隨著汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，塑料零件在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。從保險(xiǎn)杠、裙邊和擋泥板等外飾件，到儀表板、門板和立柱等內(nèi)飾件，再到前端框架、罩蓋和進(jìn)氣歧管等發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零件，隨處可見塑料的存在。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在德國、美國和日本等發(fā)達(dá)國家，平均每輛汽車塑料用量已達(dá)到汽車自身重量的10%-15%。汽車塑料件的應(yīng)用對于降低汽車重量，節(jié)約燃油，促進(jìn)環(huán)保以及可回收利用等方面都有顯著優(yōu)勢。汽車塑料件大多數(shù)采用注塑成型，成型周期短，生產(chǎn)效率高，制造成本低。但注塑成型可能會(huì)產(chǎn)生較多的缺陷，虎皮紋、表面復(fù)制不良、縮痕、熔接線和翹曲變形等，是汽車注塑件常見的缺陷，這些缺陷不僅與材料有關(guān)，還與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和成型工藝有很大關(guān)系。

1 虎皮紋

虎皮紋經(jīng)常出現(xiàn)在保險(xiǎn)杠、儀表板、門板和立柱等面積較大的汽車注塑件上，是一種波浪形條紋的表面缺陷，條紋大約垂直于熔體流動(dòng)方向，在制件表面上形成光澤不同的刻印，看起來就像老虎皮上的花紋一樣，俗稱虎皮紋，如圖1所示。

圖1 汽車儀表板上的虎皮紋現(xiàn)象

虎皮紋容易產(chǎn)生在壁厚較薄、流程較大的制件上，它具有以下特征：（1）注塑件表面出現(xiàn)呈周期性變化的明暗交替的條紋；（2）條紋大致垂直于熔體的流動(dòng)方向；（3）條紋分為亮區(qū)和暗區(qū)，亮區(qū)的光澤度高，暗區(qū)的光澤度差；（4）如果制件的外觀面是亮區(qū)，則背面是暗區(qū)，兩者交替出現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 虎皮紋的特征

材料中的增韌體系越多，虎皮紋現(xiàn)象越容易出現(xiàn)^[1]。增韌體系在注塑過程中受到拉伸和剪切，產(chǎn)生微量形變，使得熔體產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)，從而導(dǎo)致虎皮紋產(chǎn)生。韌性差的材料就很少會(huì)出現(xiàn)虎皮紋現(xiàn)象，如增強(qiáng)材料、非增韌的尼龍、聚對苯二甲酸丁二醇酯（PBT）等材料成型過程中很少有虎皮紋產(chǎn)生。應(yīng)用于汽車注塑件的PP材料由于要求有較高的抗沖擊性能，添加了彈性體等增韌成分，非常容易出現(xiàn)虎皮紋缺陷。

制件的壁厚越薄，或充填流動(dòng)距離越遠(yuǎn)，流長比越大，熔體在充模過程中越容易產(chǎn)生不穩(wěn)定流動(dòng)，因此越容易產(chǎn)生虎皮紋。適當(dāng)增加制件的壁厚，或縮短單一澆口的充填距離，可以降低熔體充模阻力，保證熔體流動(dòng)的穩(wěn)定性，有利于消除虎皮紋。但在汽車輕量化要求越來越高的今天，薄壁化是汽車注塑件的發(fā)展趨勢，因此通過增加壁厚來消除虎皮紋不太現(xiàn)實(shí)。

在模具設(shè)計(jì)方面，增加流道直徑，擴(kuò)大澆口的厚度和寬度是消除虎皮紋的有效措施^【2】。澆口厚度最好達(dá)到壁厚的0.7-0. 8倍。此舉的目的是降低熔體在流道和澆口中的壓力損失，減小進(jìn)入型腔時(shí)的出模膨脹效應(yīng)。某車型的副儀表板護(hù)板出現(xiàn)虎皮紋嚴(yán)重，分析是澆口的尺寸過小，加大澆口厚度和寬度后，成功虎皮紋消除，如圖3所示。此外，在模具設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡量采用漸變過渡的直澆口、側(cè)澆口和扇形澆口，避免使用截面積逐漸縮小的潛伏澆口和點(diǎn)澆口。實(shí)踐證明，潛伏澆口、點(diǎn)澆口或很小側(cè)澆口很容易產(chǎn)生虎皮紋。

（a）改善前的虎皮紋 　　　　　　　　　（b）澆口設(shè)計(jì) 　　　           （c）改善后虎皮紋消除

圖3 澆口尺寸對虎皮紋的影響

在注塑工藝方面，熔體溫度、模具溫度和注射速度是影響虎皮紋的幾個(gè)重要參數(shù)。一般來說，提高熔體溫度和模具溫度，調(diào)整注射速度，有利于消除虎皮紋。一般情況下，采用較低的射速有利于消除虎皮紋，因?yàn)榈退傧氯垠w流動(dòng)更加穩(wěn)定。圖4是某汽車零件不同射速下的制件外觀，50%射速時(shí)虎皮紋嚴(yán)重，降低射速至15%，虎皮紋消失。

（a）采用50%射速出現(xiàn)虎皮紋                  （b）采用15%射速后虎皮紋消失

圖4 射速對虎皮紋的影響

2 表面復(fù)制不良

表面復(fù)制不良，指注塑件在成型過程中，不能精確復(fù)制模具型腔表面，表現(xiàn)為制件表面光澤不均。

很多汽車注塑件表面設(shè)計(jì)有皮紋，皮紋效果越細(xì)膩，注塑成型時(shí)就越難復(fù)制。此外，皮紋形狀很規(guī)則，相互之間不連通時(shí)，很容易因皮紋困氣而導(dǎo)致表面復(fù)制不良。圖5是某車型前門上型板的皮紋，皮紋很規(guī)則且型腔不連通，在成型過程中表面容易出現(xiàn)花斑缺陷，實(shí)則是困氣導(dǎo)致的表面復(fù)制不良。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重采用這種類型的皮紋。

                        （a）皮紋　　     （b）表面復(fù)制后的皮紋效果

圖5 規(guī)則且不連通的皮紋表面復(fù)制效果

產(chǎn)生表面復(fù)制不良的原因之一是型腔壓力不足。此種情況下，注塑工藝的設(shè)置應(yīng)能保證熔體在型腔中有足夠的壓力復(fù)制模具表面。一般來說，高溫、高速和高壓（簡稱三高工藝）有利于減小熔體壓力損失，使制件表面更好復(fù)制模具表面。圖6是某汽車的組合儀表罩，出現(xiàn)表面光澤不均，如圖6（a）所示；工藝調(diào)整時(shí)，將料溫從210℃提供至240℃，并提高注塑壓力和速度，最終消除外觀缺陷，如圖6（b）所示。

                    （a）改善前的制件外觀                 （b）改善后的制件外觀

圖6 注塑工藝對表面復(fù)制效果的影響

產(chǎn)生表面復(fù)制不良的另外一個(gè)原因是困氣。當(dāng)模具的排氣效果不好，或皮紋深度較大時(shí)，或注射速度過快使得型腔內(nèi)的氣體來不及排出，就會(huì)產(chǎn)生困氣，導(dǎo)致表面復(fù)制不良。圖7是汽車的除霜格柵，在兩側(cè)出現(xiàn)類似花斑的光澤不均，制件的皮紋深度較大，通過降低注射速度，成功消除表面缺陷。

                    （a）制件                        （b）原始工藝表面復(fù)制效果

                        （c）原始工藝                   （d）改善工藝

（沒有合適的改善后圖片，因此沒有給出，作者注！）

圖7射速對表面復(fù)制的影響

3 縮痕

縮痕產(chǎn)生在制件的表面，指在制件表面形成的局部凹陷。縮痕是制件局部位置在冷卻過程中得不到有效的保壓補(bǔ)縮造成的^【3】。縮痕通常產(chǎn)生在制件上局部厚壁的位置，或產(chǎn)生在加強(qiáng)筋、螺絲柱等突起物的背面。在汽車制件上，螺絲柱、加強(qiáng)筋或卡扣等結(jié)構(gòu)的背面容易出現(xiàn)縮痕。

對于螺絲柱背面產(chǎn)生的縮痕，常用的改善措施是在螺絲柱根部添加火山口結(jié)構(gòu)，如圖8所示。火山口的添加使得螺絲柱根部的等效壁厚（即內(nèi)切圓直徑2R）變小，因此能有效改善縮痕，如圖9所示。一般來說，等效壁厚越小，制件表面就越不容易產(chǎn)生縮痕，當(dāng)螺絲柱根部的等效壁厚接近制件壁厚T時(shí)，制件就基本沒有產(chǎn)生縮痕的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 典型的火山口設(shè)計(jì)

（a）加火山口前的等效壁厚 （b）加火山口后的等效壁厚

圖9 火山口防止縮痕的原理

汽車注塑件很多時(shí)候選用改性PP材料。與工程塑料相比，改性PP模量較低，因此抵抗變形的能力要低些，這更需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證制件的強(qiáng)度。常用的辦法是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中添加加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋的厚度選擇關(guān)系到制件表面是否產(chǎn)生縮痕。對于結(jié)晶聚合物，由于結(jié)晶會(huì)產(chǎn)生后收縮，加強(qiáng)筋根部的厚度要適當(dāng)薄些，建議不超過壁厚的1/3，否則容易在背面形成縮痕；而對于非晶聚合物，由于后收縮較小，加強(qiáng)筋根部的厚度可適當(dāng)厚些，但建議不超過壁厚的1/2。加強(qiáng)筋尺寸設(shè)計(jì)不合理時(shí)，容易在背面形成縮痕，如圖10（a）所示。在允許的情況下，將加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)在兩個(gè)平面交接的過渡曲面背后，即使有輕微縮痕，由于護(hù)面的掩飾作用，也可以巧妙地將縮痕隱藏，如圖10（b）所示。

（a）原始的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)           （b）改善的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)      

圖10 通過設(shè)計(jì)隱藏縮痕的方法

汽車保險(xiǎn)杠對外觀有嚴(yán)格的要求，即使制件上有輕微的縮痕，在噴漆后也可以會(huì)非常明顯，這就對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。圖11（a）是某汽車保險(xiǎn)杠定位卡扣的設(shè)計(jì)，卡扣上的筋背面縮痕明顯，無論如何調(diào)整材料和注塑工藝，都無法徹底解決縮痕問題；而圖11（b）則巧妙地將定位卡扣設(shè)計(jì)在兩個(gè)面交接的位置，將縮痕隱藏起來，留給材料和注塑工藝很寬的設(shè)計(jì)窗口。

                  （a）不合理的設(shè)計(jì)                          （b）合理的設(shè)計(jì)

圖11 保險(xiǎn)杠定位卡扣設(shè)計(jì)

汽車注塑件由于裝配的需要，常在外觀面的背后設(shè)計(jì)較多的卡扣。卡扣的尺寸設(shè)計(jì)很重要，壁厚較薄則卡扣的強(qiáng)度不足，且在注塑時(shí)容易產(chǎn)生缺膠；壁厚較厚則會(huì)產(chǎn)生縮痕。最佳的解決措施是將卡扣根部壁厚減薄，如圖12（b）所示，既解決了卡扣的強(qiáng)度問題，又避免了縮痕，同時(shí)還保證順利注塑成型。而圖12（a）中的卡扣根部沒有進(jìn)行減薄處理，注塑成型時(shí)容易產(chǎn)生縮痕。

                  （a）不合理的卡扣設(shè)計(jì)               （b）合理的卡扣設(shè)計(jì)

圖12 卡扣設(shè)計(jì)

如果制件在注塑成型后要求噴漆，則對縮痕的要求更嚴(yán)格，即使有輕微的縮痕，噴漆后也會(huì)很明顯。圖13是某車型的裙邊卡扣設(shè)計(jì)，雖然采用了卡扣根部減薄的設(shè)計(jì)，但是在垂直于流動(dòng)方向的邊背面還是產(chǎn)生縮痕，噴漆后較明顯，客戶不能接受。而圖14另一款車型的裙邊卡扣則采用了較巧妙的設(shè)計(jì)，在垂直流動(dòng)方向的邊根部采用間斷式的點(diǎn)接觸，由于接觸面積不大，制件的正面上很難看到有縮痕；為了保證卡扣的強(qiáng)度，又將該邊的接觸部分設(shè)計(jì)成平行流動(dòng)方向的較短的加強(qiáng)筋。這樣的卡扣設(shè)計(jì)，既解決了縮痕問題，又保證了強(qiáng)度。

圖13 不合理的卡扣設(shè)計(jì)

                         （a）左視圖                          （b）右視圖

圖14 合理的裙邊卡扣設(shè)計(jì)

4 熔接線

兩股料流相遇時(shí)，制件上就會(huì)形成熔接線。此時(shí)，熔體前沿的切線有一個(gè)夾角，這就是熔接線的匯合角，如圖15所示。匯合角的大小對熔接線的強(qiáng)度和清晰度有重要影響^【4】。根據(jù)Moldflow的分析準(zhǔn)則，當(dāng)匯合角＞135°時(shí)，熔接線肉眼看不到，而且強(qiáng)度很高；當(dāng)匯合角＜135°時(shí)，但大于75°，熔接線比較清晰，但強(qiáng)度仍很高，通過處理，噴漆可以遮蓋住；當(dāng)匯合角＜75°時(shí)，熔接線即使經(jīng)過處理，噴漆仍無法遮蓋，而且強(qiáng)度較差。

圖15 熔接線的匯合角

對于汽車保險(xiǎn)杠、儀表板、門板、裙邊等體積較大的注塑件，通常采用含有順序閥的熱流道來消除熔接線，一般是中間的針閥先打開，當(dāng)熔體前鋒流過下一個(gè)針閥時(shí)，該針閥開啟，這樣就可以避免填充時(shí)在制件上形成較多的熔接線。

但即使采用針閥式熱流道，孔周圍的熔接線也難以消除，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也有辦法去弱化。通常在在孔的周圍增加凹槽等結(jié)構(gòu)，擾亂熔接線的生成，從而起到淡化熔接線的效果。圖17是某款保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)，在霧燈處由于孔的存在會(huì)產(chǎn)生熔接線，在設(shè)計(jì)上巧妙地設(shè)置了一個(gè)凹槽，既可以當(dāng)做裝飾，又可以擾亂熔接線的生成，有效地淡化了熔接線。

圖17 弱化熔接線的凹槽設(shè)計(jì)

在模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免澆口面對著孔，否則形成的熔接線難以調(diào)整。圖18是某款車的前保險(xiǎn)杠，人字形標(biāo)識(shí)中間有很多碰穿孔，而澆口開設(shè)在標(biāo)識(shí)的兩側(cè)，熔體流經(jīng)碰穿孔時(shí)，形成了明顯的熔接線，熔接線末端容易分叉，嚴(yán)重時(shí)熔接線出現(xiàn)褶皺，用砂紙打磨仍看到痕跡，不良率較高。在注塑工藝上，該段采用較低的注射速度可以弱化熔接線，但加工溫度或材料熔體流動(dòng)速率稍有波動(dòng)時(shí)，注塑工藝就需要調(diào)整，這給生產(chǎn)造成了一定的困難。相比之下，另一款類似車型的前保險(xiǎn)杠在該位置的設(shè)計(jì)就巧妙很多，如圖19所示，澆口設(shè)計(jì)在人字形標(biāo)識(shí)的中間，并減少碰穿孔，留給注塑工藝的窗口很寬，不需要采用特定的射速來配合，熔接線的外觀很好。

圖18 熔接線外觀較差的澆口設(shè)計(jì)

圖19 改善熔接線外觀的澆口設(shè)計(jì)

5 翹曲變形

翹曲變形指制件的形狀與設(shè)計(jì)的形狀出現(xiàn)比較大的差異，通常為凸出或凹陷。汽車制件的設(shè)計(jì)常采用PP材料，與工程塑料相比，其模量相對較低，因而抵抗變形的能力要弱些，這就需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證制件的強(qiáng)度。

汽車儀表板前沿也是容易變形的部位。圖20是某款車型上的儀表板，（a）圖是標(biāo)識(shí)處是出現(xiàn)變形的部位，其背面沒有加強(qiáng)筋或其它加固的結(jié)構(gòu)，而整個(gè)儀表板很長，這樣的結(jié)構(gòu)式很難保證不變形的，多次嘗試更換材料配方，依舊無法解決變形問題。而圖21的儀表板前沿設(shè)計(jì)較為合理，其背面每個(gè)一定距離都設(shè)置了加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固防止變形。

（a）儀表板前沿整體結(jié)構(gòu)      （b）變形部位的背面結(jié)構(gòu)

圖20 不合理的儀表板前沿設(shè)計(jì)

（a）儀表板前沿整體結(jié)構(gòu)               （b）背面結(jié)構(gòu)

圖21 合理的儀表板前沿設(shè)計(jì)

在不增加壁厚的情況下，加強(qiáng)筋通常可以增加制件的強(qiáng)度，改善制件的變形。但是，當(dāng)加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)不合理時(shí)，反而會(huì)增加制件的變形。圖22是某汽車的前立柱上體，制件的中部外凸變形，變形部位剛好布置有較多的加強(qiáng)筋。從Moldflow的體積溫度分析結(jié)果來看，筋的壁厚較主體厚度薄，體積溫度下降較快，冷卻定型后約束側(cè)邊向內(nèi)自由變形，導(dǎo)致制件在該部位外凸變形，如圖23所示。

圖22 前立柱上體的變形狀態(tài)

圖23 前立柱上體變形原因分析

6 結(jié)語

通過以上分析，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具設(shè)計(jì)、注塑工藝和材料（涉及材料了嗎？虎皮紋中涉及了一些材料方面的，其它沒有，作者注）都對汽車注塑件缺陷有著重要影響。在遇到問題時(shí)，要綜合考慮這幾個(gè)方面提出改善措施，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)是主要原因，需要重點(diǎn)分析，其次再從注塑工藝和材料上去配合調(diào)整，徹底解決問題。