徐以國，王偉國，向良明

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

近年來，汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，但隨之而來的能源短缺與環(huán)境污染問題制約了汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[1-3]。汽車的油耗以及排放與汽車的質(zhì)量密切相關(guān)，根據(jù)相關(guān)研究，汽車質(zhì)量每下降10%，汽車油耗減少6%～8%，同時(shí)相應(yīng)的尾氣排放降低約4%[4，5]，汽車輕量化已經(jīng)成為各大主機(jī)廠的發(fā)展方向之一。與常規(guī)塑件相比，薄壁塑件具有尺寸小、質(zhì)量輕、易于裝配等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)汽車輕量化具有重要的意義。然而，塑件壁厚較薄時(shí)，會(huì)導(dǎo)致成型流動(dòng)阻力較大、熔體無法充滿型腔、成型壓力大、塑件飛邊嚴(yán)重、翹曲變形等缺陷[6-8]。由于薄壁填充的難度遠(yuǎn)大于普通注射，常規(guī)的工藝無法滿足薄壁成型的要求，這對(duì)薄壁塑件的成型工藝與模具設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

針對(duì)薄壁與超薄壁塑件成型過程中出現(xiàn)的缺陷以及成型工藝等問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者與專家進(jìn)行了研究。蔡厚道等[9]采用有限元模擬的方法，研究了液晶顯示器LCD 薄壁外殼的成型缺陷與工藝優(yōu)化，提高了成型質(zhì)量并降低了生產(chǎn)成本。孟兵等[10]采用有限元方法對(duì)汽車前風(fēng)窗導(dǎo)流板翹曲變形進(jìn)行分析，認(rèn)為翹曲變形的原因是“角落效應(yīng)”。丁永峰等[11]采用正交試驗(yàn)法，利用有限元軟件模擬了不同工藝參數(shù)對(duì)手機(jī)后蓋薄壁塑件翹曲變形的影響。S AIBA等[12]通過試驗(yàn)與模擬等方式對(duì)塑件成型工藝參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，使塑件翹曲、成型時(shí)間及夾緊力最小。K C BIRAT 等[13]應(yīng)用田口方法，對(duì)注射成型工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，滿足了汽車塑件的生產(chǎn)要求。II K Y 等[14]通過數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究了薄壁塑件的注射成型工藝，并對(duì)其殘余應(yīng)力和翹曲變形進(jìn)行了分析。上述研究從不同方面對(duì)薄壁塑件的注射工藝進(jìn)行了研究，但對(duì)超薄壁、壁厚均勻性差的大型塑件的成型工藝及塑件與模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較少，研究主要以有限元模擬為主?，F(xiàn)以超薄壁汽車門飾板為研究對(duì)象，結(jié)合試制中出現(xiàn)的各種缺陷，通過有限元模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)塑件結(jié)構(gòu)、成型工藝與模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)了塑件及模具的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過最終試制驗(yàn)證，所生產(chǎn)的塑件尺寸穩(wěn)定性好，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

1 塑件分析

圖1 所示為某汽車門板塑件，外形尺寸為931.04 mm×682.8 mm×116.33 mm，體積為1 184.3 cm3。該塑件最初壁厚為2.5 mm，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，門飾板主體壁厚減小至1.8 mm，由于局部區(qū)域要受到氣囊點(diǎn)爆時(shí)的沖擊，要進(jìn)行局部加厚的過渡處理。如圖2 所示，塑件地圖袋區(qū)域的壁厚約3 mm，向外均勻過渡至1.8 mm；上裝區(qū)域的壁厚為2.5 mm，向下均勻過渡至1.8 mm。該塑件尺寸較大，長徑比（流徑長度與厚度之比）近似為500∶1，遠(yuǎn)大于普通薄壁塑件100∶1 的標(biāo)準(zhǔn)[15]，屬于超薄壁塑件，成型模具采用1模1腔的布局方式。

圖1 汽車門板塑件

圖2 門飾板厚度分析

塑件壁厚較薄時(shí)，會(huì)導(dǎo)致成型流動(dòng)阻力較大，熔體無法充滿型腔。常規(guī)的工藝與材料無法滿足薄壁成型的要求，該薄壁門板成型對(duì)材料的熔體流動(dòng)速率要求較高。根據(jù)門飾板結(jié)構(gòu)、性能及外觀等要求，該門飾板材料選擇高流動(dòng)、高模量、低結(jié)晶速率的改性聚丙烯，改性聚丙烯材料的參數(shù)如表1所示。

表1 改性聚丙烯材料參數(shù)

2 試模情況與工藝優(yōu)化

由于塑件尺寸較大，而壁厚較薄、壁厚均勻性較差、注射壓力較大，試模過程中塑件出現(xiàn)了飛邊、推桿印、光澤度差異、翹曲以及縮印等缺陷，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，如圖3所示。針對(duì)上述缺陷，將科學(xué)注射法應(yīng)用到缺陷的分析與解決中，通過試模、有限元模擬等方法對(duì)注射工藝、模具與塑件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，研發(fā)了以下5 項(xiàng)生產(chǎn)薄壁塑件的技術(shù)。

2.1 針對(duì)飛邊缺陷對(duì)模具剛度進(jìn)行提升

飛邊的形成主要與鎖模力、型腔板變形以及型腔壓力有關(guān)[16]。由于塑件壁厚較薄、長徑比大，使熔體填充阻力大。當(dāng)注射壓力較小時(shí)，熔體無法充滿型腔，如果強(qiáng)行提升注射壓力，導(dǎo)致模具模板的變形，會(huì)使塑件成型過程中形成大量的飛邊，增加了熔體填充難度，如圖3（a）所示。為避免熔體成型過程中產(chǎn)生飛邊缺陷，需要開發(fā)滿足薄壁件成型的模具技術(shù)，通過提升模具分型面的精度和模具整體的剛度保證在較高壓力下模板不產(chǎn)生變形，確保合模間隙不變，防止飛邊的產(chǎn)生。此外，通過適當(dāng)增加澆口數(shù)量，降低成型過程中的注射壓力，也可以避免飛邊的產(chǎn)生。

為了提升模具剛度，避免模板的變形，確定了以下2 個(gè)方案：①將型腔中成型的塑件到模面的距離由傳統(tǒng)的150～180 mm 增加至180～200 mm，以提升型腔板和型芯的剛度，避免受力不均導(dǎo)致合模精度降低，如圖4所示；②增加支撐柱數(shù)量以提高支撐力，避免模具在生產(chǎn)過程中因熱變形導(dǎo)致合模間隙變大。在滿足模具結(jié)構(gòu)的情況下，支撐柱和冷卻水道應(yīng)進(jìn)行平衡布置，理論上支撐柱越多對(duì)模具的剛度提升越有效果。

圖3 薄壁注射主要缺陷

圖4 增加模板尺寸

2.2 針對(duì)推桿印缺陷修改頂出方案

推桿印是塑件成型中常見的外觀缺陷。當(dāng)塑件成型后推出時(shí)，推桿推力超過塑件的屈服強(qiáng)度會(huì)在塑件上形成推桿印。這種缺陷的產(chǎn)生原因是推力過大、推桿與塑件的接觸面積較小。由于該塑件屬于大型薄壁件，需要的脫模力較大，在推出過程中容易產(chǎn)生推桿印缺陷，如圖3（b）所示。

根據(jù)推桿印的形成原理，為了避免其產(chǎn)生，需增大推桿與塑件的接觸面積，降低推桿頭部與塑件接觸處的壓強(qiáng)。通過計(jì)算門飾板所需的脫模力，將所有的推桿切換為推塊，并保證推塊尺寸在30 mm×30 mm以上。與φ16 mm的推桿相比，推塊與塑件的接觸面積增加了4.5 倍以上，降低了推出位置的壓強(qiáng)，消除了塑件的推桿印缺陷，如圖5所示。

圖5 推桿改為推塊

2.3 針對(duì)溫差線缺陷修改澆注系統(tǒng)

塑件壁厚較薄且不均勻，給成型帶來了較大挑戰(zhàn)。采用常規(guī)方案成型時(shí)，澆口數(shù)量有限，熔體填充距離較長，填充局部有阻滯。結(jié)合試制塑件中出現(xiàn)的光澤度差異，通過MoldFlow 模擬分析發(fā)現(xiàn)，在熔體注射過程中，前沿部分區(qū)域溫度下降達(dá)到24 ℃以上，存在明顯的溫度差異，如圖6所示。研究結(jié)果表明，塑件的光澤度與溫度密切相關(guān)[17]，模擬結(jié)果中溫差較大的位置均出現(xiàn)了光澤度差異。

圖6 流動(dòng)前沿溫度分布

為了減小成型過程中塑件各部位的溫差，現(xiàn)將二次調(diào)速熱流道技術(shù)引入模具中，改善成型塑件光澤度差異。常規(guī)針閥澆口為液壓控制，只能進(jìn)行順序開啟或關(guān)閉，而針閥的突然開啟會(huì)引起料流瞬時(shí)泄壓，導(dǎo)致料流前沿停滯，溫度降低進(jìn)而形成溫差線，如圖7 所示。圖8 所示為雙速針閥系統(tǒng)的壓力曲線，引入二次調(diào)速熱流道技術(shù)后可以控制針閥開啟的速度，緩慢開啟，直至料流順暢后開到最大，可以避免壓力突然降低，消除普通閥針引起的外觀缺陷。

圖7 傳統(tǒng)針閥系統(tǒng)壓力曲線

圖8 雙速針閥系統(tǒng)壓力曲線

此外，通過增加澆口數(shù)量縮短流動(dòng)長度，縮小熔體溫差，可進(jìn)一步改善塑件的光澤度差異。將8點(diǎn)澆口布置改為11點(diǎn)順序針閥澆口，壓力和熔體填充均獲得了改善，優(yōu)化后料流前沿溫度差＜10 ℃。

2.4 針對(duì)縮印缺陷對(duì)塑件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

當(dāng)塑件壁厚分布不均勻時(shí)，厚度不同的部位冷卻速度不同。壁厚較厚位置的收縮程度更大，導(dǎo)致該部位向內(nèi)收縮而形成縮痕缺陷。門飾板背面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在大量的Boss 柱、筋等結(jié)構(gòu)，而該塑件壁厚較薄，加劇了壁厚不均勻的程度。

Boss 柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖9 所示，針對(duì)Boss 柱背面縮痕缺陷，通過在Boss 柱底部設(shè)計(jì)防縮結(jié)構(gòu)，增加Boss 柱周圍塑件壁厚，同時(shí)對(duì)壁厚進(jìn)行均勻過渡處理，可有效消除該缺陷。

圖9 Boss 柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

常規(guī)塑件的筋通常為交叉布置，如圖10 所示。為了避免筋交叉處的壁厚較厚而導(dǎo)致縮痕缺陷，將交叉布置的筋位錯(cuò)開布置，轉(zhuǎn)換成單向筋，同時(shí)在筋位底部設(shè)計(jì)防縮結(jié)構(gòu)，有效避免了縮痕的產(chǎn)生。此外，可以根據(jù)不同的筋，選擇不同的處理方式：①筋位底部厚度設(shè)計(jì)為0.8 mm，脫模角度單側(cè)保證0.5°；②對(duì)于高度較低的筋位，頂端厚度≥0.6 mm，當(dāng)厚度＜0.6 mm 時(shí)填充困難；③較深的筋位頂端尺寸＜0.6 mm 時(shí)，底端厚度適當(dāng)增加，同時(shí)需要進(jìn)行防縮特征設(shè)計(jì)。

圖10 十字筋布置與優(yōu)化

2.5 最佳尺寸的模流分析方案

門飾板上裝區(qū)域?yàn)殛P(guān)鍵區(qū)域，不能出現(xiàn)尺寸超差等問題。由于塑件壁厚分布不均勻，不同位置的收縮不一致，使塑件翹曲變形嚴(yán)重。根據(jù)塑件要求，塑件上裝區(qū)域的X向變形最關(guān)鍵。

塑件X向變形趨勢如圖11 所示，初始方案上裝區(qū)域X向最大變形為-5.4 mm，最小為-1.5 mm，不均勻度達(dá)到3.9 mm，此時(shí)塑件匹配間隙不均勻，尺寸超差嚴(yán)重。為了消除塑件各部位變形不一致導(dǎo)致的尺寸超差，通過添加局部壁厚作為保壓通道，以便更好地接收來自澆口的保壓壓力，使其傳遞到壁厚較薄的區(qū)域（1.8 mm 區(qū)），實(shí)現(xiàn)更均勻的保壓，如圖12所示。

對(duì)優(yōu)化后的方案進(jìn)行有限元分析發(fā)現(xiàn)，塑件同一區(qū)域最大變形-3.63 mm，最小變形-2.03 mm，不均勻度降低至1.6 mm，改善明顯，如圖13 所示。實(shí)際試制之后的塑件變形不均勻度小于0.5 mm，滿足裝車要求。

圖11 塑件X向變形趨勢

圖12 增加塑件保壓通道

圖13 優(yōu)化后塑件X向變形趨勢

3 結(jié)束語

（1）通過增加型腔中成型塑件到模面的距離、增加模具支撐柱數(shù)量提升了模具的整體剛度。此外，通過提升模具分型面的精度，并適當(dāng)增加澆口數(shù)量，避免了成型塑件飛邊缺陷的產(chǎn)生。

（2）針對(duì)大型薄壁塑件注射成型，應(yīng)根據(jù)所需脫模力設(shè)計(jì)合適的推出系統(tǒng)，超薄壁門飾板的推出需采用推塊形式，并保證推塊尺寸在30 mm×30 mm以上，以避免推桿印缺陷的產(chǎn)生。

（3）塑件的光澤度與溫度密切相關(guān)，通過將二次調(diào)速熱流道技術(shù)引入模具設(shè)計(jì)，同時(shí)增加模具澆口數(shù)量，使塑件的光澤度差異明顯改善。

（4）針對(duì)Boss 柱、筋等結(jié)構(gòu)的縮痕缺陷，對(duì)塑件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過設(shè)計(jì)防縮、筋位錯(cuò)開布置，消除了這些部位的縮痕缺陷。

（5）針對(duì)塑件各部位變形不一致導(dǎo)致的尺寸超差，通過添加局部壁厚作為保壓通道，實(shí)現(xiàn)了均勻保壓，塑件變形不均勻度降至1.6 mm，改善明顯。