汽車(chē)外飾件采用熱燙印工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

陳玲

摘 要：目前全球汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，汽車(chē)品牌眾多，汽車(chē)外飾件除了安全功能外，更要追求個(gè)性化。熱燙印工藝有很多的優(yōu)點(diǎn)，因而得到更多的應(yīng)用。本文結(jié)合某格柵的開(kāi)發(fā)，提出了熱燙印工藝的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)外飾件 熱燙印 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

Design Criteria for Auto Exterior Parts Using Hot Stamping Process

Chen Ling

Abstract：At present， there are many automobile brands in the world so that the global automobile market is highly competitive. In addition to safety functions， automotive exterior parts are more personalized. Due to many advantages， hot stamping process has more applications in automobile industry. This paper combines the development of a grill and proposes the design criteria of hot stamping process.

Key words：exterior parts， hot stamping， design criteria

1 引言

目前全球汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，汽車(chē)品牌眾多，汽車(chē)外飾件除了安全功能外，更要追求個(gè)性化。長(zhǎng)久以來(lái)，汽車(chē)外飾件大多采用電鍍和油漆工藝來(lái)達(dá)到提高品質(zhì)、區(qū)分配置的目的，效果較為單一。熱燙印工藝，對(duì)于以“去塑料感，提升質(zhì)感”為目標(biāo)的汽車(chē)內(nèi)外飾研發(fā)中，具有明顯的成本和環(huán)保優(yōu)勢(shì);跟傳統(tǒng)電鍍工藝相比較，具有無(wú)需安裝防錯(cuò)措施和零件輕量化的優(yōu)點(diǎn)，因此日益受到青睞，成為汽車(chē)裝飾工藝的新寵兒。

熱燙印的基本原理是通過(guò)燙印壓頭（加熱盤(pán)）的作用，使得上胎模（硅膠模）、燙印膜和燙印零件三者接觸時(shí)候的溫度達(dá)到190～200 攝氏度，同時(shí)施加足夠的壓力使得燙印模跟燙印零件充分接觸，將燙印膜的粘結(jié)層，金屬層（鋁或者鉻）和保護(hù)層留在燙印零件的燙印特征面上，從而完成零件燙印的過(guò)程，如圖1所示。但是如果在設(shè)計(jì)上考慮不夠周全，會(huì)產(chǎn)生很多的多燙，漏燙，燙印膜起泡、褶皺、飛邊等缺陷。結(jié)合本次新開(kāi)發(fā)的進(jìn)氣格柵，討論研究了熱燙印零件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2 汽車(chē)外飾件常用的熱燙印基材

針對(duì)熱燙印這種特殊表面處理工藝，表面附著要求比較高，滿足燙印要求的材料有：ASA、PC-ABS、ABS。

ASA材料本身有抗紫外線的性能，作為燙印的基材，燙印后表面無(wú)需噴清漆來(lái)保證外觀效果和質(zhì)量，主要應(yīng)用有早期的寶馬瀑布式進(jìn)氣格柵等;如圖2所示為ASA基材皮紋的燙印效果。

PC-ABS基材自身亮度優(yōu)于ASA ，燙印以后會(huì)有高光黑的外觀效果，但材料自身不具備抗紫外線的性能，必須在燙印以后噴涂清漆，才可以抵抗紫外線照射，防止?fàn)C印零件在陽(yáng)光下長(zhǎng)期曝曬而導(dǎo)致的零件變灰，沒(méi)有亮度等缺陷，也可以用于燙印膜的保護(hù)，防止?fàn)C印膜在顛簸路面被石頭打擊而使?fàn)C印膜剝落等問(wèn)題。目前大眾和斯柯達(dá)的外飾熱燙印零件都采用PC-ABS材料，燙印結(jié)合清漆的方式，此次新開(kāi)發(fā)的下格柵亦采用此種工藝，其表面效果如圖3所示。

3 熱燙印零件的分段

在熱燙印的過(guò)程中，熱燙印的零件可以理解為陽(yáng)模凸版，上胎?？梢岳斫鉃殛幠０及?，為了確保熱燙印零件的精度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，上胎模（硅膠模）凹下的位置跟零件上凸起的部位必須一一相對(duì)應(yīng)的。下胎?？梢岳斫鉃閵A具，用于固定需要熱燙印的零件，為了提高零件和下胎模之間的定位精度，確保零件被上胎模壓緊時(shí)，底部有足夠的支撐，燙印膜在足夠的壓力和溫度下將金屬層粘附到零件上，那么下胎模需盡量一一對(duì)應(yīng)燙印零件背面結(jié)構(gòu)，使得下胎模與零件背面結(jié)構(gòu)也是凹凸對(duì)應(yīng)。

截止2019年底的市場(chǎng)調(diào)研，上胎模的最大尺寸為500*300，去掉導(dǎo)柱等部件，有效尺寸為400*300。故需結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸，可以分為一模一件，一模多件和一件多模的設(shè)計(jì)方案。奔馳的星空版燙印工藝上格柵，是由4個(gè)燙印零件組合而成;寶馬的瀑布式格柵也左右兩個(gè)燙印零件組成，燙印壓頭往下壓一次，出一個(gè)燙印零件，屬于一模一件的方案;以?xún)?nèi)飾的撥紐飾條為典型例子，他們的零件尺寸較小，為了提高生產(chǎn)效率，燙印壓頭往下壓一次，可以出3-4個(gè)零件，此為一模多件的方案;以斯柯達(dá)的燙印上格柵為典型例子的，由于上格柵的尺寸較大，一副上胎模無(wú)法覆蓋所有的燙印面，結(jié)合了實(shí)際的造型面，需要制造3副上胎模的模具，分3段進(jìn)行燙印，如圖4所示。

此次新開(kāi)發(fā)下格柵長(zhǎng)1.6米，高0.25米，造型元素中含有較多中空的菱形網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。注塑零件尺寸隨季節(jié)、隨工藝等容易有波動(dòng)，尺寸跨度太大容易有不良品，受限于目前國(guó)內(nèi)燙印壓頭設(shè)備和硅膠模的尺寸，以及下格柵整體的造型弧度，為保證燙印質(zhì)量及成品率，將此格柵本體分為5個(gè)區(qū)域進(jìn)行燙印，也就要有5副上胎模，根據(jù)零件的輪廓形狀，下胎模（夾具）的擺放位置和方向不同，其分段示意如下圖5所示。此項(xiàng)目的拖鉤位于下格柵位置，為確保外觀一致性和協(xié)調(diào)性，拖鉤蓋板也是菱形造型，定義相同的燙印效果。為了節(jié)約拖鉤蓋板單獨(dú)燙印的工裝，胎模。將下格柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)局部挖空后加強(qiáng)優(yōu)化，使得下胎具在夾持支撐下格柵的同時(shí)，又可以透過(guò)下格柵的開(kāi)孔來(lái)支撐定位拖鉤蓋板的每個(gè)菱形燙印特征，上胎模也相應(yīng)匹配，使得拖鉤蓋板的燙印步驟集成在下格柵分段1的燙印工序中，減少了工時(shí)，提高了生產(chǎn)效率。故此次開(kāi)發(fā)的下格柵首次結(jié)合了一模多件和一件多模的工藝。

4 燙印面與非燙印面的要求

燙印由于其自身工藝的局限性，無(wú)法做到電鍍零件那樣整個(gè)零件呈現(xiàn)出完整地高光亮銀效果，只能在滿足特定要求的外表面上粘附各種效果的燙印膜來(lái)實(shí)現(xiàn)各種個(gè)性化的效果。那么滿足特定技術(shù)要求的燙印面有嚴(yán)格的要求，燙印面和非燙印面的距離要求如下：

4.1 當(dāng)燙印面高于非燙印面，為了是硅膠材料的上胎模和燙印面之間有足夠的壓緊力，使得硅膠模有足夠的下壓空間，燙印面和非燙印面之間的高度差h要大于2.0mm，極限情況下為了滿足某些特定造型面的需求，可以將h做到1.0mm，同時(shí)成本上也會(huì)有所增加。距離a則不做要求，示意圖如圖6：

4.2 當(dāng)燙印面低于非燙印面，如圖7所示時(shí)，則需要定義燙印面和非燙印面的距離;如果它們的距離a大于15mm，可以認(rèn)為燙印面和非燙印面之間的空間足夠滿足上胎模的工作空間要求，對(duì)于高度差h不做要求;如果它們的距離a在5mm到15mm之間，那么對(duì)于在燙印方向上的高度差h則要求小于1/3*a;當(dāng)距離a<5mm，同時(shí)燙印面又低于非燙印面時(shí)，由于非燙印面的阻礙，使得硅膠模（上胎模）與燙印面之間無(wú)法產(chǎn)生充分地接觸，上胎模，燙印膜和燙印零件三者之間沒(méi)有足夠的壓力和適合的溫度，使得燙印膜充分粘附到燙印面上，容易產(chǎn)生燙印膜褶皺，起泡等質(zhì)量問(wèn)題。

此次新開(kāi)發(fā)的進(jìn)氣格柵是由無(wú)數(shù)個(gè)菱形的燙印特征組成，在開(kāi)發(fā)中，由于在Y0區(qū)域有一塊固定牌照板的結(jié)構(gòu)，它比右側(cè)的燙印面高13.7mm，根據(jù)高度差h/距離a≤1/3的原則，燙印面與周邊的面需要大于41.4mm，實(shí)際上如圖8的截面A-A中，燙印面與牌照結(jié)構(gòu)的距離只要做到15mm，在工藝上非燙印面和燙印面之間的距離已經(jīng)滿足上胎模的工作空間了。在燙印面右側(cè)的非燙印封閉面比燙印面低8.2mm，滿足燙印特征需要高于非燙印特征2mm的要求。

5 燙印面的設(shè)計(jì)要求與外凸物檢測(cè)

熱燙印技術(shù)的核心就是要能夠使得燙印的部位充分的得到燙印，燙印的痕跡要平滑、整潔、沒(méi)有飛邊、沒(méi)有水跡。在注塑時(shí)盡量不要采用脫膜劑，尤其是含有有機(jī)硅油的脫膜劑更是嚴(yán)禁使用。還要求模具的制造精度在800目以上。

5.1 燙印面的弧度

為了達(dá)到燙印膜與零件之間粘接效果，零件的燙印面要盡可能地平整，使得燙印膜不會(huì)產(chǎn)生褶皺。圖9截面B-B所示的單個(gè)燙印面的高度h不能大于0.3mm;同時(shí)燙印面寬度b要大于10倍的高度h;原則上燙印面的寬度和燙印膜粘附到以后產(chǎn)生的氣泡比例成正比，即燙印面越寬，則越有可能造成排氣不良，導(dǎo)致氣泡的產(chǎn)生，影響燙印質(zhì)量和報(bào)廢率;為保證排氣，其寬度不能太寬，建議寬度b做到15mm以?xún)?nèi)。即：b≥10h（h≤0.3mm? b≤15mm）。

燙印面的高/寬比越小，則燙印面越平，燙印膜與零件的粘附質(zhì)量會(huì)越好，但是實(shí)際零件生產(chǎn)中，當(dāng)寬度b大于5mm以上時(shí)，由于塑料零件的自身特性，需要做成雙層料厚，此時(shí)必須考慮縮印的風(fēng)險(xiǎn)。需要綜合考慮燙印面質(zhì)量和注塑零件的質(zhì)量，使兩者達(dá)到一個(gè)統(tǒng)一平衡狀態(tài)。建議將燙印的特征面做成光滑圓弧面Ra（圖9的截面B-B），Ra最小值為R75mm，推薦R90～120mm為佳。

5.2 燙印面的邊界

燙印的原理是通過(guò)燙印壓頭的作用，將燙印膜粘結(jié)層，金屬層（鋁或者鉻）和保護(hù)層留在燙印零件的燙印面上的過(guò)程。為了燙印膜的金屬層可以干凈、快速地從燙印膜中剝離出來(lái)，粘附在燙印零件的燙印面上，不產(chǎn)生燙印飛邊，多燙，漏燙等質(zhì)量問(wèn)題，可以把燙印面的邊界理解為剪切燙印膜的工具，那么這個(gè)邊界要盡可能地尖銳，其圓角Rb如圖8所示，不能大于R0.3mm。

5.3 汽車(chē)外部突出物要求

外飾零件需滿足強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB 11566-2009 乘用車(chē)外部凸出物的要求，其條款4.4中明確：車(chē)身外表面突出零件的圓角半徑Rp不應(yīng)小于R2.5;目前燙印在汽車(chē)外飾件上的應(yīng)用大多是有進(jìn)氣功能的格柵，針對(duì)用于固定元件或活動(dòng)元件間的間隙寬度d小于40mm、且此間隙有功能要求的情況。當(dāng)間隙寬度在25mm～40mm之間時(shí)，圓角半徑不應(yīng)小于1mm;若間隙寬度等于或小于25mm時(shí)，其外邊緣的圓角半徑不應(yīng)小于0.5mm。同時(shí)要求，形成格柵或間隙的每個(gè)元件的前端與側(cè)端的結(jié)合處應(yīng)是圓滑的，其測(cè)量方法示意如圖10所示。

乘用車(chē)外凸物強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求所有與100mm直徑的外凸?jié)L球有接觸的面至少大于R0.5， 此要求與燙印面邊界圓角的要求不能大于R0.3相沖突，那么如何在滿足燙印要求的前提下，將燙印面的曲面進(jìn)行優(yōu)化，合理有效地滿足外凸物強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)就尤為重要。下圖11是新格柵造型最初的造型，2個(gè)菱形燙印特征之間的距離是22.5mm，R50mm的外凸?jié)L球剛好碰到了2個(gè)菱形燙印特征的R0.3mm的邊界上，不滿足乘用車(chē)外凸物強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，那么此造型就不能滿足乘用車(chē)上市要求。根據(jù)如圖12所示的外凸物要求的燙印特征邊界優(yōu)化方法，根據(jù)R50外凸?jié)L球碰到的距離小于等于25mm，25mm到40mm之間，大于等于40mm這3種情況，將R50外凸?jié)L球碰到的邊界圓角調(diào)整到R0.5mm， R1.0mm或者R2.5mm以上，再使用燙印面高度不高于0.3mm的要求，將燙印邊界圓角切除，形成較為尖銳的圓角，在三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)不體現(xiàn)出圓角，制造時(shí)滿足零件制造的工藝圓角即可。優(yōu)化以后的結(jié)構(gòu)如圖13所示，滿足外凸要求的截面C1-C1，與外凸?jié)L球相切的邊界為R0.5mm，注意若優(yōu)化以后的距離d大于25mm，那么邊界則需要調(diào)整為R1.0mm。

5.4 燙印面的角度要求

本文所提到的燙印零件都是塑料零件，那么零件中涉及的所有燙印面和非燙印面都必須滿足塑料零件的拔模要求，為保證零件表面光滑無(wú)毛刺，建議拔模角大于3°。此次新開(kāi)發(fā)的的燙印零件的燙印方向與零件拔模方向不一致，故對(duì)于非燙印面還有一個(gè)要求，要求所有非燙印面與燙印方向之間的夾角要大于135°，否則存在燙印邊界不齊整，非燙印面多燙等質(zhì)量問(wèn)題。

從上圖1的燙印原理圖中可以看到，上胎模固定在燙印壓頭（加熱盤(pán)）里面，燙印方向永遠(yuǎn)都是Z向正向向下的。在設(shè)計(jì)燙印面造型的前期分析時(shí)，可以假定燙印方向是燙印面的法向，法向是確保燙印質(zhì)量的最優(yōu)方向。燙印方向與非燙印面的夾角α大于等于135°，可以簡(jiǎn)化理解為燙印面和非燙印面之間的夾角β要小于等于135°，以新格柵端部為例的截面示意如圖14所示。

6 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合本次大尺寸、造型中較多中空菱形特征的下格柵的研發(fā)，對(duì)熱燙印技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)外飾件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了探討，簡(jiǎn)單介紹了熱燙印技術(shù)的原理，熱燙印面造型的設(shè)計(jì)要求，熱燙印零件的基材要求，以及大尺寸熱燙印零件分段工藝，為今后的汽車(chē)外飾件研發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷曉杰.熱燙印技術(shù)在汽車(chē)內(nèi)外飾件上的應(yīng)用[J].絲網(wǎng)印刷，2014，第二期：13～18.