淺談汽車保險杠注塑工藝優化

陳睿 萬德俊 王河為 馮玉輝 李文鵬 倪海華

摘要：隨著社會經濟的發展，科學技術的進步，汽車也逐漸成為人們的主要出行方式。隨著環保意識的不斷增強，汽車行業的輕量化、節能降耗已成為當前汽車行業的重要發展方向。塑料產品因為其優異的機械性能和較低的質量密度，使其更符合輕量化的要求而在汽車行業內得到廣泛應用。在汽車塑料零件中，保險杠作為汽車造型最為突出的零件，其產品質量要求非常高，工藝過程復雜。結合實際生產要求，對保險杠注塑生產工藝進行優化分析。研究工藝參數對產品質量的影響，優化產品工藝參數，提升保險杠產品的生產質量和生產效率，對汽車保險杠產品開發和工業化生產具有指導意義。

關鍵詞：注塑工藝；保險杠制備；生產效率

隨著中國汽車工業的迅速發展，目前的汽車市場對輕型和綠色環保的需求越來越大。汽車的排放與其自身的質量有直接的聯系，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識，并逐漸被用于汽車工業。隨著科學技術的發展，人們對各種功能的需求也在不斷開發，以適應各種場合的需要，而復合塑料制品在汽車零部件中的應用也日益增多，尤其是在汽車的內部裝飾件中，塑料制品的使用是最多的。在汽車內部裝飾件中，大多數部件的制造過程比較簡單，采用的是單一的注塑成型技術。但是，在轎車車身裝飾件中，保險杠的制造過程比較復雜，包括注塑、涂裝、連接等工序。而且保險杠的生產周期相對較短，一般情況下，兩三年后，汽車制造商都會對保險杠進行外形改型設計，以此來刺激消費者的購買欲望，所以在生產過程中，保險杠的生產將會變得更加復雜。針對目前保險杠生產中存在的上述問題，企業進一步研究了保險杠工藝的工藝設計與工藝參數優化，從而提高工藝開發能力，提高產品質量，提高生產效率。

保險杠制品的制造工藝可劃分為：制作光板件、涂覆件和焊件。注塑成型技術是當今工業生產中使用最多的一種工藝，它具有高的準確度、高的生產效率和能夠采用自動化的工藝來完成產品的生產。然而，在注塑成型過程中，往往會出現產品的尺寸、外形等方面的問題，這就需要對保險杠的材質、模具結構和注塑成型工藝等進行設計。本文主要探討了提高注塑成型過程穩定性、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

保險杠的原材料開發與優化已有很多年歷史，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，從而使保險杠光板件的成批成型工藝更加穩定。保險杠是汽車零部件中的重要部件，它是安裝在車身上的，為了保證車身的穩定，保險杠上有許多地方都是和車身相匹配的，這是一種嚴格的尺寸公差要求。這是考核的重點，與車身的間隙、面差等，都有嚴格的公差和匹配要求。如上文所述，確保保險杠產品的大小和穩定性是項目研發和量產中的重要因素。

在選擇材料時，必須選擇具有較小收縮率的材料，因為這種材料的收縮率越高，就越不利于進行大規模生產時的尺寸控制，在注塑成型后，由于制品溫度過高，導致材料自身的收縮、彎曲、變形。在大部分的研究中，收縮速率的測定是在24～48h。

前期設計優化

1.應用Moldflow進行模擬分析

Moldflow擁有一個強有力的物料資料庫，它搜集了400個廠家和8479個牌號的物料性能參數，包括熱性能參數、成型工藝參數、黏度及 PVT等。不過， Moldflow的數據庫中，還有許多改性材料沒有錄入，比如保險杠之類的。因為數據庫里沒有合適的材料，所以只能選擇一些物理性質相近的材料，這樣會影響到分析的準確性。應用 Moldflow方法進行工程設計，可以降低工程的后期生產風險，但在試模過程中仍存在著一定的缺陷，因此必須根據實際情況，對模具的加工參數進行調整，使其達到最優。利用 Moldflow技術，不但能對早期產品的結構進行分析，還能為工程技術人員提供準確的數據信息，并能應用到模具的設計與生產中。利用 Moldflow進行仿真和分析，可以有效地對產品的結構和模具進行仿真分析，對產品的風險進行正確辨識，制定出最優的方案，對產品的結構和模具進行優化，從而解決產品的質量問題。

2.取件方式對產品質量的影響

首先，要對產品的結構進行分析，以確定是動模或定模取件。由于保險杠制品的形狀比較復雜，評價動模與定模取件的設計重點是在沖模過程中發動機罩面和輪口區的成型與模具的碰撞。

可以使用動模的先決條件：發動機蓋部位的分型線完全外分，若內分，拉伸變形的空間應至少為1：7；兩邊的尖角部位分型線外分，若內分倒扣數少于1mm，則應在尖角處增設制程拉條；分型線在輪嘴部位完全外分，若內分拉變形的空間小于1：10，則模具的結構達到強度的要求。

可以使用定模的條件：發動機罩部位的分型線完全向內分割，拉伸變形不小于1：7，在兩邊的尖角部位，分型線內分，倒扣量超過1mm。而在輪口區，若分型線完全向內分割，拉伸變形不能達到1：10，則動模制件的強度達不到要求。

就前保險杠而言，由于前保險杠的羊角構造，使得沖模沖程倒置，兩邊的羊角面積倒扣量為1.0mm，不能滿足動模取件的需要，若采用動模，則會造成制品的脫模。即使倒扣數量過多，也不能將產品從模具中正確地剝離出來，從而對產品的外形、大小和生產節拍造成很大的影響。采用定模取件的方法，以確保制品外形及尺寸的穩定性。通常后保險杠、門框等產品因其外形較好，不易發生倒掛，可采取動模取件，具體可根據產品的數據結構進行分析。移動模取件可以更快速、節拍更低和更高效。

3.機械抓手對產品質量的影響

隨著制造業的發展，機械手自動取件已取代了傳統的手工取件方法。手工取件的缺點主要如下。

1）注塑機剛剛停機，零件表面溫度較高，手工取件容易導致操作人員被燙傷，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，會因受力不均而產生變形和扭曲，從而對制品的外形和大小產生嚴重的影響。

3）會有被模具夾傷的危險。

所以，傳統的手工取件方法，安全防護能力差，工作效率低，會給制品帶來很大的質量問題。而自動取件方式，通過PLC與取件機械手臂相連接，形成一套自動取件機構，包括手部、手臂和軀干。驅動系統是由動力源、控制調節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接螺栓，并和取件吸盤連接。聯接螺栓的內部設有與氣管路相通的通道以與取件吸盤相通。這樣的自動取件機構可以大大提升生產效率和確保產品外觀質量和尺寸的穩定性。

由于機械手的結構設計，在機械臂結構的設計中，定模取件要比機械手的結構更加復雜，而且體積也要大得多，為了減少在轉換過程中更換機械手的工作壓力，一般的定模取件機械手都會選擇較輕的碳纖維作為機械手，但其造價也要高一些。動模取件的機械式抓具一般都具有結構簡單、體積小、耗材少的特點，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，若不是因為產品的結構太過復雜，不能進行動模取件，大部分人都會選擇動模取件，以提高工作效率，方便取件。

保險杠的生產優化

1.注塑生產前期準備優化

在做好了前期的分析和準備工作后，就可以著手制作保險杠光板。首先，對模具的構造進行檢驗，并與清單中的各項內容進行對比，以確保模具的結構是否完好。同時，根據模具壓力的需要，對模具進行試模。鎖模力的選取一般采用經驗公式和 Moldflow分析所得的數值，以中間值為預入值，鎖模力T的經驗公式為： T=（0.3～0.6）×投影面積（cm2），而系數的選取取決于澆口數量、原材料、零件壁厚及零件形狀等。鎖模力大小若選取不當，會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，則會造成機器的超負荷損耗，造成資源的浪費，同時也會使液壓元件長期處于高壓狀態，易老化，機械結構磨損過快。如果采用鎖模力量較大的設備，則其噸位數目、造價也較高，若采用鎖模力較大的設備來制造，則將設備的折舊費用分攤到各部件上，從而導致單位單價大幅上漲，從而導致資源浪費，降低利潤。

注塑微粒在注塑成型前，必須經過烘干，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，影響到制品的力學性能。注塑顆粒若未烘干，或未達到規定的溫度，將導致制品收縮、缺料及注塑制品出現水痕，同時會導致物料組成不均勻，從而影響制品的力學和涂料性能，對產品的外觀品質有很大的影響。

2.極差法優化注塑工藝參數

汽車保險杠產品在生產實踐中，由于汽車廠家對整車匹配的重視，所以最容易出現的質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。

首先確定各工藝參數的范圍，重點考察了五個工藝參數：熔體溫度、模具溫度、注塑速度、保壓時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，保壓時間為15～35s，保壓壓力為50～85MPa。通過正交試驗，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，最重要的是模具的溫度和熔體的溫度。

3.注塑工藝生產效率優化

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

（1）注射速度? 材料的物理性質對注塑速度有很大的影響，一般來說，像保險杠這樣的復雜形狀的沖模，都是以最快的速度注入，當遇到結構交叉部位時，就會加速。總而言之，要根據物料的性質和產品的構造，對注射速率進行分段設置。

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。在保險杠制品中，由于注入速度太快，會產生氣體，導致在制品的表面形成氣泡，從而降低制品的致密性，繼而引起產品的收縮，導致產品的尺寸變得更小，出現飛邊、噴濺、流動及燃燒印等問題，引起熔體的夾氣。如果注射的速度太慢，會導致產品的表面粗糙度增大，從而導致熔接線更加明顯，而且還會出現冷卻變形，在注塑后期，熔體的流動會被阻擋，很容易造成后期的缺陷和收縮。同時，產品的應力也會集中在澆口周圍，在噴涂過程中，會出現局部的變形和壓力線，從而影響產品的大小和外觀。因此，在保證產品質量的前提下，盡可能地提高注塑速度，從而減低注塑機的節拍。

（2）保壓時間? 保壓是降低制品收縮、確保制品尺寸穩定性的一個重要指標，它能在規定的時間內向模腔中注入一定的壓力，并對壓力和時間進行優化，從而提高成品的豐滿程度。壓力的設定取決于材料、澆口數量、壁厚及澆口尺寸等因素。

通常的壓力保持時間是：

1）保持壓力的總時間=壁厚的平方×壓力的保壓因子。

2）初始階段壓力保持時間不超過3s。

3）第二個階段的壓力保持時間為+2s的初始壓力。

4）第三個階段的壓力保持根據澆口前端的收縮情況來確定。

確定三個階段的壓力保持時間，而分段式的作用是：第一段壓緊時間（壓強）可補償澆口末端的收縮；第二個階段的保壓時間（壓強）課彌補澆口的收縮和消除內應力；第三個階段的保壓時間（壓強）對澆口的近端收縮進行補充，并阻止倒灌。

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

冷卻時間取決于產品的厚度、材質、模具溫度及澆口尺寸等，而對于像保險杠這樣的薄壁厚的產品，根據 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內進行最優冷卻，但卻占據了整個注塑過程的1/4，因此，為了提高整體的生產效率，必須縮短冷卻時間。若冷卻時間太短，會造成縮模、粘模、脫模變形及脫模等缺陷。

結語

在項目的研發和量產中，確保保險杠產品的大小和穩定性非常重要。在選擇材料時，應選擇具有較小收縮性能的材料，以確保制品的尺寸穩定性。利用 Moldflow進行仿真和分析，可以有效地對產品的結構和模具的設計進行仿真，對產品的風險進行正確辨識，制定出最優的方案，從而減少后期生產中出現的許多質量問題，提高模具的生產效率。研究結果顯示，當產品成型較復雜時，可以根據零件的分型線和倒扣數量來決定產品在模具上的動模取件或定模取件的方法，從而防止在以后的生產中因強力脫模而造成的質量問題。機械手夾具的設計要與取件方法相結合，對機械手的運動軌跡進行優化，可以減少制品的外觀缺陷，如飛邊。在實際注塑過程中，模具溫度、熔體溫度對制品翹曲變形和縮痕的影響最大，而保壓時間、注射速度、冷卻時間等因素對翹曲變形和縮痕的影響不大。但是這些工藝參數的節拍在整個注塑節拍中占有很大比例，對這些關鍵參數進行優化，可以提高生產效率。

參考文獻

[1] 彭培銘，張子林，王宇林，等.基于CCD和PSO的汽車制動插件注塑工藝參數優化[J].塑料，2022，51（1）：48-55.

[2] 趙博文，王晶琦，鄭凱，等.某車型前保險杠材料性能特征分析與匹配優化[J].北京汽車，2021（5）：28-32.

[3] 王高坤，陸玉凱，陳靜，等.基于FTA保險杠生產質量提升研究[J].塑料工業，2021，49（5）：69-72.

[4] 廖生溫，王可勝，王玉勤等.導管接頭注塑成型工藝參數優化[J].塑料工業，2021，49（5）：58-64.

[5] 王倩，鄭國立，王智，等.保險杠的品質管理方案[J].汽車實用技術，2020（15）：175-177.

[6] 季寧，張衛星，于洋洋，等.基于正交試驗的防爆球注塑成型工藝參數優化[J].機械設計，2020，37（7）：74-79.

[7] 張海祥，鐘升輝，伍建瓊.注塑工藝對薄壁注塑聚丙烯K2760性能測試的影響[J].塑料工業，2020，48（S1）：105-108.

[8] 許寶武.新型建筑用碳纖維復合材料的注塑成型與工藝優化[J].合成材料老化與應用，2020，49（1）：55-56，102.

[9] 段帥帥，張亞，李世中.注塑工藝制品質量影響因素及參數優化[J].塑料工業，2019，47（10）：86-88，115.

[10] 鐘升輝，薛宏魁，陳強，等.注塑工藝對均聚聚丙烯拉伸性能的影響[J].合成樹脂及塑料，2019，36（3）：65-68.