淺談汽車保險(xiǎn)杠注塑工藝優(yōu)化

陳睿 萬德俊 王河為 馮玉輝 李文鵬 倪海華

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車也逐漸成為人們的主要出行方式。隨著環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，汽車行業(yè)的輕量化、節(jié)能降耗已成為當(dāng)前汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向。塑料產(chǎn)品因?yàn)槠鋬?yōu)異的機(jī)械性能和較低的質(zhì)量密度，使其更符合輕量化的要求而在汽車行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。在汽車塑料零件中，保險(xiǎn)杠作為汽車造型最為突出的零件，其產(chǎn)品質(zhì)量要求非常高，工藝過程復(fù)雜。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求，對保險(xiǎn)杠注塑生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化分析。研究工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，優(yōu)化產(chǎn)品工藝參數(shù)，提升保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品開發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：注塑工藝；保險(xiǎn)杠制備；生產(chǎn)效率

隨著中國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，目前的汽車市場對輕型和綠色環(huán)保的需求越來越大。汽車的排放與其自身的質(zhì)量有直接的聯(lián)系，減輕車輛的重量，就可降低車輛的能源消耗，減少排放。為減輕汽車的重量，人們開始尋求新的材料，以取代傳統(tǒng)的金屬。由于熱塑性材料具有良好的韌性、易于加工、耐高溫以及相對于金屬的小密度，所以這種特性逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，并逐漸被用于汽車工業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對各種功能的需求也在不斷開發(fā)，以適應(yīng)各種場合的需要，而復(fù)合塑料制品在汽車零部件中的應(yīng)用也日益增多，尤其是在汽車的內(nèi)部裝飾件中，塑料制品的使用是最多的。在汽車內(nèi)部裝飾件中，大多數(shù)部件的制造過程比較簡單，采用的是單一的注塑成型技術(shù)。但是，在轎車車身裝飾件中，保險(xiǎn)杠的制造過程比較復(fù)雜，包括注塑、涂裝、連接等工序。而且保險(xiǎn)杠的生產(chǎn)周期相對較短，一般情況下，兩三年后，汽車制造商都會(huì)對保險(xiǎn)杠進(jìn)行外形改型設(shè)計(jì)，以此來刺激消費(fèi)者的購買欲望，所以在生產(chǎn)過程中，保險(xiǎn)杠的生產(chǎn)將會(huì)變得更加復(fù)雜。針對目前保險(xiǎn)杠生產(chǎn)中存在的上述問題，企業(yè)進(jìn)一步研究了保險(xiǎn)杠工藝的工藝設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)優(yōu)化，從而提高工藝開發(fā)能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

保險(xiǎn)杠制品的制造工藝可劃分為：制作光板件、涂覆件和焊件。注塑成型技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)中使用最多的一種工藝，它具有高的準(zhǔn)確度、高的生產(chǎn)效率和能夠采用自動(dòng)化的工藝來完成產(chǎn)品的生產(chǎn)。然而，在注塑成型過程中，往往會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品的尺寸、外形等方面的問題，這就需要對保險(xiǎn)杠的材質(zhì)、模具結(jié)構(gòu)和注塑成型工藝等進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文主要探討了提高注塑成型過程穩(wěn)定性、降低注塑缺陷、縮短注塑周期及提高注塑成型效率等問題。

原材料的選用

保險(xiǎn)杠的原材料開發(fā)與優(yōu)化已有很多年歷史，其中PP-EPDM-T20是最常用的一種。改性聚丙烯，添加 EPDM即橡膠，以提高其耐沖擊性能。添加20%的滑石粉，既能提高剛性，又能減少材料的收縮，從而使保險(xiǎn)杠光板件的成批成型工藝更加穩(wěn)定。保險(xiǎn)杠是汽車零部件中的重要部件，它是安裝在車身上的，為了保證車身的穩(wěn)定，保險(xiǎn)杠上有許多地方都是和車身相匹配的，這是一種嚴(yán)格的尺寸公差要求。這是考核的重點(diǎn)，與車身的間隙、面差等，都有嚴(yán)格的公差和匹配要求。如上文所述，確保保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的大小和穩(wěn)定性是項(xiàng)目研發(fā)和量產(chǎn)中的重要因素。

在選擇材料時(shí)，必須選擇具有較小收縮率的材料，因?yàn)檫@種材料的收縮率越高，就越不利于進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的尺寸控制，在注塑成型后，由于制品溫度過高，導(dǎo)致材料自身的收縮、彎曲、變形。在大部分的研究中，收縮速率的測定是在24～48h。

前期設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.應(yīng)用Moldflow進(jìn)行模擬分析

Moldflow擁有一個(gè)強(qiáng)有力的物料資料庫，它搜集了400個(gè)廠家和8479個(gè)牌號的物料性能參數(shù)，包括熱性能參數(shù)、成型工藝參數(shù)、黏度及 PVT等。不過， Moldflow的數(shù)據(jù)庫中，還有許多改性材料沒有錄入，比如保險(xiǎn)杠之類的。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫里沒有合適的材料，所以只能選擇一些物理性質(zhì)相近的材料，這樣會(huì)影響到分析的準(zhǔn)確性。應(yīng)用 Moldflow方法進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，可以降低工程的后期生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，但在試模過程中仍存在著一定的缺陷，因此必須根據(jù)實(shí)際情況，對模具的加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其達(dá)到最優(yōu)。利用 Moldflow技術(shù)，不但能對早期產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，還能為工程技術(shù)人員提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，并能應(yīng)用到模具的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中。利用 Moldflow進(jìn)行仿真和分析，可以有效地對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和模具進(jìn)行仿真分析，對產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行正確辨識(shí)，制定出最優(yōu)的方案，對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和模具進(jìn)行優(yōu)化，從而解決產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

2.取件方式對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

首先，要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以確定是動(dòng)?；蚨Ｈ〖?。由于保險(xiǎn)杠制品的形狀比較復(fù)雜，評價(jià)動(dòng)模與定模取件的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是在沖模過程中發(fā)動(dòng)機(jī)罩面和輪口區(qū)的成型與模具的碰撞。

可以使用動(dòng)模的先決條件：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋部位的分型線完全外分，若內(nèi)分，拉伸變形的空間應(yīng)至少為1：7；兩邊的尖角部位分型線外分，若內(nèi)分倒扣數(shù)少于1mm，則應(yīng)在尖角處增設(shè)制程拉條；分型線在輪嘴部位完全外分，若內(nèi)分拉變形的空間小于1：10，則模具的結(jié)構(gòu)達(dá)到強(qiáng)度的要求。

可以使用定模的條件：發(fā)動(dòng)機(jī)罩部位的分型線完全向內(nèi)分割，拉伸變形不小于1：7，在兩邊的尖角部位，分型線內(nèi)分，倒扣量超過1mm。而在輪口區(qū)，若分型線完全向內(nèi)分割，拉伸變形不能達(dá)到1：10，則動(dòng)模制件的強(qiáng)度達(dá)不到要求。

就前保險(xiǎn)杠而言，由于前保險(xiǎn)杠的羊角構(gòu)造，使得沖模沖程倒置，兩邊的羊角面積倒扣量為1.0mm，不能滿足動(dòng)模取件的需要，若采用動(dòng)模，則會(huì)造成制品的脫模。即使倒扣數(shù)量過多，也不能將產(chǎn)品從模具中正確地剝離出來，從而對產(chǎn)品的外形、大小和生產(chǎn)節(jié)拍造成很大的影響。采用定模取件的方法，以確保制品外形及尺寸的穩(wěn)定性。通常后保險(xiǎn)杠、門框等產(chǎn)品因其外形較好，不易發(fā)生倒掛，可采取動(dòng)模取件，具體可根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。移動(dòng)模取件可以更快速、節(jié)拍更低和更高效。

3.機(jī)械抓手對產(chǎn)品質(zhì)量的影響

隨著制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械手自動(dòng)取件已取代了傳統(tǒng)的手工取件方法。手工取件的缺點(diǎn)主要如下。

1）注塑機(jī)剛剛停機(jī)，零件表面溫度較高，手工取件容易導(dǎo)致操作人員被燙傷，存在一定的安全隱患。

2）塑料制品在高溫下也是柔軟的，手工取料時(shí)，會(huì)因受力不均而產(chǎn)生變形和扭曲，從而對制品的外形和大小產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

3）會(huì)有被模具夾傷的危險(xiǎn)。

所以，傳統(tǒng)的手工取件方法，安全防護(hù)能力差，工作效率低，會(huì)給制品帶來很大的質(zhì)量問題。而自動(dòng)取件方式，通過PLC與取件機(jī)械手臂相連接，形成一套自動(dòng)取件機(jī)構(gòu)，包括手部、手臂和軀干。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成，通過支板將取件裝置的橫支架相連接，在支板上固定有下端為空心的聯(lián)接螺栓，并和取件吸盤連接。聯(lián)接螺栓的內(nèi)部設(shè)有與氣管路相通的通道以與取件吸盤相通。這樣的自動(dòng)取件機(jī)構(gòu)可以大大提升生產(chǎn)效率和確保產(chǎn)品外觀質(zhì)量和尺寸的穩(wěn)定性。

由于機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，定模取件要比機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，而且體積也要大得多，為了減少在轉(zhuǎn)換過程中更換機(jī)械手的工作壓力，一般的定模取件機(jī)械手都會(huì)選擇較輕的碳纖維作為機(jī)械手，但其造價(jià)也要高一些。動(dòng)模取件的機(jī)械式抓具一般都具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、耗材少的特點(diǎn)，可以選用比較便宜的鎂鋁合金。在成本方面，碳纖維要比鎂鋁合金貴5～6倍。因此，若不是因?yàn)楫a(chǎn)品的結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，不能進(jìn)行動(dòng)模取件，大部分人都會(huì)選擇動(dòng)模取件，以提高工作效率，方便取件。

保險(xiǎn)杠的生產(chǎn)優(yōu)化

1.注塑生產(chǎn)前期準(zhǔn)備優(yōu)化

在做好了前期的分析和準(zhǔn)備工作后，就可以著手制作保險(xiǎn)杠光板。首先，對模具的構(gòu)造進(jìn)行檢驗(yàn)，并與清單中的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行對比，以確保模具的結(jié)構(gòu)是否完好。同時(shí)，根據(jù)模具壓力的需要，對模具進(jìn)行試模。鎖模力的選取一般采用經(jīng)驗(yàn)公式和 Moldflow分析所得的數(shù)值，以中間值為預(yù)入值，鎖模力T的經(jīng)驗(yàn)公式為： T=（0.3～0.6）×投影面積（cm2），而系數(shù)的選取取決于澆口數(shù)量、原材料、零件壁厚及零件形狀等。鎖模力大小若選取不當(dāng)，會(huì)引起零件制品的飛邊，或因鎖模力太小而不能成形，若鎖模作用力過大，則會(huì)造成機(jī)器的超負(fù)荷損耗，造成資源的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)使液壓元件長期處于高壓狀態(tài)，易老化，機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損過快。如果采用鎖模力量較大的設(shè)備，則其噸位數(shù)目、造價(jià)也較高，若采用鎖模力較大的設(shè)備來制造，則將設(shè)備的折舊費(fèi)用分?jǐn)偟礁鞑考?，從而?dǎo)致單位單價(jià)大幅上漲，從而導(dǎo)致資源浪費(fèi)，降低利潤。

注塑微粒在注塑成型前，必須經(jīng)過烘干，然后將注塑顆粒送入干燥桶，在80～100℃（不能溫度太高），以免造成物料的高溫分解，形成氣體，影響到制品的力學(xué)性能。注塑顆粒若未烘干，或未達(dá)到規(guī)定的溫度，將導(dǎo)致制品收縮、缺料及注塑制品出現(xiàn)水痕，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致物料組成不均勻，從而影響制品的力學(xué)和涂料性能，對產(chǎn)品的外觀品質(zhì)有很大的影響。

2.極差法優(yōu)化注塑工藝參數(shù)

汽車保險(xiǎn)杠產(chǎn)品在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于汽車廠家對整車匹配的重視，所以最容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題就是尺寸和收縮。而造成尺寸問題的主要原因是制品的彎曲變形。所以，在注塑成型過程中，采用極差分析方法來確定最佳的成型工藝參數(shù)。

首先確定各工藝參數(shù)的范圍，重點(diǎn)考察了五個(gè)工藝參數(shù)：熔體溫度、模具溫度、注塑速度、保壓時(shí)間及壓力等因素對翹曲變形及收縮的影響。選擇的熔化溫度為200～270℃，模具溫度為30～90℃，注塑速率為700～1600cm3/s，保壓時(shí)間為15～35s，保壓壓力為50～85MPa。通過正交試驗(yàn)，探討了注塑成型工藝對制品翹曲變形和收縮的影響。采用正交法和極差分析方法，可以看出，影響注塑過程中的翹曲變形和收縮指標(biāo)，最重要的是模具的溫度和熔體的溫度。

3.注塑工藝生產(chǎn)效率優(yōu)化

模具溫度、熔體溫度對制品的品質(zhì)有重要影響，而注射速度、保壓時(shí)間等工藝參數(shù)對翹曲率和縮痕的影響不明顯，但在注塑節(jié)拍過程中，這是一個(gè)時(shí)間比較長的參數(shù)。為提高注塑效率，降低注塑節(jié)拍，可根據(jù)注射速度、保壓時(shí)間和冷卻時(shí)間等因素來優(yōu)化注塑速度，從而縮短注塑周期，提高注塑效率。

（1）注射速度? 材料的物理性質(zhì)對注塑速度有很大的影響，一般來說，像保險(xiǎn)杠這樣的復(fù)雜形狀的沖模，都是以最快的速度注入，當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)交叉部位時(shí)，就會(huì)加速?？偠灾?，要根據(jù)物料的性質(zhì)和產(chǎn)品的構(gòu)造，對注射速率進(jìn)行分段設(shè)置。

在最后階段降低注塑速度能有效地減少注塑缺陷，如飛邊、燒焦和困氣。在保險(xiǎn)杠制品中，由于注入速度太快，會(huì)產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致在制品的表面形成氣泡，從而降低制品的致密性，繼而引起產(chǎn)品的收縮，導(dǎo)致產(chǎn)品的尺寸變得更小，出現(xiàn)飛邊、噴濺、流動(dòng)及燃燒印等問題，引起熔體的夾氣。如果注射的速度太慢，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的表面粗糙度增大，從而導(dǎo)致熔接線更加明顯，而且還會(huì)出現(xiàn)冷卻變形，在注塑后期，熔體的流動(dòng)會(huì)被阻擋，很容易造成后期的缺陷和收縮。同時(shí)，產(chǎn)品的應(yīng)力也會(huì)集中在澆口周圍，在噴涂過程中，會(huì)出現(xiàn)局部的變形和壓力線，從而影響產(chǎn)品的大小和外觀。因此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，盡可能地提高注塑速度，從而減低注塑機(jī)的節(jié)拍。

（2）保壓時(shí)間? 保壓是降低制品收縮、確保制品尺寸穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，它能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)向模腔中注入一定的壓力，并對壓力和時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，從而提高成品的豐滿程度。壓力的設(shè)定取決于材料、澆口數(shù)量、壁厚及澆口尺寸等因素。

通常的壓力保持時(shí)間是：

1）保持壓力的總時(shí)間=壁厚的平方×壓力的保壓因子。

2）初始階段壓力保持時(shí)間不超過3s。

3）第二個(gè)階段的壓力保持時(shí)間為+2s的初始壓力。

4）第三個(gè)階段的壓力保持根據(jù)澆口前端的收縮情況來確定。

確定三個(gè)階段的壓力保持時(shí)間，而分段式的作用是：第一段壓緊時(shí)間（壓強(qiáng)）可補(bǔ)償澆口末端的收縮；第二個(gè)階段的保壓時(shí)間（壓強(qiáng)）課彌補(bǔ)澆口的收縮和消除內(nèi)應(yīng)力；第三個(gè)階段的保壓時(shí)間（壓強(qiáng)）對澆口的近端收縮進(jìn)行補(bǔ)充，并阻止倒灌。

（3）冷卻時(shí)間? 由于產(chǎn)品的冷卻不充分，會(huì)使制品在從模具中被取出時(shí)，還沒有完全固化，從而使取件發(fā)生變形及其他缺陷。但冷卻周期過長，將會(huì)對生產(chǎn)效率造成很大的影響，導(dǎo)致注塑節(jié)拍降低，從而降低設(shè)備的利用率。同時(shí)，冷卻時(shí)間還與模具的溫度相關(guān)，較高的模具溫度有助于提高熔體在模具中的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的外觀品質(zhì)，提高產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性和降低冷卻后的收縮。但同時(shí)，模具的高溫也會(huì)使冷卻時(shí)間變長。

冷卻時(shí)間取決于產(chǎn)品的厚度、材質(zhì)、模具溫度及澆口尺寸等，而對于像保險(xiǎn)杠這樣的薄壁厚的產(chǎn)品，根據(jù) Moldflow的早期仿真，冷卻通道入口和出口的溫差非常小，可以在10～25s內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)冷卻，但卻占據(jù)了整個(gè)注塑過程的1/4，因此，為了提高整體的生產(chǎn)效率，必須縮短冷卻時(shí)間。若冷卻時(shí)間太短，會(huì)造成縮模、粘模、脫模變形及脫模等缺陷。

結(jié)語

在項(xiàng)目的研發(fā)和量產(chǎn)中，確保保險(xiǎn)杠產(chǎn)品的大小和穩(wěn)定性非常重要。在選擇材料時(shí)，應(yīng)選擇具有較小收縮性能的材料，以確保制品的尺寸穩(wěn)定性。利用 Moldflow進(jìn)行仿真和分析，可以有效地對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和模具的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，對產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行正確辨識(shí)，制定出最優(yōu)的方案，從而減少后期生產(chǎn)中出現(xiàn)的許多質(zhì)量問題，提高模具的生產(chǎn)效率。研究結(jié)果顯示，當(dāng)產(chǎn)品成型較復(fù)雜時(shí)，可以根據(jù)零件的分型線和倒扣數(shù)量來決定產(chǎn)品在模具上的動(dòng)模取件或定模取件的方法，從而防止在以后的生產(chǎn)中因強(qiáng)力脫模而造成的質(zhì)量問題。機(jī)械手夾具的設(shè)計(jì)要與取件方法相結(jié)合，對機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，可以減少制品的外觀缺陷，如飛邊。在實(shí)際注塑過程中，模具溫度、熔體溫度對制品翹曲變形和縮痕的影響最大，而保壓時(shí)間、注射速度、冷卻時(shí)間等因素對翹曲變形和縮痕的影響不大。但是這些工藝參數(shù)的節(jié)拍在整個(gè)注塑節(jié)拍中占有很大比例，對這些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可以提高生產(chǎn)效率。

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