基于Moldflow軟件的汽車高光件縮痕原因分析*

藺福志，王 亞，劉超逸

(嘉興信元精密模具科技有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

隨著汽車行業的不斷發展，對汽車外飾件的品質要求不斷提升，尤其對其高光件的品質要求更加嚴格，然而高光件縮痕問題一直困擾著模具從業者。Moldflow軟件作為模具設計及產品問題解決的重要計算機輔助工具，本文作者對Moldflow在汽車高光件的應用及縮痕問題解決標準進行了剖析和優化，以解決縮痕引起的汽車外飾高光件的外觀缺陷問題。

1 理論基礎

1.1 縮痕定義

縮痕是制品表面的局部塌陷，如圖1所示，呈酒窩或溝壑狀[1]。

(a) 溝壑狀縮痕

(b) 酒窩狀縮痕

1.2 縮痕產生原因

縮痕主要由制件冷卻期間的熱收縮造成[2]。在正常情況下塑料熔體以“噴泉流”的方式填充模具型腔，表層的熔體因接觸較冷的模壁形成固化層，而芯層處于熔融狀態，如圖2所示。外部材料冷卻并固化后，型芯材料才開始冷卻。如圖3所示，型芯材料的收縮將主壁表面拉向內側，產生縮痕。如果零件的外表層足夠堅硬，便可以抵抗收縮力，從而避免縮痕產生。相反，材料型芯會收縮，在零件內部產生縮孔。

圖2 塑料熔體的噴泉流

圖3 零件的外表縮痕和內部縮孔示例

縮痕和縮孔的形成與產品設計、模具設計、成型工藝和材料等方面都有很大關系。原因常常有如下幾點[3]。

1) 產品幾何特征?？s痕通常出現在含有較厚區域的成型物中，或出現在與加強筋、定位柱或內圓角相對的位置；

2) 材料補償不足。澆口凍結過早或保壓壓力過低可能會使型腔無法正常保壓；

3) 保壓或冷卻時間過短；

4) 熔體、模具溫度過高；

5) 體積收縮率過高。

1.3 縮痕的危害

1) 外觀品質不良，無法滿足消費者對外觀品質的需求；

2) 產品外觀不良率增加，造成原材料的浪費，無法滿足低碳環保發展要求；

3) 產品強度降低，產品的縮痕或縮孔可能會帶來安全和質量隱患。

2 常規解決措施

2.1 合理設計

2.1.1 避免壁厚過大且保證均勻性

制件的厚度越大，則冷卻時的收縮壓越大，如果保壓補縮不足，就會產生縮痕或縮孔。一般制件的最大壁厚不宜超過4 mm。通過合理的產品設計獲得均勻的壁厚(圖4)，既不影響制件的使用，也能避免縮痕和縮孔的產生[4]。

圖4 通過合理的產品設計獲得均勻的壁厚

2.1.2 加強筋的設計

為了增加制件的強度，在制件設計中常采用加強筋。一般情況下，加強筋根部的厚度不宜超過壁厚的1/3(圖5)，否則容易在成品背部形成縮痕。

圖5 加強筋厚度小于主壁厚的1/3

2.1.3 特征設計

可以在縮痕位置設計一些特征，巧妙地將縮痕隱藏(圖6)。

圖6 通過增加特征隱藏縮痕

2.1.4 圓角設計

為了防止應力集中，常在制件的直角處倒圓角[5]。倒圓角時，如果內外圓角的尺寸不協調，容易在圓角過渡處形成壁厚不均，導致縮痕或縮孔，外圓角的半徑應等于內圓角半徑加上制件壁厚(圖7)。

圖7 內外圓角的尺寸關系

2.2 材料填充

2.2.1 適當加大澆口尺寸

澆口凍結過早或保壓壓力過低可能會使型腔無法正常保壓。Moldflow軟件的凍結層因子結果顯示： 色帶上的1代表完全凍結，0代表完全未凍結，0～1之間代表零件部分凍結。如果澆口尺寸設計過小，注塑過程完成時，澆口會優先冷卻凍結，當澆口已經完全凍結，而型腔還未凍結，則保壓通道關閉，產品不能得到有效保壓(圖8)。在模具設計時加大澆口尺寸，延后澆口的冷卻凍結，保證了有效保壓通道。

圖8 澆口的過早凍結導致保壓通道阻斷

2.2.2 加大保壓壓力

型腔填充后，因為塑料會繼續冷卻，注塑機會繼續對塑料施壓，以便將更多材料推入模具中，這樣以可補償收縮。這一階段離不開壓力，在填充零件之前，從速度控制切換到壓力控制。在不出現過保壓的前提下，保壓壓力越高，體積收縮率越低。

圖9為Moldflow軟件“頂出時刻的體積收縮率”結果，此結果可用來檢測模型中的縮痕。高收縮率值可能表示零件中存在縮痕或縮孔。分別用45 MPa和65 MPa的保壓壓力進行保壓驗證。當保壓壓力為45 MPa時，產品末端體積收縮率為4.3%；當保壓壓力為65 MPa時，產品末端體積收縮率為3.3%。因此，加大保壓壓力能有效改善零件縮痕。

(a) 保壓壓力為45 MPa的體積收縮率

2.3 保壓或冷卻時間

保壓時間必須足夠長，以便在壓力釋放前凍結澆口。冷卻階段為不再向塑料施加任何壓力，零件會繼續冷卻和凍結，直到能夠頂出，并保持形狀。冷卻時間足夠長才能保證材料的固化成型，并減小出模后的二次收縮。因此在成形工藝上，選擇合適的保壓時間和保壓壓力組合，才能保證產品的有效保壓和對產品收縮的有效補給[5]。

2.4 熔體、模具溫度

2.4.1 適當降低料溫和模溫

從塑料的PVT屬性(圖10)可以看出： 熔體壓力越高，單位質量的塑料體積越小；熔體溫度越高，單位質量的塑料體積越大。隨著溫度的升高，塑料膨脹越多，收縮也就越大，越容易產生縮痕。因此在成型工藝上，適當降低料溫和模溫也是常用的改善產品縮痕問題的方法之一。

圖10 塑料的PVT屬性

2.4.2 優化模具水路設計

合理的水路設計能使得型腔表面的模溫較均勻。必要時，在局部壁厚較大或者散熱不好的區域加強冷卻，避免模具局部熱點。如圖11所示，在筋對應的模面加強冷卻，使得表面固化層較快形成。當表面固化層較厚時，剛性較大，不容易產生縮痕。

(a) 傳統的冷卻回路

2.5 體積收縮率

制件的溫度從熔體溫度變化為環境溫度時，會產生聚合物收縮。體積收縮過大會造成零件翹曲、縮痕、關鍵尺寸過小和內部縮孔等問題。壁厚過大和保壓不足都是造成零件體積收縮率高的原因。

本文作者根據多年經驗，研究了體積收縮率的合理選擇。

3 基于Moldflow的縮痕解決方案研究

Moldflow作為模具設計及產品問題解決的重要計算機輔助工具，在各行業應用的參數標準不一，因此有必要對Moldflow在汽車行業應用的技術標準進行探討。Moldflow軟件關于縮痕問題解決的常見結果有如下幾種。

3.1 縮痕估算

“縮痕估算”結果會顯示模擬的零件縮痕及其計算深度，并且顯示一個詳細說明深度差異的圖例。此結果表明可能存在由表面相對面的特征導致的縮痕(和縮孔)，并指出其位置[6]。

3.2 體積收縮率結果

“體積收縮率結果”以原始體積的百分比形式顯示各個節點的體積收縮率。是指從保壓階段結束到零件冷卻至環境參考溫度(默認值為25 ℃/77 ℉)時，局部密度的百分比增量。在型腔得到填充后，會根據當前PVT狀態和參考狀態(壓力P為0，溫度T為指定的環境溫度)之間的差異開始計算體積收縮率。此結果可用來檢測模型中的縮痕。高體積收縮率可能表示零件中存在縮痕或縮孔。

Moldflow幫助文件中，關于體積收縮率檢查事項有如下幾點說明[6]。

1) 局部高收縮率區域可能在零件冷卻時導致內部縮孔或縮痕；

2) 整個零件中的體積收縮率應統一。這對材料的充分保壓很重要，能確保零件具有良好的結構和視覺完整性。使用保壓曲線使收縮率更統一；

3) 負的體積收縮率值表示膨脹而非收縮。應避免筋上存在負收縮率，因為這可能導致頂出問題。

以下本文作者從汽車外飾件側圍裝飾板的實際案例進行驗證。

4 案例研究

4.1 側圍裝飾板總成蓋板縮痕案例

該案例產品為側圍裝飾板總成蓋板(圖12)，外觀要求為高光黑，材料為PMMA，牌號為ACRYPET IRK304， 38 g， 3 mm均勻壁厚，采用一出二熱流道針閥系統轉冷流道側進膠。

圖12 側圍裝飾板總成蓋板基本信息

4.2 前期模流分析結果

主要從Moldflow的“頂出時刻的體積收縮率”結果和“縮痕估算”結果進行驗證分析[1]。

該案例“頂出時刻的體積收縮率”結果數值相對均勻?！翱s痕估算”分析結果為0，未發現異樣(圖13)。

圖13 Moldflow分析的頂出時刻的體積收縮率和縮痕結果

4.3 T0試模情況

產品出現局部縮痕(圖14)，經工藝調試無法消除。

圖14 產品出現局部縮痕

4.4 原因排查

從產品3D數字化模型可以發現： 為防止產品與母模黏連，模具前期設計在產品公模側加了8個長寬深為6.8 mm×1.0 mm×1.0 mm的筋位孔，和實物縮痕位置一致(圖15)。

圖15 產品3D數模上的筋位孔

4.5 重新導入Moldflow驗證

重新導入Moldflow驗證的“頂出時刻的體積收縮率”結果，如圖16所示，鄰邊差值率大于2%，說明收縮不均，會導致收縮時拉扯并產生應力，出現縮痕。

圖16 Moldflow的“頂出時刻的體積收縮率”結果

重新導入Moldflow驗證的“縮痕估算”結果，如圖17所示，縮痕估算顯示縮痕深度為0(無縮痕)，但實際產品是有縮痕的。

圖17 重新導入Moldflow得到的“縮痕估算”結果

4.6 修改筋位

從減小產品局部的收縮差異壓出發，將8個筋位孔的尺寸改為6.8 mm×0.6 mm×0.7 mm，以通過減小壁厚差，來減少體積收縮差異。修改后的產品數模如圖18所示。

圖18 筋位孔做小做淺后的產品3D數模

4.7 再次驗證

將修改后的產品數模再次導入Moldflow軟件進行驗證“頂出時刻的體積收縮率”，結果如圖19所示，鄰邊差值小于2%。

圖19 Moldflow的“頂出時刻的體積收縮率”結果

將修改后的產品數模再次導入Moldflow軟件進行驗證“縮痕估算”，結果如圖20所示，縮痕深度依然為0(無縮痕)。

圖20 改模后再次驗證的Moldflow“縮痕估算”結果

4.8 T1試模驗證

經T1試模驗證，縮痕成功解決，外觀達到品質要求，如圖21所示。

圖21 T1試模產品外觀無縮痕

5 結語

本文作者以汽車外飾件三角蓋板PMMA高光注塑為例，通過Moldflow軟件和經驗結合，解決了縮痕缺陷問題，針對基于Moldflow的分析注意事項，有如下建議[8]：

1) 可以主要從Moldflow軟件的“頂出時刻的體積收縮率”結果和“縮痕估算”結果進行分析預測；

2) 局部高收縮率區域可能在零件冷卻時產生內部縮孔或縮痕。整個零件中的體積收縮率應統一。這對材料的充分保壓很重要，能確保零件具有良好的結構和視覺完整性?？梢允褂帽呵€使收縮率更統一。負的體積收縮率值表示膨脹而非收縮。應避免筋上存在負收縮率，因為這可能導致頂出問題。體積收縮率并不是越大越好，也不是越小越好，在不出現脹模的前提下，體積收縮率保持均勻，建議鄰邊(一般約20 mm間距內)體積收縮率差值小于2%為最佳；

(3) “縮痕估算”結果能顯示零件中縮痕的計算深度，表明可能存在由表面相對面的特征導致的縮痕(和縮孔)，并指出其位置。縮痕通常出現在包含較厚部分的成形物中，或者出現在與加強筋、定位柱或內圓角相對的位置。此結果不會顯示由局部厚區域導致的縮痕。這點尤為重要，因此，當縮痕估算顯示為0，并不能代表產品沒有縮痕，建議將“頂出時刻的體積收縮率”結果和“縮痕估算”結果結合起來進行縮痕預測更為科學合理。