胡學(xué)川，方佳豪，李又兵*，周建軍，李 力，張繼祥，鄧亞均，劉 園

（1.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶平偉汽車零部件有限公司，重慶 400026；3.重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

0 前言

隨著人們對轎車品質(zhì)追求越來越高，外飾件已成為關(guān)乎轎車品質(zhì)的重要組成部分[1]。而汽車格柵作為汽車最具辨識度的外覆蓋裝飾件，是體現(xiàn)汽車品牌性設(shè)計中最具代表性零部件，也是各汽車生產(chǎn)廠商車型設(shè)計和開發(fā)的重點。近年來，汽車格柵造型越來越追求個性、時尚與科技感，前保格柵造型設(shè)計更加具有運動性、復(fù)雜性和獨特性。目前市場上的高光格柵成型工藝主要分為：高光黑漆噴涂[2]和高光免噴涂注射成型[3]2種。但是，噴涂工藝工序復(fù)雜，加之環(huán)保問題給格柵噴涂工藝帶來了更大的附加成本。相比高光黑漆噴涂，高光免噴涂注射成型[4]不僅提升了產(chǎn)品外觀質(zhì)量和強度，而且省去了后續(xù)的噴涂或噴漆等工藝，縮短生產(chǎn)周期，大大節(jié)省了制造的成本，同時還減少了噴涂工藝帶來的環(huán)境污染，因而得以廣泛應(yīng)用。

高光免噴涂注塑工藝由于缺少噴涂工序，對制備的汽車格柵外觀品質(zhì)有更高要求，這也就對注塑模具和成型工藝有更高要求，這些無疑會增加格柵的生產(chǎn)難度和加工成本。李又兵等采用Moldflow軟件對某汽車前保險杠進行了成型優(yōu)化設(shè)計[5]，并通過順序注射成型模具設(shè)計，成功開發(fā)出了某汽車前保險杠[6]。筆者以某款高光免噴涂注塑格柵為優(yōu)化對象，首先采用Moldflow軟件分析了某汽車格柵的注射成型工藝表面缺陷，并通過改變局部結(jié)構(gòu)和優(yōu)化澆口位置，解決了高光注塑制品存著外觀缺陷的問題。再通過實際生產(chǎn)驗證，成功實現(xiàn)量產(chǎn)，且大幅降低了該款格柵的制造成本，取得了較好的生產(chǎn)效益。

1 塑件結(jié)構(gòu)與工藝要求

圖1是某轎車前保格柵產(chǎn)品示意圖，產(chǎn)品尺寸為：1 063 mm×205 mm×471 mm，平均壁厚為2.7 mm。產(chǎn)品外觀要求：免噴涂高光黑、高光澤度，產(chǎn)品外觀無明顯熔接痕，無缺料、困氣和泛白等外觀缺陷，主要材料為聚甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸酯-苯乙烯-丙烯腈共聚物（PMMA/ASA）。本研究以某公司的HAM8580合金材料為例，該合金材料具有高光澤、耐候、耐刮擦等優(yōu)點[7]，是一種不需要涂裝的高光澤耐刮擦樹脂，同時還具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和鉛筆硬度，在家用電器等行業(yè)中的外觀件領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。PMMA/ASA合金材料中，PMMA組分耐光照性能優(yōu)異，但抗沖擊性能差，尤其是低溫沖擊性能更差；ASA組分的抗沖擊性能、著色性、耐腐蝕性均良好，但表面硬度不夠，易劃傷。將二者以一定比例調(diào)配，可相互補充，成為具有高力學(xué)性能的高光澤免噴涂合金材料。

圖1 高光格柵產(chǎn)品設(shè)計圖Fig.1 Graph of the automobile high gloss grille

在Moldflow分析軟件中，材料信息如表1所示，根據(jù)材料的壓力-比容-溫度（PVT）特性可知注塑溫度應(yīng)設(shè)定在230～250℃。且材料在高剪切速率下，熔體的黏度會下降。

表1 免噴涂超高光澤PMMA/ASA合金材料信息與推薦工藝Tab.1 Spray-free ultra-high gloss PMMA/ASA alloy material information and recommended process

圖1所示的高光格柵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其A面造型曲面多異，采用大菱形嵌套小菱形組合而成，而其每個小菱形中間帶V凸出結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)注射成型工藝有3個難點：

難點1：該合金材料熔體黏度大，流動性差，加之中間有很多孔洞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品過程充填受到阻礙，中間區(qū)域充填將很困難，易產(chǎn)生熔接痕、殘留氣體、局部裝填過量以及流動不平衡等問題[8]。

難點2：格柵A面為非常重要的外觀面，中間A面區(qū)域不能設(shè)置進澆口，而中間區(qū)域流程長，也會出現(xiàn)缺料缺陷。

難點3：格柵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用大菱形內(nèi)帶多個小菱形結(jié)構(gòu)，小菱形結(jié)構(gòu)內(nèi)帶V形凸起結(jié)構(gòu)組合而成，且中間連接筋壁厚也薄，僅為2.5～3 mm。在模具上相當于縱橫交錯的小“河流”，匯合后又分流，分流后再匯合，這樣分和分和延續(xù)不斷，熔體流動極易因紊亂無序發(fā)生料流碰撞，出現(xiàn)排氣不良等現(xiàn)象，導(dǎo)致外觀表面缺陷，如表面困氣缺料、表面泛白等。

2 成型工藝優(yōu)化

2.1 順序閥熱流道系統(tǒng)布置

針對難點1，為了保證塑料熔體在模具中得到充分有效地充填，模具采用多點式針閥式順序閥熱流道技術(shù)。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，結(jié)合Moldflow軟件進行澆口位置設(shè)計以及充填等分析，采取15點針閥式熱流道順序充填可以滿足要求，如圖2所示。

圖2 多澆口順序閥熱流道進澆示意圖Fig.2 Schematic diagram of hot runner of multi-gate sequential valve

采取以上方案后，Moldflow分析產(chǎn)品充填完整，產(chǎn)品外觀可以達到高光的效果，但是產(chǎn)品上V形小凸臺上外觀表面極易出現(xiàn)的缺陷如表面困氣、表面泛白等。

2.2 工藝優(yōu)化

為徹底解決難點3，筆者結(jié)合模流分析及塑料熔體在模具內(nèi)的充填流動行為，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)“局部倒流”的現(xiàn)象，即熔體充填接近完成時，熔體局部流動從分型面的位置先匯流，再逐漸流向型腔內(nèi)壁交匯，如圖3所示。

圖3 局部充填示意圖Fig.3 Schematic diagram of filling at local area

從流動分析可知，熔體流動從V形口部面反向向上流動到V形底部面，導(dǎo)致V形底部面極易出現(xiàn)產(chǎn)品泛白缺陷，如圖4所圈區(qū)域位置。由于局部反向流動會導(dǎo)致模具型腔內(nèi)氣體排不出去，困氣會在模具型腔壁形成很薄的一層膜，導(dǎo)致制品表面形成銀白色的模糊痕跡，即表面泛白；嚴重時會破裂導(dǎo)致制品產(chǎn)生燒焦或缺料、氣泡等現(xiàn)象。通過改進工藝，采取了分段順序調(diào)整及低壓慢速匯合優(yōu)化，困氣位置的空氣膜并未破裂，主要缺陷表現(xiàn)為泛白。

圖4 氣穴模擬示意圖Fig.4 Schematic diagram of air traps

從圖4可以看出，V形底部面正好為最易看到的可視面，產(chǎn)品缺陷留在產(chǎn)品V形底部面上是不可接受的。為此，根據(jù)熔體流動原理，盡量要正向流動，即指充填接近完成時，熔體局部流動從形腔內(nèi)壁位置先匯流，再逐漸流向分型面交匯，避免反向流動或無序流動。結(jié)合導(dǎo)流或阻流的考慮，需要對V形底部導(dǎo)流，V形口部阻流，即V形底部流動加快，V形口部流動放緩，使得熔體從V形底部向下流動到V形口部，這樣產(chǎn)品缺陷才不會留在可視面上。

根據(jù)這種思路，對V形凸出結(jié)構(gòu)局部缺陷區(qū)域進行B面壁厚漸變設(shè)計，采取不均勻壁厚的漸變設(shè)計，使聚合物熔體按需要的方向和速度來充填，從而達到消除產(chǎn)品外觀缺陷的目的。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化為：（1）將V形小凸臺側(cè)面壁厚做y向漸變減膠，將V形小凸臺兩邊不變基礎(chǔ)上漸變，中間減膠至1 mm[如圖5（a）]。（2）x向壁厚：在原有的基礎(chǔ)上加膠0.3 mm，z向壁厚：將V形小凸臺頂部不變，底部減膠至1 mm[如圖5（b）]，主要目的是讓注塑填充時V形小凸臺為正扇形[如圖5（c）]，最后填充位置在V形底部。（3）優(yōu)化漸變B面壁厚后，困氣分析如圖5（d）所示。（4）根據(jù)圖5（d）的所有困氣位置在模具上做排氣鑲件，沿著V形小凸臺邊緣做鑲件，再將凸臺特征均等3段做排氣鑲件[如圖5（e）]，將氣體排到分型面及鑲件內(nèi)。

圖5 格柵中V形凸出結(jié)構(gòu)局部缺陷區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化Fig.5 Structural design optimization of V-shaped local defect area in Grid

2.3 動定模布局

針對難點2，考慮到汽車前格柵網(wǎng)格中間為非常重要的外觀面，中間正面區(qū)域不能設(shè)置進澆口，且流程長，考慮從中間背面區(qū)域進膠，設(shè)計倒裝模結(jié)構(gòu)模具，即A面在動模部分，B面在定模部分。如圖6所示。

圖6 制造高光澤格柵的注射模移動和固定部件布局Fig.6 Layout of the moving and stationary parts of an injection mold for manufacture high gloss grilles

3 生產(chǎn)驗證

根據(jù)以上解決優(yōu)化方案，采用海天塑機的MA16000/10500u型注塑機進行實際生產(chǎn)，制備的產(chǎn)品如圖7所示?？梢钥闯?，制備的高光免噴涂格柵產(chǎn)品表面品質(zhì)非常高，沒有困氣、無泛白、無缺料等外觀缺陷，而且產(chǎn)品合格率明顯提升（表2）?？梢?，經(jīng)過改善優(yōu)化后，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量得到了保證，極大提升了產(chǎn)品合格率和節(jié)約制造成本。

圖7 工藝改善前后產(chǎn)品外觀照片F(xiàn)ig.7 Product appearance diagram with application of optimal technique

表2 工藝優(yōu)化前后的產(chǎn)品合格率與生產(chǎn)效率對比Tab.2 Comparison of product qualification rate and production efficiency before and after process optimization

4 結(jié)論

（1）基于熔體流動理論，正向順序流動熔合對于產(chǎn)品外觀缺陷的解決顯得非常重要；通過阻流和導(dǎo)流的思想指導(dǎo)漸變B面壁厚設(shè)計，改善熔體流動方向，可以極大地消除產(chǎn)品外觀缺陷，提升產(chǎn)品合格率，降低成本；

（2）基于Moldflow軟件分析高光格柵等復(fù)雜產(chǎn)品充填有很好的指導(dǎo)預(yù)測作用，通過局部漸變壁厚設(shè)計理念消除成形外觀缺陷，達到最佳的高光成型效果。