富恒汽車注塑件典型缺陷分析

2016-08-06 admin

隨著汽車工業迅猛發展，塑料零件在汽車上的應用越來越廣泛。從保險杠、裙邊和擋泥板等外飾件，到儀表板、門板和立柱等內飾件，再到前端框架、罩蓋和進氣歧管等發動機周邊零件，隨處可見塑料的存在。據相關數據統計，在德國、美國和日本等發達國家，平均每輛汽車塑料用量已達到汽車自身重量的10%-15%。汽車塑料件的應用對于降低汽車重量，節約燃油，促進環保以及可回收利用等方面都有顯著優勢。汽車塑料件大多數采用注塑成型，成型周期短，生產效率高，制造成本低。但注塑成型可能會產生較多的缺陷，虎皮紋、表面復制不良、縮痕、熔接線和翹曲變形等，是汽車注塑件常見的缺陷，這些缺陷不僅與材料有關，還與結構設計、模具設計和成型工藝有很大關系。

1 虎皮紋

虎皮紋經常出現在保險杠、儀表板、門板和立柱等面積較大的汽車注塑件上，是一種波浪形條紋的表面缺陷，條紋大約垂直于熔體流動方向，在制件表面上形成光澤不同的刻印，看起來就像老虎皮上的花紋一樣，俗稱虎皮紋，如圖1所示。

圖1 汽車儀表板上的虎皮紋現象

虎皮紋容易產生在壁厚較薄、流程較大的制件上，它具有以下特征：（1）注塑件表面出現呈周期性變化的明暗交替的條紋；（2）條紋大致垂直于熔體的流動方向；（3）條紋分為亮區和暗區，亮區的光澤度高，暗區的光澤度差；（4）如果制件的外觀面是亮區，則背面是暗區，兩者交替出現，如圖2所示。

圖2 虎皮紋的特征

材料中的增韌體系越多，虎皮紋現象越容易出現^[1]。增韌體系在注塑過程中受到拉伸和剪切，產生微量形變，使得熔體產生不穩定流動，從而導致虎皮紋產生。韌性差的材料就很少會出現虎皮紋現象，如增強材料、非增韌的尼龍、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等材料成型過程中很少有虎皮紋產生。應用于汽車注塑件的PP材料由于要求有較高的抗沖擊性能，添加了彈性體等增韌成分，非常容易出現虎皮紋缺陷。

制件的壁厚越薄，或充填流動距離越遠，流長比越大，熔體在充模過程中越容易產生不穩定流動，因此越容易產生虎皮紋。適當增加制件的壁厚，或縮短單一澆口的充填距離，可以降低熔體充模阻力，保證熔體流動的穩定性，有利于消除虎皮紋。但在汽車輕量化要求越來越高的今天，薄壁化是汽車注塑件的發展趨勢，因此通過增加壁厚來消除虎皮紋不太現實。

在模具設計方面，增加流道直徑，擴大澆口的厚度和寬度是消除虎皮紋的有效措施^【2】。澆口厚度最好達到壁厚的0.7-0. 8倍。此舉的目的是降低熔體在流道和澆口中的壓力損失，減小進入型腔時的出模膨脹效應。某車型的副儀表板護板出現虎皮紋嚴重，分析是澆口的尺寸過小，加大澆口厚度和寬度后，成功虎皮紋消除，如圖3所示。此外，在模具設計上，應盡量采用漸變過渡的直澆口、側澆口和扇形澆口，避免使用截面積逐漸縮小的潛伏澆口和點澆口。實踐證明，潛伏澆口、點澆口或很小側澆口很容易產生虎皮紋。

（a）改善前的虎皮紋　　　　　　　　　（b）澆口設計　　　（c）改善后虎皮紋消除

圖3 澆口尺寸對虎皮紋的影響

在注塑工藝方面，熔體溫度、模具溫度和注射速度是影響虎皮紋的幾個重要參數。一般來說，提高熔體溫度和模具溫度，調整注射速度，有利于消除虎皮紋。一般情況下，采用較低的射速有利于消除虎皮紋，因為低速下熔體流動更加穩定。圖4是某汽車零件不同射速下的制件外觀，50%射速時虎皮紋嚴重，降低射速至15%，虎皮紋消失。

（a）采用50%射速出現虎皮紋（b）采用15%射速后虎皮紋消失

圖4 射速對虎皮紋的影響

2 表面復制不良

表面復制不良，指注塑件在成型過程中，不能精確復制模具型腔表面，表現為制件表面光澤不均。

很多汽車注塑件表面設計有皮紋，皮紋效果越細膩，注塑成型時就越難復制。此外，皮紋形狀很規則，相互之間不連通時，很容易因皮紋困氣而導致表面復制不良。圖5是某車型前門上型板的皮紋，皮紋很規則且型腔不連通，在成型過程中表面容易出現花斑缺陷，實則是困氣導致的表面復制不良。在產品設計時應慎重采用這種類型的皮紋。

（a）皮紋　　（b）表面復制后的皮紋效果

圖5 規則且不連通的皮紋表面復制效果

產生表面復制不良的原因之一是型腔壓力不足。此種情況下，注塑工藝的設置應能保證熔體在型腔中有足夠的壓力復制模具表面。一般來說，高溫、高速和高壓（簡稱三高工藝）有利于減小熔體壓力損失，使制件表面更好復制模具表面。圖6是某汽車的組合儀表罩，出現表面光澤不均，如圖6（a）所示；工藝調整時，將料溫從210℃提供至240℃，并提高注塑壓力和速度，最終消除外觀缺陷，如圖6（b）所示。

（a）改善前的制件外觀（b）改善后的制件外觀

圖6 注塑工藝對表面復制效果的影響

產生表面復制不良的另外一個原因是困氣。當模具的排氣效果不好，或皮紋深度較大時，或注射速度過快使得型腔內的氣體來不及排出，就會產生困氣，導致表面復制不良。圖7是汽車的除霜格柵，在兩側出現類似花斑的光澤不均，制件的皮紋深度較大，通過降低注射速度，成功消除表面缺陷。

（a）制件（b）原始工藝表面復制效果

（c）原始工藝（d）改善工藝

（沒有合適的改善后圖片，因此沒有給出，作者注！）

圖7射速對表面復制的影響

3 縮痕

縮痕產生在制件的表面，指在制件表面形成的局部凹陷。縮痕是制件局部位置在冷卻過程中得不到有效的保壓補縮造成的^【3】。縮痕通常產生在制件上局部厚壁的位置，或產生在加強筋、螺絲柱等突起物的背面。在汽車制件上，螺絲柱、加強筋或卡扣等結構的背面容易出現縮痕。

對于螺絲柱背面產生的縮痕，常用的改善措施是在螺絲柱根部添加火山口結構，如圖8所示。火山口的添加使得螺絲柱根部的等效壁厚（即內切圓直徑2R）變小，因此能有效改善縮痕，如圖9所示。一般來說，等效壁厚越小，制件表面就越不容易產生縮痕，當螺絲柱根部的等效壁厚接近制件壁厚T時，制件就基本沒有產生縮痕的風險。

圖8 典型的火山口設計

（a）加火山口前的等效壁厚（b）加火山口后的等效壁厚

圖9 火山口防止縮痕的原理

汽車注塑件很多時候選用改性PP材料。與工程塑料相比，改性PP模量較低，因此抵抗變形的能力要低些，這更需要從結構設計上保證制件的強度。常用的辦法是在產品設計中添加加強筋。加強筋的厚度選擇關系到制件表面是否產生縮痕。對于結晶聚合物，由于結晶會產生后收縮，加強筋根部的厚度要適當薄些，建議不超過壁厚的1/3，否則容易在背面形成縮痕；而對于非晶聚合物，由于后收縮較小，加強筋根部的厚度可適當厚些，但建議不超過壁厚的1/2。加強筋尺寸設計不合理時，容易在背面形成縮痕，如圖10（a）所示。在允許的情況下，將加強筋設計在兩個平面交接的過渡曲面背后，即使有輕微縮痕，由于護面的掩飾作用，也可以巧妙地將縮痕隱藏，如圖10（b）所示。

（a）原始的加強筋設計（b）改善的加強筋設計

圖10 通過設計隱藏縮痕的方法

汽車保險杠對外觀有嚴格的要求，即使制件上有輕微的縮痕，在噴漆后也可以會非常明顯，這就對結構的設計提出了很高的要求。圖11（a）是某汽車保險杠定位卡扣的設計，卡扣上的筋背面縮痕明顯，無論如何調整材料和注塑工藝，都無法徹底解決縮痕問題；而圖11（b）則巧妙地將定位卡扣設計在兩個面交接的位置，將縮痕隱藏起來，留給材料和注塑工藝很寬的設計窗口。

（a）不合理的設計（b）合理的設計

圖11 保險杠定位卡扣設計

汽車注塑件由于裝配的需要，常在外觀面的背后設計較多的卡扣。卡扣的尺寸設計很重要，壁厚較薄則卡扣的強度不足，且在注塑時容易產生缺膠；壁厚較厚則會產生縮痕。最佳的解決措施是將卡扣根部壁厚減薄，如圖12（b）所示，既解決了卡扣的強度問題，又避免了縮痕，同時還保證順利注塑成型。而圖12（a）中的卡扣根部沒有進行減薄處理，注塑成型時容易產生縮痕。

（a）不合理的卡扣設計（b）合理的卡扣設計

圖12 卡扣設計

如果制件在注塑成型后要求噴漆，則對縮痕的要求更嚴格，即使有輕微的縮痕，噴漆后也會很明顯。圖13是某車型的裙邊卡扣設計，雖然采用了卡扣根部減薄的設計，但是在垂直于流動方向的邊背面還是產生縮痕，噴漆后較明顯，客戶不能接受。而圖14另一款車型的裙邊卡扣則采用了較巧妙的設計，在垂直流動方向的邊根部采用間斷式的點接觸，由于接觸面積不大，制件的正面上很難看到有縮痕；為了保證卡扣的強度，又將該邊的接觸部分設計成平行流動方向的較短的加強筋。這樣的卡扣設計，既解決了縮痕問題，又保證了強度。

圖13 不合理的卡扣設計

（a）左視圖（b）右視圖

圖14 合理的裙邊卡扣設計

4 熔接線

兩股料流相遇時，制件上就會形成熔接線。此時，熔體前沿的切線有一個夾角，這就是熔接線的匯合角，如圖15所示。匯合角的大小對熔接線的強度和清晰度有重要影響^【4】。根據Moldflow的分析準則，當匯合角＞135°時，熔接線肉眼看不到，而且強度很高；當匯合角＜135°時，但大于75°，熔接線比較清晰，但強度仍很高，通過處理，噴漆可以遮蓋住；當匯合角＜75°時，熔接線即使經過處理，噴漆仍無法遮蓋，而且強度較差。

圖15 熔接線的匯合角

對于汽車保險杠、儀表板、門板、裙邊等體積較大的注塑件，通常采用含有順序閥的熱流道來消除熔接線，一般是中間的針閥先打開，當熔體前鋒流過下一個針閥時，該針閥開啟，這樣就可以避免填充時在制件上形成較多的熔接線。

但即使采用針閥式熱流道，孔周圍的熔接線也難以消除，但結構設計上也有辦法去弱化。通常在在孔的周圍增加凹槽等結構，擾亂熔接線的生成，從而起到淡化熔接線的效果。圖17是某款保險杠的設計，在霧燈處由于孔的存在會產生熔接線，在設計上巧妙地設置了一個凹槽，既可以當做裝飾，又可以擾亂熔接線的生成，有效地淡化了熔接線。

圖17 弱化熔接線的凹槽設計

在模具設計時，應避免澆口面對著孔，否則形成的熔接線難以調整。圖18是某款車的前保險杠，人字形標識中間有很多碰穿孔，而澆口開設在標識的兩側，熔體流經碰穿孔時，形成了明顯的熔接線，熔接線末端容易分叉，嚴重時熔接線出現褶皺，用砂紙打磨仍看到痕跡，不良率較高。在注塑工藝上，該段采用較低的注射速度可以弱化熔接線，但加工溫度或材料熔體流動速率稍有波動時，注塑工藝就需要調整，這給生產造成了一定的困難。相比之下，另一款類似車型的前保險杠在該位置的設計就巧妙很多，如圖19所示，澆口設計在人字形標識的中間，并減少碰穿孔，留給注塑工藝的窗口很寬，不需要采用特定的射速來配合，熔接線的外觀很好。

圖18 熔接線外觀較差的澆口設計

圖19 改善熔接線外觀的澆口設計

5 翹曲變形

翹曲變形指制件的形狀與設計的形狀出現比較大的差異，通常為凸出或凹陷。汽車制件的設計常采用PP材料，與工程塑料相比，其模量相對較低，因而抵抗變形的能力要弱些，這就需要從結構設計上保證制件的強度。

汽車儀表板前沿也是容易變形的部位。圖20是某款車型上的儀表板，（a）圖是標識處是出現變形的部位，其背面沒有加強筋或其它加固的結構，而整個儀表板很長，這樣的結構式很難保證不變形的，多次嘗試更換材料配方，依舊無法解決變形問題。而圖21的儀表板前沿設計較為合理，其背面每個一定距離都設置了加強筋結構進行加固防止變形。

（a）儀表板前沿整體結構（b）變形部位的背面結構

圖20 不合理的儀表板前沿設計

（a）儀表板前沿整體結構（b）背面結構

圖21 合理的儀表板前沿設計

在不增加壁厚的情況下，加強筋通常可以增加制件的強度，改善制件的變形。但是，當加強筋設計不合理時，反而會增加制件的變形。圖22是某汽車的前立柱上體，制件的中部外凸變形，變形部位剛好布置有較多的加強筋。從Moldflow的體積溫度分析結果來看，筋的壁厚較主體厚度薄，體積溫度下降較快，冷卻定型后約束側邊向內自由變形，導致制件在該部位外凸變形，如圖23所示。