關(guān)鍵詞：高光；注塑模具；設(shè)計(jì)；注塑缺陷

中圖分類號(hào)：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.005

Design of High gloss Interior and Exterior Decoration Molds for Large and Complex Cars and Solution to Injection Defects

Abstract： Regarding the injection molding of large and complex automotive interior and exterior high gloss parts， due to poor materialfluidity and rapid cooling and heating of the mold， the appearance of the product is prone to appearance problems such as silver wire，material shortage， fusion line， and warping. Through analysis of the injection molding process， the injection molding， heating， cooling， andexhaust systems of the mold are optimized to solve the above-mentioned appearance problems， achieve the improvement of injectionmolding process and product quality， and increase the injection molding qualification rate to over 90%， providing reliable technicalreference for subsequent high gloss injection molding mold design.

Key words： Highlight；Injection mould；Design；Injection defects

0引言

當(dāng)前，隨著新能源汽車逐步引領(lǐng)市場潮流，車輛造型越來越追求個(gè)性化、時(shí)尚化與科技感。在新車型造型的CMF（Color，Material，F(xiàn)inishing）方案中，外觀裝飾件更多地采用了高亮黑的設(shè)計(jì)元素[1]。若采用噴涂高亮漆工藝，不僅零件成本高、噴涂合格率低，且無法進(jìn)行復(fù)雜的造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品的外觀缺乏特色，缺失個(gè)性。相比之下，高光注塑工藝[2]則能夠輕松達(dá)到高亮的外觀要求，且無需進(jìn)行任何表面處理。這一工藝不僅省去了噴涂工序，提升了生產(chǎn)效率，同樣能達(dá)到外觀高光黑的效果。更重要的是，它還能實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、多樣的產(chǎn)品造型方案[3]。

本文論述了大型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的汽車內(nèi)外飾高光零件注塑模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)進(jìn)膠系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，解決產(chǎn)品外觀面易出現(xiàn)的銀絲、缺料、熔接線、翹曲等難題，從而實(shí)現(xiàn)注塑工藝及產(chǎn)品品質(zhì)的雙重提升。

1汽車高光注塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工藝分析

適用于高光注塑的原材料主要包括ASA、PMMA、PC+ABS以及PMMA+ASA等，其中以PMMA+ASA材料應(yīng)用最為廣泛[3]。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）組分的表面光澤度、耐光老化性能優(yōu)異，但耐沖擊性能相對(duì)較弱；而ASA（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯三元共聚物）組分則具有優(yōu)良的耐沖擊性、耐候性、抗紫外線和耐化學(xué)腐蝕性能，但表面硬度不夠，易劃傷。將這2種材料以一定比例混合，可相互補(bǔ)充，形成具有高力學(xué)性能、耐候性的合金材料[4]。

如圖1所示，某過往車型的高光注塑前格柵（以下簡稱：格柵A）造型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多處碰穿網(wǎng)格孔。其尺寸為1320×442×255mm，主壁厚為2.5mm，屬于中大型高光注塑零件。該格柵A采用PMMA+ASA材料進(jìn)行注塑生產(chǎn)，經(jīng)測算，所需最小鎖模力為1527N，因此需選用1600T或以上規(guī)格的注塑機(jī)臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)。

2汽車高光注塑模具的設(shè)計(jì)概述

2.1模具材質(zhì)選擇

在高光注塑過程中，由于模具需要承受急冷急熱的溫度變化，因此需選用相比普通注塑模具更高性能的鋼材，以最大限度延長模具的使用壽命。高光模具成型鋼料需要具備優(yōu)良的傳熱性、拋光性、加工性、耐磨性、耐腐蝕性以及低熱膨脹系數(shù)等特性。針對(duì)應(yīng)用最廣泛的PMMA+ASA原材料，模具鋼材的選擇應(yīng)根據(jù)不同的模具壽命要求來確定。

2.2模具加熱及冷卻系統(tǒng)

高光注塑模具通過特定的溫控機(jī)在注塑過程[5]中向模具輸入熱蒸氣（或熱油），使模具快速升溫至80～100℃。注塑完成后，又通過冷水快速冷卻將模溫降低至60～65℃。如圖2所示，加熱系統(tǒng)排布于模具型芯鑲塊中，冷卻系統(tǒng)則排布于A板及B板中。水路直徑φ=12～15mm，水路相鄰間距一般為L=（3～4）×φ。為確保模具可以均勻地快速升溫和降溫，加熱系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)中的通道必須均勻排布。至于加熱媒介具體選擇油還是水蒸氣，需根據(jù)生產(chǎn)廠家從經(jīng)濟(jì)性及注塑現(xiàn)場配備設(shè)備情況來決定。

2.3模具進(jìn)膠系統(tǒng)

格柵A產(chǎn)品所采用的PMMA+ASA材料流動(dòng)性顯著低于普通改性PP。二者熔融指數(shù)性能對(duì)比如表1所示。

為保證熔融狀態(tài)的PMMA+ASA原材料在格柵A模具中充分充填，模具采用了多點(diǎn)熱流道布置[6]。如圖3所示為高光格柵A注塑模具流道及澆口布設(shè)示意圖。其中，G1～G6、G11為開放式熱流道，G7～G10為針閥式熱流道。流長比（相鄰進(jìn)膠點(diǎn)間距與產(chǎn)品主壁厚的比值）用于衡量注塑原材料在模具中的流動(dòng)難易程度。流長比越小，原材料越容易流動(dòng)；反之，則越難。如圖3所示，相鄰進(jìn)膠點(diǎn)的最大間距為320mm，最小間距為153mm，產(chǎn)品主壁厚為2.5mm。經(jīng)計(jì)算得出，最大流長比為128，最小流長比為61.2。

在選擇熱流道種類時(shí)，對(duì)于有表面外觀要求的產(chǎn)品區(qū)域，采用針閥熱流道；對(duì)于無外觀要求的區(qū)域，則選用開放式熱流道。

2.4模具排氣系統(tǒng)

為確保格柵A模具在注塑填充過程中能將模腔內(nèi)的氣體順利排出至分型面，需在模具分型周邊均勻布置排氣槽，以避免注塑過程發(fā)生困氣現(xiàn)象和產(chǎn)品缺料問題。如圖4所示，模具設(shè)計(jì)包括三級(jí)排氣槽。排氣槽的寬度U設(shè)為6mm，相鄰排氣槽的間隔L設(shè)為80mm。根據(jù)高光格柵原材料的溢邊值要求[7]，各級(jí)排氣槽的深度和長度設(shè)計(jì)如下：第一級(jí)排氣槽的深度A為0.02mm，長度B為6mm；第二級(jí)排氣槽的深度D為0.6mm，長度C也為6mm；第三級(jí)排氣槽的深度E為1mm。

3產(chǎn)品實(shí)際情況

高光注塑格柵A由于尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際注塑生產(chǎn)過程中，經(jīng)過30件產(chǎn)品的制造后，出現(xiàn)了明顯的外觀缺陷，如圖5所示。具體問題包括：

（1）由于原材料熔體流動(dòng)性較差，加之產(chǎn)品內(nèi)部存在大量的孔洞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致注塑過程中熔體充填受到阻礙。特別是在產(chǎn)品的中間區(qū)域，容易產(chǎn)生銀絲、白點(diǎn)、缺料以及熔接線等外觀缺陷。同時(shí)，由于末端充填困難，也容易出現(xiàn)缺料問題。

（2）產(chǎn)品的中間區(qū)域局部存在明顯的翹曲變形現(xiàn)象。

4原因分析

（1）經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品中間翹曲變形區(qū)域?qū)?yīng)的模溫比其他區(qū)域高10～15℃。經(jīng)過排查，確認(rèn)這一現(xiàn)象主要是由于該區(qū)域緊鄰處于高溫狀態(tài)的注塑機(jī)料筒。同時(shí)，格柵A模具采用的是單組集水塊冷卻方式，其冷卻效果相對(duì)較差。

（2）經(jīng)確認(rèn)，注塑過程中的壓力設(shè)定為160MPa。根據(jù)PMMA+ASA材料的注塑工藝要求，合理的注塑壓力范圍應(yīng)在90～120MPa。為了確保注塑過程的正常進(jìn)行和產(chǎn)品質(zhì)量，必須降低當(dāng)前的注塑壓力。

（3）在材料流動(dòng)性方面，如圖3所示，進(jìn)膠系統(tǒng)中相鄰進(jìn)膠點(diǎn)的最大間距達(dá)到了320mm，導(dǎo)致流長比高達(dá)128，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了PMMA+ASA材料的正常值（正常流長比一般不超過90）。

5優(yōu)化措施制定及實(shí)施

基于以上對(duì)高光注塑格柵注塑過程中發(fā)生的缺陷分析及改善方向，我們制定了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

5.1降低注塑壓力，改善注塑填充

5.1.1排氣系統(tǒng)

（1）為了降低注塑壓力并改善困氣和注塑填充不順的問題，我們?cè)诜中兔嫔显黾恿伺艢獠鄣臄?shù)量，將模具分型的排氣槽間隔L由原80mm減小至40mm。同時(shí)，第一級(jí)槽的深度A由原0.02mm增加至0.03mm，長度B由原6mm增加至10mm，如圖4所示。

（2）針對(duì)易困氣且難以充填的格柵A產(chǎn)品深筋條和填充末端，增加了排氣鑲件，以進(jìn)一步提高排氣效果。

5.1.2進(jìn)膠系統(tǒng)

高光注塑原材料的流動(dòng)性比普通注塑原材料更低，流長僅為180～200mm。而格柵A高光注塑模具的相鄰進(jìn)膠點(diǎn)設(shè)計(jì)間距過大（250～300mm），未考慮到高光注塑的流長限制，導(dǎo)致注塑填充困難。由于模具及熱流道系統(tǒng)已加工完成，無法新增熱流道，在后續(xù)新車型高光注塑格柵（以下簡稱：格柵B）的設(shè)計(jì)方案中采用以下優(yōu)化措施：增大進(jìn)膠點(diǎn)尺寸，對(duì)于開放式熱流道的側(cè)進(jìn)膠澆口，將其長度由A=20mm增大至30mm，厚度由B=1.0mm增大至1.2mm；對(duì)于針閥式熱流道的針閥直徑，由φ3mm增大至φ4.5mm。

通過以上模具方案的改善，高光注塑格柵A注塑產(chǎn)生的困氣、銀絲、翹曲變形等缺陷得到了有效消除，注塑合格率由原來的40%提升至60%。

5.2優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，改善局部模溫過高問題

在注塑生產(chǎn)過程中，由于產(chǎn)品進(jìn)膠區(qū)域靠近注塑機(jī)料筒，導(dǎo)致該模具此區(qū)域溫度高。如果冷卻效果不良，將進(jìn)一步加劇此區(qū)域的溫度問題，從而導(dǎo)致翹曲變形。因此，需在此區(qū)域加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)，以確保模溫均勻穩(wěn)定。

格柵A模具原采用單組集水塊冷卻方式，效果較差，無法滿足此區(qū)域與其他區(qū)域溫度均勻的要求。為此，我們通過增加多個(gè)集水塊同步并行工作，實(shí)現(xiàn)了各自單獨(dú)調(diào)節(jié)溫度的功能。該方案顯著改善了進(jìn)出水溫度差，使模具表面溫度的加熱與冷卻更加均勻，進(jìn)而提升了模具冷卻效率。

通過以上模具方案及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改善，高光注塑格柵A注塑產(chǎn)生的缺陷進(jìn)一步得到了消除，注塑合格率由原來的60%提升至83%。

5.3再進(jìn)一步優(yōu)化方案

格柵A所采用的原材料為PMMA+ASA，其流動(dòng)性較低，熔融指數(shù)僅為4g/10min。為了進(jìn)一步改善流動(dòng)性差導(dǎo)致的充填困難、缺料、銀絲等問題，引入了改善后的高流動(dòng)性PMMA+ASA材料，其熔融指數(shù)可達(dá)13g/10min。改善前后的物性參數(shù)以及與改性PP原材料的對(duì)比詳見表2。

采用改善流動(dòng)性后的PMMA+ASA原材料進(jìn)行注塑生產(chǎn)，合格率再由83%提升至90%。需要注意的是，這種改善后的原材料價(jià)格比改善前上漲了12%。經(jīng)過綜合對(duì)比分析，考慮到上述高光格柵A模具方案經(jīng)過改善后，合格率已經(jīng)達(dá)到了83%，滿足了量產(chǎn)水平的要求。因此，為了控制成本，格柵A的生產(chǎn)將繼續(xù)使用原有的PMMA+ASA原材料，而不進(jìn)行更換。

6后續(xù)模具設(shè)計(jì)驗(yàn)證情況

根據(jù)以上優(yōu)化方案，在新車型高光格柵B模具中進(jìn)行了應(yīng)用，具體采用的優(yōu)化方案如下：

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化：針對(duì)注塑過程中影響流動(dòng)性阻膠的部位進(jìn)行了改善。如圖5中的I視圖所示，將R角的大小由過往車型的0.5mm增大至1mm，以改善注塑時(shí)膠料的流動(dòng)性。

（2）進(jìn)膠系統(tǒng)設(shè)計(jì)：在熱流道布置方案中，調(diào)整了相鄰進(jìn)膠點(diǎn)的間距D（如圖5所示），確保相鄰進(jìn)膠點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流長比不超過90，從而實(shí)現(xiàn)注塑填充更順暢。

（3）排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)：如圖4所示，在高光注塑產(chǎn)品的分型周邊均勻布置了排氣槽。模具包括三級(jí)排氣槽，槽寬L為6mm，每隔40mm設(shè)置一個(gè)排氣槽。第一級(jí)槽的深度A為0.02mm，槽長度B為6mm；第二級(jí)排氣槽的長度C也為6mm。針對(duì)容易產(chǎn)生困氣、難以充填的產(chǎn)品深筋條和填充末端，增加了排氣鑲件，以提高排氣效果。

（4）冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)：如圖2所示，冷卻水路的直徑為φ15mm，水路相鄰間距L為3倍的水路直徑。同時(shí)，對(duì)過往的單組集水塊集中供水方案進(jìn)行了優(yōu)化，改為多組集水塊同步并行工作，實(shí)現(xiàn)各自單獨(dú)調(diào)節(jié)溫度，以提高冷卻效率和溫度控制的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過試模驗(yàn)證，按照上述改善方案設(shè)計(jì)的高光注塑格柵B模具生產(chǎn)的產(chǎn)品表面品質(zhì)非常高，無缺料、翹曲變形、銀絲或熔接線等外觀缺陷。產(chǎn)品合格率可達(dá)90%以上，達(dá)到了量產(chǎn)穩(wěn)定狀態(tài)。

7結(jié)束語

本文結(jié)合大型復(fù)雜高光注塑產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)過程中遇到的質(zhì)量問題，系統(tǒng)歸納并總結(jié)了影響高光注塑產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過對(duì)工藝參數(shù)、塑料材料性能、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)后續(xù)生產(chǎn)工藝以及模具維護(hù)等多個(gè)方面的深入分析，并結(jié)合對(duì)比分析，為后續(xù)高光注塑產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)及注塑生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)借鑒。