汽車塑料零件孔隙率的檢測及控制方法

黃春田

(上海實業交通電器有限公司，上海 200030)

汽車塑料零件孔隙率的檢測及控制方法

黃春田

(上海實業交通電器有限公司，上海 200030)

鋁合金材料代替鋼材、塑料代替鋼材是新的常用輕量化方法。采用注塑加工的塑料零件，零件內部易出現孔隙，這些孔隙會影響零件的機械強度。通過幾個汽車玻璃升降器塑料零件的開發，介紹塑料零件孔隙率的檢測方法及控制方法，為以塑代鋼的輕量化零件的開發應用提供參考。

塑料零件；孔隙率；檢測方法；控制方法；汽車輕量化

0 引言

隨著汽車零件的輕量化應用，許多零件材料由原來的鋼材改為塑料。為了達到原來零件所需要承擔的負載和功能，在塑料零件的受力主體部位，勢必需要增加零件的壁厚或增加加強筋。塑料零件壁厚如果過大，在注塑加工過程中，受材料特性的影響，零件內部容易出現孔隙。有些產品的試驗和售后出現了塑料零件斷裂的現象，特別是高低溫環境使用后，塑料件出現斷裂失效的故障。通過對斷裂故障件進行失效分析時發現，斷裂面有不同程度的孔隙存在。塑料件內部的孔隙，如果出現在關鍵受力部位并且體積過大，勢必會減小該部位的機械強度，所以需要檢測零件的孔隙和控制孔隙的大小。

1 孔隙率的標準說明及檢測方法

在設計中有一款汽車零件，因為輕量化設計和快速安裝的新技術要求，由原來的鋼板和塑料件復合結構改為全塑料結構，材料為均聚POM,這樣零件質量減小了1/2，零件成本和裝配成本也有20%以上的減少。該零件屬于功能件，承擔著較大的負載，如果因為強度不足而變形或斷裂，那么就會影響產品的功能和壽命，所以需要對零件進行孔隙檢測，控制零件關鍵部位的孔隙率。

按照客戶的標準，孔隙率要求為：D1/5%。這個要求按孔隙的面積占比和最大尺寸來定義的，D1表示孔隙的最大允許尺寸為1 mm，孔隙截面積占所在面的評估面積比例最大允許5%。零件的受力部位大多是孔隙檢測的重要部位，也通常是零件壁厚較厚的部位。

孔隙率的檢測方法經歷了幾個階段：早期的是X光攝片檢測，這種方法對于孔隙的具體幾何尺寸分析不詳細，只能作一個孔隙分布的定性分析；后來根據X射線的檢查結果再對孔隙部位進行分層切割，通過軟件分析計算孔隙的占比及尺寸，這種方法現在還廣泛應用于壓鑄件的孔隙率檢測中；最新的是CT逐層掃描分析，檢測精度提高了很多。

通過逐層掃描分析，可以還原零件內部孔隙的形狀結構及分布位置，對孔隙的最大尺寸定義也是按其空間體積最大處來測量的，與前面兩種檢測方法的結果有差別，因為很多孔隙的分布是不規則的，最大尺寸處不與外形平面呈平行，這種檢測方法相對要嚴格很多。圖1所示為某一塑料零件CT掃描的影像及多個角度截面孔隙的分析。

圖1 某一塑料零件CT掃描的影像及多個角度截面孔隙的分析

2 孔隙的成因分析及控制方法

孔隙的形狀有縮孔和縮松兩種。縮孔切開后，有明顯的空腔，孔壁較為光滑，在POM材料中形成的就是縮孔；縮松切開后，有時看不到明顯的空腔，而是內部材料形成密度不足的絮狀腔，但經CT掃描檢測可以判定為孔隙，縮松一般在加玻纖的材料中較多見。按照實際檢測中孔隙產生的部位及結構，對塑料零件進行分析，可以總結一下孔隙產生部位及機制：

(1)零件壁厚不均勻，局部壁厚過厚，注塑加工時形成不均勻收縮，零件壁薄部分先冷卻結晶，壁厚部分在繼續結晶過程中，沒有新的材料補充，在厚壁處形成縮孔，這是出現孔隙的最主要原因;

(2)零件內部結構復雜，例如方形孔洞過多(模具上的鑲件過多)，注塑加工過程中，膠流在鑲件處形成合流困氣，如果排氣不順暢及保壓效果不良，就會形成孔隙；

(3)模具制作缺陷。膠口大小及位置設置不合理，排氣設計不足，冷卻水路不合理等；

(4)注塑工藝不良。壓力、保壓時間、熱流道及料筒溫度等設置不合理。

根據孔隙產生的原因，結合幾款設計的實際產品，介紹在零件設計中減少孔隙的幾個應用方法。

壁厚不均是產生氣孔的首要原因。通過修改零件的設計，使壁厚盡量均勻，可以減少孔隙現象產生，如圖2所示為某零件局部壁厚修改前后Moldflow對比；但塑料零件主要受力部位一般需要通過增加壁厚來提高強度(如圖3—4所示)，因此不能單純地用減少壁厚的方法消除孔隙。零件的注塑模具設計中，膠口一般設置在壁厚最厚的部位，如果因為受結構約束膠口不能設置在厚壁處，也要盡量靠近厚壁部位，并且通過Moldflow分析軟件進行分析對比，找到最優的設計方案，有效減小孔隙率。

當膠口必須遠離厚壁位時，可以在模具的進膠口到零件壁厚較大部位之間增加一條壁厚較厚的通道，加寬后的壁厚大于或等于零件最大壁厚，保證注塑過程中，膠流能夠很容易到達厚壁位，并且在注塑保壓過程中，流動的塑料可以充分保壓到厚壁位，達到改善孔隙的效果。在零件厚壁處到進膠口間增加膠道示意圖如圖5所示。

圖2 零件局部壁厚修改前后Moldflow分析對比

圖3 筋根部原始狀態，常規壁厚 圖4 筋根部加寬處理，加寬后的厚度不小于零件最大壁厚

圖5 在零件厚壁處到進膠口間增加膠道示意圖

模具內的鑲件是一些零件結構需要，不可能隨意改變位置及尺寸，但鑲件的銳角部分盡量采用圓角過渡，減小注塑加工過程中膠流阻力，同時保證鑲件處的排氣效果，如圖6所示。對于零件面積較大者，模具各個部位溫度均勻，對于零件成型后的翹曲變形和內部孔隙都有較大影響，需要在模擬分析和實際加工試制過程進行重點檢查，保證模具各個部位溫差盡量小，以保證注塑加工質量。

圖6 新增排氣鑲針結構(白色部分為零件截面)

對于注塑工藝以及注塑設備方面的問題，則較容易發現和實施。零件試制過程中，調整不同的工藝參數，主要提高注塑壓力、降低進膠速度、調整保壓等。通過對比孔隙的改善效果，反復校正，還可以用不同的設備進行調試，找到最優的工藝參數和設備參數，可以有效減少孔隙率。

3 結束語

現在有的體積較厚塑料零件采用微孔注塑的工藝，特別在零件內部形成均勻的微孔，在保證零件強度及功能的情況下，進行零件輕量化。但作者主要是從非主觀的設計缺陷方面著手來闡述塑料零件孔隙成因和控制方法。針對不同的產品，可能還會有更多的孔隙現象，但成因大多屬于上面分析的原因。參考文中給出的控制方法，孔隙現象應該都可以得到有效改善。

[1]何方成,史亦韋.樹脂基復合材料孔隙率超聲表征技術研究[J].航空材料學報,2006,26(3):355-356. HE F C,SHI Y W.Ultrasonic Characterization of Porosity in Fiber-reinforced Composites[J].Journal of Aeronautical Materials,2006,26(3):355-356.

DetectionandControllingMethodofAutomotivePartsPorosity

HUANG Chuntian

(Shanghai SIIC Transportation Electric Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China)

Aluminum alloy instead of steel, plastic instead of steel are commonly used lightweight method. Plastic parts made by injection molding processing are prone to appear internal porosity, these porosities will affect the mechanical strength of parts. Through several automotive window regulator plastic parts development cases, the detection method and control method of the porosity in plastic parts were introduced. It provides reference for the development and application of lightweight plastic instead of steel parts.

Plastic parts; Porosity; Detection method; Control method; Automotive lightweight

U465.4+1

B

1674-1986(2017)09-054-03

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.013

2017-04-20

黃春田(1972—)，男，本科，工程師，主要從事汽車玻璃升降器產品的研發。E-mail:hct800@163.com。