浅析复合材料车身整车制造工厂规划设计

赵伟 李博

摘 要：随着复合材料在汽车产品轻量化材质中占比的不断提高，传统钢制车身整车制造工厂已不能满足轻量化车身产品制造要求。本文以某复合材料车身产品整车制造工厂为实例，介绍了复合材料车身产品整车制造工厂总体制造工艺流程、车间工艺特点及其工程设计要求，以供同类新工厂规划设计时参考。

关键词：复合材料车身 整车制造工厂 工厂规划设计

1 引言

汽车轻量化是当前汽车产业发展的重要方向，越来越多的汽车产品中采用复合材料替代传统的钢、铝等金属材料。复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，采用物理或化学方法，组成具有新性能的材料。复合材料在性能上可以互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求性能，具有比强度高、比刚度高、比模量高、抗疲劳性能好、减振性能好、耐高温、安全性能好等优点，已被视为理想的汽车轻量化材料之一。因此，复合材料车辆制造应用日益广泛[1]。

传统钢制车身整车制造工厂总体制造工艺包含冲压、焊接、涂裝、总装四大核心工艺，相对应的主要车间包括冲压车间、焊装车间、涂装车间、总装车间。复合材料车身产品外覆盖件为复合材料，而非钢材，因此传统的钢制车身整车制造工厂已无法满足其生产制造要求。

本文以某复合材料车身整车工厂规划设计项目为例，阐述了复合材料车身整车制造工厂规划设计要点。该工厂规划纲领10万台/年，生产节拍为25JPH（Jobs Per Hour）。

2 复合材料车身产品结构概况

汽车行业复合材料车身产品结构主要分为两大类，一是复合材料覆盖件+复合材料车舱结构，二是复合材料覆盖件+铝合金框架车身结构。复合材料主要包含碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维复合材料（SMC）、工程塑料等。

根据复合材料使用的不同，形成了多种复合材料车身产品。以宝马i3为代表的复合材料车身产品，外覆盖件为工程塑料，车舱为碳纤维复合材料，车架为铝合金型材。以前途K50为代表的复合材料车身产品，外覆盖件为碳纤维复合材料，车舱框架为铝合金型材板材。

本文以外覆盖件为玻璃纤维复合材料、车舱框架为铝合金型材的汽车产品为例进行复合材料车身整车制造工厂规划设计的介绍。

3 总体制造工艺流程

项目产品采用全新的轻量化材质设计方案，采用了外覆盖件为玻璃纤维复合材料、车舱框架为铝合金型材的多种轻量化材料。

由于产品结构的特殊性，总体制造工艺流程与传统钢制车身整车制造工艺不同。

（1）SMC、PP、铝合金覆盖件等外协件进入复合材料零件涂装车间进行喷涂。

（2）油漆后的覆盖件通过车身-涂装连廊送往车身车间，其中保险杠等零部件经车身车间的车身-总装连廊直接送往总装车间进行装配，剩下的漆后覆盖件送往车身车间各工位。

（3）车身车间对铝合金外协件和复合材料零件涂装车间的漆后覆盖件进行粘接、铆接等形成漆后整车车身再送往总装车间。

（4）漆后车身在总装车间进行装配、检测、调试等工作后去试车跑道进行路试。

（5）路试完成后进入交检间进行淋雨、检测，合格车辆送往成品停放场，不合格车辆进入返修区。

4 车间工艺特点及工程设计要求

4.1 复合材料零件涂装车间

（1）工艺特点

针对轻量化车身采用的铝合金框架、SMC外覆盖件材质生产工艺进行研究，颠覆传统整车生产工艺，项目决定采用零部件喷涂方式，取消整车涂装车间，建设塑料件涂装车间。

①车间任务：承担车身SMC等外覆盖件的装饰性涂装任务，具体负责工件的漆前处理、喷漆、烘干等工序，并完成油漆材料和产品涂层的检验工作。

侧围、顶盖、门板、发动机罩等为厂外协作，涂装后通过通廊送往车身车间;保险杠、翼子板等为厂外协作，涂装后通过通廊送往总装车间。

②涂装质量达到乘用车塑料件涂装的要求。

③漆前处理采用干冰清洗和静电除尘，取代化学前处理，无废水产生，减少设备能耗;占地面积小，节省车间能耗。

④喷漆线：采用两条喷漆线，每条10NJPH，一期实施1条线适应市场需求。

⑤喷漆采用3C1B工艺，底漆、色漆及清漆喷漆采用机器人;底漆、清漆采用双组份溶剂型涂料，色漆采用单组分水性涂料。

⑥喷漆室纸盒干式漆雾处理系统，能耗较低，无废水产生，循环风比例较高，可减少废气排放。

⑦喷房底漆、清漆废气处理采用转轮浓缩和TNV焚烧方式，面涂烘房自带TNV处理废气。

⑧采用轻型滑橇输送机组成机械化自动化的连续流水生产线输送线。

（2）工程设计要求

①厂房为单层，局部两层;厂房高度约15m，低于整车涂装车间高度;工艺设备、建筑工程投资均比整车涂装车间低。

②没有化学前处理电泳，仅有漆前处理采用干冰清洗和静电除尘工艺，无废水产生。

③塑料件涂装废气量少，废气处理量低。

④车间内考虑7000m2的物流存储区，用于大量外协件物流存储。

⑤用电量、空调制冷量、空调燃气耗量较整车涂装均减少。

⑥漆后塑料件需要分别送往车身车间和总装车间，需建设两个连廊输送线。

4.2 车身车间

（1）工艺特点

车身车间承担铝合金钣金件存放;车身骨架总成的涂胶、粘接、铆接、热固化;车身总成的涂胶、粘接，门盖装配、检测等。主要有车身总成、车身骨架总成、地板总成、前舱总成、前地板总成、后地板总成、左/右侧围总成、左/右前车门总成、左/右后车门总成、前舱盖总成等。

车身框架采用铝合金型材和板材通过胶粘剂热固化胶粘连接。顶盖、侧围、翼子板采用复合材料与车身骨架冷固化粘接。

SMC件涂胶采用机器人工作站，人工上下件，机器人涂胶。涂胶完成的SMC件送往车身总成线。

车门外板为SMC复合材料，采用机器人涂胶，然后与内板粘接。

车身骨架总成线采用滑橇+滚床输送工件。分别进行擦净、涂底漆、SMC件的粘接、安装及调试门盖等工作[2]。

完成的车身总成通过空中送往总装车间，见图2。

（2）工程设计要求

①结构胶作业有温度要求。为保证产品质量，车间内要求恒温，微正压，保证清洁生产。厂房需设置空调确保夏季温度不超过30℃，冬季温度不低于15℃。

②车间洁净度要求较高，外协件需在中转区拆包后才能进入物流存放区。

③采用钢结构厂房，网架结构屋架，屋架工艺吊挂荷载局部2.5kPa。厂房净高10m。车间内的公用管线、设备吊挂系统、机运系统等都采用屋架吊挂方式。

④由于采用粘接、铆接、热固化、冷固化工艺，而非传统焊接工艺，因此耗电量、压缩空气量大幅减少。

⑤车间内无传统焊机，不需要冷却循环水。

⑥车间由于有烘干炉进行热固化工作，需要提供天然气，天然气消耗量小时最大870m3/h。

⑦生产过程中没有火花、烟尘产生，无废气和废水产生。

⑧粘接工艺没有噪声产生。

⑨车间内生产物质均为难燃烧物质，车间火灾危险性类别可定为丁类厂房。

4.3 总装车间

总装车间承担复合材料车身整车产品的整车装配、调试、检测返修以及車门总成、仪表板总成、增程发动机动力总成、前后悬架（电机桥）总成等分装工作。

复合材料车身整车制造工厂的总装车间与普通新能源汽车总装车间工艺流程、车间布局基本相同。

除了粘接后车身骨架进入总装车间外，复合材料零件涂装车间喷漆后的部分外覆盖件（保险杠、门槛护板等）通过连廊直接进入总装车间，也有复合材料零件涂装车间喷漆后先送到车身车间进行粘接分总成然后送往总装车间装配的外覆盖件（行李箱盖、翼子板等），为了避免物流交叉，提出了采用分流、合流的机运输送方式连接起三个车间的机械化运输。

5 结语

随着复合材料新工艺、新技术、新材料的不断涌现，复合材料在汽车产品中的应用呈明显递增趋势，相应的复合材料车身整车制造工厂建设需求也将与日俱增。复合材料车身整车制造工厂与传统钢制车身制造工厂区别很大，本文对复合材料车身整车制造工厂的规划设计进行了浅析，并与传统钢制车身制造工厂规划要点进行分析比较，为同类新工厂规划提供参考。

参考文献：

[1]王宏雁，陈君毅.汽车车身轻量化结构与轻质材料[M].北京大学出版社，2009.

[2]陆建邦，李贺强，王崇. 新能源汽车车身材料及连接工艺概述[J]. 汽车工艺师，2018，No.181（08）：56-58.