特殊注塑工藝在汽車工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展 注射模塑是生產(chǎn)汽車用塑料件的最重要的技術(shù)" 大多數(shù)塑料件如風(fēng)扇葉片!反光鏡罩!空氣分配器等 等,都是用普通注射方法生產(chǎn)的"但也有很多產(chǎn)品是 用特殊的注射方法來生產(chǎn)的,例如汽車保險杠!吸油管 等"有些產(chǎn)品及其相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,有 些則已經(jīng)渡過了研究開發(fā)時期,開始進入批量生產(chǎn)階 段,也有些剛剛處在研發(fā)階段"本文即根據(jù)產(chǎn)品和技 術(shù)的發(fā)展程度,對汽車用塑料注塑件的生產(chǎn)方法和發(fā) 展趨勢進行分類介紹[1],它代表了當(dāng)今國外汽車用塑 料注塑件生產(chǎn)方法的最新現(xiàn)狀" 1 成熟的工藝 有些早期開發(fā)用來生產(chǎn)汽車用塑料件的/特殊0生 產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)完全成熟,成為了幾乎是/標(biāo)準(zhǔn)化0的批量 生產(chǎn)工藝"代表性的產(chǎn)品有保險杠!氣囊!離合器踏板 等,相應(yīng)的生產(chǎn)工藝分別是擠注!雙組分注塑!氣體輔 助注塑"這類產(chǎn)品在歐洲市場已近飽和狀態(tài)"但雙組 分注塑和氣體輔助注塑這兩種方法仍然方興未艾,在 其它塑料制品的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用"在我國, 汽車保險杠的生產(chǎn)已經(jīng)完成了國產(chǎn)化的過程,而雙組 分注塑和氣體輔助注塑仍然處在應(yīng)用的初期階段" 氣體輔助注塑是一種生產(chǎn)具有中空部位的注塑件 的方法"其原理是:將一定量的熔體注入型腔后,將壓 縮空氣注入熔體中心,然后熔體在壓縮空氣的作用下 充滿型腔"氣體輔助注塑具有充模壓力低!制品內(nèi)應(yīng) 力低!表面光潔等優(yōu)點"理論上,可以在制品的不同部 位實現(xiàn)任意多個中空結(jié)構(gòu)"只需要配備壓縮空氣裝 置,并在模具上設(shè)置相應(yīng)的注氣口,就可以使用普通的 收稿日期:2001O01O08 注塑機實現(xiàn)氣體輔助注塑" 最近,德國亞琛工業(yè)大學(xué)的塑料加工研究所開發(fā) 了水輔助注塑[2],這是氣體輔助注塑的進一步發(fā)展" 由于氣體的熱容量小!導(dǎo)熱性差,氣體輔助注塑時,制 件相當(dāng)于單面冷卻,因而其成型周期往往比普通注塑 更長"開發(fā)水輔助注塑的目的在于縮短生產(chǎn)厚中空制 件的生產(chǎn)周期,與氣體輔助注塑相比,水冷卻的效果 好,可大大縮短冷卻時間"水輔助注塑方法和原理與 氣體輔助注塑基本相同,只是用水代替氣體注入熔體 中心"其工藝過程是:先將熔體注滿型腔,經(jīng)短暫保壓 后,將水注入熔體中心,在水的壓力下,制件中心的熔 體倒流回注射系統(tǒng),經(jīng)過一段時間保壓后,即可以減壓 將水排出制件"排水所需的壓力可以由水的蒸發(fā)所產(chǎn) 生,或者通過加入水中的碳酸的蒸發(fā)所產(chǎn)生"在注塑 直徑為30mm的PP中空制件的比較試驗中發(fā)現(xiàn),水 輔助注塑的冷卻時間比氣體輔助注塑減少了75%[3]" 另外,氣體輔助注塑的新發(fā)展是外氣壓輔助注塑" 在這種技術(shù)中,所用的設(shè)備與原先的氣體輔助注塑類 似,但氣體作用在熔體的外部"即在熔體充滿整個型 腔后通過設(shè)置在型腔表面的氣體噴嘴將氣體引入,氣 體的壓力高達(dá)30MPa,代替保壓壓力作用到制件的一 個表面"這種壓力通過已經(jīng)凝固的表面作用到仍然呈 流動狀態(tài)的制件內(nèi)部,后者將壓力均勻傳遞到制件的 各個部位,從而避免了制件的另一面(即好的一面)的 收縮凹痕的發(fā)生[4]" 2 成長期的產(chǎn)品和技術(shù) 成長期的產(chǎn)品有汽車吸油管!帶織物飾面的內(nèi)飾 件和前燈散射罩和車身表面部件等,相應(yīng)的生產(chǎn)工藝 技術(shù)分別是可熔型芯技術(shù)!注塑復(fù)合技術(shù)和潔凈生產(chǎn) 2.1 可熔型芯技術(shù) 可熔型芯技術(shù)[5]是利用低熔點的金屬作為注塑模 具的型芯來生產(chǎn)形狀復(fù)雜中空注塑件的技術(shù)"這種型 芯狀復(fù)雜中空注塑件的內(nèi)部尺寸要求精確!表面要求 光潔,是無法用通常的方法來實現(xiàn)的"可熔型芯技術(shù) 的一般工藝過程如下: 用低熔點金屬澆鑄型芯注塑熔化型芯清潔制件 制品 這種技術(shù)的關(guān)鍵是解決塑料!型芯材料!模具和將 型芯熔化所用介質(zhì)的相互影響,必須保證:1)塑料注射 時型芯不得發(fā)生熔化;2)作型芯的金屬的熔體以及用 來熔化型芯的介質(zhì)不會腐蝕塑料;3)在熔化型芯的溫 度下,制件不會發(fā)生變形"下面從幾個方面對技術(shù)關(guān) 鍵做簡要介紹" 塑料品種,目前僅僅在尼龍66的可熔型芯注塑方 面積累了一定的經(jīng)驗,對其他材料則知之甚少"初步 的試驗研究表明,尼龍6!PBT!PET!PPE!PVDF!PPA 等也適合于可熔型芯注塑" 型芯材料,一般采用低熔點的鋅-鉍合金做型芯 材料,其熔點約為138e" 注塑時防止型芯熔化,眾所周知,尼龍66的熔點 約為260e,這雖然保證了制品脫模后便于將型芯熔 化,但給注塑時防止型芯熔化卻造成了一定的難度" 在澆口處的型芯特別容易發(fā)生熔化現(xiàn)象,因為澆口處 不斷有熱的熔體將熱量帶給型芯,因此應(yīng)避免將澆口 設(shè)置在可熔化的型芯處,而應(yīng)該讓熔體首先接觸鋼制 的模具部分"此外,如果熔體傳給型芯的熱量超過了 型芯本身的吸熱能力(直到熔點的熱容量),則型芯就 會完全軟化甚至熔融成為液體"可以從理論上定義一 個熔化因子AI來估計熔化的危險性: AI=QpQc#$HpCc(Tmelt-T0) 式中 Qp)))聚合物密度 Qc)))型芯密度 $Hp)))聚合物的熱晗差 Cc)))型芯的比熱 Tmelt)))熔體溫度 T0)))型芯的熔點 AI越大,則型芯的壁厚與制件的壁厚之比也應(yīng)該 越大,從而避免型芯過熱" 脫模后熔化型芯,熔化型芯應(yīng)該在脫模后馬上進 行,以利用注塑時熔體傳給型芯的熱量"一般以改性 的聚乙二醇作為加熱介質(zhì)"雖然可以使用感應(yīng)加熱, 熔化時間可以縮短到介質(zhì)加熱的1/10,但投資更大,且 能耗更多,容易對制件造成損害,所以今后趨勢仍然是 介質(zhì)加熱" 可熔型芯技術(shù)可用于生產(chǎn)汽車的吸入部件(如吸 油管等),現(xiàn)也用于生產(chǎn)泵和洗碟機等幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的 液壓部件"但可熔型芯技術(shù)價格昂貴,例如,用來大批 量生產(chǎn)換擋吸油裝置的設(shè)備價格約在700萬-1000 萬德國馬克,中小批量生產(chǎn)的設(shè)備價格也在100萬- 200萬德國馬克" 目前正在開發(fā)的一種新技術(shù))))半殼技術(shù)也可用 于轎車吸油管的生產(chǎn)"半殼技術(shù)實際上是注射模塑和 焊接兩種工藝過程的結(jié)合,即先用注塑的方法生產(chǎn)兩 個半殼,然后將兩個半殼焊接起來成為中空制品"這 兩種工藝流程必須很好匹配,它要求注塑的兩個半殼 的焊接面必須非常平整,毫無撓曲,這就要利用計算機 輔助工程(CAE)設(shè)計軟件進行優(yōu)化設(shè)計,以盡量消除 因制件冷卻不均而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,這樣它們才能焊接 完好" 212 注塑復(fù)合技術(shù)和注塑模壓 在注塑復(fù)合工藝中[6],將裝飾材料(通常為多層復(fù) 合物)置于模內(nèi),然后閉模注塑,待塑料冷卻固化后即 可脫模取得制品"雖然此法所用模具比原來簡單注塑 模具要求更高,模塑周期也更長,但由于省去了粘結(jié)復(fù) 合工藝,預(yù)計成本降低最大可達(dá)60%,目前實際降低 成本30%左右,正是這一可觀的經(jīng)濟效益,加上新工 藝沒有粘結(jié)劑,因而無溶劑揮發(fā)問題,選擇適當(dāng)?shù)难b飾 層和塑料,如聚烯烴的裝飾層和塑料,可使制品便于回 收利用,這完全符合環(huán)保的要求,此工藝技術(shù)在短短幾 年之內(nèi)便達(dá)到了大批量工業(yè)生產(chǎn)的成熟程度" 該工藝技術(shù)的關(guān)鍵在于,由于過高的壓力產(chǎn)生過 高的壁面剪切應(yīng)力導(dǎo)致裝飾織物或皮革的損壞,因此, 注塑復(fù)合時,要控制模內(nèi)壓力(約小于10MPa),同時 也要注意選用耐熱性!形變能力和與注塑塑料的粘結(jié) 性能較好的裝飾材料,裝飾材料必須具備一定的形變 能力和彈性,這就同時要求注重裝飾材料在模具內(nèi)的 安放" 注塑模壓技術(shù)是先將飾面層放在模具內(nèi),然后用 注塑機將熔體注入敞開的模具內(nèi),再閉模進行壓制" 也可以先注塑熔體,后放置裝飾層,例如MercedesS車 門上的地圖袋就是這樣制造的[7]"相對于注塑復(fù)合而 言,這種工藝的充模壓力很低,所以在飾面層上幾乎不 產(chǎn)生或只產(chǎn)生很小的應(yīng)力,因而對織物飾面層要求較 低" 213 清潔環(huán)境生產(chǎn)技術(shù) 這實際上不是指一種具體的生產(chǎn)工藝,而是指在 塑料加工過程中,要求加工環(huán)境非常潔凈[1]"不僅在 生產(chǎn)要求表面無瑕疵的制品有這種要求,而且在生產(chǎn) 無雜質(zhì)的純塑料制品,如汽車大燈散射罩!汽車車身表 面部件以及光學(xué)數(shù)據(jù)存儲媒介!傳感器的微小部件和 醫(yī)學(xué)上所用的部件等,都要求生產(chǎn)車間非常潔凈"眾 所周知,如果光學(xué)制品中有雜質(zhì),將會視為廢品,因此, 加工環(huán)境的控制必須貫穿于加工的全過程,因為原材 料的制造!運輸和儲藏以及在干燥和輸送等加工流程 中都易引入雜質(zhì)"通過研究分析,發(fā)現(xiàn)必須嚴(yán)格避免 原材料和模具的污染,也就是原材料的生產(chǎn)必須在潔 凈環(huán)境下生產(chǎn);同時,注塑后的制品在涂清漆之前也要 確保不受污染,否則,即使在制品表面有微小的灰塵, 在涂敷清漆后都會變成很大的瑕疵"另外,在制造光 學(xué)透明性要求較高如鏡子!棱鏡等,它們必須無形變和 在各軸向無內(nèi)應(yīng)力,注塑壓縮模塑工藝就能滿足該要求" 此技術(shù)可用于生產(chǎn)汽車的大燈散射罩和車身表面部件" 3 市場導(dǎo)入期的產(chǎn)品和技術(shù) 市場導(dǎo)入期的產(chǎn)品有結(jié)構(gòu)件,如汽車前端裝配托 架!汽車地板罩面和汽車引擎罩!轎車車身外部部件! 結(jié)構(gòu)泡沫塑料件!汽車電子部件等,相應(yīng)的工藝技術(shù)是 金屬與塑料的復(fù)合技術(shù)!長纖維增強熱塑性塑料注塑 技術(shù)!模內(nèi)裝飾/立體印刷技術(shù)和三維模塑接插件(3- DMID)技術(shù)等"機電一體化的汽車電子注塑部件在 1997)1999年間增長了30%[8,9]" 3.1 金屬與塑料的復(fù)合技術(shù) 眾所周知,金屬具有很高的彈性模量!高剛度和高 耐熱性能,而塑料具有質(zhì)輕!耐腐等性能,金屬與塑料 的復(fù)合技術(shù)就是將這兩種材料的優(yōu)點結(jié)合在一起"金 屬與塑料的復(fù)合技術(shù)為汽車工業(yè)打開了廣闊的創(chuàng)新天 地,此技術(shù)的主要特點在于優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)性能!質(zhì)量輕! 良好的抗疲勞性能!制品精度高和可大批量生產(chǎn)" 在金屬塑料復(fù)合技術(shù)中要解決的關(guān)鍵問題是塑料 的收縮行為,產(chǎn)生塑料和金屬復(fù)合界面的收縮應(yīng)力,導(dǎo) 致制件變形"這需要借助于CAE軟件來解決"例如 在福特Focus汽車