鐘國(guó)留， 劉 偉， 王慶林

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院， 廣州 511434)

0 前言

隨著石油價(jià)格的飛漲，塑料原料價(jià)格和其他成本也在不斷上漲，導(dǎo)致注塑零件價(jià)格上升，為此注塑部件需考慮各種應(yīng)變對(duì)策。有研究表明：一輛轎車(chē)每減重100 kg，100 km燃油消耗平均減少0.5 L，二氧化碳排放也隨之減少500 g[1]。這就要求各種輕量化技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)上。

隨著新能源汽車(chē)的普及，電池的續(xù)航能力備受關(guān)注，而續(xù)航能力和汽車(chē)質(zhì)量密切相關(guān)，如何減重成為了汽車(chē)行業(yè)關(guān)注的問(wèn)題。薄壁化是汽車(chē)減重方案中的一種，在滿足性能要求的前提下，合理的減薄制品的壁厚，達(dá)到減輕質(zhì)量、降低成本的目的，另外通過(guò)開(kāi)發(fā)技術(shù)提高產(chǎn)能，通過(guò)縮短注塑周期來(lái)降低成本。

1 薄壁注塑成型技術(shù)

1.1 薄壁注塑成型定義

薄壁注塑成型技術(shù)也稱為薄壁塑件注塑成型技術(shù)，目前關(guān)于薄壁注塑成型還沒(méi)有統(tǒng)一的定義。行業(yè)內(nèi)有認(rèn)為所成型塑件的厚度小于1 mm，同時(shí)塑件的投影面積在50 cm2以上的注塑成型可稱為薄壁注塑[2]，但是對(duì)于汽車(chē)行業(yè)來(lái)說(shuō)，筆者認(rèn)為只要通過(guò)材料和工藝的改進(jìn)，打破傳統(tǒng)的壁厚，同時(shí)滿足制品性能，就可認(rèn)為是薄壁注塑。

1.2 汽車(chē)薄壁零件的應(yīng)用情況

日系廠商在汽車(chē)薄壁化技術(shù)方面起步較早，歐美廠商已經(jīng)逐步開(kāi)展相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)制定以及部分零件應(yīng)用，其中福特的標(biāo)準(zhǔn)中有很多指標(biāo)都與薄壁化設(shè)計(jì)直接相關(guān)。表1是部分汽車(chē)廠商在塑料三大件上薄壁化制品的應(yīng)用情況。

表1 部分汽車(chē)廠商在塑料三大件上薄壁化制品的應(yīng)用情況

2 薄壁注塑成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1 產(chǎn)品輕量化

以汽車(chē)門(mén)飾板和保險(xiǎn)杠為例，門(mén)飾板厚度由傳統(tǒng)2.5～3.0 mm降低到2.0 mm，通過(guò)調(diào)整材料配方，盡量保證密度不變，整車(chē)質(zhì)量將降低1.5 kg。同理，保險(xiǎn)杠厚度由傳統(tǒng)3.0 mm降低到2.5 mm，前后保險(xiǎn)杠質(zhì)量合計(jì)降低約1.6 kg，當(dāng)然，如果材料成本控制得當(dāng)，由于壁厚減少，材料質(zhì)量也會(huì)減少，使成本也會(huì)有所下降。表2為薄壁化門(mén)飾板減重及降本情況，如果厚度采用2.0 mm，相對(duì)于厚度2.5 mm，質(zhì)量可以降低20%，單件產(chǎn)品總成本可以降低約4元。

表2 薄壁化門(mén)飾板減重及降本情況

2.2 成型周期縮短

注塑成型是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，成型周期主要由儲(chǔ)料時(shí)間、注射保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間、開(kāi)合模時(shí)間、頂出取件時(shí)間組成，其中冷卻時(shí)間占整個(gè)周期的大部分，而冷卻時(shí)間與壁厚密切相關(guān)，通過(guò)減少產(chǎn)品壁厚，可有效縮短成型周期。

3 薄壁化技術(shù)攻關(guān)課題

3.1 薄壁化材料測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

熔融指數(shù):按照GB/T 3682.1—2018 《塑料 熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動(dòng)速率(MFR)和熔體體積流動(dòng)速率(MVR)的測(cè)定 第1部分:標(biāo)準(zhǔn)方法》進(jìn)行測(cè)試;

密度:按照GB/T 1033.1—2008 《塑料 非泡沫塑料密度的測(cè)定 第1部分:浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》進(jìn)行測(cè)試;

拉伸強(qiáng)度：按照GB/T 1040.2—2006 《塑料 拉伸性能的測(cè)定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗(yàn)條件》進(jìn)行測(cè)試;

彎曲強(qiáng)度：按照GB/T 9341—2008 《塑料 彎曲性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試;

沖擊強(qiáng)度：按照GB/T 1843—2008 《塑料 懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

3.2 薄壁化材料選擇

薄壁化設(shè)計(jì)選用的材料特點(diǎn)是較為明確的：高流動(dòng)、高韌性、高強(qiáng)度和高剛性[3]。薄壁化為消除加工成型過(guò)程中流通截面變小對(duì)流動(dòng)的影響，需要對(duì)材料的流動(dòng)性，即熔融指數(shù)有所要求。設(shè)計(jì)壁厚的減薄會(huì)導(dǎo)致制品沖擊強(qiáng)度降低，即韌性降低，為滿足零件的沖擊性能，必須對(duì)材料進(jìn)行增韌處理。同理，壁厚減薄也會(huì)造成制品強(qiáng)度和剛性的降低，所以需要提高材料的屈服強(qiáng)度和彎曲模量來(lái)補(bǔ)償。表3為傳統(tǒng)材料和薄壁材料性能對(duì)比。由表3可以看出,薄壁材料的熔融指數(shù)和彎曲強(qiáng)度有顯著的提升。

表3 薄壁化材料與傳統(tǒng)材料性能對(duì)比

3.3 薄壁化模具開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

薄壁注塑成型時(shí)模具設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一環(huán)，與常規(guī)制品的模具相比，薄壁制品模具從模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)等都有可能發(fā)生重大變化(見(jiàn)表4)。

表4 薄壁制品模具與傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)對(duì)比

3.3.1 模具材料

模具鋼材通常用NAK80、2738H、718H等鋼材。由于制品為薄壁方案，那么注塑的壓力會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)模具的加工精度及強(qiáng)度也會(huì)提出相應(yīng)的要求。所以模具需采用熱處理方式，使材料硬度達(dá)到HRC50左右，從而用合適的硬度來(lái)保證薄壁高速注塑模具的壽命及精度。

3.3.2 模具結(jié)構(gòu)

薄壁化產(chǎn)品成型時(shí)的注塑壓力一般會(huì)比常規(guī)注塑壓力大，為承受成型時(shí)的高壓，薄壁注塑成型模具的剛度要大，強(qiáng)度要高。因此，模具的動(dòng)、定模板及其支承板厚度要設(shè)定得比常規(guī)模具的模板要厚，支撐柱要多，模具內(nèi)要多設(shè)置內(nèi)鎖緊定位機(jī)構(gòu)，以保證精確的定位和良好的側(cè)支撐。

3.3.3 澆注系統(tǒng)

成型薄壁塑件，特別是塑件厚度非常小時(shí)，要使用片狀澆口。為保證有足夠的壓力填充型腔，流道系統(tǒng)中應(yīng)盡可能減少壓降，為此，流道截面設(shè)計(jì)要比傳統(tǒng)的大一些，澆口數(shù)量比傳統(tǒng)的多1～2個(gè)，一般通過(guò)Moldflow軟件進(jìn)行分析，確保注塑壓力在材料推薦壓力范圍內(nèi)。

3.3.4 冷卻系統(tǒng)

薄壁塑件相對(duì)于常規(guī)件來(lái)說(shuō)，更容易產(chǎn)生應(yīng)力翹曲。為保證薄壁塑件的尺寸穩(wěn)定性，把翹曲控制在可以接受的范圍內(nèi)，就必須加強(qiáng)模具的冷卻，確保冷卻均衡，模具設(shè)計(jì)要避免水路尺寸相差太大，避免瓶頸尺寸造成冷卻不均，一般需要設(shè)定多種傾斜水路以便跟隨產(chǎn)品形狀。

3.3.5 排氣系統(tǒng)

薄壁注塑成型模具需要具有良好的排氣性。由于填充時(shí)間短、注射速度高，模具的充分排氣，尤其是流動(dòng)前沿聚集區(qū)的充分排氣非常重要，以防困氣。在門(mén)飾板的喇叭網(wǎng)孔一般采用透氣鋼的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)排氣。

3.3.6 頂出系統(tǒng)

因?yàn)楸”谥破返谋诤徒疃己鼙?，非常容易損壞，同時(shí)高保壓壓力使收縮更小，從而使塑料件頂出困難，易產(chǎn)生頂穿、頂白、頂變形、塑料件受損等問(wèn)題，所以頂桿應(yīng)排布在塑料件對(duì)型芯包、緊力和對(duì)模腔黏附力最大并能夠承受脫模力的地方，同時(shí)加大頂出區(qū)域，盡可能考慮采用頂塊形式。

3.4 薄壁化工藝開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

雖然塑件薄壁化有很多優(yōu)點(diǎn)，但卻降低了注塑件的可成型性，以致于用常規(guī)的注塑成型方法無(wú)法成型薄壁塑件。在進(jìn)行薄壁塑件的成型時(shí)，主要考慮解決3個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：短射、翹曲變形和熔接線。

3.4.1 短射

短射是由于模具型腔填充不完全造成塑件不完整的質(zhì)量缺陷，即熔體在完成填充之前就已經(jīng)凝結(jié)。注塑成型的填充過(guò)程和冷卻過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，見(jiàn)圖1。

圖1 流動(dòng)情況示意圖

當(dāng)聚合物熔體流動(dòng)時(shí)，熔體前沿遇到相對(duì)溫度較低的型芯表面或型腔壁，會(huì)在其表面形成一層冷凝層。熔體在冷凝層內(nèi)繼續(xù)向前流動(dòng)，隨著冷凝層厚度的增加，實(shí)際型腔流道變窄。在常規(guī)注塑成型時(shí)因?yàn)樗芗暮穸容^厚，所以此時(shí)冷凝層對(duì)注塑成型的影響還不是很大；但在薄壁注塑成型中，冷凝層的厚度對(duì)流動(dòng)影響很大。因此，相對(duì)于常規(guī)注塑，薄壁化注塑需要增加1～2個(gè)澆口來(lái)縮小流長(zhǎng)比，減少流動(dòng)過(guò)程中冷凝層厚度，增加塑膠流動(dòng)性，從而避免短射。

3.4.2 翹曲變形

翹曲變形是不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的塑件缺陷。翹曲變形產(chǎn)生的原因是收縮不均勻、取向不均勻和冷卻不均勻。薄壁產(chǎn)品一般通過(guò)局部加厚方法提高產(chǎn)品力學(xué)性能，由于壁厚不均帶來(lái)收縮不均，從而導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲變形?？梢酝ㄟ^(guò)平衡冷卻系統(tǒng)、調(diào)節(jié)保壓壓力和保壓時(shí)間等措施來(lái)改善塑件的翹曲變形缺陷，對(duì)于厚度偏大區(qū)域，可以通過(guò)增加保壓路徑的方式來(lái)減少收縮，見(jiàn)圖2，在局部增加1條2.5～3.0 mm的通道，使塑膠沿著通道補(bǔ)充到薄壁處。

圖2 塑膠通道

3.4.3 熔接線

熔接線是型腔內(nèi)2個(gè)或多個(gè)熔體流動(dòng)前沿熔合時(shí)形成的界線。熔接線不但影響塑件的外觀質(zhì)量，而且在熔接線處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，削弱零件的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)厚度不均的薄壁塑件尤為不利。厚度不均容易導(dǎo)致流動(dòng)不平衡，更容易出現(xiàn)2股料流的交匯，見(jiàn)圖3。所以充分的仿真模擬是必須的，同時(shí)，通過(guò)局部加厚方式將熔接線趕到非外觀面處以及非性能要求區(qū)。

圖3 薄壁門(mén)飾板厚度分布圖

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著設(shè)計(jì)能力和制造能力的發(fā)展，薄壁注塑定義的臨界厚度也將會(huì)發(fā)生變化，并且將會(huì)有越來(lái)越多的零件采用薄壁化技術(shù)。建議利用模流軟件充分模擬薄壁零件的流動(dòng)情況，有效地解決薄壁化帶來(lái)的一系列問(wèn)題。