摘要：随着国家绿色环保理念的展开，轻量化设计和生产已经成为汽车设计考虑的重要因素，内饰产品作为彰显汽车档次的重要工程，其设计和成型质量越来越受到关注。传统的注塑成型技术，受限于缩痕、缩水等缺陷，零件的整体的壁厚和加强筋之间存在一定的比例关系，对PP料而言，一般加强筋的厚度应小于塑件壁厚的1 /3。为了保证零件的刚性，加强筋的厚度不能太小，导致零件的整体壁厚不能减小。基于此，提出了基于高光无痕技术的汽车内饰件轻量化成型解决方法，将高光无痕成型技术和有限元分析技术结合，提出了一个行之有效的汽车内饰件轻量化设计成型方法，并以内饰件后门槛饰板为实例验证了方法的有效性。
关键词：注塑件; 轻量化; 汽车内饰; 高光无痕
1、塑件分析
后门槛饰板是汽车侧围饰中的重要组成部分之一，整体长度约为450mm，宽度 120～220 mm分布不等，通常为了保证塑件成型质量及塑件强度对于加强筋的要求，塑件设计成均匀厚度2.5mm，筋0.8mm。为了避免熔接痕的产生采用单浇口进料成型方式。为了实现轻量化的设计需要，需要将零件的整体厚度减薄至1.8～2.5mm，此设计方案会将产品注射流长厚度比由160增加至250，造成产品薄壳性趋向严重。相对于传统注塑，薄壳注射成型制件的流长壁厚比较大，所需注塑压力较高达到140 MPa 及以上。为了缓解薄壳趋势带来的对工艺及设备的苛刻要求，可以变更浇口方案采用双浇口进浇，将零件的注射流长厚度比降为原来的1 /2左右，来缓解薄壳注塑对于设备的要求。将制件在Moldflow中建模进行充填分析，两股料流在交汇处产生熔接痕，鉴于使用中对零件表面质量要求较高，不允许皮纹面有明显的熔接痕和缩印等缺陷存在，必须通过其他方法加以改进。在此背景下，为了实现轻量化需求，对后门槛饰板的注塑工艺展开了研究，通过研究高光无痕技术在后门槛饰板注塑中的应用，成功地解决了塑件轻量化成型过程中带来的表面缺陷问题，并解脱了筋的厚度对于产品厚度的依赖。
2、高光无痕注塑技术
高光无熔痕注塑技术又称快速热循环注塑技术（Rapid Heat Cycle Molding，RHCM），采用变模温注射成型，在合模前及合模过程中对模具进行加温，合模完成后模具温度达到设定条件即进行注射。注射过程中模具继续维持高温，保持胶料在充模过程中具有很好的流动性。注射完成后，在保压冷却时，则对模具进行降温处理，可以缩短制品的冷却时间，从而提高生产效率。高光无痕注射成型技术克服了传统注射成型技术的缺陷，在一些领域获得了应用。一些学者在高光无痕的冷却、加热系统及模具设计上展开了一定的研究。研究结果一般应用在家电行业等非皮纹件上，以达到高光的效果。而用于汽车内饰件皮纹件解决表面质量问题案例很少，其他行业的高光工艺在皮纹件上的应用也甚为少见。
3、基于高光无痕技术的后门槛饰板模型创建
3.1基于OptiStruct 产品轻量化构建方法为了寻求汽车内饰件的轻量化设计方法，降低壁厚为最直接的方式。但是壁厚的降低会导致塑件强度的降低，会导致塑件不能满足强度使用要求。基于此，提出了一种通过整体降低壁厚局部增强加强筋结构的轻量化设计方法，并在OptiStruct环境下进行静力学强度分析来验证方法的有效性。
3.1.1 研究对象
为了方便研究，选用六角筋抽象化模型，模型质量为31.38g，外形尺寸及筋的高度产品四边约束，在基板A面加载1MPa的负荷，方向为Z轴正方向，强度分析显示产品最大变形量为0.3763 mm，中心位置为变形量最大点。
3.1.2 优化方法
筋条高度的设计空间设为2.5～5.0mm；基板厚度的设计空间设为1.5～2.5mm， 通过耦合这两个设计变量计算出最佳筋条高度及基板厚度。①约束条件。产品中心（变形最大处）的变形量不超过原始产品。②优化目标。体积最小。将上述参数在OptiStruct环境进行输入，得到的最佳参数耦合方式为：基板1.734mm，筋条高度为5
mm，零件质量为26.87g，减重比例达到14.37%。优化结果表明，增强加强筋结构能有效地补偿由于零件壁厚降低带来的强度降低效应，此设计方法能够成功地实现内饰件满足使用性能下的轻量化成型。
3.1.3 内饰件轻量化设计方法的后门槛板优化设计
为了实现轻量化设计，对零件进行分析，确定零件承力部位及强度要求较高部位，将筋板的厚度值由原来的0.8mm分别加厚到1.0 mm和1.2mm，强度要求不高的部位筋的厚度值保持不变，对应的零件的厚度分别按照图示设计，将原来的均匀壁厚2.5mm分成3段对应厚度分别为2.2mm，2.0mm和1.8mm，使零件质量减轻了19%。将优化后的模型取点6个位置，其中点1～点3是强度要求低的点，点4～点6是强度要求高的点，对这6个点在OptiStruct环境下进行静力学分析。结果表明：方案1的节点1和节点3两处变形大于原始零件，方案2的节点3变形大于原始零件，其余取点的强度值均大于原始零件，且节点1和节点3为非强度高关注区取点，故认为优化方案从强度上好于原始零件。由于筋的厚度增加，壁厚减薄，造成零件薄壳化现象严重，增加浇口带来的溶解痕问题及增加筋的厚度带来的表面缩印问题是成型过程中亟待解决的两个难题。基于此将高光无痕模具技术引入到后门槛板的成型中来解决皮纹外观件的表面缺陷问题。从质量上看，方案1比原始零件降低20%，方案2比原始零件降低18.8% 。
3.2 高光无痕工艺参数设计
高光无痕技术的另外一个关键点是工艺参数的设计，工艺参数对高光无痕成型质量的影响程度是：模具温度＞保压时间＞保压压力＞注射压力＞冷却温度。模具温度作为高光无痕注塑中影响权重最高的一个因素，模具温度的合理与否会直接影响成型的质量。为了直观地显示高光无痕工艺的变化，传统的后门槛饰板与设计的高光无痕新工艺参数做对比，比较了预热时间（t 1），充填时间（t 2），保压时间（t 3 ），冷却时间（t 4），水道切换时间（t 5），注塑周期（t），注射压力（p），熔体温度（T 1），模具温度（T 2）等参数的异同点，其中注塑周期是在开模取件时间10 s时得到的结果如表1所示。
表1 后门槛饰板传统工艺和高光工艺对比
对比得知:高光无痕技术需要的模具温度100℃大于普通注射需要的60℃，成型周期相仿（高光无痕工艺中模具预热时间在开模取件过程中可以执行，不计入总时间）。虽然模具加热到100℃，但却没有带来冷却周期的明显加长，主要因为冷却在塑件保压阶段已经开始工作，且水道距离塑件的距离近，能实现快速冷却，因此在冷却周期没有明显变长。
3.3工艺参数对成型质量的影响分析
传统模具温度较低，熔料在充填过程中和较冷的模壁接触，会形成一个冷却层。高光注塑的特点是模具采用加热系统将模温提高，随着模具温度提升到一定范围，大于塑料热变形温度时可以消除融料与模具壁之间的冷却层，这有助于模腔表面的完美复制，并提高制品的表面光泽度。型腔复制率可以通过注塑收缩之后塑件的体积来评判，文中通过实验来研究并
获取模具温度对于注塑质量的影响，在假定其他因素不变的情况下，通过改变模具温度来研究模温对塑件体积的影响程度。在Moldflow所示，分析完成可以直接得到重量结果，在零件表面均匀点选260个点，将260点位的密度值导出求均值作为平均密度评判指标列入表2。
表2不同温度下塑件重量和密度值表
结果表明：模具温度并非越高越好，大约在110℃左右时体积最接近产品的理想体积。较高的模具温度降低了型腔熔体中心与壁面间温度梯度，制品对型腔复制率随着模具温度逐步升高而增加，使得充填阻力大大减小，利于成型。当模具温度升至110℃，之后继续升温复制率反而有所减小。由于随着模具温度进一步增加，则由于剪切稀化作用塑料熔体黏度、密度降低，在相同的压力条件下虽然充型能力有所提高，但致密度的降低则对制品成型收缩产生重要影响，从而影响制品成型质量，故而合理地选择成型温度是保证塑件的重要参数。
3.4成型质量对比
将零件减薄筋增厚之后，利用常规的工艺注塑会出现很多问题，常见的如熔接痕、缩印和虎皮纹，高光工艺采用快速变模温技术能够很好地消除上述的问题。结果表明：对于表面有皮纹的汽车内饰件，高光无痕技术是应对熔接痕、虎皮纹和缩印等表面质量问题的有效方式。
结语：通过OptiStruc和高光元痕注塑工艺成功地件后门槛饰板皮纹件进行了轻量化成型设计及成型，研究结果表明:①汽车内饰件轻量化设计方法是可行的，除了重量上的优势，零件的性能也获得了一定的提升；②高光无痕工艺和模具在解决汽车内饰皮纹件成型质量问题是有效的， 是一次有意义的尝试；③为汽内饰件车轻量化提供了一种新的轻量化设计和成型方法， 经济效益显著。
参考文献:
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[2] 丁磊、伍晓宇、李伟荣、梁雄、赵航.光无痕注射成型工艺与装置.模具工业,2016.35(01).
论文作者:鲁贺龙,刘超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：无痕论文; 零件论文; 模具论文; 注塑论文; 厚度论文; 温度论文; 轻量化论文; 《基层建设》2019年第3期论文;