儀表板注塑工藝與模具表面處理工藝的優(yōu)化對免噴漆硬塑顏色件表面外觀質(zhì)量的影響

陶 靚,周 晨,周淑淵

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201206)

0 前言

注塑成型具有材料利用率高、成型周期短、產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活及自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于家電、汽車、醫(yī)療、航空及電子等領(lǐng)域[1]，尤其是汽車內(nèi)飾零部件的首選工藝[2]。儀表板本體是一個(gè)典型的大型注塑件，需要承載組合儀表、屏幕、手套箱等模塊，承擔(dān)整車碰撞吸能等功能，因而對其有較高力學(xué)性能要求；同時(shí)，儀表板本體的表面外觀質(zhì)量也受到顧客的高度關(guān)注，其表面光澤度還因影響駕駛員視野而有嚴(yán)格要求。因此，研究儀表板注塑工藝的優(yōu)化具有重要意義。

一般使用改性聚丙烯(PP)材料注塑成型儀表板，因其具有低成本的優(yōu)勢和較好的化學(xué)性能和力學(xué)性能[3-4]；但在表面外觀質(zhì)量方面，直接注塑的PP件常見光澤度過高、皮紋缺陷，以及不均勻、熔接痕等問題。常規(guī)的處理方式是增加一道噴漆工藝以遮蓋表面外觀缺陷，但是引入噴漆后所帶來的成本增加、揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)風(fēng)險(xiǎn)、表面橘皮問題等缺點(diǎn)也阻礙了噴漆的使用，尤其是在成本競爭日趨激烈的入門級轎車市場。為了提高硬塑顏色件(MIC)的表面外觀質(zhì)量和降低光澤度，研究者從不同方向上進(jìn)行了工藝改進(jìn)。

提升表面外觀質(zhì)量方面，研究者大多通過改善外觀缺陷易發(fā)區(qū)的注塑成型環(huán)境(流量、流動前沿、溫度等)來減少缺陷。陳真等[5]采用型腔局部加熱技術(shù)，提高外觀缺陷易發(fā)區(qū)域兩相熔體的結(jié)合，改善熔接痕，提高丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物(ABS) /鋁粉注塑成型制件的力學(xué)性能及表面外觀質(zhì)量。朱成兵等[6-8]針對多澆口的大型注塑件，通過控制各澆口打開時(shí)間順序的方式消除制品關(guān)鍵部位的熔接痕。SALIMI A等[9-10]以注塑工藝中的常見參數(shù)作為正交列表試驗(yàn)的設(shè)計(jì)變量因子，研究了優(yōu)化零件的變形和表面外觀質(zhì)量。

降低光澤度方面，在原材料中添加消光成分是一種直接的手段[11]，但對汽車內(nèi)飾件而言會引入耐刮擦和降低流動性風(fēng)險(xiǎn)，也增加成本。柏蓮桂等[12-13]從調(diào)整注塑工藝角度分析了降低較高光澤度的聚碳酸酯(PC)/ABS和PC/丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸橡膠三元共聚物(ASA)注塑產(chǎn)品的光澤度方法。

現(xiàn)有的這些研究結(jié)果對有效降低低光澤水平大型零件的光澤度仍有一定局限性，也會引入其他的外觀缺陷或者增加成本。筆者在對光線傳播散射原理分析的基礎(chǔ)上，利用正交列表試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具，研究了皮紋優(yōu)化工藝、注塑粒子原材料與工藝參數(shù)對MIC儀表板上本體面板表面外觀質(zhì)量和光澤度的影響，并在量產(chǎn)項(xiàng)目上獲得了兼顧低光澤度和良好表面外觀質(zhì)量的MIC儀表板，極大地節(jié)省單車成本，提高產(chǎn)品競爭力。同時(shí)，這一研究成果對于改善其他注塑零件的表面外觀質(zhì)量、光澤度控制也具有很高的參考價(jià)值。

1 理論依據(jù)

光澤度是指在規(guī)定的入射角下，塑料試樣的鏡面反射率與同一條件下基準(zhǔn)面的鏡面反射率之比，塑料行業(yè)一般采用GB/T 8807—1988《塑料鏡面光澤試驗(yàn)方法》或ASTM D523—2018《鏡面光澤度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)通過光澤度計(jì)進(jìn)行光澤度測試，測試采用C或D65光譜條件光源，光線以一定角度照射到試樣表面，測量入射光鏡面方向的反射光通量。而根據(jù)經(jīng)典光學(xué)理論可知，光線傳播經(jīng)過表面反射后，一部分入射光在表面被散射，能夠進(jìn)入視野的散射光光強(qiáng)或光通量與零件表面對光線的散射有密切的關(guān)系。為了從理論上推導(dǎo)出散射光光強(qiáng)和表面粗糙度之間的關(guān)系，首先需要對表面粗糙度進(jìn)行一個(gè)量化定義。

表面形貌是一個(gè)隨機(jī)變化量，國內(nèi)一般使用輪廓算術(shù)平均偏差Ra來客觀地反映表面微觀幾何形狀誤差。一維時(shí)，在取樣長度l內(nèi)，Ra在一定程度上反映了輪廓高度相對中線的離散程度：

(1)

(2)

皮紋工藝處理后的注塑件表面會形成粒徑大小大致在幾個(gè)毫米范圍內(nèi)遵循二維隨機(jī)分布的顆粒。只要取樣面積S使得n足夠多，式(2)可從離散型改寫為連續(xù)型，以便使用一些連續(xù)型隨機(jī)變量的密度函數(shù)。顆粒輪廓高度Z的分布函數(shù)P(z)定義式為：

(3)

式中:φ(z)為Z的概率密度函數(shù)。進(jìn)一步把式(2)寫為連續(xù)型，即式(3)代入式(2)可得：

(4)

假設(shè)皮紋工藝處理后形成的顆粒遵循高斯隨機(jī)分布，且已定義平均平面為0，則φ(z)滿足正態(tài)分布N(0,σ2)的密度函數(shù)形式：

(5)

式中:σ為顆粒輪廓高度(粒徑大小)分布的標(biāo)準(zhǔn)差;σ2為方差。將式(5)代入式(4)可得：

(6)

所以當(dāng)表面顆粒輪廓度起伏服從高斯隨機(jī)分布時(shí)，輪廓偏離中心線量的離散度與顆粒粒徑大小的正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)差是簡單的線性對應(yīng)關(guān)系。

散射光光強(qiáng)和表面粗糙度之間的關(guān)系可以從Beckmann的光散射理論推導(dǎo)出[14]。假設(shè)波長為λ的光源以入射角θi入射在零件表面上，對于均勻材料的鏡面反射，散射光的空間分布為：

(7)

式中：θi為入射角；θr為反射角；Is為光線入射到被測表面后的反射光強(qiáng)；I0為理想純平表面反射光強(qiáng)，可以以入射光強(qiáng)代替，標(biāo)準(zhǔn)光源下看作定值；A為光束的橫截面積；T為表面粗糙度的自相關(guān)長度；m為維數(shù)，取1或2;g為格林函數(shù)在入射光子均勻材料鏡面反射下的表現(xiàn)形式。

(8)

將式(6)代入式(8)即可得到的光澤度與表面粗糙度的數(shù)學(xué)模型：

(9)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)對象

選取某現(xiàn)生產(chǎn)車型的儀表板作為研究對象。

2.2 成型設(shè)備

選用宇部興產(chǎn)機(jī)械(上海)有限公司(UBESH)生產(chǎn)的 3150T注塑機(jī)作為儀表板注塑成型設(shè)備。

2.3 試驗(yàn)材料

選用韓國湖南石化株式會社(簡稱韓國湖南石化)生產(chǎn)的牌號為352S(低熔脂，10 g/10 min)和362T(高熔脂，20 g/10 min)的聚丙烯-三元乙丙橡膠-20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))滑石粉(PP+EPDM-T20)作為成型材料。熔脂是熔融狀態(tài)下熔體黏度的大小，熔脂大的塑料粒子其在腔內(nèi)的流動性更好。

2.4 試驗(yàn)方案

以儀表板表面的光澤度和表面外觀質(zhì)量作為考核標(biāo)準(zhǔn)，表面處理工藝和注塑工藝相關(guān)過程參數(shù)作為影響因子，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)作為試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)方法。具體影響因子有：模具網(wǎng)格化處理(Ga)、材料粒子熔脂(Fu)、噴砂工藝壓強(qiáng)(Sp)、澆口進(jìn)料順序(Or)、注塑壓力(P1)、注塑流量占比(F1)、保壓壓力(P2)、保壓流量占比(F2)。

模具網(wǎng)格化處理(Ga)是指對模具內(nèi)表面進(jìn)行第一次刻蝕形成粗皮紋后，進(jìn)一步引入帶次級網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的皮紋紙進(jìn)行第二次刻蝕，形成微網(wǎng)皮紋。澆口進(jìn)料順序(Or)的調(diào)整依賴于各個(gè)注塑澆口采用順序閥。在筆者設(shè)計(jì)的試驗(yàn)實(shí)施中，澆口進(jìn)料順序的3種水平分別是傳統(tǒng)串級設(shè)計(jì)進(jìn)料順序(1#),1#上減短零件發(fā)亮區(qū)域的噴嘴開啟時(shí)間(2#)，以及1#上增加易產(chǎn)生虎皮紋區(qū)域的噴嘴開啟時(shí)間(3#)。其余影響因子均為常見工藝參數(shù)。

2.5 測量及表征

圖1 光澤度測量取點(diǎn)位置示意

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 表面粗糙度

(a) 粗皮紋表面顆粒

(b) 微網(wǎng)工藝表面顆粒

對比圖2(a)與圖2(b)：采用微網(wǎng)格化處理工藝的皮紋顆粒，在原有粗皮紋顆粒基礎(chǔ)上，隨機(jī)地引入了較淺的網(wǎng)格線對顆粒做進(jìn)一步無序地切分，有些使得原先顆粒的表面形成沉坑等起伏，有些在表面形成了較小的顆粒。這些變化都加強(qiáng)了粒徑離散程度。

量化這些結(jié)果，即按照第2.5節(jié)所述的測量和統(tǒng)計(jì)方法，整理出的兩種皮紋表面顆粒粒徑分布狀態(tài)見圖3。

圖3 傳統(tǒng)粗皮紋與微網(wǎng)粗皮紋粒徑分布統(tǒng)計(jì)

由圖3可以看出:傳統(tǒng)粗皮紋粒徑分布較為規(guī)律，基本符合正態(tài)分布，粒徑頻次主峰位于1.7～1.8 mm，統(tǒng)計(jì)均值為1.62，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.39；而使用微網(wǎng)工藝后，從頻次統(tǒng)計(jì)來說，有兩個(gè)主峰，一個(gè)位于0.5～0.6 mm，另一個(gè)位于1.5～1.6 mm。微網(wǎng)皮紋的1.5～1.6 mm的頻次高峰是繼承了原粗皮紋的粒徑分布規(guī)律，只是因?yàn)槲⒕W(wǎng)格的切分，顆?？傮w有所變?。欢?.5～0.6 mm的次高峰主要是新形成的微小顆粒的體現(xiàn)。因此，微網(wǎng)皮紋表面顆粒的粒徑分布更為離散，其擬合為正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)均值為1.28，標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.52。

3.2 表面光澤度

表面光澤度根據(jù)第2.5節(jié)所述方法由光澤度儀測量。

3.3 外觀評價(jià)

外觀評價(jià)由客戶主觀評審打分。

3.4 模具表面處理工藝及注塑工藝控制因子對表面光澤度和外觀評價(jià)的影響

在第1節(jié)理論依據(jù)的討論中，分析了光澤度應(yīng)隨粒徑離散程度的增加而下降，即預(yù)期微網(wǎng)工藝皮紋的儀表板光澤度應(yīng)小于傳統(tǒng)粗皮紋定義的儀表板光澤度。因?yàn)閭淠Ｔ囍茦蛹窃谠に噮?shù)完全不變的基礎(chǔ)上注塑出的儀表板，故事實(shí)上控制了其他變量；同時(shí)測量原模具零件和備模樣件光澤度，差異即由皮紋控制因子造成。結(jié)果為：原模具(皮紋GMGA010)光澤度工藝窗口在2.5～3.0；備模樣件(皮紋GMGA020)光澤度工藝窗口在2.1～2.6，明顯低于未經(jīng)過微網(wǎng)格處理的原儀表板。這初步驗(yàn)證了公式(9)且說明模具皮紋微網(wǎng)格化處理對樣件光澤度的降低有很大貢獻(xiàn)；既然模具開備模時(shí)已做GMGA020 皮紋微網(wǎng)格化處理，故此控制因子在本課題中不涉及。其余剩下的7個(gè)控制因子水平見表1。

表1 試驗(yàn)控制因子水平表

選用正交列表L18(21·37)安排試驗(yàn)即可考量7個(gè)控制因子對表面光澤度和外觀評價(jià)的影響。按照表2排定的試驗(yàn)計(jì)劃分別進(jìn)行每行控制因子條件組合下的樣件注塑加工和表面處理，并測量表面光澤度數(shù)值和表面外觀評價(jià)分值(見表2)。

光澤度是望小特征，光澤度越低越有利于減弱儀表板對駕駛員或乘客的反光；外觀評價(jià)是望大特征，評價(jià)值越高反映表面狀態(tài)越被客戶認(rèn)可；而信噪比則數(shù)值越大越好，表示信號在工藝窗口的范圍內(nèi)波動較小，即愈穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。

為了直觀判斷各控制因子對信噪比和均值的影響，繪制了光澤度和外觀評價(jià)在各因子不同水平下的變化趨勢圖(見圖4)。

一般認(rèn)為如果信噪比的變化程度超過1 dB，則該控制因子不同水平對應(yīng)變量有顯著影響。從圖4中可看出:

(1) 光澤度方面，B控制因子的3個(gè)水平對信噪比有顯著差異影響，即大壓強(qiáng)下的噴砂處理可以使零件的光澤度表現(xiàn)更不容易受到噪聲的影響，是所期望的窄工藝窗口表現(xiàn);僅次于B控制因子的是A控制因子的2個(gè)水平，高熔脂系數(shù)材料比低熔脂系數(shù)材料也能貢獻(xiàn)1.2 dB；其余控制因子水平無顯著影響。各控制因子水平對光澤度均值的改善(下降)都不超過1，A2和B3稍有利于下調(diào)光澤度。

表2 試驗(yàn)結(jié)果分析表

(a) 光澤度信噪比上的影響

(b) 光澤度均值上的影響

(c) 外觀評價(jià)信噪比上的影響

(d) 外觀評價(jià)均值上的影響

圖4 各控制因子水平在光澤度和外觀評價(jià)上的影響

(2) 外觀評價(jià)方面，顯然各控制因子水平的影響都較為顯著。影響外觀評價(jià)信噪比最大因素為A2高熔脂(6.5 dB)，其次是C3第3套澆口進(jìn)料方案(4.48 dB)、D3高注塑壓力(2.94 dB)、E3高注塑流量占比(2.75 dB)、G1低保壓流量占比(1.04 dB)；對外觀評價(jià)均值的影響順序?yàn)锳2高熔脂(3.6 dB)、C3第3套澆口進(jìn)料方案(1.83 dB)、D3高注塑壓力(1.33 dB)、E3高注塑流量占比(1.17 dB)。外觀評價(jià)信噪比的優(yōu)解與均值優(yōu)解一致，即采用上述的各控制因子優(yōu)解水平，可以同時(shí)改善外觀評價(jià)信噪比和均值。

綜合光澤度和外觀評價(jià)可以找到一組最優(yōu)水平組合為：A2B3C3D3E3F1G1，它們在光澤度的信噪比和均值、外觀評價(jià)的信噪比和均值這4組評價(jià)要求上恰好都是優(yōu)解。為了驗(yàn)證這一結(jié)論的正確性，筆者按最優(yōu)方案制作了注塑樣件，并用相同的測量和評價(jià)方法得到了其光澤度均值為1.375，外觀評價(jià)均值大于9，確實(shí)為最優(yōu)的結(jié)果，達(dá)到研發(fā)免噴漆低成本，同時(shí)保持良好光澤度和客戶視覺感知的預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

(2) 以模具表面處理工藝及注塑工藝的一些過程參數(shù)作為控制因子，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)考察各控制因子水平對光澤度和外觀評價(jià)的影響。結(jié)果表明:大壓強(qiáng)噴砂和高熔脂材料可以同時(shí)改善光澤度信噪比和均值，其余控制因子對光澤度影響不明顯；外觀評價(jià)方面，選用高熔脂材料、調(diào)整各澆口進(jìn)料時(shí)間順序、使用較高注塑壓力和流量占比、使用較低保壓壓力和流量占比，可以同時(shí)改善外觀評價(jià)信噪比和均值，減少注塑件表面缺陷。總之，表面處理工藝控制因子更多影響在光澤度，注塑工藝控制因子更多影響在外觀質(zhì)量，而原材料對兩者都有影響。

(3) 對于選用的PP注塑儀表板和微網(wǎng)GMGA020皮紋，選用由正交列表試驗(yàn)分析出的最優(yōu)條件進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，獲得了表面質(zhì)量良好的注塑產(chǎn)品，其光澤度均值為1.375，外觀評價(jià)均值大于9，達(dá)到了研發(fā)免噴漆低成本儀表板，同時(shí)保持良好光澤度和客戶視覺感知的預(yù)期目標(biāo)。