限位器包塑開裂失效分析與工藝優(yōu)化

摘要： 為解決某車型車門限位器在開關(guān)門耐久試驗(yàn)中的開裂問題，借助偏振光顯微鏡和模流分析對(duì)零件進(jìn)行缺陷分析并制定工藝優(yōu)化措施。結(jié)果表明：延長鋼芯拋丸時(shí)間可有效去除表面毛刺，減少銳邊周圍注塑后的微缺陷與應(yīng)力集中；延長限位臂水煮時(shí)間可提升包塑吸水率，從而提高缺口沖擊強(qiáng)度與破壞應(yīng)力；在模具中增設(shè)排氣鑲塊可增加分模線減少包塑內(nèi)部氣穴；調(diào)整限位臂注膠孔可使包塑材料流動(dòng)不均勻位置轉(zhuǎn)移至低應(yīng)力區(qū)，降低失效風(fēng)險(xiǎn)。最終通過開關(guān)門耐久試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝優(yōu)化后零件的可靠性，解決了限位器包塑開裂失效問題。

關(guān)鍵詞：限位器 開關(guān)門耐久試驗(yàn) 偏振光顯微鏡 模流分析 包塑開裂

中圖分類號(hào)：U467.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240305

Failure Analysis and Process Optimization of Plastic Cladding Cracking of Door Arrester

Zheng Bo， Guo Wenhao， Zhu Xiaoyi

（SAIC Volkswagen Automotive Co.， Ltd.， Shanghai 201805）

Abstract： In order to address cracking failure of door arrester of a vehicle in door slamming durability test， polarized microscope and mold flow analysis are used to analyze defects in parts and develop process optimization measures. The results show that extending the shot blasting time of steel core can effectively remove surface burrs and reduce microdefect and stress concentration around sharp boundary after injection molding. Extending boiling time can improve water absorption of plastic cladding， thereby enhancing the notch impact strength and failure stress. Adding exhaust insert in the tooling can improve parting line and reduce air pockets inside the plastic cladding. Adjust injection hole of check link arm to transfer the uneven flow of material to low stress zone， reducing failure risk. Finally， the reliability of optimized parts is verified via door slamming durability test， which solves plastic cladding cracking failure.

Key words： Door arrester， Door slamming durability test， Polarized microscope， Mold flow analysis， Plastic cladding cracking

1 前言

汽車車門限位器是保持車門開關(guān)位置的重要零件，在車門反復(fù)開閉過程中，由于受到周期性外部載荷的沖擊，限位臂包塑易發(fā)生開裂失效，極大影響使用體驗(yàn)[1-2]。為確保交付車輛的限位器滿足使用壽命要求，在正式投產(chǎn)前需經(jīng)歷一系列整車系統(tǒng)或零部件子系統(tǒng)強(qiáng)度試驗(yàn)，開關(guān)門耐久試驗(yàn)是其中最重要的一項(xiàng)[3]。

限位器主要由防塵罩、包塑、鋼芯、彈簧、滑塊、殼體、緩沖塊、銷釘與支架組成。車門開關(guān)過程中，限位臂包塑主要受到兩方面的載荷：滑塊與包塑表面的摩擦力和銷釘與包塑孔內(nèi)部接觸面的拉壓應(yīng)力。包塑開裂問題輕則產(chǎn)生操作異響，重則導(dǎo)致周邊零件異常損壞，直接影響車門的開關(guān)功能。本文針對(duì)某車型出現(xiàn)的前門限位器包塑開裂問題，借助偏振光顯微鏡確認(rèn)開裂樣片的應(yīng)力集中區(qū)域，分析開裂原因并提出工藝優(yōu)化措施。最終通過延長鋼芯拋丸時(shí)間、限位臂水煮時(shí)間與模具調(diào)整解決了包塑開裂問題。

2 試驗(yàn)方法與問題描述

2.1 試驗(yàn)方法

為確保車輛使用壽命周期內(nèi)無開關(guān)門功能抱怨，采用某主機(jī)廠的開關(guān)門耐久試驗(yàn)裝置，結(jié)合高低溫環(huán)境箱進(jìn)行10萬次門碰試驗(yàn)，如圖1所示。當(dāng)車門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，外執(zhí)行機(jī)構(gòu)拉動(dòng)車門外開手柄解鎖車門，乘員艙內(nèi)側(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)車門打開，在車門開啟過程中，可設(shè)置在限位器的一個(gè)或多個(gè)擋位短暫駐擋[4]。當(dāng)車門運(yùn)行至最大開啟角度時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)拉動(dòng)內(nèi)扶手實(shí)現(xiàn)關(guān)門動(dòng)作，一開一關(guān)即一次循環(huán)。

2.2 問題描述

聚酰胺（Polyamide，PA）66由己二胺與己二酸聚縮而成，其綜合性能優(yōu)良，具有強(qiáng)度高、剛性好、硬度大、抗蠕變性能好、抗沖擊性好、模量高及耐油、耐腐蝕、耐磨、耐熱和自潤滑的優(yōu)點(diǎn)[5-6]，廣泛應(yīng)用于限位器包塑、殼體制造。某SUV車型在項(xiàng)目初期的門碰耐久試驗(yàn)中，右前門3萬次開關(guān)后出現(xiàn)限位器開閉異響，經(jīng)目視檢查發(fā)現(xiàn)，限位臂靠近支架位置包塑開裂，如圖2所示。左前門鋼芯T字頭位置包塑開裂導(dǎo)致殼體與滑塊無法正常夾持限位臂，使車門運(yùn)行過程中限位臂與鈑金安裝口干涉而異常磨損，如圖3所示。左、右前門限位器遠(yuǎn)未達(dá)到10萬次門碰試驗(yàn)要求，因此，需對(duì)包塑開裂問題進(jìn)行分析解決。

3 殘件與模流分析

3.1 斷口切片分析

為分析開裂原因，使用偏振光顯微鏡對(duì)零件切片進(jìn)行成像觀察，如圖4所示。觀察圖4a發(fā)現(xiàn)，殘件斷口光滑，為脆性斷裂，推測包塑可能存在含水量不足的問題，且包塑裂痕穿過了零件注膠孔，注膠孔位置的PA66材料流動(dòng)不均勻且存在多處應(yīng)力集中。取問題件的同批次新件，沿注膠孔位置切片，如圖4b所示，利用偏振光顯微鏡觀察切片可知，注膠孔1和注膠孔2位置存在材料流動(dòng)不均勻和多處應(yīng)力集中，與問題件成像一致。在車門開關(guān)過程中，銷釘與限位臂之間反復(fù)拉壓，開門瞬間銷釘施加于限位臂內(nèi)孔的壓力較大，隨著開關(guān)次數(shù)的增加，注膠孔微缺陷不斷擴(kuò)大，材料流動(dòng)不均勻區(qū)域與應(yīng)力集中區(qū)域開裂風(fēng)險(xiǎn)大幅提高。

3.2 鋼芯質(zhì)量檢查

限位臂由鋼芯放入模具中注塑成形，因此，鋼芯表面質(zhì)量也會(huì)影響PA66材料的包覆效果。觀察殘件端部與T字頭裸露鋼芯可知，鋼芯表面存在多處毛刺，如圖5所示。在限位器生產(chǎn)過程中，鋼芯由卷料料片經(jīng)沖壓機(jī)沖切所得，受工藝條件限制，沖切后鋼芯一般正面光滑而背面粗糙，尤其是背面銳邊位置極易形成毛刺。為解決鋼芯表面毛刺問題，通常采用拋丸工藝打磨，但拋丸時(shí)間不足可能導(dǎo)致毛刺無法完全去除，經(jīng)注塑后包塑在鋼芯銳邊毛刺附近易形成微缺陷與應(yīng)力集中，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 模流分析

借助Pegasus軟件對(duì)限位臂進(jìn)行模流分析，發(fā)現(xiàn)T字頭位置存在多處氣穴，如圖6所示。由于模腔內(nèi)存在空氣，限位臂注塑過程中一般通過分模線和頂針孔排出內(nèi)部氣體。由于T字頭位置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且距離注膠孔較遠(yuǎn)，所受壓力低于其他位置，因此，T字頭易成為氣穴集中區(qū)域。當(dāng)車門接近最大開啟角度時(shí)，由于限位臂為末擋滑坡結(jié)構(gòu)，車門存在過開趨勢，此時(shí)限位器殼體、緩沖塊與T字頭間會(huì)產(chǎn)生較大沖擊載荷，多處氣穴提高了T字頭區(qū)域包塑開裂風(fēng)險(xiǎn)。

4 工藝優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1 工藝優(yōu)化

4.1.1 限位臂水煮時(shí)間優(yōu)化

限位臂包塑的脆性開裂原因通常為材料韌性不足[7]，為增強(qiáng)壁面韌性、降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)水煮時(shí)間及包塑吸水率進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。取4組同批次樣條，在水溫為95 ℃的條件下水煮6～9 h，#1樣條的水煮時(shí)間與問題件一致，稱量獲得水煮6 h前、后的樣條質(zhì)量變化，得到吸水率為1.1%。#2樣條、#3樣條、#4樣條在相同溫度下分別水煮7 h、8 h、9 h，由表1可知，PA66吸水率隨水煮時(shí)間延長而提高，水煮8 h后零件內(nèi)部含水量趨于飽和，吸水率上升明顯減緩。針對(duì)4組水煮樣條，依據(jù)ISO 179-1： 2023 Plastics — Determination of Charpy impact properties進(jìn)行缺口沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)，依據(jù)ISO 527-1： 2019 Plastics — Determination of tensile properties Part 1： General principles和ISO 527-2： 2019 Plastics — Determination of tensile properties Part 2： Test conditions for moulding and extrusion plastics進(jìn)行破壞應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，PA66的缺口沖擊強(qiáng)度與破壞應(yīng)力、水煮時(shí)間呈正相關(guān)。考慮到水煮時(shí)間超過8 h后對(duì)零件強(qiáng)度性能的延長有限，水煮時(shí)間確定為8 h，相較原狀態(tài)延長2 h，缺口沖擊強(qiáng)度提升32.1%，破壞應(yīng)力提升25.4%，且兼顧了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性。

4.1.2 鋼芯優(yōu)化

現(xiàn)有鋼芯由卷料沖切所得，鋼芯背面的切邊毛刺數(shù)量與沖壓機(jī)噸位、合模工藝有關(guān)。理論上，采用更高噸位的沖壓機(jī)并優(yōu)化合模工藝可有效降低毛刺數(shù)量甚至得到光滑切邊，但由于生產(chǎn)成本受限，在現(xiàn)有沖壓機(jī)基礎(chǔ)上，借助振動(dòng)盤對(duì)鋼芯進(jìn)行拋丸處理，去除毛刺，減少注塑后包塑的微缺陷與應(yīng)力集中。使用控制變量法設(shè)置多組拋丸時(shí)間，通過主觀感受對(duì)比所得鋼芯的毛刺數(shù)量與銳邊粗糙度，最終將鋼芯拋丸時(shí)間由20 min提高至30 min。

4.1.3 模具優(yōu)化

車門開關(guān)試驗(yàn)中限位臂端部包塑頂面受銷釘反復(fù)擠壓，由于頂面注膠孔位置材料流動(dòng)不均勻且有多處應(yīng)力集中，存在較高開裂風(fēng)險(xiǎn)。注膠孔區(qū)域PA66強(qiáng)度通常低于其他材料流動(dòng)均勻的位置，為降低包塑開裂風(fēng)險(xiǎn)，在模具中將注膠孔位置由端部頂面調(diào)整為端部側(cè)面，如圖7所示，紅色箭頭為原注膠孔，綠色箭頭為新注膠孔。為解決T字頭包塑內(nèi)存在多處氣穴的問題，在模具上增加排氣鑲塊，使T字頭頂面有多道分模線，有利于氣體排出，減少內(nèi)部缺陷。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

完成生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，為驗(yàn)證措施有效性，對(duì)新件進(jìn)行門碰耐久試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，生產(chǎn)工藝優(yōu)化后限位器開關(guān)壽命由3萬次提升至10萬次，且10萬次后開關(guān)門無異響，拆件檢查表面無異常磨損或裂紋。

5 結(jié)論

a. 汽車車門限位臂包塑所受載荷主要有滑塊與包塑表面的摩擦和銷釘與包塑孔內(nèi)部接觸面的拉壓應(yīng)力。開關(guān)門時(shí)，限位器不斷受到周期性沖擊載荷，導(dǎo)致其包塑易發(fā)生開裂失效。

b. 注膠孔位置PA66材料流動(dòng)不均勻，在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免將注膠孔布置在零件受力苛刻區(qū)域。

c. 適當(dāng)提高限位臂水煮時(shí)間可有效提高包塑的吸水率，當(dāng)水煮時(shí)間大于8 h后吸水率的提升速度減緩。適當(dāng)提高限位臂包塑吸水率可提高缺口沖擊強(qiáng)度與破壞應(yīng)力，降低門碰耐久試驗(yàn)中限位臂的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

d. 鋼芯銳邊毛刺會(huì)降低PA66注塑質(zhì)量，主要體現(xiàn)在毛刺部位包塑存在微缺陷與應(yīng)力集中。高噸位的沖壓機(jī)可有效減少毛刺使銳邊光滑，但成本較高?？墒褂谜駝?dòng)盤對(duì)鋼芯進(jìn)行拋丸處理，將拋丸時(shí)間設(shè)置為30 min可有效去除鋼芯毛刺，且成本較低。

e. PA66注塑過程中，限位臂T字頭位置距離注膠孔遠(yuǎn)，該處所受壓力相比其他位置偏小，因此，T字頭區(qū)域包塑內(nèi)部易存在氣穴。氣穴會(huì)提高包塑開裂風(fēng)險(xiǎn)，可通過增加排氣鑲塊使注塑過程中氣體通過分模線排出。

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