丰田合成的新型车门嵌缝条金属件厚度和树脂

　　丰田在2011年底上市的混合动力车“Aqua”，采用了重量比原来轻20％的车门嵌缝条（Opening Trim）（图1）。每个车门开口部分都需要有一个车门嵌缝条，因此每辆车会配备四个。重量合计为2780g。而采用原技术的话会达到 500g，此次将重量减轻了20％。这款产品是由丰田合成开发出来的。车门嵌缝条是车身配置的三种密封条（Weather Strip）中的一种，设置在车门对面的车身上，可以防止雨水等进入车内（图2）。

　　钢板轧制技术和三元乙丙橡胶（EPDM）发泡技术为减轻车门嵌缝条重量做出了贡献。此次的轻量化主要得益于以下两点：①用钢板制造的嵌件厚度由0.5mm降至0.4mm，②提高硬橡胶（Solid Rubber）的发泡倍率，将比重由1.0降至0.7。

　　虽然轧制和发泡成形并不是特殊的技术，但通过此次追求极限成功地实现了大幅的轻量化。这个事例说明，即使采用普通的加工方法，通过改进也能大幅减重。

　　图1：“Aqua”中采用的轻量车门嵌缝条

　　车门嵌缝条安装在车身的车门开口部分（a）。Aqua的车门开口部分与“威姿”（2010年12月上市）相同，因此该车门嵌缝条一开始用在了威姿上。（b）是一根车门嵌缝条。

　　图2：密封条的构成

　　除了车门嵌缝条以外，密封条还包括配置在车门玻璃四周的玻璃滑槽，车门上安装的车门密封条共三种。轻量化效果方面，车门嵌缝条、玻璃滑槽和车门密封条分别贡献了20％、16％和2％。

　　追求轧制和发泡成形的极限

　　车门嵌缝条由钢板制薄型嵌件，高刚性发泡硬EPDM（以下简称硬橡胶）以及柔性海绵EPDM（以下简称海绵橡胶）构成（图 ）。

　　图 ：车门嵌缝条的截面构造

　　三种三元乙丙橡胶（EPDM）挤压成形品中插入了钢板制嵌件。车门嵌缝条借助嵌件的反弹力结结实实地固定在车身上。

　　嵌件在提高车门嵌缝条强度的同时，还能作为弹簧维持车门嵌缝条嵌入车身的状态。将截面像“コ”字形一样冲压成形的嵌件摊开插入车身边部，此时借着嵌件想要复原的反弹力，车门嵌缝条会被结结实实地固定在车身上。

　　柔软的海绵橡胶用作雨水密封条，硬橡胶用作主要构造部件。海绵橡胶的表面覆盖有其他硬橡胶（混合比例不同于主要构造部件中使用的橡胶），因此总共使用了三种橡胶。

　　车门嵌缝条的主要制造工序是利用一个模具对三种橡胶和嵌件进行挤压从而形成产品形状，然后进行加硫和发泡的连续工艺。共采用了两种加硫方法。首先进行用高频像微波炉那样对材料内部进行加热然后再加硫的UHF（Ultra High Frequency：超高频）加硫法，和实施吹热风从表面加硫的热风加硫法。由于加硫需要花费时间，因此生产线的长度长达100m左右。

　　优化轧制的加工条件

　　嵌件在这条主生产线的旁边通过轧制加工进行制造。实现轻量化的首个关键点是减小嵌件厚度、并降低宽度。

　　嵌件的形状像鱼刺一样（图4，最终通过冲压将其加工成コ字形）。此前的嵌件厚度全部都为0.5mm，而此次开发的嵌件根据不同部位改变厚度，平均板厚减至0.4mm。宽度也从 4mm降至 2mm。在与原产品维持相同的车身嵌合力的同时，最大限度减轻了重量。

　　图4：金属嵌件的构造

　　通过四阶段轧制加工，从平板形成鱼刺形状。将其冲压成形为“コ”字形，用作车门嵌缝条的嵌件。

　　这个形状不是冲裁而成的，而是对厚0.5×宽 0mm的长条平板进行轧制后形成的。丰田合成生产本部汽车密封（Automotive Sealing）业务部技术部部长伊藤雅彦表示，“这么薄的厚度，要是采用普通轧制法的话，会变得软绵绵”。

　　生产工艺是首先在平板的两侧开个裂缝，然后进行连续四阶段的轧制加工。虽然平均厚度为0.4mm，不过实际上厚度会因部位而变化，因此延展量不同，裂缝部分会扩大。用来确保嵌合力的部分需要强度，因此厚度稍微高于平均水平，其他部分尽力减薄。

　　这项加工非常难。如果根据部位改变厚度的话，容易发生变形尤其是曲翘。而丰田合成则发挥此前积累的轧制加工经验，完全满足了加工条件。

　　据介绍，嵌件要通过四个阶段进行轧制，而微细调整各个阶段的轧辊速度，一边拉拽工件一边进行轧制的话，就可以抑制变形。轧制时的加工条件就是最大的诀窍。

　　平衡交联与发泡

　　另一个实现轻量化的关键点是硬橡胶的低密度化，这是通过优化材料混合技术以及交联条件和发泡条件实现的。普通硬橡胶的比重为1.2，而此前的车门内饰稍微发泡后就会降至1.0。此次将发泡倍率进一步提高至0.7。

　　此时存在的课题是确保刚性。一般情况下，提高发泡倍率后刚性就会下降，而刚性下降后车身嵌合力就会降低。因此，丰田合成改变硬橡胶材料的混合比例和种类，优化了发泡条件和交联条件以维持刚性。

　　硬橡胶中掺入了超过规定温度就会产生氮和氨的发泡剂。这种发泡在UHF加硫槽内进行。也就是说，发泡和交联反应同时进行。发泡倍率越高越难以在两者之间保持平衡。原因是发泡剂的量增加后发泡时间也会延长，而这期间必须维持适当的交联状态。

　　如果交联反应过头的话，不管产生多少气体，因发泡而产生的膨胀都会受到限制。反之，如果在交联反应不充分的情况下进行发泡，硬橡胶上就会出现洞孔、导致形状变形。丰田合成为平衡交联与发泡优化了加硫温度和交联反应时间等，从而同时兼顾了刚性和轻量。

　　成本削减20％

　　丰田合成结合轻量车门嵌缝条的开发，实现了20％的成本削减。

　　老式车门嵌缝条需要在能从车内看到的硬橡胶部分，通过其他工序粘贴经过咬花加工或着色的烯烃类热可塑性弹性材料（TPO）。而轻量车门嵌缝条不再粘贴TPO，直接在硬橡胶上实施了咬花加工（图5）。橡胶具有弹力，因此此前难以直接形成褶皱，而此次通过改进转印辊形状和压力施加方法做到了这一点。

　　图5：在表面直接实施咬花加工以削减成本

　　左侧是轻量车门嵌缝条，右侧是原来的车门嵌缝条。轻量车门嵌缝条采用轧辊，在硬橡胶表面直接转印了褶皱。与采用其他方法制造并粘贴热可塑性弹性材料（TPO）的原产品相比，大幅削减了成本。

　　据介绍，虽然采用这种方法无法着色，但当以成本为优先时却是可行的。取消粘贴TPO不仅省去了材料费用，还可以省去一整套工序，因此有助于大幅削减成本。