基于Moldflow軟件的汽車高光件縮痕原因分析*

藺福志，王 亞，劉超逸

(嘉興信元精密模具科技有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，對汽車外飾件的品質(zhì)要求不斷提升，尤其對其高光件的品質(zhì)要求更加嚴(yán)格，然而高光件縮痕問題一直困擾著模具從業(yè)者。Moldflow軟件作為模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品問題解決的重要計(jì)算機(jī)輔助工具，本文作者對Moldflow在汽車高光件的應(yīng)用及縮痕問題解決標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了剖析和優(yōu)化，以解決縮痕引起的汽車外飾高光件的外觀缺陷問題。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 縮痕定義

縮痕是制品表面的局部塌陷，如圖1所示，呈酒窩或溝壑狀[1]。

(a) 溝壑狀縮痕

(b) 酒窩狀縮痕

1.2 縮痕產(chǎn)生原因

縮痕主要由制件冷卻期間的熱收縮造成[2]。在正常情況下塑料熔體以“噴泉流”的方式填充模具型腔，表層的熔體因接觸較冷的模壁形成固化層，而芯層處于熔融狀態(tài)，如圖2所示。外部材料冷卻并固化后，型芯材料才開始冷卻。如圖3所示，型芯材料的收縮將主壁表面拉向內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生縮痕。如果零件的外表層足夠堅(jiān)硬，便可以抵抗收縮力，從而避免縮痕產(chǎn)生。相反，材料型芯會收縮，在零件內(nèi)部產(chǎn)生縮孔。

圖2 塑料熔體的噴泉流

圖3 零件的外表縮痕和內(nèi)部縮孔示例

縮痕和縮孔的形成與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成型工藝和材料等方面都有很大關(guān)系。原因常常有如下幾點(diǎn)[3]。

1) 產(chǎn)品幾何特征?？s痕通常出現(xiàn)在含有較厚區(qū)域的成型物中，或出現(xiàn)在與加強(qiáng)筋、定位柱或內(nèi)圓角相對的位置；

2) 材料補(bǔ)償不足。澆口凍結(jié)過早或保壓壓力過低可能會使型腔無法正常保壓；

3) 保壓或冷卻時(shí)間過短；

4) 熔體、模具溫度過高；

5) 體積收縮率過高。

1.3 縮痕的危害

1) 外觀品質(zhì)不良，無法滿足消費(fèi)者對外觀品質(zhì)的需求；

2) 產(chǎn)品外觀不良率增加，造成原材料的浪費(fèi)，無法滿足低碳環(huán)保發(fā)展要求；

3) 產(chǎn)品強(qiáng)度降低，產(chǎn)品的縮痕或縮孔可能會帶來安全和質(zhì)量隱患。

2 常規(guī)解決措施

2.1 合理設(shè)計(jì)

2.1.1 避免壁厚過大且保證均勻性

制件的厚度越大，則冷卻時(shí)的收縮壓越大，如果保壓補(bǔ)縮不足，就會產(chǎn)生縮痕或縮孔。一般制件的最大壁厚不宜超過4 mm。通過合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)獲得均勻的壁厚(圖4)，既不影響制件的使用，也能避免縮痕和縮孔的產(chǎn)生[4]。

圖4 通過合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)獲得均勻的壁厚

2.1.2 加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

為了增加制件的強(qiáng)度，在制件設(shè)計(jì)中常采用加強(qiáng)筋。一般情況下，加強(qiáng)筋根部的厚度不宜超過壁厚的1/3(圖5)，否則容易在成品背部形成縮痕。

圖5 加強(qiáng)筋厚度小于主壁厚的1/3

2.1.3 特征設(shè)計(jì)

可以在縮痕位置設(shè)計(jì)一些特征，巧妙地將縮痕隱藏(圖6)。

圖6 通過增加特征隱藏縮痕

2.1.4 圓角設(shè)計(jì)

為了防止應(yīng)力集中，常在制件的直角處倒圓角[5]。倒圓角時(shí)，如果內(nèi)外圓角的尺寸不協(xié)調(diào)，容易在圓角過渡處形成壁厚不均，導(dǎo)致縮痕或縮孔，外圓角的半徑應(yīng)等于內(nèi)圓角半徑加上制件壁厚(圖7)。

圖7 內(nèi)外圓角的尺寸關(guān)系

2.2 材料填充

2.2.1 適當(dāng)加大澆口尺寸

澆口凍結(jié)過早或保壓壓力過低可能會使型腔無法正常保壓。Moldflow軟件的凍結(jié)層因子結(jié)果顯示： 色帶上的1代表完全凍結(jié)，0代表完全未凍結(jié)，0～1之間代表零件部分凍結(jié)。如果澆口尺寸設(shè)計(jì)過小，注塑過程完成時(shí)，澆口會優(yōu)先冷卻凍結(jié)，當(dāng)澆口已經(jīng)完全凍結(jié)，而型腔還未凍結(jié)，則保壓通道關(guān)閉，產(chǎn)品不能得到有效保壓(圖8)。在模具設(shè)計(jì)時(shí)加大澆口尺寸，延后澆口的冷卻凍結(jié)，保證了有效保壓通道。

圖8 澆口的過早凍結(jié)導(dǎo)致保壓通道阻斷

2.2.2 加大保壓壓力

型腔填充后，因?yàn)樗芰蠒^續(xù)冷卻，注塑機(jī)會繼續(xù)對塑料施壓，以便將更多材料推入模具中，這樣以可補(bǔ)償收縮。這一階段離不開壓力，在填充零件之前，從速度控制切換到壓力控制。在不出現(xiàn)過保壓的前提下，保壓壓力越高，體積收縮率越低。

圖9為Moldflow軟件“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果，此結(jié)果可用來檢測模型中的縮痕。高收縮率值可能表示零件中存在縮痕或縮孔。分別用45 MPa和65 MPa的保壓壓力進(jìn)行保壓驗(yàn)證。當(dāng)保壓壓力為45 MPa時(shí)，產(chǎn)品末端體積收縮率為4.3%；當(dāng)保壓壓力為65 MPa時(shí)，產(chǎn)品末端體積收縮率為3.3%。因此，加大保壓壓力能有效改善零件縮痕。

(a) 保壓壓力為45 MPa的體積收縮率

2.3 保壓或冷卻時(shí)間

保壓時(shí)間必須足夠長，以便在壓力釋放前凍結(jié)澆口。冷卻階段為不再向塑料施加任何壓力，零件會繼續(xù)冷卻和凍結(jié)，直到能夠頂出，并保持形狀。冷卻時(shí)間足夠長才能保證材料的固化成型，并減小出模后的二次收縮。因此在成形工藝上，選擇合適的保壓時(shí)間和保壓壓力組合，才能保證產(chǎn)品的有效保壓和對產(chǎn)品收縮的有效補(bǔ)給[5]。

2.4 熔體、模具溫度

2.4.1 適當(dāng)降低料溫和模溫

從塑料的PVT屬性(圖10)可以看出： 熔體壓力越高，單位質(zhì)量的塑料體積越小；熔體溫度越高，單位質(zhì)量的塑料體積越大。隨著溫度的升高，塑料膨脹越多，收縮也就越大，越容易產(chǎn)生縮痕。因此在成型工藝上，適當(dāng)降低料溫和模溫也是常用的改善產(chǎn)品縮痕問題的方法之一。

圖10 塑料的PVT屬性

2.4.2 優(yōu)化模具水路設(shè)計(jì)

合理的水路設(shè)計(jì)能使得型腔表面的模溫較均勻。必要時(shí)，在局部壁厚較大或者散熱不好的區(qū)域加強(qiáng)冷卻，避免模具局部熱點(diǎn)。如圖11所示，在筋對應(yīng)的模面加強(qiáng)冷卻，使得表面固化層較快形成。當(dāng)表面固化層較厚時(shí)，剛性較大，不容易產(chǎn)生縮痕。

(a) 傳統(tǒng)的冷卻回路

2.5 體積收縮率

制件的溫度從熔體溫度變化為環(huán)境溫度時(shí)，會產(chǎn)生聚合物收縮。體積收縮過大會造成零件翹曲、縮痕、關(guān)鍵尺寸過小和內(nèi)部縮孔等問題。壁厚過大和保壓不足都是造成零件體積收縮率高的原因。

本文作者根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，研究了體積收縮率的合理選擇。

3 基于Moldflow的縮痕解決方案研究

Moldflow作為模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品問題解決的重要計(jì)算機(jī)輔助工具，在各行業(yè)應(yīng)用的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一，因此有必要對Moldflow在汽車行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討。Moldflow軟件關(guān)于縮痕問題解決的常見結(jié)果有如下幾種。

3.1 縮痕估算

“縮痕估算”結(jié)果會顯示模擬的零件縮痕及其計(jì)算深度，并且顯示一個(gè)詳細(xì)說明深度差異的圖例。此結(jié)果表明可能存在由表面相對面的特征導(dǎo)致的縮痕(和縮孔)，并指出其位置[6]。

3.2 體積收縮率結(jié)果

“體積收縮率結(jié)果”以原始體積的百分比形式顯示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的體積收縮率。是指從保壓階段結(jié)束到零件冷卻至環(huán)境參考溫度(默認(rèn)值為25 ℃/77 ℉)時(shí)，局部密度的百分比增量。在型腔得到填充后，會根據(jù)當(dāng)前PVT狀態(tài)和參考狀態(tài)(壓力P為0，溫度T為指定的環(huán)境溫度)之間的差異開始計(jì)算體積收縮率。此結(jié)果可用來檢測模型中的縮痕。高體積收縮率可能表示零件中存在縮痕或縮孔。

Moldflow幫助文件中，關(guān)于體積收縮率檢查事項(xiàng)有如下幾點(diǎn)說明[6]。

1) 局部高收縮率區(qū)域可能在零件冷卻時(shí)導(dǎo)致內(nèi)部縮孔或縮痕；

2) 整個(gè)零件中的體積收縮率應(yīng)統(tǒng)一。這對材料的充分保壓很重要，能確保零件具有良好的結(jié)構(gòu)和視覺完整性。使用保壓曲線使收縮率更統(tǒng)一；

3) 負(fù)的體積收縮率值表示膨脹而非收縮。應(yīng)避免筋上存在負(fù)收縮率，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致頂出問題。

以下本文作者從汽車外飾件側(cè)圍裝飾板的實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證。

4 案例研究

4.1 側(cè)圍裝飾板總成蓋板縮痕案例

該案例產(chǎn)品為側(cè)圍裝飾板總成蓋板(圖12)，外觀要求為高光黑，材料為PMMA，牌號為ACRYPET IRK304， 38 g， 3 mm均勻壁厚，采用一出二熱流道針閥系統(tǒng)轉(zhuǎn)冷流道側(cè)進(jìn)膠。

圖12 側(cè)圍裝飾板總成蓋板基本信息

4.2 前期模流分析結(jié)果

主要從Moldflow的“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果和“縮痕估算”結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析[1]。

該案例“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果數(shù)值相對均勻。“縮痕估算”分析結(jié)果為0，未發(fā)現(xiàn)異樣(圖13)。

圖13 Moldflow分析的頂出時(shí)刻的體積收縮率和縮痕結(jié)果

4.3 T0試模情況

產(chǎn)品出現(xiàn)局部縮痕(圖14)，經(jīng)工藝調(diào)試無法消除。

圖14 產(chǎn)品出現(xiàn)局部縮痕

4.4 原因排查

從產(chǎn)品3D數(shù)字化模型可以發(fā)現(xiàn)： 為防止產(chǎn)品與母模黏連，模具前期設(shè)計(jì)在產(chǎn)品公模側(cè)加了8個(gè)長寬深為6.8 mm×1.0 mm×1.0 mm的筋位孔，和實(shí)物縮痕位置一致(圖15)。

圖15 產(chǎn)品3D數(shù)模上的筋位孔

4.5 重新導(dǎo)入Moldflow驗(yàn)證

重新導(dǎo)入Moldflow驗(yàn)證的“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果，如圖16所示，鄰邊差值率大于2%，說明收縮不均，會導(dǎo)致收縮時(shí)拉扯并產(chǎn)生應(yīng)力，出現(xiàn)縮痕。

圖16 Moldflow的“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果

重新導(dǎo)入Moldflow驗(yàn)證的“縮痕估算”結(jié)果，如圖17所示，縮痕估算顯示縮痕深度為0(無縮痕)，但實(shí)際產(chǎn)品是有縮痕的。

圖17 重新導(dǎo)入Moldflow得到的“縮痕估算”結(jié)果

4.6 修改筋位

從減小產(chǎn)品局部的收縮差異壓出發(fā)，將8個(gè)筋位孔的尺寸改為6.8 mm×0.6 mm×0.7 mm，以通過減小壁厚差，來減少體積收縮差異。修改后的產(chǎn)品數(shù)模如圖18所示。

圖18 筋位孔做小做淺后的產(chǎn)品3D數(shù)模

4.7 再次驗(yàn)證

將修改后的產(chǎn)品數(shù)模再次導(dǎo)入Moldflow軟件進(jìn)行驗(yàn)證“頂出時(shí)刻的體積收縮率”，結(jié)果如圖19所示，鄰邊差值小于2%。

圖19 Moldflow的“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果

將修改后的產(chǎn)品數(shù)模再次導(dǎo)入Moldflow軟件進(jìn)行驗(yàn)證“縮痕估算”，結(jié)果如圖20所示，縮痕深度依然為0(無縮痕)。

圖20 改模后再次驗(yàn)證的Moldflow“縮痕估算”結(jié)果

4.8 T1試模驗(yàn)證

經(jīng)T1試模驗(yàn)證，縮痕成功解決，外觀達(dá)到品質(zhì)要求，如圖21所示。

圖21 T1試模產(chǎn)品外觀無縮痕

5 結(jié)語

本文作者以汽車外飾件三角蓋板PMMA高光注塑為例，通過Moldflow軟件和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，解決了縮痕缺陷問題，針對基于Moldflow的分析注意事項(xiàng)，有如下建議[8]：

1) 可以主要從Moldflow軟件的“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果和“縮痕估算”結(jié)果進(jìn)行分析預(yù)測；

2) 局部高收縮率區(qū)域可能在零件冷卻時(shí)產(chǎn)生內(nèi)部縮孔或縮痕。整個(gè)零件中的體積收縮率應(yīng)統(tǒng)一。這對材料的充分保壓很重要，能確保零件具有良好的結(jié)構(gòu)和視覺完整性?？梢允褂帽呵€使收縮率更統(tǒng)一。負(fù)的體積收縮率值表示膨脹而非收縮。應(yīng)避免筋上存在負(fù)收縮率，因?yàn)檫@可能導(dǎo)致頂出問題。體積收縮率并不是越大越好，也不是越小越好，在不出現(xiàn)脹模的前提下，體積收縮率保持均勻，建議鄰邊(一般約20 mm間距內(nèi))體積收縮率差值小于2%為最佳；

(3) “縮痕估算”結(jié)果能顯示零件中縮痕的計(jì)算深度，表明可能存在由表面相對面的特征導(dǎo)致的縮痕(和縮孔)，并指出其位置。縮痕通常出現(xiàn)在包含較厚部分的成形物中，或者出現(xiàn)在與加強(qiáng)筋、定位柱或內(nèi)圓角相對的位置。此結(jié)果不會顯示由局部厚區(qū)域?qū)е碌目s痕。這點(diǎn)尤為重要，因此，當(dāng)縮痕估算顯示為0，并不能代表產(chǎn)品沒有縮痕，建議將“頂出時(shí)刻的體積收縮率”結(jié)果和“縮痕估算”結(jié)果結(jié)合起來進(jìn)行縮痕預(yù)測更為科學(xué)合理。