徐以国，裘洲通，向良明，延伟华

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201）

0 引 言

由于微发泡材料与未发泡材料相比具有更高的比强度、比韧性、抗冲击性、尺寸稳定性、更长的耐疲劳使用寿命及更低的原料使用量，化学微发泡工艺在降低制造成本及减轻质量等方面的应用越来越得到重视。虽然注射发泡有减轻质量的优点，但是采用该工艺生产的制品存在大量的银纹带、旋涡纹、流痕等缺陷[1,2]，成型的外观件大部分需要通过喷漆等二次处理覆盖制品表面的缺陷和瑕疵，限制了其发展和应用。目前常用的注射微发泡方法一般为物理发泡[3-7]，熔体在进入型腔之前已经和气体混合，注射时气体容易流入成型的制品表面形成缺陷，表面存在缺陷的制品一般不能做外观件，在此前提下研究化学微发泡技术在免喷涂注射成型过程中的应用。

1 化学微发泡工艺简介

化学微发泡是指在塑料基体中添加一定量的化学发泡剂，经过均匀混合，当熔体温度升高到发泡剂的分解温度后，发泡剂发生化学反应并快速分解产生大量的气体，从而在聚合物内部形成泡孔结构。注射发泡成型工艺包括塑化形成聚合物—气体均相体系、泡孔成核、泡孔长大以及固化定型4个阶段[8]，如图1所示。

充模过程中泡孔的变形和破裂是引起发泡表面缺陷的主要因素，如何抑制泡孔在充模过程中变形和破裂，或使困在熔体表面和型腔之间的气体重新融入基体是解决问题的关键，许多学者在这2 个方面进行了大量的研究工作，提出了很多改善表面质量的方法，如气体反压技术、抽真空技术、充模前模具升温等方法控制气体不提前发泡[9]。

现有学者提供的方法尚存在一定的局限性，不能完全解决成型制品的外观问题，现采用柔性后退（core-back）的模具进行化学发泡成型。模具柔性后退一定的距离，留有足够的发泡空间进行发泡。填充阶段不发泡以保证成型制品的外观，并通过后续的模具后退动作进行发泡，此时的气泡不会冲破填充阶段形成的冷凝层到制品的外观面形成缺陷，使免喷涂无外观缺陷的制品成型成为可能，其中coreback 模具是保证成型的核心技术，基于其core-back功能，可以定义合理的初始壁厚及制品最终成型壁厚是实现外观级化学发泡应用的关键。基于coreback 模具进行了后退距离研究，从制品设计及模具分型面处理等方面进行研究，解决了气泡边界鼓出、温差线等外观缺陷问题。

2 柔性后退模具开发

2.1 发泡成型模具动作过程

柔性后退模具的成型过程如图2 所示，步骤1：模具合模，此时型芯与型腔之间的距离为T1；步骤2：注射一部分熔体；步骤3：动模在注塑机滑块带动下后退L，释放一定的空间进行发泡；步骤4：进行冷却定型；步骤5：开模取出制品，最终成型制品的厚度T2为T1+L。其中成型制品原始厚度为T1，最终厚度为T2，T1到T2过程质量没发生变化，厚度的变化是气泡填充的结果，相对于壁厚为T2的普通注塑零件，化学发泡的制品由于中间布满气孔，如图3 所示，可以减轻质量。

图2 化学发泡流程

图3 化学发泡前后制品截面

2.2 发泡模具结构及core-back动作

区别于常规的注射模，适用于化学发泡工艺的core-back 模具在注射过程中需要实现后退一定距离后进行发泡。模具结构如图4 所示，动作过程：合模初始状态下，型腔板1、弹顶结构2、型芯镶件3、型芯4 闭合，注射成型的制品初始壁厚为T1；当初始壁厚为T1的制品成型后型芯镶件3 和型芯4 在注塑机滑块带动下后退L，此时成型的制品在发泡剂作用下开始发泡，为了保证发泡作用下的胶料不突破分型面，造成表面鼓泡缺陷，此时弹顶结构2在弹簧的作用下和型腔板1 连接。图5 所示为分型面前后对比，原成型制品轮廓为A，发泡完成后得到的制品轮廓为B，A 为制品的工艺数据，B 为最终制品数据，整个发泡过程中弹顶结构2 一直和型腔板1 结合，不随型芯镶件3 及型芯4 一起后退，保证发泡冲出的熔料不会流入制品表面形成缺陷。发泡完成后件2、3、4在注塑机滑块的作用下克服弹簧的弹力一起后退，与型腔板1分开，再进行开模取件。

图4 模具结构

图5 前后分型面处理

2.3 模具分型面阶差处理

由于微发泡特殊的后退过程，分型面处发泡冲破边界造成边界不平而影响成型制品外观表面，如图6 所示，需要在分型面处设置1 个阶差，提出了3个阶差设计方案，如图7 所示,在同一成型制品中取不同的3 处进行开模验证，试验结果表明：1 mm 厚的阶差获得的制品外观较好，并将其定为设计规范。

图6 发泡冲破边界的影响

3 Core-back初始及最终制品开发

（1）初始壁厚定义。制品的初始壁厚设计既要减轻质量，又要满足制品外观、刚度、强度等要求，根据减轻质量的目标要求，制品初始壁厚为1.6～2.2 mm。初始分析选择1.6、1.7、1.8 mm的3个厚度进行试验，在模具侧设置可变厚度结构，实例验证，综合外观及减轻质量评估后锁定1.8 mm 为最佳初始厚度。

（2）core-back 距离定义。制品初始壁厚假设1.8 mm 以下，在保证良好外观的前提下，借助经验得知后退之后的制品厚度不能大于初始厚度的1.5倍，core-back 距离过大会导致压力下降过快而使气泡在长大阶段无约束地膨胀合并破裂，制品表面产生气泡外浮等无法解决的缺陷。初始提出1、1.2、1.4 mm距离作为3个方案，通过软模打样，根据样件外观评估最终确定1 mm 的core-back 距离作为执行方案。

（3）壁厚开发。结合初始壁厚及core-back 距离后最终制品的壁厚需求，根据门板安装及位置功能与试验要求，此2处采用加强处理，其余大面结构壁厚采用1.8 mm，考虑外观温差线对于壁厚的要求，提出3 种初始方案如图8 所示，提交CAE 分析验证和开模样件评估，确定大过渡区域的方案2 为最终方案，获得完整的壁厚分部。

图7 阶差设计方案

图8 3种壁厚方案

4 结束语

通过研究外观免喷涂的化学发泡注射成型技术，总结适用于化学发泡技术的core-back 模具及制品开发关键技术，解决了化学发泡在开发过程中的开发难点，如流痕、光泽差异及发泡不良等，最终减轻质量20%以上。