薄壁化注塑技術(shù)在汽車零件上的應(yīng)用

孫偉

摘 要：本文主要是對(duì)薄壁化技術(shù)和其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了一定的分析，將薄壁化技術(shù)在汽車零件上的應(yīng)用進(jìn)行一定的分析，希望能夠促進(jìn)汽車零部件生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：薄壁化技術(shù);汽車零件;流長(zhǎng)比;表面氣輔

1 引言

對(duì)于當(dāng)前的汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，安全、環(huán)保和節(jié)能是當(dāng)下的三個(gè)關(guān)鍵性的話題，因此汽車輕量化就成了重要的策略。薄壁化技術(shù)是進(jìn)行汽車減重的重要方案之一，可以在滿足汽車性能的同時(shí)對(duì)汽車的壁厚進(jìn)行合理的減薄，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)減輕重量和降低成本的目的。

2 薄壁注塑成型技術(shù)

對(duì)于薄壁注塑成型技術(shù)來(lái)說(shuō)雖然在業(yè)界還沒(méi)有對(duì)其形成一個(gè)較為統(tǒng)一定義，但是整體來(lái)說(shuō)，成型塑件的厚度小于1mm，并且塑件的投影面積超過(guò)50平方厘米的注塑成型，都可以被稱為是薄壁注塑。但是對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，所謂的薄壁成型技術(shù)只要是對(duì)材料和工藝進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)傳統(tǒng)的壁厚進(jìn)行了打破，又能滿足相應(yīng)的性能，就將其認(rèn)為是薄壁注塑。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于汽車薄壁化技術(shù)的應(yīng)用起步是比較早的，在很多汽車零件上都有對(duì)其的應(yīng)用，尤其是保險(xiǎn)杠、門板上，對(duì)于薄壁技術(shù)的應(yīng)用最具有廣泛性。

塑料件薄壁技術(shù)主要分為兩種：縮短流長(zhǎng)、表面氣輔。

2.1 縮短流長(zhǎng)

首先我們要知道什么是流長(zhǎng)比，流長(zhǎng)比是指塑料熔體在型腔內(nèi)流動(dòng)的最大長(zhǎng)度與相應(yīng)的塑件壁厚之比值，設(shè)為K。充模流程過(guò)長(zhǎng)，熔體壓力損失增大，流動(dòng)前沿壓力不足，溫度降低過(guò)多，導(dǎo)致塑件密度低，收縮率大，甚至填充不滿，塑件壁厚越大，熔體所能達(dá)到的最大流動(dòng)距離也增大，反之，塑件壁厚越小，熔體所能達(dá)到的最大流動(dòng)距離也越短。

該種技術(shù)目前仍然存在不足，適用于產(chǎn)品薄壁處無(wú)筋和無(wú)卡口的設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)在汽車零部件產(chǎn)品精細(xì)化的提升，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量也越來(lái)越受到重視，而薄壁處筋和卡扣對(duì)表面的縮痕完全是靠注塑過(guò)程保壓來(lái)完成，因薄壁產(chǎn)品壓力傳遞本身就收到限制，致使產(chǎn)品表面質(zhì)量不能到達(dá)理想的效果。

2.2 表面氣輔

普通氣體輔助注塑成型技術(shù)是近幾年一項(xiàng)新興的塑料注塑注射成型技術(shù)，其原理是利用高壓氣體在塑料內(nèi)部產(chǎn)生中空截面，利于氣體保壓代替塑料注射保壓，消除制品縮痕，完成注射成型的過(guò)程。

表面氣輔要求更高，是在模腔內(nèi)，產(chǎn)品充滿后，在制品冷卻凝結(jié)的過(guò)程中由模具型芯側(cè)向產(chǎn)品反面吹氣，氣體推動(dòng)熔融塑膠繼續(xù)充填滿型腔，用氣體保壓代替塑膠保壓，高壓惰性氣體存在于產(chǎn)品反面和模具后模鋼材表面。為了保證氣體在恒定壓力的條件下對(duì)產(chǎn)品施壓，在產(chǎn)品冷卻成型后，得到我們所需得制品，因此模具不能漏氣，對(duì)模具制造和設(shè)計(jì)要求也就更高了。同時(shí)產(chǎn)品反面由于氣壓的作用，最后冷卻成型形成水紋狀，但對(duì)表面質(zhì)量無(wú)影響。

（1）模具分型面要做密封處理。（2）模具所有的頂出系統(tǒng)包括頂針、斜頂桿、直頂桿、司筒針等都要做密封處理，保證注入的高壓惰性氣體不泄露。（3）為了保證模腔內(nèi)惰性氣體壓力恒定，在頂針下設(shè)計(jì)壓力傳感器，模具外接壓力表，來(lái)調(diào)整注入的高壓惰性氣體的壓力。（4）因?yàn)楫a(chǎn)品壁厚較薄，便于熔膠填充，模具后模增加吸真空設(shè)計(jì)，在模具合模后，由于分型面的密封結(jié)構(gòu)，使模具達(dá)到吸真空效果，再進(jìn)行注射填充。

氣輔技術(shù)原理-通過(guò)氣輔減低壓力落差。

完整的氣輔注塑系統(tǒng)，應(yīng)由空氣壓縮機(jī)、氮?dú)獍l(fā)生器、高壓蒸汽壓縮機(jī)、高壓管道、高壓氣體控制器。

3 薄壁注塑成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

3.1 產(chǎn)品輕量化

將保險(xiǎn)杠和汽車門飾板作為是主要的例子進(jìn)行分析可以看出。汽車門飾板的傳統(tǒng)厚度為2.5mm-3.0mm，使用的薄壁化技術(shù)之后可以將其降低到2.0mm甚至1.5mm，通過(guò)對(duì)材料配方進(jìn)行合理的調(diào)整，還能在保證材料密度不變的基礎(chǔ)上，將整車的質(zhì)量進(jìn)行一定的降低。傳統(tǒng)汽車保險(xiǎn)桿的厚度一般在3.0mm，使用薄壁化技術(shù)可以降低降低到2.5mm甚至2mm，節(jié)省原材料的40%。除此之外，不管是在何種汽車零件上使用薄壁化計(jì)劃，如果對(duì)材料成本進(jìn)行合理的利用，還會(huì)因?yàn)楸诤竦臏p少而出現(xiàn)材料質(zhì)量的減少，能夠?qū)ζ嚿a(chǎn)的成本進(jìn)行有效的降低。

3.2 成本周期縮短

注塑成型可以說(shuō)是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，它的成型周期主要由儲(chǔ)料時(shí)間、冷卻時(shí)間、開(kāi)合模時(shí)間以及頂出取件的時(shí)間共同組成的內(nèi)容，其中的冷卻時(shí)間在整個(gè)生產(chǎn)周期中都占據(jù)著非常大內(nèi)容，而且冷卻時(shí)間與壁厚有著非常密切的關(guān)系，可以通過(guò)減少產(chǎn)品壁厚的方式來(lái)對(duì)成型周期進(jìn)行有效的縮短。

3.3 降低產(chǎn)品的殘余應(yīng)力，降低翹曲問(wèn)題

傳統(tǒng)注塑成型，需要足夠的高壓以推動(dòng)塑料由主流道至最外圍區(qū)域，此高壓會(huì)造成高流動(dòng)剪應(yīng)力，殘存應(yīng)力則會(huì)造成產(chǎn)品變形?？梢越档妥⑺軌毫退俣?，增加了模具壽命。減少溫度損失，減少了產(chǎn)品翹曲變形。。防止射嘴溫度過(guò)高，燒焦材料或材料分解，降低了產(chǎn)品出現(xiàn)氣痕、局部、困氣、燒焦等表面問(wèn)題。

3.4 消除產(chǎn)品表面縮痕

縮短流長(zhǎng)，有助于熔融膠料的流動(dòng)，因熔融膠料于模具前后模表面接觸，表層冷卻較快，表層局部于模具表面，對(duì)熔融膠料產(chǎn)生流動(dòng)阻力，同時(shí)liujing表面氣輔解決和消除產(chǎn)品表面縮痕問(wèn)題，對(duì)于有加強(qiáng)筋位處，不能滿足正常注塑的縮痕比值時(shí)，仍能保證表面不縮水。

3.5 提升了注塑機(jī)的使用壽命

所需注射壓力和鎖模力小，可大幅度降低對(duì)注塑機(jī)的要求。

4 薄壁化技術(shù)在汽車零件中的應(yīng)用

4.1 對(duì)材料的要求

4.1.1 高流動(dòng)性

高流動(dòng)性的材料能夠?qū)Ξa(chǎn)品成型需求進(jìn)行有效的滿足的，目前市場(chǎng)上熔融指數(shù)已經(jīng)有了商業(yè)化的趨向，能夠?qū)α鲃?dòng)性問(wèn)題進(jìn)行有效的解決。

4.1.2 高韌性

壁厚的減薄在一定程度上也會(huì)讓產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度出現(xiàn)一定的降低，因此需要對(duì)薄壁材料進(jìn)行增韌處理。就目前市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)的多種增韌改性劑來(lái)說(shuō)，已經(jīng)可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行增韌處理。

4.1.3 高強(qiáng)度和高剛性

壁厚減薄在一定程度上也會(huì)給的零件的強(qiáng)度和剛性造成一定的影響，因?yàn)樾枰獙?duì)材料的強(qiáng)度和剛性進(jìn)行重視，進(jìn)行合理的材料選擇。一般來(lái)說(shuō)，需要對(duì)材料的屈服強(qiáng)度和彎曲模量進(jìn)行一定的彌補(bǔ)，最重要達(dá)到與傳統(tǒng)材料同樣的剛性要求。

4.2 零部件的性能要求

為了對(duì)汽車零部件的強(qiáng)度進(jìn)行有效的保證，需要對(duì)零部件的材料厚度進(jìn)行合理的控制，要均勻的增加重要部位的材料厚度，就拿保險(xiǎn)桿來(lái)說(shuō)，要對(duì)上下翻邊和鈑金的連接安裝點(diǎn)進(jìn)行重視，做成截面結(jié)構(gòu)的形式來(lái)對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行保證;另外，有些零部件材料具有比較高的流動(dòng)性，因此要保證外觀不能具有太多復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)的時(shí)候需要多加注意;總體來(lái)說(shuō)，在使用新型薄壁化材料的時(shí)候，一定要與汽車零部件的特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，要在滿足產(chǎn)品性能的前提下進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)。

4.3 薄壁化模具開(kāi)發(fā)要點(diǎn)

對(duì)于薄壁注塑成型技術(shù)來(lái)說(shuō)，模具設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)相比。薄壁制品模具有了很大的變化。

4.3.1 模具材料

制品主要需要參照薄壁方案來(lái)進(jìn)行，因此注塑的壓力會(huì)相應(yīng)的出現(xiàn)一定的增加，會(huì)對(duì)模具加工的精度和強(qiáng)度有一定的要求。因此在對(duì)模具材料進(jìn)行處理的時(shí)候，需要采用熱處理方式對(duì)材料的硬度進(jìn)行保證，通過(guò)這樣的方式來(lái)對(duì)薄壁高速注塑模具的壽命和精度進(jìn)行有效的保證。

4.3.2 模具結(jié)構(gòu)

為了更好地承受薄壁成型時(shí)的注塑壓力，需要選用的強(qiáng)度高和剛度大的模具。因此在對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要將模具的動(dòng)、定模板和其支撐板的厚度進(jìn)行合理的設(shè)置，一定要比常規(guī)模具要厚，支撐柱也數(shù)量也要多，通過(guò)這樣的方式來(lái)對(duì)定位的準(zhǔn)確性進(jìn)行保證。

4.3.3 澆注系統(tǒng)

當(dāng)成型薄壁塑件的厚度比較小的時(shí)候，要使用片狀澆口或增加熱流道進(jìn)膠點(diǎn)數(shù)。因?yàn)槔淞鞯涝黾舆M(jìn)膠點(diǎn)，只能增加更多的分流道，這樣一來(lái)熔融塑膠在流動(dòng)填充過(guò)程種壓力、溫度、速度都有一定損失。為了保證產(chǎn)品末端的填充效果，勢(shì)必要繼續(xù)增大注塑壓力。而壓力超過(guò)一定值時(shí)，對(duì)模具是有很大損傷的。想要對(duì)的填充型腔的壓力進(jìn)行保證，在流道系統(tǒng)中就需要做好減少壓降的處理，因此需要對(duì)流道界面設(shè)計(jì)的大小進(jìn)行重視，要確保注塑壓力保持在材料推薦的壓力范圍之內(nèi)。

4.3.4 冷卻系統(tǒng)

薄壁塑件比常規(guī)件更容易出現(xiàn)應(yīng)力翹曲的現(xiàn)象，想要對(duì)薄壁塑件的尺寸穩(wěn)定性進(jìn)行保證，就需要將翹曲控制在可以接受的范圍之內(nèi)，對(duì)模具的冷卻進(jìn)行強(qiáng)化，并且對(duì)其均衡性進(jìn)行保證。最理性的是用模流分析（moldflow），將模具設(shè)計(jì)好的水路一起導(dǎo)入，分析產(chǎn)品局部熱點(diǎn)或溫度不均衡處，便于進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是溫度趨于穩(wěn)定一致，產(chǎn)品變形最小同時(shí)生產(chǎn)周期也將縮短。

4.3.5 頂出系統(tǒng)

薄壁制品的壁和筋都比較薄，因此比較容易出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象，再加上高保壓壓力會(huì)讓收縮更小，會(huì)讓塑料件出現(xiàn)頂出困難的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)頂穿、頂白和頂變形的問(wèn)題，因此需要頂出系統(tǒng)進(jìn)行的布置盡可能的均勻或采用頂塊形式。

5 薄壁化技術(shù)在汽車行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益

以門板為例，目前，市場(chǎng)上塑料門板普遍重量在1.6～2.0Kg，壁厚為2.5mm，如果將壁厚減至1.5mm，相當(dāng)于重量減少了40%。如果每個(gè)注塑件車門本體按1.8kg算，減重40%就是0.72kg，按一車四門算就是2.88kg。

據(jù)中國(guó)汽車消費(fèi)網(wǎng)2020年01月15日數(shù)據(jù)公布，2019年全年汽車市場(chǎng)份額占比最高的15家車廠，年銷量近1600萬(wàn)輛。如果每輛車減少2.88Kg，共減輕約4608萬(wàn)Kg。目前市場(chǎng)上 PP改性料在12000元/噸左右。節(jié)省成本約5.53億元。如果將該技術(shù)在整車其它塑料件上推廣應(yīng)用，可以為國(guó)家和社會(huì)節(jié)省一筆非常大的費(fèi)用，為積極響應(yīng)國(guó)家打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”也提供了非常大的助力。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，在汽車設(shè)計(jì)能力和制造能力的不斷發(fā)展之下，薄壁化技術(shù)在汽車零部件制造上應(yīng)用也有了一定的進(jìn)步。這種輕量化技術(shù)不僅可以對(duì)汽車零部件的原有性能進(jìn)行保證，還能在減輕重量的同時(shí)降低能耗和成本，對(duì)提高汽車運(yùn)行效益具有重要意義。

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