化學微發泡成型外觀表面技術研究

徐以國，裘洲通，向良明，延偉華

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

由于微發泡材料與未發泡材料相比具有更高的比強度、比韌性、抗沖擊性、尺寸穩定性、更長的耐疲勞使用壽命及更低的原料使用量，化學微發泡工藝在降低制造成本及減輕質量等方面的應用越來越得到重視。雖然注射發泡有減輕質量的優點，但是采用該工藝生產的制品存在大量的銀紋帶、旋渦紋、流痕等缺陷[1,2]，成型的外觀件大部分需要通過噴漆等二次處理覆蓋制品表面的缺陷和瑕疵，限制了其發展和應用。目前常用的注射微發泡方法一般為物理發泡[3-7]，熔體在進入型腔之前已經和氣體混合，注射時氣體容易流入成型的制品表面形成缺陷，表面存在缺陷的制品一般不能做外觀件，在此前提下研究化學微發泡技術在免噴涂注射成型過程中的應用。

1 化學微發泡工藝簡介

化學微發泡是指在塑料基體中添加一定量的化學發泡劑，經過均勻混合，當熔體溫度升高到發泡劑的分解溫度后，發泡劑發生化學反應并快速分解產生大量的氣體，從而在聚合物內部形成泡孔結構。注射發泡成型工藝包括塑化形成聚合物—氣體均相體系、泡孔成核、泡孔長大以及固化定型4個階段[8]，如圖1所示。

充模過程中泡孔的變形和破裂是引起發泡表面缺陷的主要因素，如何抑制泡孔在充模過程中變形和破裂，或使困在熔體表面和型腔之間的氣體重新融入基體是解決問題的關鍵，許多學者在這2 個方面進行了大量的研究工作，提出了很多改善表面質量的方法，如氣體反壓技術、抽真空技術、充模前模具升溫等方法控制氣體不提前發泡[9]。

現有學者提供的方法尚存在一定的局限性，不能完全解決成型制品的外觀問題，現采用柔性后退（core-back）的模具進行化學發泡成型。模具柔性后退一定的距離，留有足夠的發泡空間進行發泡。填充階段不發泡以保證成型制品的外觀，并通過后續的模具后退動作進行發泡，此時的氣泡不會沖破填充階段形成的冷凝層到制品的外觀面形成缺陷，使免噴涂無外觀缺陷的制品成型成為可能，其中coreback 模具是保證成型的核心技術，基于其core-back功能，可以定義合理的初始壁厚及制品最終成型壁厚是實現外觀級化學發泡應用的關鍵。基于coreback 模具進行了后退距離研究，從制品設計及模具分型面處理等方面進行研究，解決了氣泡邊界鼓出、溫差線等外觀缺陷問題。

2 柔性后退模具開發

2.1 發泡成型模具動作過程

柔性后退模具的成型過程如圖2 所示，步驟1：模具合模，此時型芯與型腔之間的距離為T1；步驟2：注射一部分熔體；步驟3：動模在注塑機滑塊帶動下后退L，釋放一定的空間進行發泡；步驟4：進行冷卻定型；步驟5：開模取出制品，最終成型制品的厚度T2為T1+L。其中成型制品原始厚度為T1，最終厚度為T2，T1到T2過程質量沒發生變化，厚度的變化是氣泡填充的結果，相對于壁厚為T2的普通注塑零件，化學發泡的制品由于中間布滿氣孔，如圖3 所示，可以減輕質量。

圖2 化學發泡流程

圖3 化學發泡前后制品截面

2.2 發泡模具結構及core-back動作

區別于常規的注射模，適用于化學發泡工藝的core-back 模具在注射過程中需要實現后退一定距離后進行發泡。模具結構如圖4 所示，動作過程：合模初始狀態下，型腔板1、彈頂結構2、型芯鑲件3、型芯4 閉合，注射成型的制品初始壁厚為T1；當初始壁厚為T1的制品成型后型芯鑲件3 和型芯4 在注塑機滑塊帶動下后退L，此時成型的制品在發泡劑作用下開始發泡，為了保證發泡作用下的膠料不突破分型面，造成表面鼓泡缺陷，此時彈頂結構2在彈簧的作用下和型腔板1 連接。圖5 所示為分型面前后對比，原成型制品輪廓為A，發泡完成后得到的制品輪廓為B，A 為制品的工藝數據，B 為最終制品數據，整個發泡過程中彈頂結構2 一直和型腔板1 結合，不隨型芯鑲件3 及型芯4 一起后退，保證發泡沖出的熔料不會流入制品表面形成缺陷。發泡完成后件2、3、4在注塑機滑塊的作用下克服彈簧的彈力一起后退，與型腔板1分開，再進行開模取件。

圖4 模具結構

圖5 前后分型面處理

2.3 模具分型面階差處理

由于微發泡特殊的后退過程，分型面處發泡沖破邊界造成邊界不平而影響成型制品外觀表面，如圖6 所示，需要在分型面處設置1 個階差，提出了3個階差設計方案，如圖7 所示,在同一成型制品中取不同的3 處進行開模驗證，試驗結果表明：1 mm 厚的階差獲得的制品外觀較好，并將其定為設計規范。

圖6 發泡沖破邊界的影響

3 Core-back初始及最終制品開發

（1）初始壁厚定義。制品的初始壁厚設計既要減輕質量，又要滿足制品外觀、剛度、強度等要求，根據減輕質量的目標要求，制品初始壁厚為1.6～2.2 mm。初始分析選擇1.6、1.7、1.8 mm的3個厚度進行試驗，在模具側設置可變厚度結構，實例驗證，綜合外觀及減輕質量評估后鎖定1.8 mm 為最佳初始厚度。

（2）core-back 距離定義。制品初始壁厚假設1.8 mm 以下，在保證良好外觀的前提下，借助經驗得知后退之后的制品厚度不能大于初始厚度的1.5倍，core-back 距離過大會導致壓力下降過快而使氣泡在長大階段無約束地膨脹合并破裂，制品表面產生氣泡外浮等無法解決的缺陷。初始提出1、1.2、1.4 mm距離作為3個方案，通過軟模打樣，根據樣件外觀評估最終確定1 mm 的core-back 距離作為執行方案。

（3）壁厚開發。結合初始壁厚及core-back 距離后最終制品的壁厚需求，根據門板安裝及位置功能與試驗要求，此2處采用加強處理，其余大面結構壁厚采用1.8 mm，考慮外觀溫差線對于壁厚的要求，提出3 種初始方案如圖8 所示，提交CAE 分析驗證和開模樣件評估，確定大過渡區域的方案2 為最終方案，獲得完整的壁厚分部。

圖7 階差設計方案

圖8 3種壁厚方案

4 結束語

通過研究外觀免噴涂的化學發泡注射成型技術，總結適用于化學發泡技術的core-back 模具及制品開發關鍵技術，解決了化學發泡在開發過程中的開發難點，如流痕、光澤差異及發泡不良等，最終減輕質量20%以上。