注塑車燈用塑料產(chǎn)品常見水絲缺陷分析及解決措施

莊麗娟

(常州星宇車燈股份有限公司，江蘇常州 213022)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)汽車燈具提出了越來越高的要求，汽車燈具的質(zhì)量對(duì)行車安全至關(guān)重要。燈具不但要符合法規(guī)上的安全性要求，外觀質(zhì)量要求也越來越高。因塑料具備質(zhì)量輕、耐腐蝕、導(dǎo)熱低、機(jī)械性能好、易于成型等優(yōu)點(diǎn)，目前車燈大部分零部件如殼體、飾圈、反射鏡、燈罩等都是注塑成型。注塑成型是一個(gè)非常復(fù)雜的多因素耦合作用的動(dòng)態(tài)加工過程，過程中的每一個(gè)因素，如模具結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)備、工藝參數(shù)等都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。

CAE軟件可在模具加工之前模擬整個(gè)注塑成型過程，包括充填、保壓、冷卻、翹曲等，對(duì)注塑結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可提前分析出產(chǎn)品可能會(huì)出現(xiàn)的缺陷并提前優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，提高試模成功率。但是，因影響因素較多，CAE模擬結(jié)果難以與真實(shí)注塑過程完全一致，在實(shí)際注塑生產(chǎn)過程中，仍需要根據(jù)實(shí)際調(diào)試情況，分析產(chǎn)生缺陷的原因并提出相應(yīng)對(duì)策，重新調(diào)整工藝參數(shù)、甚至修改模具結(jié)構(gòu)以達(dá)到產(chǎn)品外觀要求。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品外觀易出現(xiàn)欠注、水絲、黑點(diǎn)、開裂、色差、縮痕等不良缺陷，其中水絲常為出現(xiàn)，造成產(chǎn)品報(bào)廢，嚴(yán)重影響合格率。水絲(也稱銀紋或氣紋)是指塑料在充模過程中受到氣體干擾而出現(xiàn)在表面熔料方向上的缺陷。氣體的成分主要包括水汽、空氣、分解氣等。當(dāng)這些氣體超過一定的限度時(shí)，在注射成型后模腔失壓，接近制品表面的氣體就會(huì)冒出來，沿料流方向刻蝕成一連串在光照下閃閃爍爍大大小小的泡點(diǎn)，稱之為銀紋或氣紋。在實(shí)際注塑過程中氣體的存在是不可避免的，而且有相當(dāng)一部分還殘留在塑料內(nèi)部。當(dāng)模內(nèi)壓力足夠大，而氣體含量又不超過一定的限度時(shí)，氣體以分散的狀態(tài)溶解到塑料里面；但當(dāng)模內(nèi)壓力不夠大，而氣體含量又超過一定的限度時(shí)，這些氣體便從熔融塑料中紛紛釋放出來，到達(dá)制品表面而形成銀紋，困閉在厚的壁體內(nèi)而成為氣泡[1]。

1 水絲的類別

1.1 由于材料含水量高產(chǎn)生的水絲

注塑成型時(shí)，若未烘干的塑料粒子進(jìn)入料筒，在高溫下，塑料中的“水分”會(huì)汽化成氣體混在熔融塑料中。進(jìn)入模具內(nèi)含有水汽的塑料與模腔內(nèi)壁劇烈摩擦，水汽被拉成細(xì)長(zhǎng)的“絲狀”，如圖1所示。

圖1 由于材料含水量高產(chǎn)生的水絲

這種水絲的特點(diǎn)是：前端成圓形狀。這種水絲從澆口以扇形方式往周圍散射，通常成大片狀，不僅影響外觀，且產(chǎn)品非常脆，無法正常使用[2]。因此在注射成型時(shí)，原材料必須經(jīng)過嚴(yán)格的烘干工藝(烘干工藝包括烘干溫度和烘干時(shí)間，不同材料的烘干工藝不同，表1列舉了注塑車燈零部件常用原材料的烘干工藝)達(dá)到干燥要求，水分降到濕含量的限制以下，且防止使用過程中回潮。

表1 常見材料的干燥工藝

除干燥不充分外，“水分”的來源還有以下幾種：

(1)塑料在大氣中吸潮。每種塑料粒子的吸潮能力不一樣(如PC對(duì)水分較敏感)，干燥完的塑料粒子如暴露在空氣中15 min，需重新干燥。在生產(chǎn)過程中，一般采用集中供料系統(tǒng)，若輸送系統(tǒng)(如烘干機(jī)下料口、輸送管道)密封不良，或是死角積余料都會(huì)導(dǎo)致原料吸潮。

(2)模腔內(nèi)有水分。因?yàn)榄h(huán)境中空氣濕度大，遇到冷的模具(當(dāng)模溫低于露點(diǎn)時(shí))而凝聚成水珠，或是因?yàn)槔鋮s水路的泄漏而進(jìn)入模穴的水分等。這些水分會(huì)受熱汽化形成水絲。

1.2 由熱分解產(chǎn)生的水絲

注塑成型是指塑料先在注塑機(jī)的料筒中受熱熔融，之后由螺桿(或柱塞)將熔體推擠到模具中成型的一種方法。通常認(rèn)為，塑料受熱的來源70%來自螺桿的剪切熱，30%來自料筒加熱絲。高分子塑料受熱會(huì)過度分解，產(chǎn)生如圖2所示的水絲。

其特征是：一根根很密集。產(chǎn)生該缺陷的原因和相應(yīng)的解決措施如下：

(1)工藝參數(shù)設(shè)置不佳，如料溫或模溫設(shè)置過高導(dǎo)致材料過熱分解。不同材料物性不同，其模溫機(jī)料溫設(shè)置也不同。常見車燈用注塑材料的模溫及料溫如表2所示。另外，熔體在炮筒內(nèi)受到強(qiáng)剪切作用，如背壓過大、射出速度過快、螺桿轉(zhuǎn)速過快、射出終止位置過大、螺桿選擇錯(cuò)誤如壓縮比過大等均會(huì)產(chǎn)生圖2所示水絲，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整工藝。

表2 常見車燈用注塑材料的模具溫度及料溫 ℃

(2)設(shè)備升溫異常，如熱流道升溫過高、加熱圈異常等導(dǎo)致塑料加熱過度。如工藝降低模具溫度和料溫后，水絲無改善跡象，可由噴嘴開始，逐段檢查發(fā)熱圈進(jìn)行檢修，以降低機(jī)筒溫度。

(3)炮筒選擇過大造成原料或色母在料管內(nèi)停留時(shí)間太長(zhǎng)造成分解。車燈行業(yè)通常要求產(chǎn)品克重占螺桿理論克重的比例為：最佳工作范圍(25%～75%)，可接受的范圍(20%～80%)，不推薦的范圍(<10%或>90%)。

(4)模具內(nèi)有死角導(dǎo)致原料長(zhǎng)時(shí)間停留死角造成分解。通常情況有：噴嘴與模具定位圈不匹配，如圖3所示，當(dāng)R1

圖3 噴嘴與模具定位圈不匹配導(dǎo)致原料停留在死角

(5)澆口或流道尺寸過小導(dǎo)致材料流經(jīng)該區(qū)域時(shí)受到過大的剪切而分解。在模具設(shè)計(jì)時(shí)，冷流道尺寸應(yīng)遵循表3要求。

表3 冷流道尺寸設(shè)計(jì)要求 mm

澆口尺寸標(biāo)準(zhǔn)為

(1)

h=nt

(2)

式中：h為澆口厚度；t為產(chǎn)品壁厚；W為澆口寬度；A為型腔表面積；n為材料常數(shù)(常見車燈用材料PC、PMMA、PBT為0.8；ABS為0.75；PP為0.7)。

1.3 由于固化的樹脂流入產(chǎn)生水絲

因冷卻固化的塑料流入產(chǎn)品內(nèi)，會(huì)形成如圖4所示的水絲缺陷，其主要特征在于該水絲的根部有“核”。

形成原因及相應(yīng)的解決措施主要有：

(1)因模溫或料溫較低，或是剪切塑化能力較差使得材料未完全融化并充入型腔。可考慮根據(jù)表2調(diào)整模溫和料溫。

圖4 由于固化的樹脂流入產(chǎn)生的銀光絲

(2)熱流道模具隔熱層過厚導(dǎo)致每模射出時(shí)，熔融塑料將隔熱層冷料帶入模具，形成該類帶“核”水絲(見圖5)；在設(shè)計(jì)熱流道時(shí)，按經(jīng)驗(yàn)值，隔熱層厚度需設(shè)計(jì)成(3±0.8) mm。另外還需優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，消除其他死角。在冷流道模具上增設(shè)冷料井可較好地消除該類缺陷。

圖5 由于隔熱層過厚產(chǎn)生的帶“核”水絲

(3)因保壓時(shí)間過長(zhǎng)，在保壓壓力過大的情況下將流道、澆口上的冷料繼續(xù)擠進(jìn)制品所致。出現(xiàn)該情況需調(diào)節(jié)保壓時(shí)間和保壓壓力，避免過度保壓。

1.4 由空氣卷入產(chǎn)生的水絲

因空氣卷入原料會(huì)在產(chǎn)品上形成如圖6所示的水絲缺陷，其特征在于發(fā)出一根根的銀光絲，且位置固定。

圖6 由空氣卷入產(chǎn)生的水絲

在成型車燈用塑料件時(shí)，通常空氣卷入的原因及解決措施有：

(1)塑化時(shí)，背壓設(shè)置太低，螺桿內(nèi)原料中的空氣未能及時(shí)排除而進(jìn)入型腔。成型車燈常用塑料件，一般儲(chǔ)料背壓設(shè)置為0.5～2.5 MPa。常見材料背壓設(shè)置如表4所示。

表4 常見材料背壓設(shè)置 MPa

(2)射退位置過大，會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入熔融原料中，并進(jìn)入型腔形成水絲。在注塑成型時(shí)，保證澆口不流涎，調(diào)節(jié)射退量，是解決這類水絲較為簡(jiǎn)單有效的方法。

(3)料流在模腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，因某些拐角結(jié)構(gòu)或是很深的加強(qiáng)筋和凸臺(tái)，阻礙了料將空氣自然排出，使空氣困于熔融材料中，形成這類水絲。解決方案如圖7所示改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還可改變澆口位置，從而改變料流方向，或是在如模具無法更改的情況下，降低流過這些結(jié)構(gòu)的料流速度(位置通過短射件確定)。

圖7 解決方案

(4)料流在模腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，因壁厚變化過大，阻礙了料的自然流動(dòng)，使料發(fā)生翻滾將空氣卷入熔融原料中，形成這類水絲。為滿足車燈造型和功能，有些車燈零部件(如燈罩、飾圈、反射鏡等)會(huì)設(shè)計(jì)成如圖8所示的花紋。若花紋深度較深，會(huì)使熔融塑料在流過花紋時(shí)翻滾而產(chǎn)生不規(guī)則線狀痕跡；若花紋只是外觀要求，可優(yōu)化花紋高度，通常高度不超過0.3 mm不會(huì)出現(xiàn)此缺陷；在花紋結(jié)構(gòu)無法更改的情況時(shí)(如反射器需滿足配光要求)，可將壁厚減薄，避免氣穴隨料流沖到產(chǎn)品外觀面上，如圖9所示；還可將澆口位置盡量選擇使料流方向順著花紋，避免原料產(chǎn)生翻滾；此外，在外觀允許的情況下可增加鑲件排氣；工藝上可通過低料速通過該區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 “花紋”結(jié)構(gòu)

圖9 反射器更改方法

(5)排氣不良。由于設(shè)計(jì)上的缺陷，如澆口位置或數(shù)量不合理、模具設(shè)計(jì)或加工不合理，壁厚不均或因模內(nèi)冷卻系統(tǒng)不合理使模溫差別大等，造成熔料在模穴內(nèi)流動(dòng)不連續(xù)，堵塞了空氣逸出的通道，產(chǎn)品沿邊緣先成型，因氣體不能排出而形成水絲。這類水絲的主要特征是伴隨著較明顯的熔接痕，并且水絲往往出現(xiàn)在熔接痕附近，而其他部分沒有。模具分型面缺乏必要的排氣孔道或排氣孔道不足、堵塞、位置不好，又沒有嵌件、頂針之類加工縫隙排氣，使流道和型腔中的空氣不能在塑料進(jìn)入的同時(shí)離去。注射時(shí)低速通過射紋區(qū)域或有氣紋的區(qū)域。

針對(duì)排氣不良產(chǎn)生水絲可從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：

①等高塊要比分型面高5絲；

②在充填末端要開排氣槽，排氣槽深度參照廠商建議；大燈類及后燈類大產(chǎn)品每隔25 mm需加工一條排氣槽，排氣槽必須為采用機(jī)加工確保精度，以免竄料；一般PBT和BMC產(chǎn)品(流動(dòng)性好，易產(chǎn)生飛邊)不開排氣槽，但需在距產(chǎn)品分型線20 mm以上的位置預(yù)留排氣；

③困氣嚴(yán)重處需使用鑲件或頂針頂塊加強(qiáng)排氣；

④根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注射速度。

2 結(jié)束語

注塑成型受人、機(jī)、料、方法、環(huán)境等眾多因素影響，在消除常見缺陷時(shí)，要找到解決問題的關(guān)鍵性因素。在工藝調(diào)試時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循控制變量法，每次只改變一個(gè)參數(shù)，并待工藝穩(wěn)定后多觀察幾次進(jìn)行分析，如若不然，無法準(zhǔn)確判斷問題產(chǎn)生的根本原因。另外，工藝調(diào)試的方法并不是機(jī)械的，通常是多面。如文中所述，解決產(chǎn)品水絲問題就有多個(gè)可能的解決途徑，這需要工程技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)原因進(jìn)行全面分析，找到關(guān)鍵性要素并進(jìn)行調(diào)節(jié)，才能真正解決問題。此外，還應(yīng)注意解決方案中的辯證關(guān)系，比如文中所述，在解決水絲缺陷時(shí)，有時(shí)要提高溫度，有時(shí)要降低溫度，有時(shí)要放慢注射速度，有時(shí)提高注射速度也能解決問題；無不例外，出現(xiàn)了縮痕缺陷時(shí)，有時(shí)要提高物溫，有時(shí)反而要降低溫度。因此不能機(jī)械地套用參考書中給出的調(diào)整措施與方案，而應(yīng)該綜合考慮原料、設(shè)備、模具、工藝，再結(jié)合生產(chǎn)成本和操作的難易程度，按照由易到難、由省到奢的原則找到一個(gè)切實(shí)有效的解決方案。