鐘國留， 劉 偉， 王慶林

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣州 511434)

0 前言

隨著石油價格的飛漲，塑料原料價格和其他成本也在不斷上漲，導(dǎo)致注塑零件價格上升，為此注塑部件需考慮各種應(yīng)變對策。有研究表明：一輛轎車每減重100 kg，100 km燃油消耗平均減少0.5 L，二氧化碳排放也隨之減少500 g[1]。這就要求各種輕量化技術(shù)應(yīng)用于汽車上。

隨著新能源汽車的普及，電池的續(xù)航能力備受關(guān)注，而續(xù)航能力和汽車質(zhì)量密切相關(guān)，如何減重成為了汽車行業(yè)關(guān)注的問題。薄壁化是汽車減重方案中的一種，在滿足性能要求的前提下，合理的減薄制品的壁厚，達到減輕質(zhì)量、降低成本的目的，另外通過開發(fā)技術(shù)提高產(chǎn)能，通過縮短注塑周期來降低成本。

1 薄壁注塑成型技術(shù)

1.1 薄壁注塑成型定義

薄壁注塑成型技術(shù)也稱為薄壁塑件注塑成型技術(shù)，目前關(guān)于薄壁注塑成型還沒有統(tǒng)一的定義。行業(yè)內(nèi)有認為所成型塑件的厚度小于1 mm，同時塑件的投影面積在50 cm2以上的注塑成型可稱為薄壁注塑[2]，但是對于汽車行業(yè)來說，筆者認為只要通過材料和工藝的改進，打破傳統(tǒng)的壁厚，同時滿足制品性能，就可認為是薄壁注塑。

1.2 汽車薄壁零件的應(yīng)用情況

日系廠商在汽車薄壁化技術(shù)方面起步較早，歐美廠商已經(jīng)逐步開展相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)制定以及部分零件應(yīng)用，其中福特的標(biāo)準(zhǔn)中有很多指標(biāo)都與薄壁化設(shè)計直接相關(guān)。表1是部分汽車廠商在塑料三大件上薄壁化制品的應(yīng)用情況。

表1 部分汽車廠商在塑料三大件上薄壁化制品的應(yīng)用情況

2 薄壁注塑成型技術(shù)的優(yōu)勢

2.1 產(chǎn)品輕量化

以汽車門飾板和保險杠為例，門飾板厚度由傳統(tǒng)2.5～3.0 mm降低到2.0 mm，通過調(diào)整材料配方，盡量保證密度不變，整車質(zhì)量將降低1.5 kg。同理，保險杠厚度由傳統(tǒng)3.0 mm降低到2.5 mm，前后保險杠質(zhì)量合計降低約1.6 kg，當(dāng)然，如果材料成本控制得當(dāng)，由于壁厚減少，材料質(zhì)量也會減少，使成本也會有所下降。表2為薄壁化門飾板減重及降本情況，如果厚度采用2.0 mm，相對于厚度2.5 mm，質(zhì)量可以降低20%，單件產(chǎn)品總成本可以降低約4元。

表2 薄壁化門飾板減重及降本情況

2.2 成型周期縮短

注塑成型是一個循環(huán)的過程，成型周期主要由儲料時間、注射保壓時間、冷卻時間、開合模時間、頂出取件時間組成，其中冷卻時間占整個周期的大部分，而冷卻時間與壁厚密切相關(guān)，通過減少產(chǎn)品壁厚，可有效縮短成型周期。

3 薄壁化技術(shù)攻關(guān)課題

3.1 薄壁化材料測試標(biāo)準(zhǔn)

熔融指數(shù):按照GB/T 3682.1—2018 《塑料 熱塑性塑料熔體質(zhì)量流動速率(MFR)和熔體體積流動速率(MVR)的測定 第1部分:標(biāo)準(zhǔn)方法》進行測試;

密度:按照GB/T 1033.1—2008 《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分:浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》進行測試;

拉伸強度：按照GB/T 1040.2—2006 《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》進行測試;

彎曲強度：按照GB/T 9341—2008 《塑料 彎曲性能的測定》進行測試;

沖擊強度：按照GB/T 1843—2008 《塑料 懸臂梁沖擊強度的測定》進行測試。

3.2 薄壁化材料選擇

薄壁化設(shè)計選用的材料特點是較為明確的：高流動、高韌性、高強度和高剛性[3]。薄壁化為消除加工成型過程中流通截面變小對流動的影響，需要對材料的流動性，即熔融指數(shù)有所要求。設(shè)計壁厚的減薄會導(dǎo)致制品沖擊強度降低，即韌性降低，為滿足零件的沖擊性能，必須對材料進行增韌處理。同理，壁厚減薄也會造成制品強度和剛性的降低，所以需要提高材料的屈服強度和彎曲模量來補償。表3為傳統(tǒng)材料和薄壁材料性能對比。由表3可以看出,薄壁材料的熔融指數(shù)和彎曲強度有顯著的提升。

表3 薄壁化材料與傳統(tǒng)材料性能對比

3.3 薄壁化模具開發(fā)要點

薄壁注塑成型時模具設(shè)計是至關(guān)重要的一環(huán)，與常規(guī)制品的模具相比，薄壁制品模具從模具結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)和頂出系統(tǒng)等都有可能發(fā)生重大變化(見表4)。

表4 薄壁制品模具與傳統(tǒng)模具設(shè)計對比

3.3.1 模具材料

模具鋼材通常用NAK80、2738H、718H等鋼材。由于制品為薄壁方案，那么注塑的壓力會相應(yīng)增加，對模具的加工精度及強度也會提出相應(yīng)的要求。所以模具需采用熱處理方式，使材料硬度達到HRC50左右，從而用合適的硬度來保證薄壁高速注塑模具的壽命及精度。

3.3.2 模具結(jié)構(gòu)

薄壁化產(chǎn)品成型時的注塑壓力一般會比常規(guī)注塑壓力大，為承受成型時的高壓，薄壁注塑成型模具的剛度要大，強度要高。因此，模具的動、定模板及其支承板厚度要設(shè)定得比常規(guī)模具的模板要厚，支撐柱要多，模具內(nèi)要多設(shè)置內(nèi)鎖緊定位機構(gòu)，以保證精確的定位和良好的側(cè)支撐。

3.3.3 澆注系統(tǒng)

成型薄壁塑件，特別是塑件厚度非常小時，要使用片狀澆口。為保證有足夠的壓力填充型腔，流道系統(tǒng)中應(yīng)盡可能減少壓降，為此，流道截面設(shè)計要比傳統(tǒng)的大一些，澆口數(shù)量比傳統(tǒng)的多1～2個，一般通過Moldflow軟件進行分析，確保注塑壓力在材料推薦壓力范圍內(nèi)。

3.3.4 冷卻系統(tǒng)

薄壁塑件相對于常規(guī)件來說，更容易產(chǎn)生應(yīng)力翹曲。為保證薄壁塑件的尺寸穩(wěn)定性，把翹曲控制在可以接受的范圍內(nèi)，就必須加強模具的冷卻，確保冷卻均衡，模具設(shè)計要避免水路尺寸相差太大，避免瓶頸尺寸造成冷卻不均，一般需要設(shè)定多種傾斜水路以便跟隨產(chǎn)品形狀。

3.3.5 排氣系統(tǒng)

薄壁注塑成型模具需要具有良好的排氣性。由于填充時間短、注射速度高，模具的充分排氣，尤其是流動前沿聚集區(qū)的充分排氣非常重要，以防困氣。在門飾板的喇叭網(wǎng)孔一般采用透氣鋼的方式來實現(xiàn)排氣。

3.3.6 頂出系統(tǒng)

因為薄壁制品的壁和筋都很薄，非常容易損壞，同時高保壓壓力使收縮更小，從而使塑料件頂出困難，易產(chǎn)生頂穿、頂白、頂變形、塑料件受損等問題，所以頂桿應(yīng)排布在塑料件對型芯包、緊力和對模腔黏附力最大并能夠承受脫模力的地方，同時加大頂出區(qū)域，盡可能考慮采用頂塊形式。

3.4 薄壁化工藝開發(fā)要點

雖然塑件薄壁化有很多優(yōu)點，但卻降低了注塑件的可成型性，以致于用常規(guī)的注塑成型方法無法成型薄壁塑件。在進行薄壁塑件的成型時，主要考慮解決3個常見問題：短射、翹曲變形和熔接線。

3.4.1 短射

短射是由于模具型腔填充不完全造成塑件不完整的質(zhì)量缺陷，即熔體在完成填充之前就已經(jīng)凝結(jié)。注塑成型的填充過程和冷卻過程是同時進行的，見圖1。

圖1 流動情況示意圖

當(dāng)聚合物熔體流動時，熔體前沿遇到相對溫度較低的型芯表面或型腔壁，會在其表面形成一層冷凝層。熔體在冷凝層內(nèi)繼續(xù)向前流動，隨著冷凝層厚度的增加，實際型腔流道變窄。在常規(guī)注塑成型時因為塑件的厚度較厚，所以此時冷凝層對注塑成型的影響還不是很大；但在薄壁注塑成型中，冷凝層的厚度對流動影響很大。因此，相對于常規(guī)注塑，薄壁化注塑需要增加1～2個澆口來縮小流長比，減少流動過程中冷凝層厚度，增加塑膠流動性，從而避免短射。

3.4.2 翹曲變形

翹曲變形是不均勻的內(nèi)部應(yīng)力導(dǎo)致的塑件缺陷。翹曲變形產(chǎn)生的原因是收縮不均勻、取向不均勻和冷卻不均勻。薄壁產(chǎn)品一般通過局部加厚方法提高產(chǎn)品力學(xué)性能，由于壁厚不均帶來收縮不均，從而導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲變形?？梢酝ㄟ^平衡冷卻系統(tǒng)、調(diào)節(jié)保壓壓力和保壓時間等措施來改善塑件的翹曲變形缺陷，對于厚度偏大區(qū)域，可以通過增加保壓路徑的方式來減少收縮，見圖2，在局部增加1條2.5～3.0 mm的通道，使塑膠沿著通道補充到薄壁處。

圖2 塑膠通道

3.4.3 熔接線

熔接線是型腔內(nèi)2個或多個熔體流動前沿熔合時形成的界線。熔接線不但影響塑件的外觀質(zhì)量，而且在熔接線處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，削弱零件的機械強度，對厚度不均的薄壁塑件尤為不利。厚度不均容易導(dǎo)致流動不平衡，更容易出現(xiàn)2股料流的交匯，見圖3。所以充分的仿真模擬是必須的，同時，通過局部加厚方式將熔接線趕到非外觀面處以及非性能要求區(qū)。

圖3 薄壁門飾板厚度分布圖

4 結(jié)語

伴隨著設(shè)計能力和制造能力的發(fā)展，薄壁注塑定義的臨界厚度也將會發(fā)生變化，并且將會有越來越多的零件采用薄壁化技術(shù)。建議利用模流軟件充分模擬薄壁零件的流動情況，有效地解決薄壁化帶來的一系列問題。