化學(xué)微發(fā)泡成型外觀表面技術(shù)研究

徐以國(guó)，裘洲通，向良明，延偉華

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

由于微發(fā)泡材料與未發(fā)泡材料相比具有更高的比強(qiáng)度、比韌性、抗沖擊性、尺寸穩(wěn)定性、更長(zhǎng)的耐疲勞使用壽命及更低的原料使用量，化學(xué)微發(fā)泡工藝在降低制造成本及減輕質(zhì)量等方面的應(yīng)用越來越得到重視。雖然注射發(fā)泡有減輕質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，但是采用該工藝生產(chǎn)的制品存在大量的銀紋帶、旋渦紋、流痕等缺陷[1,2]，成型的外觀件大部分需要通過噴漆等二次處理覆蓋制品表面的缺陷和瑕疵，限制了其發(fā)展和應(yīng)用。目前常用的注射微發(fā)泡方法一般為物理發(fā)泡[3-7]，熔體在進(jìn)入型腔之前已經(jīng)和氣體混合，注射時(shí)氣體容易流入成型的制品表面形成缺陷，表面存在缺陷的制品一般不能做外觀件，在此前提下研究化學(xué)微發(fā)泡技術(shù)在免噴涂注射成型過程中的應(yīng)用。

1 化學(xué)微發(fā)泡工藝簡(jiǎn)介

化學(xué)微發(fā)泡是指在塑料基體中添加一定量的化學(xué)發(fā)泡劑，經(jīng)過均勻混合，當(dāng)熔體溫度升高到發(fā)泡劑的分解溫度后，發(fā)泡劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并快速分解產(chǎn)生大量的氣體，從而在聚合物內(nèi)部形成泡孔結(jié)構(gòu)。注射發(fā)泡成型工藝包括塑化形成聚合物—?dú)怏w均相體系、泡孔成核、泡孔長(zhǎng)大以及固化定型4個(gè)階段[8]，如圖1所示。

充模過程中泡孔的變形和破裂是引起發(fā)泡表面缺陷的主要因素，如何抑制泡孔在充模過程中變形和破裂，或使困在熔體表面和型腔之間的氣體重新融入基體是解決問題的關(guān)鍵，許多學(xué)者在這2 個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究工作，提出了很多改善表面質(zhì)量的方法，如氣體反壓技術(shù)、抽真空技術(shù)、充模前模具升溫等方法控制氣體不提前發(fā)泡[9]。

現(xiàn)有學(xué)者提供的方法尚存在一定的局限性，不能完全解決成型制品的外觀問題，現(xiàn)采用柔性后退（core-back）的模具進(jìn)行化學(xué)發(fā)泡成型。模具柔性后退一定的距離，留有足夠的發(fā)泡空間進(jìn)行發(fā)泡。填充階段不發(fā)泡以保證成型制品的外觀，并通過后續(xù)的模具后退動(dòng)作進(jìn)行發(fā)泡，此時(shí)的氣泡不會(huì)沖破填充階段形成的冷凝層到制品的外觀面形成缺陷，使免噴涂無(wú)外觀缺陷的制品成型成為可能，其中coreback 模具是保證成型的核心技術(shù)，基于其core-back功能，可以定義合理的初始壁厚及制品最終成型壁厚是實(shí)現(xiàn)外觀級(jí)化學(xué)發(fā)泡應(yīng)用的關(guān)鍵?；赾oreback 模具進(jìn)行了后退距離研究，從制品設(shè)計(jì)及模具分型面處理等方面進(jìn)行研究，解決了氣泡邊界鼓出、溫差線等外觀缺陷問題。

2 柔性后退模具開發(fā)

2.1 發(fā)泡成型模具動(dòng)作過程

柔性后退模具的成型過程如圖2 所示，步驟1：模具合模，此時(shí)型芯與型腔之間的距離為T1；步驟2：注射一部分熔體；步驟3：動(dòng)模在注塑機(jī)滑塊帶動(dòng)下后退L，釋放一定的空間進(jìn)行發(fā)泡；步驟4：進(jìn)行冷卻定型；步驟5：開模取出制品，最終成型制品的厚度T2為T1+L。其中成型制品原始厚度為T1，最終厚度為T2，T1到T2過程質(zhì)量沒發(fā)生變化，厚度的變化是氣泡填充的結(jié)果，相對(duì)于壁厚為T2的普通注塑零件，化學(xué)發(fā)泡的制品由于中間布滿氣孔，如圖3 所示，可以減輕質(zhì)量。

圖2 化學(xué)發(fā)泡流程

圖3 化學(xué)發(fā)泡前后制品截面

2.2 發(fā)泡模具結(jié)構(gòu)及core-back動(dòng)作

區(qū)別于常規(guī)的注射模，適用于化學(xué)發(fā)泡工藝的core-back 模具在注射過程中需要實(shí)現(xiàn)后退一定距離后進(jìn)行發(fā)泡。模具結(jié)構(gòu)如圖4 所示，動(dòng)作過程：合模初始狀態(tài)下，型腔板1、彈頂結(jié)構(gòu)2、型芯鑲件3、型芯4 閉合，注射成型的制品初始壁厚為T1；當(dāng)初始壁厚為T1的制品成型后型芯鑲件3 和型芯4 在注塑機(jī)滑塊帶動(dòng)下后退L，此時(shí)成型的制品在發(fā)泡劑作用下開始發(fā)泡，為了保證發(fā)泡作用下的膠料不突破分型面，造成表面鼓泡缺陷，此時(shí)彈頂結(jié)構(gòu)2在彈簧的作用下和型腔板1 連接。圖5 所示為分型面前后對(duì)比，原成型制品輪廓為A，發(fā)泡完成后得到的制品輪廓為B，A 為制品的工藝數(shù)據(jù)，B 為最終制品數(shù)據(jù)，整個(gè)發(fā)泡過程中彈頂結(jié)構(gòu)2 一直和型腔板1 結(jié)合，不隨型芯鑲件3 及型芯4 一起后退，保證發(fā)泡沖出的熔料不會(huì)流入制品表面形成缺陷。發(fā)泡完成后件2、3、4在注塑機(jī)滑塊的作用下克服彈簧的彈力一起后退，與型腔板1分開，再進(jìn)行開模取件。

圖4 模具結(jié)構(gòu)

圖5 前后分型面處理

2.3 模具分型面階差處理

由于微發(fā)泡特殊的后退過程，分型面處發(fā)泡沖破邊界造成邊界不平而影響成型制品外觀表面，如圖6 所示，需要在分型面處設(shè)置1 個(gè)階差，提出了3個(gè)階差設(shè)計(jì)方案，如圖7 所示,在同一成型制品中取不同的3 處進(jìn)行開模驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：1 mm 厚的階差獲得的制品外觀較好，并將其定為設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖6 發(fā)泡沖破邊界的影響

3 Core-back初始及最終制品開發(fā)

（1）初始壁厚定義。制品的初始壁厚設(shè)計(jì)既要減輕質(zhì)量，又要滿足制品外觀、剛度、強(qiáng)度等要求，根據(jù)減輕質(zhì)量的目標(biāo)要求，制品初始壁厚為1.6～2.2 mm。初始分析選擇1.6、1.7、1.8 mm的3個(gè)厚度進(jìn)行試驗(yàn)，在模具側(cè)設(shè)置可變厚度結(jié)構(gòu)，實(shí)例驗(yàn)證，綜合外觀及減輕質(zhì)量評(píng)估后鎖定1.8 mm 為最佳初始厚度。

（2）core-back 距離定義。制品初始壁厚假設(shè)1.8 mm 以下，在保證良好外觀的前提下，借助經(jīng)驗(yàn)得知后退之后的制品厚度不能大于初始厚度的1.5倍，core-back 距離過大會(huì)導(dǎo)致壓力下降過快而使氣泡在長(zhǎng)大階段無(wú)約束地膨脹合并破裂，制品表面產(chǎn)生氣泡外浮等無(wú)法解決的缺陷。初始提出1、1.2、1.4 mm距離作為3個(gè)方案，通過軟模打樣，根據(jù)樣件外觀評(píng)估最終確定1 mm 的core-back 距離作為執(zhí)行方案。

（3）壁厚開發(fā)。結(jié)合初始壁厚及core-back 距離后最終制品的壁厚需求，根據(jù)門板安裝及位置功能與試驗(yàn)要求，此2處采用加強(qiáng)處理，其余大面結(jié)構(gòu)壁厚采用1.8 mm，考慮外觀溫差線對(duì)于壁厚的要求，提出3 種初始方案如圖8 所示，提交CAE 分析驗(yàn)證和開模樣件評(píng)估，確定大過渡區(qū)域的方案2 為最終方案，獲得完整的壁厚分部。

圖7 階差設(shè)計(jì)方案

圖8 3種壁厚方案

4 結(jié)束語(yǔ)

通過研究外觀免噴涂的化學(xué)發(fā)泡注射成型技術(shù)，總結(jié)適用于化學(xué)發(fā)泡技術(shù)的core-back 模具及制品開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，解決了化學(xué)發(fā)泡在開發(fā)過程中的開發(fā)難點(diǎn)，如流痕、光澤差異及發(fā)泡不良等，最終減輕質(zhì)量20%以上。