汽車儀表板骨架微孔發(fā)泡塑件的綜合性能 我要智能原創(chuàng)在內(nèi)容神器編輯

摘要: 為了研究微孔發(fā)泡在大型塑件中的應(yīng)用問題维蒙，以汽車儀表板骨架塑件為例，利用Moldflow 軟件模擬分析微孔發(fā)泡注塑和傳統(tǒng)注塑成型果覆。結(jié)果表明颅痊，微孔發(fā)泡注射成型在注塑時(shí)間、注塑壓力局待、體積收縮和翹曲變形等方面均好于傳統(tǒng)注塑成型斑响。通過對塑件泡孔形貌、密度燎猛、孔隙率恋捆、力學(xué)強(qiáng)度照皆、表面粗糙度等性能的檢測重绷，研究微孔發(fā)泡實(shí)際應(yīng)用問題。檢測結(jié)果表明膜毁，微孔發(fā)泡能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重昭卓，且產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)注塑，但表面粗糙度較傳統(tǒng)注塑差瘟滨，汽車外觀零件如采用微孔發(fā)泡成型須經(jīng)過表面處理來改善表面缺陷候醒。

與傳統(tǒng)注塑塑件相比，微孔發(fā)泡塑件具有成型壓力小杂瘸、密度小倒淫、隔音隔熱效果佳等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車败玉、航空航天敌土、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域[1–3]。統(tǒng)計(jì)顯示运翼，當(dāng)現(xiàn)代汽車總質(zhì)量每降低10%返干，燃油率提高約7%；車重每減少100 kg血淌，百公里油耗可降低約0.5 L[4]矩欠。目前，隨著社會的發(fā)展和環(huán)保節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為時(shí)代潮流癌淮。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展躺坟，汽車零部件的產(chǎn)品日新月異，為了發(fā)展汽車輕量化乳蓄，目前可符合輕量化的綠色射出成型工藝有薄殼射出成型[5]瞳氓、碳纖維射出成型[6]、氣體(液體)輔助射出成型[7]栓袖、超臨界微細(xì)發(fā)泡成型[8]匣摘。其中超臨界微細(xì)發(fā)泡的優(yōu)點(diǎn)有：(1)節(jié)省制造成本，減重超過10%裹刮；與傳統(tǒng)注塑相比料溫和模溫均可降低音榜，從而減少成型周期20%；另外較少射出量和采用低黏度熔融塑料捧弃，可以選擇小噸位注塑機(jī)赠叼，這樣發(fā)揮小機(jī)型可以制造大產(chǎn)品的工藝。(2)有利于改善塑件質(zhì)量违霞，如改善平整度嘴办，減少翹曲、產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好买鸽、內(nèi)應(yīng)力小涧郊。(3)微孔發(fā)泡塑件設(shè)計(jì)更有發(fā)揮余地，與傳統(tǒng)注塑相比無須擔(dān)心凹痕眼五，可以設(shè)計(jì)薄壁和厚加強(qiáng)筋[9]妆艘。諸多優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致超臨界微細(xì)發(fā)泡成型在汽車輕量化領(lǐng)域中具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。

微孔發(fā)泡在大型塑件上運(yùn)用較少看幼，為了發(fā)揮微孔發(fā)泡注射的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢[10–12]批旺，筆者以汽車儀表板骨架塑件為例，利用Moldflow 軟件模擬分析微孔發(fā)泡注塑存在的流動問題并進(jìn)行工藝調(diào)式诵姜，通過對塑件泡孔形貌汽煮、孔隙度、力學(xué)強(qiáng)度棚唆、表面粗糙度等性能的檢測暇赤，研究微孔發(fā)泡實(shí)際應(yīng)用問題。

1 塑件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求

汽車儀表板骨架塑件的結(jié)構(gòu)如圖1 所示瑟俭，材料為20%玻纖增強(qiáng)聚丙烯翎卓，塑件大尺寸為1 217.00 mm×436.50 mm×323.00 mm，最 大 投影面積為4 541 cm2摆寄，體積為2 822 cm3失暴，壁厚為2.5 mm坯门。該塑件尺寸大，壁較薄逗扒，屬于大型薄壁塑件古戴，塑件在各向異性的作用下體積收縮不均勻，導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲變形較難達(dá)到技術(shù)要求矩肩。為了改善塑件翹曲變形又適應(yīng)汽車輕量化的要求现恼，可采用微孔發(fā)泡注塑成型技術(shù)。產(chǎn)品一模一腔黍檩，采用13 點(diǎn)順序閥點(diǎn)澆口進(jìn)澆形式叉袍。

塑件要求的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)表面無渦流痕、銀紋刽酱、微泡及開孔喳逛，無縮痕、熔接痕棵里、應(yīng)力痕润文、冷料斑、飛邊殿怜、毛刺等缺陷典蝌，MT3 精度等級。

(2)相對常規(guī)注射头谜，模具鎖模力減少10%骏掀，注塑壓力<50 MPa，成型周期減少15%乔夯，模具制品減重10%砖织，改善制品變形>30%，增強(qiáng)產(chǎn)品力學(xué)性能15%末荐。

(3)模具各運(yùn)動部件滑配間隙，生產(chǎn)時(shí)動定模各處冷卻溫差在10℃范圍內(nèi)新锈。

圖1 汽車儀表板骨架塑件結(jié)構(gòu)

2 微孔發(fā)泡與傳統(tǒng)注塑對比分析

利用Moldflow 軟件對比分析了微孔發(fā)泡與傳統(tǒng)注塑的注塑壓力甲脏、充填時(shí)間、體積收縮和翹曲變形妹笆，如圖2～圖5 所示块请。

從圖2 可以看出，微孔發(fā)泡產(chǎn)品充填更加均勻拳缠，而傳統(tǒng)注塑在產(chǎn)品充填末端時(shí)充填較為困難墩新，導(dǎo)致注塑時(shí)間增加，生產(chǎn)周期延長窟坐。

圖2 微孔發(fā)泡與傳統(tǒng)注塑注塑壓力對比

圖3 微孔發(fā)泡與傳統(tǒng)注塑充填時(shí)間對比

從圖3 分析結(jié)果看海渊，在傳統(tǒng)注塑工藝條件下注射時(shí)間為7.86 s绵疲，高注塑壓力為22.75 MPa，保壓時(shí)間為8 s臣疑；微發(fā)泡工藝條件下注射時(shí)間為3.2 s盔憨，高注塑壓力為21.55 MPa，且無保壓時(shí)間讯沈。若傳統(tǒng)注塑在3.2 s 時(shí)間的狀態(tài)下郁岩，注塑壓力將會大幅度增加，預(yù)計(jì)會到50 MPa 左右缺狠。這是因?yàn)槌R界流體加入到熔融塑料中降低了塑料黏度问慎，提高了塑料的流動性，從而改善聚合物的可加工性挤茄。另外傳統(tǒng)注塑需要采用保壓才能確保塑料填滿蝴乔，防止翹曲，而微孔發(fā)泡成型由于超臨界流體伴隨熔融塑料在模具型腔中迅速膨脹驮樊，達(dá)到了普通注塑保壓的效果薇正。

從圖4 體積收縮率看，微孔發(fā)泡體積收縮均勻囚衔，而傳統(tǒng)注塑體積收縮不均挖腰，若要優(yōu)化到相對較為均勻的程度則需要較長的保壓時(shí)間，從而增加生產(chǎn)周期练湿。然而微孔發(fā)泡工藝在無需保壓過程就能夠達(dá)到體積收縮均勻的狀態(tài)猴仑，從而節(jié)省生產(chǎn)成本、節(jié)約時(shí)間肥哎，提高生產(chǎn)效率辽俗。

從圖5 體積收縮看，微孔發(fā)泡變形較小且更均勻篡诽，傳統(tǒng)注塑由于體積收縮不均導(dǎo)致產(chǎn)品變形略大崖飘。

圖4 微孔發(fā)泡與傳統(tǒng)注塑體積收縮對比

圖5 微孔發(fā)泡與傳統(tǒng)注塑翹曲變形對比

3 產(chǎn)品檢測

為了解傳統(tǒng)注塑與微孔發(fā)泡注射工藝、形貌杈女、性能之間的關(guān)系朱浴，確保測試結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)，針對樣品不同區(qū)域進(jìn)行水切割达椰，如圖6翰蠢、圖7 所示，基于切割出的標(biāo)準(zhǔn)尺寸樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征以及性能測試啰劲。

圖6 取樣位置圖7 五處區(qū)域樣品切割示意圖a—A 區(qū)域梁沧；b—B 區(qū)域；c—C 區(qū)域蝇裤；d—D 區(qū)域廷支；e—E 區(qū)域

3.1 泡孔形態(tài)表征及尺寸統(tǒng)計(jì)

為了清楚地觀察塑件泡孔相貌特征频鉴，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察樣品5 處斷面微觀結(jié)構(gòu)，如圖8 所示酥泞。利用Image-Pro Plus 軟件計(jì)算SEM 圖片中的泡孔尺寸和泡孔密度砚殿，結(jié)果見表1。從圖8和表1 可以看出芝囤，泡孔呈無規(guī)則多邊形似炎，分布不均勻，五處測試區(qū)域平均泡孔尺寸在3 μm 左右悯姊，泡孔密度平均在1.42×105 個(gè)／cm2羡藐。泡孔較密集、均勻且無明顯的泡孔合并悯许，泡孔直徑分布較集中仆嗦，這說明泡孔結(jié)構(gòu)是較為理想狀態(tài)。

圖8 微孔發(fā)泡SEM 圖片

表1 泡孔平均尺寸及泡孔密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 樣品密度及孔隙率測試

產(chǎn)品的密度和孔隙率是微孔發(fā)泡材料的重要物理參數(shù)先壕，尤其是在汽車輕量化技術(shù)領(lǐng)域瘩扼。為了準(zhǔn)確測量微孔發(fā)泡對產(chǎn)品性能的影響，采用ULTRAFOAM1200E 全自動孔隙率測試儀垃僚，依據(jù)國標(biāo)GB／T 1033.1–2008 測量傳統(tǒng)常規(guī)注塑樣品密度ρs集绰；依據(jù)國標(biāo)GB／T 6343–2009 測量發(fā)泡樣品的密度ρf；樣品內(nèi)部孔隙率= (1–ρf／ρs)×100%谆棺，減重率= (1–mf／ms)×100%栽燕，其中ms，mf 分別代表樣品發(fā)泡前后的質(zhì)量改淑“恚孔隙率及樣品減重率統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表2 可知朵夏，五處檢測位置常規(guī)注塑樣品的密度平均值在1.1 g／cm3蔼啦，微孔發(fā)泡塑件密度為0.93 g／cm3，相對常規(guī)注塑密度下降了10%侍郭，平均孔隙率為15.58%询吴，樣品有效減重為15.04%。有效減輕了塑件的質(zhì)量亮元，這對汽車輕量化非常重要。

表2 孔隙率及樣品減重率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.3 力學(xué)性能對比測試

為了比較分析傳統(tǒng)常規(guī)注塑與微孔發(fā)泡注塑對產(chǎn)品力學(xué)性能的影響唠摹，采用電子能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(UTM 2203)爆捞，依據(jù)國標(biāo)GB／T 1040.2–2006 進(jìn)行單軸拉伸測試，結(jié)果見表3勾拉。五處測試區(qū)域內(nèi)微孔注塑樣品拉伸強(qiáng)度比常規(guī)注塑高25.6%煮甥，拉伸彈性模量提升22.5%盗温。

表3 拉伸測試結(jié)果對比

3.4 表面粗糙度及影響機(jī)理

圖9 為表面粗糙度形成機(jī)理及C 處表面粗糙度。微孔發(fā)泡注塑表面粗糙度為21.8 μm成肘，而傳統(tǒng)注塑時(shí)表面粗糙度為8.64 μm卖局。通過對比可以明顯看出微孔發(fā)泡的表面質(zhì)量比傳統(tǒng)注塑要差。微孔發(fā)泡注塑成型一般由四個(gè)階段組成：塑料和超臨界流體均相双霍、泡孔形核砚偶、泡孔長大和塑料冷卻固化。熔融塑料通過澆口進(jìn)入模具型腔洒闸，料峰前沿的空氣壓力等于大氣壓力染坯，塑料和超臨界流體均相在此碰到迅速的壓力降，熔體中的熱力學(xué)不穩(wěn)定丘逸、模具型腔的阻力等諸多因素影響单鹿，料峰處的泡孔開始長大，同時(shí)受到剪切流動和噴泉流動行為的影響深纲，泡孔開始長大仲锄，這些長大的泡孔隨著塑料熔體逐漸向前遷移，遷移的過程中又受到拉伸和拖曳湃鹊，特別是熔體外面的一層拉伸和拖曳特別嚴(yán)重儒喊，當(dāng)大于包裹在泡孔外面熔體所承受的力，泡孔破裂逸出涛舍，氣體釋放[13–14]澄惊。隨著注射壓力的推進(jìn)，后續(xù)的熔體就會變成料峰繼續(xù)向前推進(jìn)富雅，破裂的泡孔并未形成均勻的表面就被推向模具內(nèi)壁掸驱，模具內(nèi)壁比較冷，塑料遇冷就冷卻凝固没佑，因此從而形成一種帶有凹孔和褶皺等形貌雜亂的塑料表面毕贼。

圖9 表面粗糙度形成機(jī)理及C 處表面粗糙度

該例中造成微孔發(fā)泡注塑產(chǎn)品的表面粗糙度大、光澤度低蛤奢，表面質(zhì)量不高鬼癣，低于常規(guī)注塑，其質(zhì)量達(dá)不到外觀件的要求啤贩，因此要解決微孔發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面氣泡痕問題的基礎(chǔ)是要徹底探明漩渦狀流痕待秃、銀紋流痕等表面氣泡痕缺陷的形成過程，深刻掌握表面氣泡痕缺陷的形成機(jī)理痹屹。截至目前章郁，變模溫條件、型腔氣體反壓等工藝條件下微孔發(fā)泡注塑產(chǎn)品的外觀質(zhì)量有所改變志衍，但表面氣泡痕的演變規(guī)律及如何消除微孔發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面氣泡痕的機(jī)理等尚未解決暖庄。

根據(jù)注塑填充過程中熔體流動行為的分析可以得出微孔發(fā)泡注塑產(chǎn)品表面氣泡痕形成過程聊替，如圖9 所示，從SEM 分析培廓、粗糙度分析來看惹悄，常規(guī)注塑比微孔發(fā)泡注射表面質(zhì)量要好，因此微孔發(fā)泡目前只在汽車內(nèi)飾件中使用較廣肩钠，為此泣港，汽車外觀零件如采用微孔發(fā)泡成型，注塑產(chǎn)品必須經(jīng)過表面處理蔬将，通過打磨爷速、拋光、電鍍等工序來改善表面缺陷霞怀。

4 結(jié)論

(1) Moldflow 分析結(jié)果表明惫东，微孔發(fā)泡注射成型在注塑時(shí)間、注塑壓力毙石、翹曲變形等方面均好于普通注塑成型廉沮。

(2)檢測結(jié)果表明，微孔發(fā)泡產(chǎn)品的密度徐矩、力學(xué)性能符合實(shí)踐要求滞时，但表面粗糙度較普通注塑差，汽車外觀零件如采用微孔發(fā)泡成型須經(jīng)過表面處理來改善表面缺陷滤灯。