富恒汽车注塑件典型缺陷分析

2016-08-06 admin

随着汽车工业迅猛发展，塑料零件在汽车上的应用越来越广泛。从保险杠、裙边和挡泥板等外饰件，到仪表板、门板和立柱等内饰件，再到前端框架、罩盖和进气歧管等发动机周边零件，随处可见塑料的存在。据相关数据统计，在德国、美国和日本等发达国家，平均每辆汽车塑料用量已达到汽车自身重量的10%-15%。汽车塑料件的应用对于降低汽车重量，节约燃油，促进环保以及可回收利用等方面都有显著优势。汽车塑料件大多数采用注塑成型，成型周期短，生产效率高，制造成本低。但注塑成型可能会产生较多的缺陷，虎皮纹、表面复制不良、缩痕、熔接线和翘曲变形等，是汽车注塑件常见的缺陷，这些缺陷不仅与材料有关，还与结构设计、模具设计和成型工艺有很大关系。

1 虎皮纹

虎皮纹经常出现在保险杠、仪表板、门板和立柱等面积较大的汽车注塑件上，是一种波浪形条纹的表面缺陷，条纹大约垂直于熔体流动方向，在制件表面上形成光泽不同的刻印，看起来就像老虎皮上的花纹一样，俗称虎皮纹，如图1所示。

图1 汽车仪表板上的虎皮纹现象

虎皮纹容易产生在壁厚较薄、流程较大的制件上，它具有以下特征：（1）注塑件表面出现呈周期性变化的明暗交替的条纹；（2）条纹大致垂直于熔体的流动方向；（3）条纹分为亮区和暗区，亮区的光泽度高，暗区的光泽度差；（4）如果制件的外观面是亮区，则背面是暗区，两者交替出现，如图2所示。

图2 虎皮纹的特征

材料中的增韧体系越多，虎皮纹现象越容易出现^[1]。增韧体系在注塑过程中受到拉伸和剪切，产生微量形变，使得熔体产生不稳定流动，从而导致虎皮纹产生。韧性差的材料就很少会出现虎皮纹现象，如增强材料、非增韧的尼龙、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等材料成型过程中很少有虎皮纹产生。应用于汽车注塑件的PP材料由于要求有较高的抗冲击性能，添加了弹性体等增韧成分，非常容易出现虎皮纹缺陷。

制件的壁厚越薄，或充填流动距离越远，流长比越大，熔体在充模过程中越容易产生不稳定流动，因此越容易产生虎皮纹。适当增加制件的壁厚，或缩短单一浇口的充填距离，可以降低熔体充模阻力，保证熔体流动的稳定性，有利于消除虎皮纹。但在汽车轻量化要求越来越高的今天，薄壁化是汽车注塑件的发展趋势，因此通过增加壁厚来消除虎皮纹不太现实。

在模具设计方面，增加流道直径，扩大浇口的厚度和宽度是消除虎皮纹的有效措施^【2】。浇口厚度最好达到壁厚的0.7-0. 8倍。此举的目的是降低熔体在流道和浇口中的压力损失，减小进入型腔时的出模膨胀效应。某车型的副仪表板护板出现虎皮纹严重，分析是浇口的尺寸过小，加大浇口厚度和宽度后，成功虎皮纹消除，如图3所示。此外，在模具设计上，应尽量采用渐变过渡的直浇口、侧浇口和扇形浇口，避免使用截面积逐渐缩小的潜伏浇口和点浇口。实践证明，潜伏浇口、点浇口或很小侧浇口很容易产生虎皮纹。

（a）改善前的虎皮纹　　　　　　　　　（b）浇口设计　　　（c）改善后虎皮纹消除

图3 浇口尺寸对虎皮纹的影响

在注塑工艺方面，熔体温度、模具温度和注射速度是影响虎皮纹的几个重要参数。一般来说，提高熔体温度和模具温度，调整注射速度，有利于消除虎皮纹。一般情况下，采用较低的射速有利于消除虎皮纹，因为低速下熔体流动更加稳定。图4是某汽车零件不同射速下的制件外观，50%射速时虎皮纹严重，降低射速至15%，虎皮纹消失。

（a）采用50%射速出现虎皮纹（b）采用15%射速后虎皮纹消失

图4 射速对虎皮纹的影响

2 表面复制不良

表面复制不良，指注塑件在成型过程中，不能精确复制模具型腔表面，表现为制件表面光泽不均。

很多汽车注塑件表面设计有皮纹，皮纹效果越细腻，注塑成型时就越难复制。此外，皮纹形状很规则，相互之间不连通时，很容易因皮纹困气而导致表面复制不良。图5是某车型前门上型板的皮纹，皮纹很规则且型腔不连通，在成型过程中表面容易出现花斑缺陷，实则是困气导致的表面复制不良。在产品设计时应慎重采用这种类型的皮纹。

（a）皮纹　　（b）表面复制后的皮纹效果

图5 规则且不连通的皮纹表面复制效果

产生表面复制不良的原因之一是型腔压力不足。此种情况下，注塑工艺的设置应能保证熔体在型腔中有足够的压力复制模具表面。一般来说，高温、高速和高压（简称三高工艺）有利于减小熔体压力损失，使制件表面更好复制模具表面。图6是某汽车的组合仪表罩，出现表面光泽不均，如图6（a）所示；工艺调整时，将料温从210℃提供至240℃，并提高注塑压力和速度，最终消除外观缺陷，如图6（b）所示。

（a）改善前的制件外观（b）改善后的制件外观

图6 注塑工艺对表面复制效果的影响

产生表面复制不良的另外一个原因是困气。当模具的排气效果不好，或皮纹深度较大时，或注射速度过快使得型腔内的气体来不及排出，就会产生困气，导致表面复制不良。图7是汽车的除霜格栅，在两侧出现类似花斑的光泽不均，制件的皮纹深度较大，通过降低注射速度，成功消除表面缺陷。

（a）制件（b）原始工艺表面复制效果

（c）原始工艺（d）改善工艺

（没有合适的改善后图片，因此没有给出，作者注！）

图7射速对表面复制的影响

3 缩痕

缩痕产生在制件的表面，指在制件表面形成的局部凹陷。缩痕是制件局部位置在冷却过程中得不到有效的保压补缩造成的^【3】。缩痕通常产生在制件上局部厚壁的位置，或产生在加强筋、螺丝柱等突起物的背面。在汽车制件上，螺丝柱、加强筋或卡扣等结构的背面容易出现缩痕。

对于螺丝柱背面产生的缩痕，常用的改善措施是在螺丝柱根部添加火山口结构，如图8所示。火山口的添加使得螺丝柱根部的等效壁厚（即内切圆直径2R）变小，因此能有效改善缩痕，如图9所示。一般来说，等效壁厚越小，制件表面就越不容易产生缩痕，当螺丝柱根部的等效壁厚接近制件壁厚T时，制件就基本没有产生缩痕的风险。

图8 典型的火山口设计

（a）加火山口前的等效壁厚（b）加火山口后的等效壁厚

图9 火山口防止缩痕的原理

汽车注塑件很多时候选用改性PP材料。与工程塑料相比，改性PP模量较低，因此抵抗变形的能力要低些，这更需要从结构设计上保证制件的强度。常用的办法是在产品设计中添加加强筋。加强筋的厚度选择关系到制件表面是否产生缩痕。对于结晶聚合物，由于结晶会产生后收缩，加强筋根部的厚度要适当薄些，建议不超过壁厚的1/3，否则容易在背面形成缩痕；而对于非晶聚合物，由于后收缩较小，加强筋根部的厚度可适当厚些，但建议不超过壁厚的1/2。加强筋尺寸设计不合理时，容易在背面形成缩痕，如图10（a）所示。在允许的情况下，将加强筋设计在两个平面交接的过渡曲面背后，即使有轻微缩痕，由于护面的掩饰作用，也可以巧妙地将缩痕隐藏，如图10（b）所示。

（a）原始的加强筋设计（b）改善的加强筋设计

图10 通过设计隐藏缩痕的方法

汽车保险杠对外观有严格的要求，即使制件上有轻微的缩痕，在喷漆后也可以会非常明显，这就对结构的设计提出了很高的要求。图11（a）是某汽车保险杠定位卡扣的设计，卡扣上的筋背面缩痕明显，无论如何调整材料和注塑工艺，都无法彻底解决缩痕问题；而图11（b）则巧妙地将定位卡扣设计在两个面交接的位置，将缩痕隐藏起来，留给材料和注塑工艺很宽的设计窗口。

（a）不合理的设计（b）合理的设计

图11 保险杠定位卡扣设计

汽车注塑件由于装配的需要，常在外观面的背后设计较多的卡扣。卡扣的尺寸设计很重要，壁厚较薄则卡扣的强度不足，且在注塑时容易产生缺胶；壁厚较厚则会产生缩痕。最佳的解决措施是将卡扣根部壁厚减薄，如图12（b）所示，既解决了卡扣的强度问题，又避免了缩痕，同时还保证顺利注塑成型。而图12（a）中的卡扣根部没有进行减薄处理，注塑成型时容易产生缩痕。

（a）不合理的卡扣设计（b）合理的卡扣设计

图12 卡扣设计

如果制件在注塑成型后要求喷漆，则对缩痕的要求更严格，即使有轻微的缩痕，喷漆后也会很明显。图13是某车型的裙边卡扣设计，虽然采用了卡扣根部减薄的设计，但是在垂直于流动方向的边背面还是产生缩痕，喷漆后较明显，客户不能接受。而图14另一款车型的裙边卡扣则采用了较巧妙的设计，在垂直流动方向的边根部采用间断式的点接触，由于接触面积不大，制件的正面上很难看到有缩痕；为了保证卡扣的强度，又将该边的接触部分设计成平行流动方向的较短的加强筋。这样的卡扣设计，既解决了缩痕问题，又保证了强度。

图13 不合理的卡扣设计

（a）左视图（b）右视图

图14 合理的裙边卡扣设计

4 熔接线

两股料流相遇时，制件上就会形成熔接线。此时，熔体前沿的切线有一个夹角，这就是熔接线的汇合角，如图15所示。汇合角的大小对熔接线的强度和清晰度有重要影响^【4】。根据Moldflow的分析准则，当汇合角＞135°时，熔接线肉眼看不到，而且强度很高；当汇合角＜135°时，但大于75°，熔接线比较清晰，但强度仍很高，通过处理，喷漆可以遮盖住；当汇合角＜75°时，熔接线即使经过处理，喷漆仍无法遮盖，而且强度较差。

图15 熔接线的汇合角

对于汽车保险杠、仪表板、门板、裙边等体积较大的注塑件，通常采用含有顺序阀的热流道来消除熔接线，一般是中间的针阀先打开，当熔体前锋流过下一个针阀时，该针阀开启，这样就可以避免填充时在制件上形成较多的熔接线。

但即使采用针阀式热流道，孔周围的熔接线也难以消除，但结构设计上也有办法去弱化。通常在在孔的周围增加凹槽等结构，扰乱熔接线的生成，从而起到淡化熔接线的效果。图17是某款保险杠的设计，在雾灯处由于孔的存在会产生熔接线，在设计上巧妙地设置了一个凹槽，既可以当做装饰，又可以扰乱熔接线的生成，有效地淡化了熔接线。

图17 弱化熔接线的凹槽设计

在模具设计时，应避免浇口面对着孔，否则形成的熔接线难以调整。图18是某款车的前保险杠，人字形标识中间有很多碰穿孔，而浇口开设在标识的两侧，熔体流经碰穿孔时，形成了明显的熔接线，熔接线末端容易分叉，严重时熔接线出现褶皱，用砂纸打磨仍看到痕迹，不良率较高。在注塑工艺上，该段采用较低的注射速度可以弱化熔接线，但加工温度或材料熔体流动速率稍有波动时，注塑工艺就需要调整，这给生产造成了一定的困难。相比之下，另一款类似车型的前保险杠在该位置的设计就巧妙很多，如图19所示，浇口设计在人字形标识的中间，并减少碰穿孔，留给注塑工艺的窗口很宽，不需要采用特定的射速来配合，熔接线的外观很好。

图18 熔接线外观较差的浇口设计

图19 改善熔接线外观的浇口设计

5 翘曲变形

翘曲变形指制件的形状与设计的形状出现比较大的差异，通常为凸出或凹陷。汽车制件的设计常采用PP材料，与工程塑料相比，其模量相对较低，因而抵抗变形的能力要弱些，这就需要从结构设计上保证制件的强度。

汽车仪表板前沿也是容易变形的部位。图20是某款车型上的仪表板，（a）图是标识处是出现变形的部位，其背面没有加强筋或其它加固的结构，而整个仪表板很长，这样的结构式很难保证不变形的，多次尝试更换材料配方，依旧无法解决变形问题。而图21的仪表板前沿设计较为合理，其背面每个一定距离都设置了加强筋结构进行加固防止变形。

（a）仪表板前沿整体结构（b）变形部位的背面结构

图20 不合理的仪表板前沿设计

（a）仪表板前沿整体结构（b）背面结构

图21 合理的仪表板前沿设计

在不增加壁厚的情况下，加强筋通常可以增加制件的强度，改善制件的变形。但是，当加强筋设计不合理时，反而会增加制件的变形。图22是某汽车的前立柱上体，制件的中部外凸变形，变形部位刚好布置有较多的加强筋。从Moldflow的体积温度分析结果来看，筋的壁厚较主体厚度薄，体积温度下降较快，冷却定型后约束侧边向内自由变形，导致制件在该部位外凸变形，如图23所示。