外觀件注塑缺陷設(shè)計(jì)校核

劉永星，方鈺

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽合肥 230601

0 引言

隨著汽車工業(yè)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，消費(fèi)者對汽車內(nèi)外飾件的精致化關(guān)注程度越來越高。作為影響汽車內(nèi)外觀品質(zhì)的最重要因素之一，汽車塑料件表面缺陷的規(guī)避已成為各汽車廠家努力改進(jìn)的重要方向。塑料外觀件定義除了關(guān)注美學(xué)、觸感以及安全性，也應(yīng)考慮能否改善或削弱產(chǎn)品外觀類的缺陷，以便達(dá)到產(chǎn)品外觀品質(zhì)感的最佳狀態(tài)。

1 塑料件注塑缺陷簡介

裝飾件感官品質(zhì)一般體現(xiàn)在視覺品質(zhì)、觸覺品質(zhì)等方面，塑料制品由于材質(zhì)不同，成型模具表面的排列、組織、構(gòu)造不同，因而產(chǎn)生粗糙、光滑、軟硬感等表現(xiàn)不同外觀品質(zhì)。典型的品質(zhì)訴求主要有外觀顏色光澤及紋理的均勻一致性，外觀是否有明顯可見的缺陷。

塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與外觀的品質(zhì)、可靠度及成型難易息息相關(guān)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對零件表面品質(zhì)影響較大，需要在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行有效的校核。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，比較容易出現(xiàn)的外觀缺陷主要有：縮痕、熔接痕、毛刺、劃傷和變形等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，對于外觀缺陷的檢查和設(shè)計(jì)規(guī)避是貫穿于設(shè)計(jì)全過程的重要工作，尤其是針對整車狀態(tài)下直視正常視野范圍內(nèi)的部件。

2 塑料件外觀缺陷成因分析

2.1 縮痕

由于塑料注塑成型時(shí)產(chǎn)品的收縮與其材料的結(jié)晶和熱脹冷縮相關(guān)，而溫度又是直接影響這兩個(gè)因素的參數(shù)，因此溫度變化對塑料注塑成型縮痕有著很大程度的影響。 判斷產(chǎn)品表面是否會出現(xiàn)縮痕缺陷，重點(diǎn)是檢查確認(rèn)產(chǎn)品在注塑結(jié)晶過程中是否形成溫差過高區(qū)域，保證產(chǎn)品均勻冷卻。

材料?？s率大小對縮痕會產(chǎn)生直接影響，一般應(yīng)選用?？s率較小材料，通過添加填充料可以改變材料結(jié)晶度，從而改變材料收縮率。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)對外觀縮痕有直接影響，料厚均勻是冷卻均勻的保障，在不同區(qū)域?qū)τ诹虾裢蛔兊目刂?，是產(chǎn)品防縮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。大型平面區(qū)域應(yīng)盡量避免有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，拐角區(qū)域料厚過渡尺寸需要嚴(yán)格控制，同時(shí)外圓角對端部的縮痕有直接影響。對于皮紋件，表面皮紋越深，縮痕的遮蓋性也會有所提升。冷卻均勻性和溫差變化率是產(chǎn)品外觀縮痕出現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把模流分析對溫差的判斷應(yīng)用在模具冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去，并通過冷卻系統(tǒng)優(yōu)化控制產(chǎn)品縮痕。

2.2 熔接痕

由于塑料注塑成型時(shí)熔體前端不可避免因溫度降低引起表面結(jié)晶存在，在兩股料流出現(xiàn)匯合必然出現(xiàn)熔接缺陷。材料流動性(熔體流動速率)大小對熔接痕有直接影響，一般應(yīng)選用熔指較大的材料來改善產(chǎn)品熔接痕問題。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如果出現(xiàn)外觀孔洞和凹凸特征情況時(shí)，容易引起熔體分流而產(chǎn)生熔接痕，應(yīng)盡量避免這種結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品進(jìn)膠口設(shè)計(jì)對熔接痕產(chǎn)生起到?jīng)Q定性作用，在產(chǎn)品模流分析中，應(yīng)把澆口位置、冷卻分布和熔體前沿溫度同步考察，才能最終確認(rèn)熔接痕影響，進(jìn)膠口導(dǎo)流槽對熔接痕有一定改善，對于多澆口外觀部件熱流道順序閥是必需的。根據(jù)熔體前沿溫度可以設(shè)計(jì)溢料包改善熔接痕，但無法消除。

2.3 虎皮紋

虎皮紋是免噴涂部件比較常見的一類產(chǎn)品缺陷。材料流動性(熔體流動速率)大小對虎皮紋有直接影響，一般應(yīng)選用熔指較大的材料來改善產(chǎn)品虎皮紋問題;模具表面粗糙度對虎皮紋有一定影響;模具溫度和注塑熔體溫度對虎皮紋有直接影響，增加模溫和提高料溫可以改善和消除虎皮紋。

2.4 分模線飛邊

由于注塑模具動模與定模之間或局部模具結(jié)構(gòu)與本體之間存在匹配縫隙，此縫隙受到加工精度及塑料注塑成型時(shí)材料流動性和注塑壓力溫度等影響，會出現(xiàn)邊界毛刺飛邊問題。材料流動性(熔體流動速率)大小對飛邊有著直接的影響，一般熔指較大的材料，越容易產(chǎn)生飛邊問題。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，尤其是外露的分型線，除保險(xiǎn)杠兩側(cè)和上部因可以通過局部強(qiáng)制變形來隱藏分型線，其他無法變形部件只能把分型線放在外部。分型線應(yīng)盡量設(shè)計(jì)過渡均勻，避免局部跳變;外露分型線應(yīng)避免設(shè)計(jì)臺階，易出現(xiàn)刮手問題;模具配模精度對飛邊有決定性影響;模具研配精度應(yīng)通過藍(lán)丹或更高精度保障;同時(shí)模具設(shè)計(jì)時(shí)封膠面尺寸也是直接影響飛邊的因素，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。后期注塑壓力和保壓對飛邊產(chǎn)生也有不利影響。

2.5 劃傷

在開模過程中，如產(chǎn)品變形或模具動作不到位，引起產(chǎn)品與模具產(chǎn)生干涉，會出現(xiàn)局部拉傷問題。材料模縮率大小對劃傷會產(chǎn)生直接影響，一般應(yīng)選用?？s率較小材料。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)產(chǎn)品不可避免出現(xiàn)口型結(jié)構(gòu)，尤其在格柵區(qū)域，應(yīng)盡量避免使用較深的皮紋。網(wǎng)格越小，皮紋深度應(yīng)越淺，同時(shí)應(yīng)盡量加大拔模角度。模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提前進(jìn)行模具運(yùn)動側(cè)與產(chǎn)品脫離時(shí)的變形分析，同時(shí)在進(jìn)行皮紋腐蝕時(shí)，對于材料收縮率較大或產(chǎn)品皮紋較深的部位應(yīng)適當(dāng)減少皮紋深度。

2.6 變形

變形包括平面上的局部頂印和邊界翹曲變形。頂印是皮紋件在有內(nèi)部頂出結(jié)構(gòu)時(shí)，表面比較容易出現(xiàn)的一種缺陷;翹曲變形主要由于塑料注塑成型后因產(chǎn)品局部冷卻不均勻或凝固時(shí)間不一致導(dǎo)致的。

材料?？s率大小對變形會產(chǎn)生直接影響，一般應(yīng)選用?？s率較小材料。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)產(chǎn)品不可避免出現(xiàn)包裹模具結(jié)構(gòu)，包裹區(qū)域深度越深、拔模角越小，頂出力越大、越容易出現(xiàn)頂印，應(yīng)盡量加大拔模角度。料厚均勻性越好，變形越少，邊界長度與自由度越大，變形越大。模具設(shè)計(jì)時(shí)，頂出機(jī)構(gòu)盡量避免設(shè)置在平面上，平面頂出受力不均勻，易出現(xiàn)邊界頂印，頂塊應(yīng)盡可能設(shè)置在有特征結(jié)構(gòu)區(qū)域，特征可以掩蓋頂印引起的不平順現(xiàn)象。對于保險(xiǎn)杠皮紋件應(yīng)避免采用內(nèi)分型結(jié)構(gòu)，在拉變形過程中頂印不可避免，而且隨著生產(chǎn)次數(shù)增長而越來越明顯。設(shè)計(jì)牢模結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮頂出便利，避免產(chǎn)生額外較大的頂出阻力。

3 塑料件缺陷設(shè)計(jì)分析

3.1 CAS檢查分析

根據(jù)造型外觀定義，確定所使用材料。因材料收縮率和結(jié)晶度對產(chǎn)品外觀缺陷影響較大，在成本可控的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮材料收縮率較小的材料，這對產(chǎn)品外觀尤其是縮痕和變形問題有較大影響。對于尺寸較大的部件，如保險(xiǎn)杠本體等，使用低收縮材料，一方面可以改善縮痕出現(xiàn)，另一方面對尺寸控制也有一定幫助。

在CAS校核階段，外觀問題應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注表面縮痕和翹曲變形，應(yīng)根據(jù)相關(guān)檢查表和設(shè)計(jì)要求對每個(gè)特征位置都進(jìn)行校核分析。型面夾角與外觀圓角的關(guān)系，是檢查是否存在縮痕的最關(guān)鍵的途徑。當(dāng)外觀造型圓角不小于產(chǎn)品壁厚時(shí)，縮痕風(fēng)險(xiǎn)較小，可通過減膠方式規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，但夾角較小處型面需同步考慮模具的強(qiáng)度及壽命。當(dāng)外觀圓角減小時(shí)，對應(yīng)料厚需要調(diào)整，通過單邊或雙邊減膠來避免尖角縮痕問題。

對于翹曲變形問題，應(yīng)重點(diǎn)檢查自由邊界區(qū)域翻邊尺寸，如果存在長度較大的翻邊，應(yīng)在翻邊末端設(shè)計(jì)加強(qiáng)翻邊或網(wǎng)格加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以保證邊界的強(qiáng)度，如保險(xiǎn)杠下翻邊等區(qū)域。若無法增加加強(qiáng)翻邊，應(yīng)盡量減小翻邊懸臂長度或做加強(qiáng)豎筋，如格柵橫條豎筋，并且豎筋間距應(yīng)滿足一定要求。

3.2 NC數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)分析

由于塑料在模腔中的不均勻冷卻和不均勻收縮以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理，容易引起產(chǎn)品的各種缺陷，如縮痕、熔接痕、飛邊、劃傷、變形、氣孔等。設(shè)計(jì)注塑產(chǎn)品時(shí)必須綜合考慮產(chǎn)品外觀、性能和工藝之間的矛盾。為得到高質(zhì)量的注塑產(chǎn)品，必須在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)充分考慮其結(jié)構(gòu)工藝性，下面結(jié)合注塑產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析避免注塑缺陷的一些方法。

3.2.1 料厚設(shè)計(jì)

各種塑料均有一定的壁厚范圍，一般為0.5～4 mm，當(dāng)壁厚超過4 mm時(shí)，將引起冷卻時(shí)間過長，產(chǎn)生縮印等問題，應(yīng)考慮改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。通常產(chǎn)品必須具有均勻的壁厚，壁厚突變不均會引起表面縮痕、變形和熔接痕等缺陷。對于外觀品質(zhì)要求較高的產(chǎn)品，內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往容易引起表面縮痕，因此應(yīng)避免平面上直接起內(nèi)部豎筋結(jié)構(gòu)。若必須用筋時(shí)，則應(yīng)盡量讓縮痕出現(xiàn)在不顯眼處，如拐角或棱角等處。一般的原則就是能夠利用最少的壁厚，完成最終產(chǎn)品所需具備的功能。

3.2.2 L型夾角和角設(shè)計(jì)

為了使產(chǎn)品能夠輕易地從模具內(nèi)頂出，外表面必須設(shè)計(jì)成一定的斜度。通常對于噴涂件，斜度應(yīng)不小于3°；對于高光件，斜度應(yīng)不小于5°，最優(yōu)為7°；對于皮紋件，應(yīng)根據(jù)皮紋深度選擇，一般細(xì)皮紋斜度應(yīng)不小于5°。為了增加邊角的強(qiáng)度及增進(jìn)充模的能力，角必須在壁厚的25%～75%，通常為50%。

為了追求整車造型精致美觀，外飾部件分縫及圓角越來越小，隨之而來的是一些注塑件外觀縮痕缺陷，需要考慮外飾件防縮痕設(shè)計(jì)，圓角與夾角及料厚的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 圓角R與夾角α及料厚t的關(guān)系

造型夾角與圓角設(shè)計(jì)基本原則：圓角料厚相對基本料厚差值為，即=-；對于噴漆件皮紋件，≤0.3 mm；當(dāng)料厚必須進(jìn)行漸變過渡時(shí)，過渡范圍應(yīng)盡量大(1/100)并過渡光順，或者把過渡邊界設(shè)計(jì)在邊界、拐角等特征上。

3.2.3 開模方向和分型線設(shè)計(jì)

每個(gè)注塑產(chǎn)品在開始設(shè)計(jì)時(shí)首先要確定其開模方向和分型線，以保證盡可能減少抽芯機(jī)構(gòu)和消除分型線對外觀的影響。開模方向確定后，產(chǎn)品的加強(qiáng)筋、卡扣、凸起等結(jié)構(gòu)盡可能設(shè)計(jì)成與開模方向一致，以避免抽芯減少拼縫線，規(guī)避外觀缺陷。為了使產(chǎn)品分型線避免飛邊等問題產(chǎn)生，分型線應(yīng)盡量設(shè)計(jì)過渡均勻，避免局部跳變。

3.2.4 孔洞設(shè)計(jì)

由于塑料流動常會在孔洞旁形成熔接線，一般可以將其先做成凹痕或小凹洞，成形后再進(jìn)行沖孔或鉆孔，這樣可防止熔接線產(chǎn)生，并改善局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3.3 模具及工藝分析

3.3.1 模流分析

在開模前應(yīng)通過模流分析對澆口位置、熔接痕、縮痕、翹曲等影響尺寸和外觀質(zhì)量的因素進(jìn)行校核和修正，使其對尺寸和外觀所造成的影響減至最低。模流分析可以更好地降低模具的后續(xù)修改和調(diào)整難度，降低模具開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約成本并提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕熔接線和縮痕、減小壓力和溫度分布不均而引起的翹曲變形等。應(yīng)包括流動分析、冷卻分析、翹曲變形分析。重點(diǎn)排查縮痕指數(shù)/縮痕深度、氣穴、 熔接線等。通過對多種澆口方案、多種冷卻水路布置方案、局部壁厚調(diào)整進(jìn)行對比分析，盡量將熔接線、縮痕等外觀缺陷及翹曲變形控制在最優(yōu)狀態(tài)。

3.3.2 澆口布置及熱流道順序閥

應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品模流分析，設(shè)計(jì)澆口布置位置。澆口殘留的澆口痕通常不可避免，所以盡量讓其位于較不明顯之處。澆口應(yīng)設(shè)在料厚較厚部位以保證充填完整并能避免凹陷及包氣的產(chǎn)生。一般把澆口設(shè)計(jì)在能使熔體流動到模穴各部位的長度相當(dāng)。對于多澆口模具使用順序閥是解決熔接線問題的有效措施。

3.3.3 冷卻溫控系統(tǒng)

冷卻模具的目的是為了使剛成形的塑料件能夠迅速冷卻固化硬化，便于出模。冷卻的方法是在模壁內(nèi)設(shè)計(jì)冷卻水路以進(jìn)行熱交換，冷卻液一般有水、冰水、水加抗凍劑及油類等。對于一些有尺寸限制的制品，由于直接開冷卻道，有時(shí)并不能完全達(dá)到冷卻的作用，需要一些特制裝置進(jìn)行冷卻，可以使用冷卻水井等特殊結(jié)構(gòu)。一般而言，一個(gè)好的冷卻設(shè)計(jì)是不讓冷卻液溫度上升超過5 ℃。而獲得均勻冷卻溫度對產(chǎn)品外觀缺陷的改善有非常大的幫助。

在模具試生產(chǎn)制造的過程中，通過注塑壓力和保壓時(shí)間的調(diào)整及模具溫度和材料溫度的調(diào)整，也可以改善產(chǎn)品外觀的缺陷，但每種缺陷的影響因素并非完全一致，需要在實(shí)際的操作中進(jìn)行有針對性的調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)的產(chǎn)品狀態(tài)。

4 結(jié)論

外觀件感官品質(zhì)要求的識別和確認(rèn)應(yīng)貫穿于設(shè)計(jì)全過程，并通過設(shè)計(jì)檢查確認(rèn)融入具體工作中去，才能有效地提升感官品質(zhì)要求。設(shè)計(jì)外觀皮紋件時(shí)必須綜合考慮產(chǎn)品外觀、性能和工藝之間的關(guān)聯(lián)與矛盾。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)在無法避免注塑缺陷時(shí)，應(yīng)盡可能讓缺陷發(fā)生在產(chǎn)品的隱蔽部位。

不同階段設(shè)計(jì)校核的重點(diǎn)有所不同，CAS檢查階段主要針對外觀圓角及特征面夾角等引起的縮痕、變形問題；NC數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)考察料厚均勻性、L結(jié)構(gòu)夾角和圓角關(guān)系、分模線設(shè)計(jì)等引起縮痕、變形問題；模具及工藝階段則對模流分析、澆口設(shè)計(jì)和熱流道順序閥、分模線設(shè)計(jì)等引起縮痕、變形、熔接痕、飛邊問題需要一一確認(rèn)?？傊瑧?yīng)盡可能量化注塑缺陷的影響因素，從而有針對性的提升外觀品質(zhì)問題的分析解決能力，在外觀定義與工程實(shí)現(xiàn)間建立良好的互動，最終提高客戶滿意度。