戴晨昱

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汽車內(nèi)飾中金屬喇叭網(wǎng)設(shè)計(jì)開發(fā)成型研究

戴晨昱

（上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司 工程開發(fā)部，上海 201206）

目前市面上的汽車內(nèi)飾的喇叭網(wǎng)，主要分塑料和金屬材質(zhì)兩種，其中又以塑料喇叭網(wǎng)占絕大多數(shù)，兩種材料各自的優(yōu)缺點(diǎn)鮮明，塑料件的優(yōu)點(diǎn)可以一體成型，原材料成本略低；但塑料件的缺點(diǎn)：網(wǎng)孔大易出飛邊造成堵孔、受熱漲冷縮變形量大、吸能且音效差，影響透音、外觀可見加強(qiáng)筋、外觀易劃傷、外觀質(zhì)感不強(qiáng)。而金屬件的優(yōu)點(diǎn)：網(wǎng)孔可按外觀需要縮小、音效均勻、受熱漲冷縮不變形、金屬閃耀的矚目材質(zhì)、無加強(qiáng)筋、環(huán)保。金屬件的缺點(diǎn)：工藝相對長。通過我們的匯總、梳理，將復(fù)雜工藝做模塊化組合、拼接，可以滿足不同價(jià)位客戶的需求，使金屬喇叭網(wǎng)使用功能上的優(yōu)點(diǎn)放大，成本降低，以大大提高整車客戶的使用率。同時(shí)通過有效的軟件分析支持，可以在項(xiàng)目初期，或者在項(xiàng)目開發(fā)過程中避免反復(fù)的改模驗(yàn)證，以降低成型制造的開發(fā)成本。

蝕刻；噴粉；噴漆；沖壓成型；褶皺；不銹鋼

前言

汽車內(nèi)飾中，對于音響的配置越來越趨于高端化和個(gè)性化，而作為音響最直接門面的揚(yáng)聲器網(wǎng)罩，目前，主要以金屬和塑料材質(zhì)的選用為主。其中，市面上的車型又以傳統(tǒng)的塑料喇叭網(wǎng)罩占據(jù)了絕大多數(shù)，金屬喇叭網(wǎng)罩，以往作為高端車型，或者中高端車型旗艦款的一個(gè)汽車內(nèi)飾的賣點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的塑料網(wǎng)罩，具有獨(dú)特的金屬光澤和機(jī)械拉絲效果，網(wǎng)孔形式設(shè)計(jì)多樣，因此受到許多豪華車型的青睞，目前市場上金屬喇叭網(wǎng)主要應(yīng)用在內(nèi)飾領(lǐng)域，包括汽車儀表臺，門板高、低音喇叭網(wǎng)，OHC和頂棚喇叭網(wǎng)，座椅頭枕喇叭網(wǎng)、后排副儀表板喇叭網(wǎng)、立柱喇叭網(wǎng)等等。隨著金屬喇叭網(wǎng)罩工藝的逐漸成熟和汽車市場流行趨勢的追捧，金屬喇叭網(wǎng)罩在整車上的應(yīng)用也有逐漸增長的趨勢。本文主要介紹金屬喇叭網(wǎng)的一些傳統(tǒng)工藝構(gòu)架，以及在沖壓成型過程中的一些問題的解決。

1 金屬喇叭網(wǎng)罩材料的分類和選用

金屬喇叭網(wǎng)罩的材料的選擇主要以普通的冷軋鋼板SPCC為主，也有不銹鋼和鋁合金材料。以下分類介紹一下各種選用材料的優(yōu)缺點(diǎn)，以及后續(xù)工藝選擇的一些要求，表面處理的一些局限性。

1.1 低端金屬喇叭網(wǎng)罩的選擇

相對低端的冷軋鋼金屬喇叭網(wǎng)。冷軋鋼的金屬喇叭網(wǎng)罩，在早期的一些BBA車型中，選用比較廣泛，其網(wǎng)孔的形式呢，就比較單一。主要是以一些陣列的PATTERN為主。比較常見的有菱形、圓孔、甚至于一些六邊形。因?yàn)槠渚W(wǎng)孔的實(shí)現(xiàn)方式為拉網(wǎng)或者沖孔，所以無法開發(fā)出一些別致的創(chuàng)意圖案，只能實(shí)現(xiàn)一些簡單的橫縱排列。另外由于其材質(zhì)無法完全滿足汽車內(nèi)防腐蝕的要求，金屬喇叭網(wǎng)表面會增加一道噴粉工藝，由于噴粉層的覆蓋，金屬網(wǎng)會有比較明顯的塑料質(zhì)感，無法達(dá)到亮眼的金屬光澤，所以該工藝配置的金屬喇叭網(wǎng)，也漸漸的在被一些高端車型所摒棄了。同時(shí)，如果需要添加音響品牌標(biāo)識，還需要定制額外的標(biāo)牌，卡接或者粘接上去，無形中又增加了整條工藝線的長度，成本隨之上升。

1.2 中高端金屬喇叭網(wǎng)罩的選擇

鋁合金材質(zhì)的金屬喇叭網(wǎng)。做為一個(gè)突破點(diǎn)，從選用鋁合金材質(zhì)起，金屬喇叭網(wǎng)網(wǎng)孔已經(jīng)可以開始通過蝕刻工藝來實(shí)現(xiàn)，即化學(xué)腐蝕。金屬喇叭網(wǎng)網(wǎng)孔的多元化設(shè)計(jì)。另一方面，鋁合金由于其不怎么佳的成型延展性，尖角位置由于易在成型時(shí)造成破裂，設(shè)計(jì)者往往無法過多的去挑戰(zhàn)過于復(fù)雜曲面的金屬喇叭網(wǎng)造型，以平面或近似平面，并配以絢麗的網(wǎng)孔造型花紋，為這款選材的主流做法。此外，由于鋁質(zhì)材料的表面強(qiáng)度不高，在加工過程中易劃傷，對成型模具的要求比較高，模具接觸面希望能達(dá)到鏡面精度。同時(shí)，也需要考慮其成型后零件的強(qiáng)度，是否可以滿足各個(gè)主機(jī)廠對于喇叭網(wǎng)罩沖擊性能的要求。最后，鋁質(zhì)材料可選的表面處理方式比較少，即單一的陽極氧化，或者在陽極氧化過程中的不同著色。不過，其在陽極氧化后所凸顯的暗白色色調(diào)，以其特有的低光澤性，倒是比較受一些日系車所青睞。

1.3 高端以及新興主機(jī)廠的選擇

新興的不銹鋼材質(zhì)金屬喇叭網(wǎng)。和鋁合金材質(zhì)的金屬喇叭網(wǎng)一樣，不銹鋼材質(zhì)的金屬喇叭網(wǎng)，同樣可以通過蝕刻的工藝來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜圖樣的網(wǎng)孔排布，對網(wǎng)孔尺寸僅只有最小值限制，取決于使用不銹鋼基材的板厚，較常用的有0.5mm厚0.6mm厚。目前歐系的主機(jī)廠，如Daimler奔馳，寶馬系列車款，比較主流的是選用不銹鋼材質(zhì)，歐系所選的不銹鋼牌號為1.4301，北美業(yè)務(wù)主要選用ASTM304，國內(nèi)業(yè)務(wù)主要是選擇寶鋼國產(chǎn)的0Cr18Ni9或者日系的JIS SUS304做替代。此外，不銹鋼材質(zhì)金屬喇叭網(wǎng)的可選表面處理方式就很廣了，噴漆，噴粉，電泳漆這種傳統(tǒng)方式都可以采用，同時(shí)還可以采用PVD表面處理工藝，即物理濺射電鍍工藝，該工藝可以達(dá)到表面色澤和色彩的多樣化。此外，不銹鋼的延展性較好，強(qiáng)度也適中，即滿足了工藝加工的可行性，對零件性能又有一定的保障，通過沖壓成型工藝組合，可以開發(fā)出一些稍微復(fù)雜曲面的金屬喇叭網(wǎng)造型。當(dāng)然，其在沖壓成型中的回彈特性，也會造成成型零件在匹配上的一些問題，后面在我們沖壓工藝分析驗(yàn)證部分做了一些研究介紹。

2 金屬喇叭網(wǎng)成型CAE分析問題驗(yàn)證及解決

2.1 問題介紹

早期金屬喇叭網(wǎng)罩開發(fā)，針對產(chǎn)品褶皺拉破等表面質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)在前期無有效識別手段，沒有CAE工具輔助分析，缺少風(fēng)險(xiǎn)量化的指標(biāo)，因此也無法提供準(zhǔn)確有效的優(yōu)化方案。在開發(fā)過程中，出現(xiàn)表面褶皺缺陷，而且在常規(guī)的沖壓工藝和模具上無法有效改善，產(chǎn)品表面質(zhì)量無法滿足客戶要求，需推翻原有工藝設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行開發(fā)驗(yàn)證。故嘗試引入鈑金成形CAE工具進(jìn)行喇叭網(wǎng)成形模擬驗(yàn)證。

2.2 解決方案

分以下幾步，引入CAE工具，嘗試建立不銹鋼喇叭網(wǎng)產(chǎn)品缺陷和CAE模型的對應(yīng)關(guān)系；量化產(chǎn)品缺陷指標(biāo)，提前對成形風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測；應(yīng)用CAE工具優(yōu)化成形工藝，改善產(chǎn)品褶皺缺陷和表面質(zhì)量，最終通過客戶外觀認(rèn)可。金屬喇叭網(wǎng)在成型過程中，主要存在以下幾種主要缺陷，褶皺、破損和網(wǎng)孔變形。褶皺缺陷：金屬沖壓成形過程中，材料在凹面堆積，造成局部變厚，形成褶皺；一般可通過拉延成形工藝進(jìn)行改善。破損和網(wǎng)孔變形缺陷機(jī)理類似：成形過程中網(wǎng)孔面受拉或者受壓，圓孔失穩(wěn)變形為橢圓；若局部拉伸超過金屬抗拉強(qiáng)度，將導(dǎo)致網(wǎng)孔破裂；一般可通過降低網(wǎng)孔區(qū)域受拉或者受壓程度進(jìn)行改善。

分析操作步續(xù)，如下：

1）輸入產(chǎn)品3D數(shù)據(jù)，材料信息和厚度；

2）使用軟件工具建立相同的工藝過程和模具面，進(jìn)行模擬成形和計(jì)算；

3）分析結(jié)果與產(chǎn)品實(shí)際缺陷狀態(tài)吻合，準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)缺陷。

為驗(yàn)證CAE工具可靠性，同時(shí)對正進(jìn)行開發(fā)的、已有實(shí)物樣件的其他系列金屬喇叭網(wǎng)產(chǎn)品進(jìn)行模擬，得到與產(chǎn)品一致的成形性能，驗(yàn)證可靠。

2.2.1 成形性分析

即基于產(chǎn)品應(yīng)力應(yīng)變曲線，和實(shí)際計(jì)算的應(yīng)變狀態(tài)對比，按照顏色劃分出產(chǎn)品不同區(qū)域受拉或者受壓程度，借此快速判斷產(chǎn)品成形過程中的狀態(tài)。

圖1

2.2.2厚度分析

即產(chǎn)品在成形過程中，局部受拉或者受壓會導(dǎo)致厚度變化，使用厚度分析，可以準(zhǔn)確地判斷產(chǎn)品在成形后的壁厚變厚或者變薄狀態(tài)，可參考顏色和殘厚數(shù)值進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判：嚴(yán)重變薄有撕裂風(fēng)險(xiǎn)，變厚則有堆料褶皺風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.3褶皺分析

即軟件中通過計(jì)算成形過程中模具凹面上鈑料和模具面的曲率貼合度，評估褶皺風(fēng)險(xiǎn)。如果鈑料和模具面始終貼合，CAE判斷此時(shí)鈑料形狀是產(chǎn)品形狀，無褶皺風(fēng)險(xiǎn)；如果局部沒有貼合，CAE判斷為褶皺風(fēng)險(xiǎn)。褶皺分析是換算的結(jié)果，公式如下，僅代表鈑料和模面的分離程度，并不代表真正的褶皺量，僅作參考。

2.2.4摩擦力設(shè)置

在鈑金成形過程中，板材始終與工具接觸，因?yàn)榻饘侔逶诠ぞ弑砻嫔狭鲃?，因此接觸是動態(tài)的，相對運(yùn)動產(chǎn)生的阻力即摩擦力。默認(rèn)狀態(tài)下，分析軟件應(yīng)用哥倫布定律計(jì)算成形過程中摩擦力的狀態(tài)，既摩擦剪切力和單位面積上施加的壓力成正比，假設(shè)摩擦系數(shù)為μ：摩擦系數(shù)與模具表面的光潔度、板材的光潔度都有關(guān)系，不銹鋼板材與模具（SKD11模具鋼）正常摩擦系數(shù)約0.15，通過增加潤滑劑可降低到0.07~0.1。摩擦力會影響拉延過程中材料流動狀態(tài)，可作為控制材料流動的手段，預(yù)設(shè)將不銹鋼成形標(biāo)準(zhǔn)壓力（3MPa)+標(biāo)準(zhǔn)摩擦系數(shù)（0.15）組合設(shè)置為1.0F。

2.3 成型方案對比

2.3.1沖壓成型（原始方案）

分析：對沖壓成形工藝，由于成形過程中沒有壓料邊的拉延，局部的堆料效果和摩擦力的設(shè)置基本沒有關(guān)聯(lián)，材料總是趨向于在造型凹面堆積，形成褶皺風(fēng)險(xiǎn)。針對褶皺缺陷的工藝方案優(yōu)化方向，改為拉延工藝，可以細(xì)分如下。

2.3.2局部拉延（半拉延工藝）

分析：對半拉延工藝，原凹面堆料區(qū)域狀態(tài)改善，且隨著摩擦力的增加，尖角上的變薄率增加。在CAE模擬過程中，產(chǎn)品A面和模具100%貼合壓緊，材料僅從工藝補(bǔ)充面向內(nèi)流動；但實(shí)際上，研合率100%很難實(shí)現(xiàn)，材料有可能從兩側(cè)向中間流動，造成A面大面局部受拉，產(chǎn)生波浪和網(wǎng)孔位移。風(fēng)險(xiǎn)：壁厚變薄，網(wǎng)孔變形，大面波浪。

2.3.3正向全拉延工藝（全拉延，工藝補(bǔ)充面在產(chǎn)品A面以下）

分析：全拉延工藝，原凹面堆料區(qū)域狀態(tài)改善，但產(chǎn)品A面受拉嚴(yán)重，且隨著摩擦力的增加，產(chǎn)品A面上變薄率不斷增加，網(wǎng)孔區(qū)域由于局部抗拉性能弱化，易失穩(wěn)變形。風(fēng)險(xiǎn)：局部網(wǎng)孔變形甚至破裂。

2.3.4反向全拉延工藝（全拉延，工藝補(bǔ)充面在產(chǎn)品A面以上）

分析：反向全拉延工藝，原凹面堆料區(qū)域狀態(tài)改善，產(chǎn)品局部變薄，且摩擦1.0F變薄率是其他所有工藝方案中最優(yōu)效果；摩擦0.5F相較1.0F變化并不明顯，但增加潤滑和清洗工藝，對成本和節(jié)拍不利。風(fēng)險(xiǎn)：局部網(wǎng)孔變形。

表1 方案對照表

R-red，Y-yellow，G-green

分析結(jié)果，如圖2所示：

圖2

2.4 后期實(shí)物驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析準(zhǔn)確性，對于以上三個(gè)方案，都進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證，與軟件分析結(jié)果吻合。

在該項(xiàng)目中，通過選用方案-反拉延工藝（全拉延，工藝補(bǔ)充面在產(chǎn)品A面以上），解決了產(chǎn)品缺陷，通過了客戶端產(chǎn)品外觀認(rèn)可，保證了項(xiàng)目的正常開發(fā)進(jìn)程。深入了解金屬網(wǎng)成形過程中缺陷的形成機(jī)理，掌握了金屬喇叭網(wǎng)罩產(chǎn)品成形的CAE能力，建立了一套金屬喇叭網(wǎng)成形風(fēng)險(xiǎn)分析和工藝可靠性的模擬驗(yàn)證方法，可以減少報(bào)價(jià)失誤，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省軟模驗(yàn)證費(fèi)用，提高開發(fā)效率，減少開發(fā)工時(shí)，第一次就把事情做好，提高客戶滿意度。

3 總結(jié)

隨著汽車音響的配置越來越趨于高端化和個(gè)性化，金屬喇叭網(wǎng)因?yàn)槠洫?dú)特的音響效果，在Burmester、Bose、B&O、B&W等，這些頂級音響品牌為車企所打造的高音質(zhì)系統(tǒng)中，金屬網(wǎng)罩的應(yīng)用成了必不可少的元素；金屬喇叭網(wǎng)做為一個(gè)新興的內(nèi)飾裝飾部分，在將來若干年以內(nèi)還是有很多的市場空間。在開發(fā)過程中，通過前期軟件模擬分析，可以不斷提升工藝制造分析能力，包含如下優(yōu)勢：降低模具開發(fā)驗(yàn)證費(fèi)用，縮短驗(yàn)證周期；量化缺陷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)有效的工藝驗(yàn)證方案；提高工藝、工序報(bào)價(jià)的準(zhǔn)確性。

[1] AutoForm R7 Software Manual.

Metal Speaker Grille Forming Process Development Research in Automotive Interior Trims

Dai Chenyu

( Shanghai Yanfeng JinQiao Automotive Trim Systems Co., Ltd. Eng. Development, Shanghai 201206 )

At present, the speaker grille of automobile interior decoration on the market is mainly made of plastic and metal materials, of which plastic speaker grille accounts for the vast majority.The advantages and disadvantages of the two materials are distinct. The advantages of plastic parts can be integrated into one piece, and the cost of raw materials is slightly lower. However, the disadvantages of plastic parts are: large hole pattern is easy to emerge from flying edge, resulting in blockage, large thermal expansion, cold contraction, large deformation, energy absorption and poor sound effect. The sound transmission and appearance show that the reinforcing tendons, the appearance is easy to scratch, and the appearance texture is not strong. The advantages of metal parts: hole pattern can be arranged according to the appearance needs, sound effect is uniform, heat rise, cold shrinkage does not deform, it is real metal shining material, no reinforcing ribs, environmental protection. Disadvantage of metal parts: relatively long process. Through our summary and combing, modular combination and splicing of complex processes can meet the needs of customers at different price levels, enlarge the advantages of metal speaker grille in use function, reduce the cost, and greatly improve the utilization rate of vehicle customers. At the same time, through effective software analysis support, it can avoid repeated model modification verification in the early stage of the project or in the process of project development, so as to reduce the development cost of forming manufacturing.

chemical etching; powder coating; painting; forming; wrinkle; stainless steel

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戴晨昱（1981-），男，就職于上海延鋒金橋汽車飾件系統(tǒng)有限公司工程開發(fā)部，從事汽車內(nèi)飾件開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.045