汽車塑料零件內應力淺論

狄春峰，胡仁其

(上汽集團股份有限公司乘用車分公司 中心實驗室，上海 201804)

汽車塑料零件內應力淺論

狄春峰，胡仁其

(上汽集團股份有限公司乘用車分公司 中心實驗室，上海 201804)

討論了汽車塑料零件內應力的形成原因及相關機理，介紹了汽車塑料零件內應力的多種檢測方法，給出了各種測試方法的適用范圍及優(yōu)缺點。論述了汽車塑料零件內應力的解決方法，通過具體實例詳細剖析了實際工作中解決內應力失效問題的整個流程和方法，并取得了良好的結果。

內應力； 塑料零件； 非金屬材料； 汽車

0 前言

隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展，汽車不斷的輕量化，越來越多的塑料材料被運用來制造各種汽車零部件[1-4]。在塑料零件的設計、生產和使用過程中，設計人員面臨一個難題——塑料零件內應力。所謂內應力，是指當外部載荷去掉以后，仍然殘存在物體內部的應力。它是由于材料內部宏觀或微觀的組織發(fā)生了不均勻的體積變化而產生的，有時也被稱作“殘余應力”。

在設計時，設計人員在進行零件受力分析時往往都不把內應力考慮在內，而在生產過程中又無法避免在零件內部產生或多或少的內應力，在使用過程中又會受到外界(如：熱、光、化學試劑等)刺激，進一步誘導和擴大內應力的宏觀表現(xiàn)。當內應力超過設計的極限時，零件便會發(fā)生各種模式的失效，如：變形、開裂、外觀不良、影響表面保護工藝等。因此，了解和掌握塑料零件內應力形成的原因，找出其對內應力影響的規(guī)律性，并能夠針對性地采取有效措施，減少甚至消除塑料零件內應力，對解決該類失效問題和提升零件質量極具意義。同時，掌握塑料零件內應力的檢測方法也十分必要，它可以有效判別塑料零件的內應力水平，為零件的開發(fā)、驗證和批量抽檢提供手段。

1 塑料零件內應力的形成

從汽車塑料零件一個總成的角度看待內應力，可以按照成因把內應力細分為3種：(1)由注塑形成的內應力；(2)由裝配形成的內應力；(3)由焊接等其他生產工藝形成的內應力。一個汽車塑料零件最終的內應力狀態(tài)是以上3種內應力的疊加。

1.1 注塑形成的內應力

塑料材料在注塑成型過程中要經受高溫、高壓、高剪切，流動行為十分復雜，而且要在若干秒的較短時間內完成從玻璃態(tài)、高彈態(tài)到黏流態(tài)，再回到玻璃態(tài)的相轉變。塑料零件在保壓冷卻成型的瞬間，高分子鏈無法在那么短的時間內恢復到平衡構象而產生了內應力。根據起因不同，注塑內應力主要有以下幾種。

1.1.1 取向內應力

在注塑成型過程中的取向是指：高聚物熔體在壓力的作用下，其高分子鏈會沿流動方向形成定向排列的構象。研究認為，取向應力的產生是由于在成型過程中，快速進入模腔的高溫熔體接觸到冷的模腔壁厚，熔體溫度迅速下降，冷凝在模腔壁上形成一層硬的凝固層[5-7]。由于凝固層的絕熱作用，使貼近凝固層的熔體無法立即固化，且由模腔壁向制品界面中心熔體溫度形成梯度變化，截面中心處溫度最高。若流動中的高分子鏈一端被凝結在凝固層內，另一端仍在壓力作用下繼續(xù)向前流動，就使得原本無規(guī)卷曲的高分子鏈沿流動方向被拉直伸長。由于高分子鏈總是希望保持無規(guī)卷曲的松弛狀態(tài)，被拉直伸長的高分子鏈會產生一種力圖恢復無規(guī)卷曲狀態(tài)的松弛力。若在制品冷卻成型時，高分子鏈仍然保持被拉直伸長的狀態(tài)，松弛力也就在制品內部分子層面產生了，這些分子層面的松弛力疊加后的宏觀表現(xiàn)就是取向內應力。從其形成機理可以看出：塑料制品的取向內應力分布為從制品的表層到內層越來越小，并呈拋物線變化。

1.1.2 溫度內應力

溫度內應力也可以稱為冷卻內應力，它是塑料制品在熔融加工和冷卻成型過程中，高分子材料收縮不均勻而產生的一種內應力。注塑塑料制品時，澆口與模具存在很大的溫差，這使得高溫的熔體與低溫的模腔壁接觸時，熔體溫度驟降，急速冷卻、凝固、收縮；而與此同時，熔體內層仍然保持較高的溫度。當凝固層內的熔體在不均勻的冷卻速率下繼續(xù)冷卻而發(fā)生自由收縮時，由于各截面層的體積收縮不同，造成制品壁厚的表面附近產生壓縮應力，而在壁厚中心部位則引起拉伸應力。

有些結構復雜的塑料制品還帶有金屬嵌件，由于金屬與塑料兩者熱膨脹系數(shù)存在較大差異，金屬嵌件位置也是一個低溫點，如果注塑工藝處理不當，容易產生較大的溫度內應力。

1.1.3 其他注塑內應力

除了以上兩種最為常見的注塑內應力以外，還會產生一些其他的內應力，如：構型體積內應力、脫模內應力等。這些內應力對零件整體的內應力貢獻較小或只在局部產生，影響相對較小。

1.2 裝配形成的內應力

汽車工業(yè)對裝配工藝的要求不斷提高，間隙要小、不能存在異響和過濾振動的能力要強等。在實踐中裝配內應力也普遍存在，需要重點關注和控制。從產生的原因來分類，裝配內應力可以分為2類：(1)由裝配預緊產生的裝配內應力，如：螺紋連接、過盈配合等；(2)在裝配時由于加工誤差或對手件的匹配度引起的裝配內應力。

1.3 焊接等其他生產工藝形成的內應力

塑料零件的焊接、機加工等工藝也會在塑料制品的內部形成內應力，所以在控制這些工藝時也要設法降低和消除內應力。

2 塑料零件內應力的檢測

塑料零件內應力的檢測有多種手段，常用的有3種：溶劑法；耐候測試法；偏光觀察法[8-9]。

2.1 溶劑法

溶劑法顧名思義就是通過有機溶劑作為媒介來檢測塑料零件的內應力水平。該方法的優(yōu)點是：測試時間短，而且無須設備投入，費用較低；缺點是：測試評價體系建立比較復雜，測試時視化學試劑不同可能存在有少量毒性。

溶劑法的原理如下：溶劑分子能夠滲透到塑料的大分子之間，降低分子間的彼此作用力，宏觀層面即降低了塑料材料的強度。如果塑料零件某個位置的內應力很大，超過浸泡后的材料強度，該位置即發(fā)生開裂；如果塑料零件某個位置的內應力較大，在宏觀層面還沒超過浸泡后的材料強度，但在微觀層面已經導致了高分子鏈的斷裂，那這些位置即發(fā)生應力發(fā)白。

溶劑法測試塑料零件內應力所使用的溶劑有不少種類，可以分別針對不同類別的塑料材料，也與不同公司的使用習慣和經驗積累相關。但是溶劑法的測試方法大體是一致的，其一般流程如下：

(1) 配置特定的有機溶劑，并倒入適合的容器中(配合溶劑種類和零件大小)；

(2) 待測零件進行測試前檢查，最好能留照片；

(3) 將待測塑料零件(特別是需要檢測的區(qū)域)完全浸沒在溶劑內，有時也會用溶劑涂抹在零件的特定區(qū)域；

(4) 一定時間后將零件取出，并立即用清水沖洗干凈；

(5) 觀察測試后零件，記錄是否存在開裂、應力發(fā)白等不良變化。

溶劑法的溶劑種類、測試時間和評價方法互相關聯(lián)，三位一體，是溶劑法的關鍵要素。各個公司的Know-How也就是在這3個要素上。原拜耳公司使用甲苯+正丙醇來測試聚碳酸酯(PC)的內應力水平，用乙酸乙酯+正丙醇來測試PC/ABS的內應力水平。通過大量的試驗研究，積累了豐富的經驗，可以用不同比例的溶劑來測試得到零件內應力數(shù)值區(qū)間，精確度較高。我公司的實驗室用不同濃度的乙醇溶液來測試聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的內應力水平，通過多年的積累，也整理出了一套比較系統(tǒng)的測試評價方法。還有一些公司會使用四氯化碳、冰醋酸等來測試塑料制件的內應力水平。

2.2 耐候測試法

耐候測試法是通過將零件存放在不同環(huán)境設置的耐候試驗箱內，來檢測零件在實際使用過程中其內應力是否會導致零件失效。該方法的優(yōu)點是：測試結果與零件市場表現(xiàn)的吻合度高，能為問題處理和決策提供精確的依據；缺點是：測試時間長，需大型設備，大樣本量測試時費用極大。

耐候測試法的原理就是模擬零件所處的實際工況和自然環(huán)境。通過大型設備的連續(xù)工作和測試條件的加強，加速模擬零件在該種環(huán)境條件下的真實耐候反應。如果零件內應力水平較高，再疊加耐候反應則會發(fā)生失效。該測試方法的關鍵在于環(huán)境條件的設置。

2.3 偏光觀察法

偏光觀察法是把待測塑料零件放在偏光設備上進行觀察，來判斷零件的內應力水平。該方法的優(yōu)點是：檢測快速、方便，結果直觀；缺點是：待測物品必須是透明的，分析結果主要用于定性。

偏光觀察法的原理如下：透明塑料零件一般都是非結晶高分子，通常情況下是各向同性的，不產生雙折射現(xiàn)象。但當它們受到應力時，就會變成各向異性而顯示出雙折射的特性，這種現(xiàn)象稱為光彈效應。偏振光可以有效地觀察到雙折射現(xiàn)象，也就是說能夠觀察到塑料零件的應力情況。檢測時零件不受外力作用，觀察到的就是其內應力狀況。

3 塑料零件內應力的消除

當檢測到塑料零件存在比較大的內應力，有失效風險或已經在市場上發(fā)生了類似失效時，那么需要立刻消除或減小零件的內應力。影響塑料制品內應力的因素有很多，解決問題的方法也得對癥下藥，以下介紹一些常用消除內應力的手段。

3.1 熱處理(退火)

熱處理是解決塑料制品內應力的通用方法，在實踐中最常用到，對于所有的塑料制件都是有效的，但根據其內應力的主要原因，效果會有差異，對于取向內應力和冷卻內應力最為有效。其原理是：塑料制件受熱可以使得高分子鏈由不平衡構象向平衡構象轉變，使被急速冷卻成型而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的高分子鏈進行熱松弛，進而趨向無規(guī)卷曲的自由狀態(tài)，從而減小了內應力。

熱處理的方法就是在加熱介質中，使塑料制件在某一特定溫度下保持一定的時間，然后緩慢冷卻至室溫。加熱介質一般就是空氣。理論上，熱處理的溫度越高，時間越長，則塑料制件的內應力就消除的越多，其分子層面越趨于穩(wěn)定和平衡。但在實踐中，退火的溫度都是有限制的，不能超過一定的限度。過高的溫度會引起塑料制件在熱處理過程中發(fā)生翹曲和形變，有時甚至還會直接誘發(fā)內應力開裂，特別是對那些有金屬嵌件的塑料制品。從材料自身角度來講，一般熱處理溫度建議要稍低于其熱變形溫度(低10～20 ℃)為宜。同時還與零件的結構、用途等相關。退火的時間一般不低于1 h，同時還要考慮零件的結構、制品的厚度和經濟效益等。在熱處理過程中最容易被忽略的就是緩慢冷卻至室溫這個步驟，但根據實踐經驗，這個步驟是極其關鍵的。下面以某車型按鈕為例進行詳細說明。

如圖1所示，某車型按鈕售后發(fā)生頂部開裂，零件材料為原拜耳公司的PC。收集失效信息時發(fā)現(xiàn)，失效零件絕大部分都是冬天生產的，且斷口光滑，無明顯受力痕跡，可以判斷該零件是由于內應力過大導致開裂。為了驗證以上判斷，用溶劑法對新塑件進行內應力檢測，測試溶劑為甲苯∶正丙醇=1∶3混合溶劑，測試時間3 min。不出所料，檢測后新塑件的頂部均發(fā)生開裂，與售后失效零件的失效位置一致，如圖2所示。

圖1 售后開裂零件

圖2 溶劑法檢測后開裂零件

根據以上理論可知，該零件存在較大的取向內應力和溫度內應力，因此采取退火的方法消除內應力。PC的熱變形溫度在130 ℃左右，根據經驗，退火溫度應在110 ℃左右，退火時間為1 h以上，退火后的零件需隨箱冷卻。根據以上3條退火工藝，設計了一個3因子、2水平的DOE(Design Of Experiment)，并通過溶劑法測試退火后零件的開裂比例來進行效果驗證，試驗結果如表1所示。

試驗結果清楚地表明：當采取隨箱冷卻時，110 ℃和1 h的退火工藝能夠徹底解決零件的內應力問題，也節(jié)省成本，是目前最佳退火工藝；若一旦沒有采取隨箱冷卻，則內應力還是保持較高水平，退火工藝功虧一簣。需要說明的是，試驗進行時間為冬天，環(huán)境溫度低于0 ℃，如果該試驗在夏天進行，則未必會有那么明顯的差異。

表1 試驗結果

根據最佳退火工藝進行生產，零件斷點后類似失效的產品數(shù)量為0，因此，通過退火工藝徹底解決了因零件內應力大而導致的失效問題。

對于結構或生產工藝比較復雜的零件可能需要多次的熱處理，比如散件制成后進行熱處理，去除散件的內應力，后經過焊接、機加工、裝配等工藝還需要再次進行熱處理來去除總成零件的內應力。

3.2 結構設計

結構設計對塑料零件的內應力有較大影響，它在一定程度上還決定了模具的設計和注塑的工藝。一般來說，結構設計應盡量保持其連續(xù)性，避免銳角、直角、缺口、突然的擴大或縮小、壁厚的巨大差異等。所有的邊角連接處都應設計成圓角來過渡，理想的內圓角半徑應為壁厚的1/4以上，外圓角半徑可取壁厚的1.5倍。根據經驗，即使采用R0.5 mm的圓角，也能使得塑料制件的強度大為改善。

3.3 模具和注塑工藝

模具和注塑工藝也在一定程度上決定了零件的內應力水平，合理的模具設計和注塑工藝不但要考慮塑料制件的內應力，還必須綜合考慮生產效率、設備損耗和零件性能等因素，需要技術人員有較高的水平。

3.3.1 模具

模具的澆注系統(tǒng)和頂出機構對塑料零件內應力的影響較大。澆注系統(tǒng)主要考慮澆口的尺寸、位置和主澆道的大小、長短；頂出機構則主要避免對零件施加過大的頂出力。

3.3.2 模具溫度

模具溫度對塑料制件的取向內應力和溫度內應力都有較大影響，這兩種內應力均隨著模具溫度的升高而降低，因此為了降低零件的內應力水平，應使用較高的模具溫度，一般在90 ℃左右。值得注意的是，由于溫度較高，有的廠商可能要使用油溫機代替水溫機。由于這兩種介質的流動屬性可能導致用油溫機的效果并不明顯，建議使用高壓水溫機；另一方面，過高的模具溫度會使得冷卻時間延長，降低了生產效率。

3.3.3 金屬嵌件的預處理

金屬嵌件的預處理主要有兩層含義：預熱和清洗。預熱其實也是起了使冷點溫度提升的作用，一定程度上講與提升模具溫度的作用類似。另外還可以使得金屬嵌件本身與塑料之間的熱脹冷縮的巨大差距得到一定的彌補。清洗是要對金屬嵌件上的油脂等進行徹底的清除，以避免其加速塑料制件的內應力開裂。

3.3.4 料筒溫度

料筒溫度高有利于降低取向內應力，但會增加冷卻內應力和冷卻時間。過高的料筒溫度還會使得PC類材料降解、性能下降而無法使用。因此根據材料、零件復雜程度的不同等因素，適當提高料筒溫度，并配合提高模具溫度，將有利于降低零件的內應力水平。

3.3.5 注射壓力

較低的注射壓力可以降低零件的內應力水平，但必須保證制件的質量和適當?shù)淖⑸渌俣取?/p>

3.3.6 注射速度

注射速度主要是依據零件的結構及流動前沿勻速的原則分段制定。注射速度以適中為宜，在保證零件質量的前提下，相對較低的注射速度可以降低零件的內應力水平。

3.3.7 保壓壓力和時間

較低的保壓壓力和較短的保壓時間對降低零件的內應力水平是有利的。

3.4 其他方法

還可以對零件進行拍打、存放等方法來去除零件的內應力。

4 結論

汽車行業(yè)使用的塑料零件越來越多，內應力是塑料制件容易發(fā)生批量性失效問題的一個重要因素。弄懂塑料零件內應力的形成原因和機理，掌握內應力的測試方法和能夠迅速消除或減少零件內應力的方法，對汽車行業(yè)的技術人員十分關鍵。本文根據多年實踐經驗，對內應力的形成、檢測和消除進行了比較詳細的討論，而且通過實例剖析了鑒別和解決塑料零件內應力實際失效問題的具體方法和流程。

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巴斯夫推出輕量化“協(xié)作機器人”

■ 巴斯夫和新松機器人聯(lián)合開發(fā)輕量化協(xié)作機器人

■ 設計x創(chuàng)新活動亮點

巴斯夫在 CHINAPLAS 2017國際橡塑展上展示與中科新松有限公司(以下簡稱‘新松’)聯(lián)合開發(fā)的工業(yè)用協(xié)作機器人。這種機器人采用巴斯夫 Elastollan?熱塑性聚氨酯彈性體、Ultramid?玻纖增強聚酰胺和 3D 打印聚酰胺-6 制造，其輕量化的設計和材料可幫助制造商在提高生產速度的同時降低能源成本。協(xié)作機器人是五個巴斯夫“塑三角 ”(Trio)設計共創(chuàng)項目之一，其目的在于推動巴斯夫、頂尖設計師和品牌商之間的合作。

與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相比，協(xié)作機器人成本更低廉、適應性更強、更輕便，因此在機器人學和自動化領域具有重要意義。巴斯夫的先進材料不僅是一種更輕盈的替代材料，還可通過注塑成型或 3D 打印等方式加工成復雜的形狀。

Some Discussion on Internal Stress of Automobile Plastic Parts

DIChun-feng，HURen-qi

(Center Lab of SAIC Motor， Shanghai 201804， China)

The main causes and mechanism of internal stress of automobile plastic parts are discussed. The detection methods of internal stress of automobile plastic parts are introduced. Advantages and disadvantages of these detection methods are given out. The solution to the high internal stress of automobile plastic parts is discussed. Through the concrete example, the whole process and method of solving the internal stress failure problem in practical work are analyzed in detail, and good results are obtained.

internal stress； plastic part； non-metallic material； automobile

狄春峰(1982—)，男，博士，高級工程師，主要從事非金屬材料研究，涉及失效分析、材料應用開發(fā)、材料測試等。

TQ 320.6

A

1009-5993(2017)02-0018-05

2017-03-04)