔn)確；在蒙皮與骨架匹配的重要部位用鉚釘加強(qiáng)固定，并用玻璃纖維織物纏繞及不飽和聚酯樹脂涂糊，把骨架和玻璃鋼前后圍蒙皮合為一體（如圖13、圖14所示）。定位夾持至聚酯樹脂固化。

為了避免整體式玻璃鋼前后圍在與車身焊接時(shí)產(chǎn)生的熱量傳到玻璃鋼蒙皮，造成前后圍玻璃鋼局部開(kāi)口、翹皮的問(wèn)題，整體玻璃鋼前后圍沿焊縫把玻璃鋼蒙皮向內(nèi)切割10mm讓出骨架，便于施焊操作。

4 整體式玻璃鋼前后圍與車身焊接

將整體式玻璃鋼前后圍與客車車身骨架用夾具定位夾緊，然后用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊沿接口焊接（如圖15所示）。焊接須分段進(jìn)行，并進(jìn)行必要的冷卻降溫，避免焊接熱影響區(qū)擴(kuò)大，而影響玻璃鋼外蒙皮。整體式玻璃鋼前后圍幾乎不產(chǎn)生焊接變形。

5 玻璃鋼前后圍在某客車車身上的應(yīng)用效果

在客車車身上采用整體式玻璃鋼前后圍與采用鈑金沖壓件相比，優(yōu)勢(shì)及結(jié)果如下：

1）車身前后圍外表面質(zhì)量高，大大減少了后裝飾工作量。

2）玻璃鋼前后圍由總成供貨，直接與車身合焊；簡(jiǎn)化了客車車身的生產(chǎn)工藝。

3）模具及工裝成本低，從而降低整車生產(chǎn)成本。

生產(chǎn)2000臺(tái)玻璃鋼前后圍所需模具套數(shù)：2000/300=6.7，取整數(shù)7套。以下為單一車型生產(chǎn)2000臺(tái)時(shí)采用玻璃鋼前后圍和鈑金沖壓件前后圍的綜合成本對(duì)比情況見(jiàn)表1：

表1 綜合成本對(duì)比

由于鈑金制件零件數(shù)量多，外板總成合焊時(shí)還會(huì)發(fā)生焊接成本和人工成本，即總裝成本鈑金沖壓件大于玻璃鋼件。因此，采用玻璃鋼前后圍，綜合成本至少會(huì)降低379萬(wàn)元。

（4）縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

玻璃鋼前后圍的木模模型制造加上翻制成型模具到制造出前后圍，僅需兩個(gè)月的時(shí)間，就可形成批量裝車能力；大大縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。便于根據(jù)不同的市場(chǎng)需求進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，并快速投放市場(chǎng)。

當(dāng)然，玻璃鋼材料也有缺點(diǎn)。比如成型速度慢，生產(chǎn)效率低；結(jié)合方法只能用鉚接或化學(xué)粘接；耐熱性和耐燃性差；材料再利用率低等。所以，我們根據(jù)具體的需求及使用情況有選擇性地應(yīng)用玻璃鋼制品。在客車車身上充分利用玻璃鋼材料在物理性能、化學(xué)性能、工藝性能方面的優(yōu)良性能，并盡量克服或避免玻璃鋼材料本身的缺點(diǎn)對(duì)車身質(zhì)量造成影響。

［1］王鈺.整體式與分體式玻璃鋼工藝在客車前后圍上的應(yīng)用對(duì)比［J］.客車技術(shù)，2006，3.