大型復雜汽車高光內外飾件模具設計及注塑缺陷解決方法

關鍵詞：高光；注塑模具；設計；注塑缺陷

中圖分類號：U463 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.06.005

Design of High gloss Interior and Exterior Decoration Molds for Large and Complex Cars and Solution to Injection Defects

Abstract： Regarding the injection molding of large and complex automotive interior and exterior high gloss parts， due to poor materialfluidity and rapid cooling and heating of the mold， the appearance of the product is prone to appearance problems such as silver wire，material shortage， fusion line， and warping. Through analysis of the injection molding process， the injection molding， heating， cooling， andexhaust systems of the mold are optimized to solve the above-mentioned appearance problems， achieve the improvement of injectionmolding process and product quality， and increase the injection molding qualification rate to over 90%， providing reliable technicalreference for subsequent high gloss injection molding mold design.

Key words： Highlight；Injection mould；Design；Injection defects

0引言

當前，隨著新能源汽車逐步引領市場潮流，車輛造型越來越追求個性化、時尚化與科技感。在新車型造型的CMF（Color，Material，Finishing）方案中，外觀裝飾件更多地采用了高亮黑的設計元素[1]。若采用噴涂高亮漆工藝，不僅零件成本高、噴涂合格率低，且無法進行復雜的造型創(chuàng)新設計，使產品的外觀缺乏特色，缺失個性。相比之下，高光注塑工藝[2]則能夠輕松達到高亮的外觀要求，且無需進行任何表面處理。這一工藝不僅省去了噴涂工序，提升了生產效率，同樣能達到外觀高光黑的效果。更重要的是，它還能實現更加復雜、多樣的產品造型方案[3]。

本文論述了大型結構復雜的汽車內外飾高光零件注塑模具的設計要點，重點對進膠系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及排氣系統(tǒng)進行優(yōu)化，解決產品外觀面易出現的銀絲、缺料、熔接線、翹曲等難題，從而實現注塑工藝及產品品質的雙重提升。

1汽車高光注塑產品結構及工藝分析

適用于高光注塑的原材料主要包括ASA、PMMA、PC+ABS以及PMMA+ASA等，其中以PMMA+ASA材料應用最為廣泛[3]。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）組分的表面光澤度、耐光老化性能優(yōu)異，但耐沖擊性能相對較弱；而ASA（丙烯腈-苯乙烯-丙烯酸酯三元共聚物）組分則具有優(yōu)良的耐沖擊性、耐候性、抗紫外線和耐化學腐蝕性能，但表面硬度不夠，易劃傷。將這2種材料以一定比例混合，可相互補充，形成具有高力學性能、耐候性的合金材料[4]。

如圖1所示，某過往車型的高光注塑前格柵（以下簡稱：格柵A）造型結構復雜，存在多處碰穿網格孔。其尺寸為1320×442×255mm，主壁厚為2.5mm，屬于中大型高光注塑零件。該格柵A采用PMMA+ASA材料進行注塑生產，經測算，所需最小鎖模力為1527N，因此需選用1600T或以上規(guī)格的注塑機臺進行生產。

2汽車高光注塑模具的設計概述

2.1模具材質選擇

在高光注塑過程中，由于模具需要承受急冷急熱的溫度變化，因此需選用相比普通注塑模具更高性能的鋼材，以最大限度延長模具的使用壽命。高光模具成型鋼料需要具備優(yōu)良的傳熱性、拋光性、加工性、耐磨性、耐腐蝕性以及低熱膨脹系數等特性。針對應用最廣泛的PMMA+ASA原材料，模具鋼材的選擇應根據不同的模具壽命要求來確定。

2.2模具加熱及冷卻系統(tǒng)

高光注塑模具通過特定的溫控機在注塑過程[5]中向模具輸入熱蒸氣（或熱油），使模具快速升溫至80～100℃。注塑完成后，又通過冷水快速冷卻將模溫降低至60～65℃。如圖2所示，加熱系統(tǒng)排布于模具型芯鑲塊中，冷卻系統(tǒng)則排布于A板及B板中。水路直徑φ=12～15mm，水路相鄰間距一般為L=（3～4）×φ。為確保模具可以均勻地快速升溫和降溫，加熱系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)中的通道必須均勻排布。至于加熱媒介具體選擇油還是水蒸氣，需根據生產廠家從經濟性及注塑現場配備設備情況來決定。

2.3模具進膠系統(tǒng)

格柵A產品所采用的PMMA+ASA材料流動性顯著低于普通改性PP。二者熔融指數性能對比如表1所示。

為保證熔融狀態(tài)的PMMA+ASA原材料在格柵A模具中充分充填，模具采用了多點熱流道布置[6]。如圖3所示為高光格柵A注塑模具流道及澆口布設示意圖。其中，G1～G6、G11為開放式熱流道，G7～G10為針閥式熱流道。流長比（相鄰進膠點間距與產品主壁厚的比值）用于衡量注塑原材料在模具中的流動難易程度。流長比越小，原材料越容易流動；反之，則越難。如圖3所示，相鄰進膠點的最大間距為320mm，最小間距為153mm，產品主壁厚為2.5mm。經計算得出，最大流長比為128，最小流長比為61.2。

在選擇熱流道種類時，對于有表面外觀要求的產品區(qū)域，采用針閥熱流道；對于無外觀要求的區(qū)域，則選用開放式熱流道。

2.4模具排氣系統(tǒng)

為確保格柵A模具在注塑填充過程中能將模腔內的氣體順利排出至分型面，需在模具分型周邊均勻布置排氣槽，以避免注塑過程發(fā)生困氣現象和產品缺料問題。如圖4所示，模具設計包括三級排氣槽。排氣槽的寬度U設為6mm，相鄰排氣槽的間隔L設為80mm。根據高光格柵原材料的溢邊值要求[7]，各級排氣槽的深度和長度設計如下：第一級排氣槽的深度A為0.02mm，長度B為6mm；第二級排氣槽的深度D為0.6mm，長度C也為6mm；第三級排氣槽的深度E為1mm。

3產品實際情況

高光注塑格柵A由于尺寸大、結構復雜，在實際注塑生產過程中，經過30件產品的制造后，出現了明顯的外觀缺陷，如圖5所示。具體問題包括：

（1）由于原材料熔體流動性較差，加之產品內部存在大量的孔洞結構，導致注塑過程中熔體充填受到阻礙。特別是在產品的中間區(qū)域，容易產生銀絲、白點、缺料以及熔接線等外觀缺陷。同時，由于末端充填困難，也容易出現缺料問題。

（2）產品的中間區(qū)域局部存在明顯的翹曲變形現象。

4原因分析

（1）經測量發(fā)現，產品中間翹曲變形區(qū)域對應的模溫比其他區(qū)域高10～15℃。經過排查，確認這一現象主要是由于該區(qū)域緊鄰處于高溫狀態(tài)的注塑機料筒。同時，格柵A模具采用的是單組集水塊冷卻方式，其冷卻效果相對較差。

（2）經確認，注塑過程中的壓力設定為160MPa。根據PMMA+ASA材料的注塑工藝要求，合理的注塑壓力范圍應在90～120MPa。為了確保注塑過程的正常進行和產品質量，必須降低當前的注塑壓力。

（3）在材料流動性方面，如圖3所示，進膠系統(tǒng)中相鄰進膠點的最大間距達到了320mm，導致流長比高達128，遠遠超出了PMMA+ASA材料的正常值（正常流長比一般不超過90）。

5優(yōu)化措施制定及實施

基于以上對高光注塑格柵注塑過程中發(fā)生的缺陷分析及改善方向，我們制定了相應的優(yōu)化措施。

5.1降低注塑壓力，改善注塑填充

5.1.1排氣系統(tǒng)

（1）為了降低注塑壓力并改善困氣和注塑填充不順的問題，我們在分型面上增加了排氣槽的數量，將模具分型的排氣槽間隔L由原80mm減小至40mm。同時，第一級槽的深度A由原0.02mm增加至0.03mm，長度B由原6mm增加至10mm，如圖4所示。

（2）針對易困氣且難以充填的格柵A產品深筋條和填充末端，增加了排氣鑲件，以進一步提高排氣效果。

5.1.2進膠系統(tǒng)

高光注塑原材料的流動性比普通注塑原材料更低，流長僅為180～200mm。而格柵A高光注塑模具的相鄰進膠點設計間距過大（250～300mm），未考慮到高光注塑的流長限制，導致注塑填充困難。由于模具及熱流道系統(tǒng)已加工完成，無法新增熱流道，在后續(xù)新車型高光注塑格柵（以下簡稱：格柵B）的設計方案中采用以下優(yōu)化措施：增大進膠點尺寸，對于開放式熱流道的側進膠澆口，將其長度由A=20mm增大至30mm，厚度由B=1.0mm增大至1.2mm；對于針閥式熱流道的針閥直徑，由φ3mm增大至φ4.5mm。

通過以上模具方案的改善，高光注塑格柵A注塑產生的困氣、銀絲、翹曲變形等缺陷得到了有效消除，注塑合格率由原來的40%提升至60%。

5.2優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，改善局部模溫過高問題

在注塑生產過程中，由于產品進膠區(qū)域靠近注塑機料筒，導致該模具此區(qū)域溫度高。如果冷卻效果不良，將進一步加劇此區(qū)域的溫度問題，從而導致翹曲變形。因此，需在此區(qū)域加強冷卻系統(tǒng)，以確保模溫均勻穩(wěn)定。

格柵A模具原采用單組集水塊冷卻方式，效果較差，無法滿足此區(qū)域與其他區(qū)域溫度均勻的要求。為此，我們通過增加多個集水塊同步并行工作，實現了各自單獨調節(jié)溫度的功能。該方案顯著改善了進出水溫度差，使模具表面溫度的加熱與冷卻更加均勻，進而提升了模具冷卻效率。

通過以上模具方案及產品結構的改善，高光注塑格柵A注塑產生的缺陷進一步得到了消除，注塑合格率由原來的60%提升至83%。

5.3再進一步優(yōu)化方案

格柵A所采用的原材料為PMMA+ASA，其流動性較低，熔融指數僅為4g/10min。為了進一步改善流動性差導致的充填困難、缺料、銀絲等問題，引入了改善后的高流動性PMMA+ASA材料，其熔融指數可達13g/10min。改善前后的物性參數以及與改性PP原材料的對比詳見表2。

采用改善流動性后的PMMA+ASA原材料進行注塑生產，合格率再由83%提升至90%。需要注意的是，這種改善后的原材料價格比改善前上漲了12%。經過綜合對比分析，考慮到上述高光格柵A模具方案經過改善后，合格率已經達到了83%，滿足了量產水平的要求。因此，為了控制成本，格柵A的生產將繼續(xù)使用原有的PMMA+ASA原材料，而不進行更換。

6后續(xù)模具設計驗證情況

根據以上優(yōu)化方案，在新車型高光格柵B模具中進行了應用，具體采用的優(yōu)化方案如下：

（1）產品結構優(yōu)化：針對注塑過程中影響流動性阻膠的部位進行了改善。如圖5中的I視圖所示，將R角的大小由過往車型的0.5mm增大至1mm，以改善注塑時膠料的流動性。

（2）進膠系統(tǒng)設計：在熱流道布置方案中，調整了相鄰進膠點的間距D（如圖5所示），確保相鄰進膠點對應的流長比不超過90，從而實現注塑填充更順暢。

（3）排氣系統(tǒng)設計：如圖4所示，在高光注塑產品的分型周邊均勻布置了排氣槽。模具包括三級排氣槽，槽寬L為6mm，每隔40mm設置一個排氣槽。第一級槽的深度A為0.02mm，槽長度B為6mm；第二級排氣槽的長度C也為6mm。針對容易產生困氣、難以充填的產品深筋條和填充末端，增加了排氣鑲件，以提高排氣效果。

（4）冷卻系統(tǒng)設計：如圖2所示，冷卻水路的直徑為φ15mm，水路相鄰間距L為3倍的水路直徑。同時，對過往的單組集水塊集中供水方案進行了優(yōu)化，改為多組集水塊同步并行工作，實現各自單獨調節(jié)溫度，以提高冷卻效率和溫度控制的準確性。

經過試模驗證，按照上述改善方案設計的高光注塑格柵B模具生產的產品表面品質非常高，無缺料、翹曲變形、銀絲或熔接線等外觀缺陷。產品合格率可達90%以上，達到了量產穩(wěn)定狀態(tài)。

7結束語

本文結合大型復雜高光注塑產品在實際生產過程中遇到的質量問題，系統(tǒng)歸納并總結了影響高光注塑產品質量的關鍵因素。通過對工藝參數、塑料材料性能、產品設計、模具設計后續(xù)生產工藝以及模具維護等多個方面的深入分析，并結合對比分析，為后續(xù)高光注塑產品的模具設計及注塑生產提供了可靠的技術借鑒。