某汽车高光格栅注塑缺陷分析与成型优化

2022-09-24胡学川方佳豪李又兵周建军张继祥邓亚均

中国塑料 2022年9期

胡学川，方佳豪，李又兵*，周建军，李力，张继祥，邓亚均，刘园

（1.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054；2.重庆平伟汽车零部件有限公司，重庆 400026；3.重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）

0 前言

随着人们对轿车品质追求越来越高，外饰件已成为关乎轿车品质的重要组成部分[1]。而汽车格栅作为汽车最具辨识度的外覆盖装饰件，是体现汽车品牌性设计中最具代表性零部件，也是各汽车生产厂商车型设计和开发的重点。近年来，汽车格栅造型越来越追求个性、时尚与科技感，前保格栅造型设计更加具有运动性、复杂性和独特性。目前市场上的高光格栅成型工艺主要分为：高光黑漆喷涂[2]和高光免喷涂注射成型[3]2种。但是，喷涂工艺工序复杂，加之环保问题给格栅喷涂工艺带来了更大的附加成本。相比高光黑漆喷涂，高光免喷涂注射成型[4]不仅提升了产品外观质量和强度，而且省去了后续的喷涂或喷漆等工艺，缩短生产周期，大大节省了制造的成本，同时还减少了喷涂工艺带来的环境污染，因而得以广泛应用。

高光免喷涂注塑工艺由于缺少喷涂工序，对制备的汽车格栅外观品质有更高要求，这也就对注塑模具和成型工艺有更高要求，这些无疑会增加格栅的生产难度和加工成本。李又兵等采用Moldflow软件对某汽车前保险杠进行了成型优化设计[5]，并通过顺序注射成型模具设计，成功开发出了某汽车前保险杠[6]。笔者以某款高光免喷涂注塑格栅为优化对象，首先采用Moldflow软件分析了某汽车格栅的注射成型工艺表面缺陷，并通过改变局部结构和优化浇口位置，解决了高光注塑制品存着外观缺陷的问题。再通过实际生产验证，成功实现量产，且大幅降低了该款格栅的制造成本，取得了较好的生产效益。

1 塑件结构与工艺要求

图1是某轿车前保格栅产品示意图，产品尺寸为：1 063 mm×205 mm×471 mm，平均壁厚为2.7 mm。产品外观要求：免喷涂高光黑、高光泽度，产品外观无明显熔接痕，无缺料、困气和泛白等外观缺陷，主要材料为聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈共聚物（PMMA/ASA）。本研究以某公司的HAM8580合金材料为例，该合金材料具有高光泽、耐候、耐刮擦等优点[7]，是一种不需要涂装的高光泽耐刮擦树脂，同时还具有优秀的力学性能和铅笔硬度，在家用电器等行业中的外观件领域有着广泛应用。PMMA/ASA合金材料中，PMMA组分耐光照性能优异，但抗冲击性能差，尤其是低温冲击性能更差；ASA组分的抗冲击性能、着色性、耐腐蚀性均良好，但表面硬度不够，易划伤。将二者以一定比例调配，可相互补充，成为具有高力学性能的高光泽免喷涂合金材料。

图1 高光格栅产品设计图Fig.1 Graph of the automobile high gloss grille

在Moldflow分析软件中，材料信息如表1所示，根据材料的压力-比容-温度（PVT）特性可知注塑温度应设定在230～250℃。且材料在高剪切速率下，熔体的黏度会下降。

表1 免喷涂超高光泽PMMA/ASA合金材料信息与推荐工艺Tab.1 Spray-free ultra-high gloss PMMA/ASA alloy material information and recommended process

图1所示的高光格栅产品结构较复杂，其A面造型曲面多异，采用大菱形嵌套小菱形组合而成，而其每个小菱形中间带V凸出结构，采用传统注射成型工艺有3个难点：

难点1：该合金材料熔体黏度大，流动性差，加之中间有很多孔洞结构，产品过程充填受到阻碍，中间区域充填将很困难，易产生熔接痕、残留气体、局部装填过量以及流动不平衡等问题[8]。

难点2：格栅A面为非常重要的外观面，中间A面区域不能设置进浇口，而中间区域流程长，也会出现缺料缺陷。

难点3：格栅结构复杂，采用大菱形内带多个小菱形结构，小菱形结构内带V形凸起结构组合而成，且中间连接筋壁厚也薄，仅为2.5～3 mm。在模具上相当于纵横交错的小“河流”，汇合后又分流，分流后再汇合，这样分和分和延续不断，熔体流动极易因紊乱无序发生料流碰撞，出现排气不良等现象，导致外观表面缺陷，如表面困气缺料、表面泛白等。

2 成型工艺优化

2.1 顺序阀热流道系统布置

针对难点1，为了保证塑料熔体在模具中得到充分有效地充填，模具采用多点式针阀式顺序阀热流道技术。根据产品的结构，结合Moldflow软件进行浇口位置设计以及充填等分析，采取15点针阀式热流道顺序充填可以满足要求，如图2所示。

图2 多浇口顺序阀热流道进浇示意图Fig.2 Schematic diagram of hot runner of multi-gate sequential valve

采取以上方案后，Moldflow分析产品充填完整，产品外观可以达到高光的效果，但是产品上V形小凸台上外观表面极易出现的缺陷如表面困气、表面泛白等。

2.2 工艺优化

为彻底解决难点3，笔者结合模流分析及塑料熔体在模具内的充填流动行为，发现出现“局部倒流”的现象，即熔体充填接近完成时，熔体局部流动从分型面的位置先汇流，再逐渐流向型腔内壁交汇，如图3所示。

图3 局部充填示意图Fig.3 Schematic diagram of filling at local area

从流动分析可知，熔体流动从V形口部面反向向上流动到V形底部面，导致V形底部面极易出现产品泛白缺陷，如图4所圈区域位置。由于局部反向流动会导致模具型腔内气体排不出去，困气会在模具型腔壁形成很薄的一层膜，导致制品表面形成银白色的模糊痕迹，即表面泛白；严重时会破裂导致制品产生烧焦或缺料、气泡等现象。通过改进工艺，采取了分段顺序调整及低压慢速汇合优化，困气位置的空气膜并未破裂，主要缺陷表现为泛白。

图4 气穴模拟示意图Fig.4 Schematic diagram of air traps

从图4可以看出，V形底部面正好为最易看到的可视面，产品缺陷留在产品V形底部面上是不可接受的。为此，根据熔体流动原理，尽量要正向流动，即指充填接近完成时，熔体局部流动从形腔内壁位置先汇流，再逐渐流向分型面交汇，避免反向流动或无序流动。结合导流或阻流的考虑，需要对V形底部导流，V形口部阻流，即V形底部流动加快，V形口部流动放缓，使得熔体从V形底部向下流动到V形口部，这样产品缺陷才不会留在可视面上。

根据这种思路，对V形凸出结构局部缺陷区域进行B面壁厚渐变设计，采取不均匀壁厚的渐变设计，使聚合物熔体按需要的方向和速度来充填，从而达到消除产品外观缺陷的目的。具体结构设计优化为：（1）将V形小凸台侧面壁厚做y向渐变减胶，将V形小凸台两边不变基础上渐变，中间减胶至1 mm[如图5（a）]。（2）x向壁厚：在原有的基础上加胶0.3 mm，z向壁厚：将V形小凸台顶部不变，底部减胶至1 mm[如图5（b）]，主要目的是让注塑填充时V形小凸台为正扇形[如图5（c）]，最后填充位置在V形底部。（3）优化渐变B面壁厚后，困气分析如图5（d）所示。（4）根据图5（d）的所有困气位置在模具上做排气镶件，沿着V形小凸台边缘做镶件，再将凸台特征均等3段做排气镶件[如图5（e）]，将气体排到分型面及镶件内。

图5 格栅中V形凸出结构局部缺陷区域结构设计优化Fig.5 Structural design optimization of V-shaped local defect area in Grid

2.3 动定模布局

针对难点2，考虑到汽车前格栅网格中间为非常重要的外观面，中间正面区域不能设置进浇口，且流程长，考虑从中间背面区域进胶，设计倒装模结构模具，即A面在动模部分，B面在定模部分。如图6所示。

图6 制造高光泽格栅的注射模移动和固定部件布局Fig.6 Layout of the moving and stationary parts of an injection mold for manufacture high gloss grilles

3 生产验证

根据以上解决优化方案，采用海天塑机的MA16000/10500u型注塑机进行实际生产，制备的产品如图7所示。可以看出，制备的高光免喷涂格栅产品表面品质非常高，没有困气、无泛白、无缺料等外观缺陷，而且产品合格率明显提升（表2）。可见，经过改善优化后，产品的外观质量得到了保证，极大提升了产品合格率和节约制造成本。