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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6a)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6b)所示。

  

                    (a)改善前的制件外觀                 (b)改善后的制件外觀

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。

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

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10a)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10b)所示。

        

a)原始的加強筋設計           (b)改善的加強筋設計      

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11a)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11b)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

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12b)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12a)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

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。

       

13 不合理的卡扣設計

  

                         (a)左視圖                          (b)右視圖

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。

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。

    

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。

  

18 熔接線外觀較差的澆口設計

 

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

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

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。

  

22 前立柱上體的變形狀態

 

23 前立柱上體變形原因分析

6 結語

通過以上分析,產品結構、模具設計、注塑工藝和材料(涉及材料了嗎?虎皮紋中涉及了一些材料方面的,其它沒有,作者注)都對汽車注塑件缺陷有著重要影響。在遇到問題時,要綜合考慮這幾個方面提出改善措施,但產品結構和模具設計是主要原因,需要重點分析,其次再從注塑工藝和材料上去配合調整,徹底解決問題。

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