典型的汽车注塑件缺陷分析及其解决方法

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,在注塑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。

虎皮纹容易产生在壁厚较薄、流程较大的注塑件上,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) 如果注塑件的外观面是亮区,则背面是暗区,两者交替出现。

原因:

1.材料中的增韧材料越多,虎皮纹现象越容易出现。增韧材料在注塑过程中受到拉伸和剪切作用,产生微量形变,使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出现虎皮纹现象,如增强材料、非增韧尼龙、聚对苯二甲酸丁二酯等材料,在成型过程中很少有虎皮纹产生。应用于汽车注塑件的聚丙烯(PP),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。

2.注塑件的壁厚越薄,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,越容易产生虎皮纹。适当增加注塑件的壁厚,或缩短单一浇口的充填距离,可降低熔体的充模阻力,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,因此通过增加壁厚消除虎皮纹不太现实。

解决方法:

• 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。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。

  
  

• 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、点浇口或很小的侧浇口都很容易产生虎皮纹。

  
  

• 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。采用较低的注射速度有利于消除虎皮纹,因为低速下熔体流动更加稳定。

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

成因:

1.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。

2.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。

3.型腔压力不足。此种情况下,设置的注塑工艺应能保证熔体在型腔中有足够的压力复制模具表面。

解决方案:

• 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,使注塑件表面更好地复制模具表面。

  
  

• 避免困气。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时,就会产生困气,导致表面复制不良。

缩痕产生在注塑件的表面,是指在注塑件表面形成的局部凹陷。缩痕通常产生在注塑件局部厚壁的位置,或产生在加强筋、螺丝柱等突起物的背面。在汽车注塑件上,螺丝柱、加强筋或卡扣等结构的背面容易出现缩痕。

成因:缩痕是注塑件局部位置在冷却过程中得不到有效的保压补缩造成的。

解决方案:

• 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。降低等效壁厚。等效壁厚越小,注塑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注塑件壁厚T 时,注塑件基本没有产生缩痕的风险。

  
  

• 汽车注塑件一般选用改性PP材料。与工程塑料相比,改性PP的弹性模量较低,抵抗变形的能力也低,需要从结构设计上保证注塑件的强度。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注塑件表面是否产生缩痕。对结晶聚合物,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。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。

  
  

• 合理的结构件设计。汽车保险杠对外观有严格的要求,即使注塑件上有轻微的缩痕,在喷漆后也会非常明显地显现,这就对结构的设计提出了更高的要求。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,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。而卡扣根部没有进行减薄处理,注塑成型时容易产生缩痕。

两股料流相遇时,注塑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,如下图所示。汇合角的大小对熔接线的强度和清晰度有重要影响。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75°<汇合角<135° 时,熔接线比较清晰,但强度仍很高,通过处理,喷漆可以遮盖熔接线;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。

解决方案:

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注塑件上形成较多的熔接线。即使采用针阀式热流道,孔周围的熔接线也难以消除,但在结构设计上也可以弱化。通常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。

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。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。

翘曲变形是指注塑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。

成因:汽车注塑件的设计常采用PP材料,与工程塑料相比,其弹性模量相对较低,因而抵抗变形的能力较弱,这就需要从结构设计上保证注塑件的强度。汽车仪表板前沿是容易变形的部位。

解决方案:在不增加壁厚的情况下,加强筋通常可以增加注塑件的强度,改善注塑件的变形。但是,当加强筋设计不合理时,反而会增加注塑件的变形。