周波，鄭挺，項(xiàng)林憶，胡斌，鄒新良，何光建

(1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434；2.華南理工大學(xué)聚合物成型加工工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省高分子先進(jìn)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640)

0 引言

在汽車開發(fā)過程中，A級表面是大多數(shù)汽車設(shè)計(jì)中都會(huì)用到的術(shù)語，并具有嚴(yán)格的數(shù)值定義，用于描述一組光滑和高質(zhì)量的自由曲面。但對于制造出來的車身表面的評定，則沒有統(tǒng)一的評定標(biāo)準(zhǔn)，簡單地講就是要求曲面必須光順，即避免在光滑的表面上出現(xiàn)突然的凸起、凹陷等缺陷[1]。后來被廣為接受的一種評定標(biāo)準(zhǔn)大致是A級表面兩個(gè)相鄰補(bǔ)丁邊緣的每個(gè)點(diǎn)之間的距離必須不超過0.001 mm，兩個(gè)相鄰面片邊緣上的表面切線之間的角度不超過0.005°。

隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在汽車制品上的應(yīng)用也越來越廣泛。目前，用A級SMC已經(jīng)生產(chǎn)出了鏡面外觀的汽車外表面制品，同時(shí)SMC材料的高比強(qiáng)度和高比剛度也使其在汽車等工業(yè)上替代鋼鐵、減輕自身質(zhì)量方面擁有較大的優(yōu)勢。然而對于金屬材料來講，其表面光潔度取決于刀具和切削參數(shù)。而采用復(fù)合材料制作的表面質(zhì)量則非常復(fù)雜，其表面質(zhì)量與復(fù)合材料收縮率、成型固化溫度、壓力、模具表面質(zhì)量等諸多因素有關(guān)。因此，現(xiàn)有的金屬表面質(zhì)量評價(jià)方法不能很好地評價(jià)復(fù)合材料面板的表面質(zhì)量[2-3]。對車身外表面制品表面性能的評定，以往主要依靠經(jīng)驗(yàn)通過主觀評定，或者依靠邊界，通過對照檢測來檢驗(yàn)判斷，而對于復(fù)合材料制成的A級表面更難給出確切的數(shù)值定義，籠統(tǒng)地認(rèn)為A級表面應(yīng)該達(dá)到與涂裝后鋼板同樣的光學(xué)效果和水平。

由于主觀評價(jià)方法的隨機(jī)性，為了提高主觀評價(jià)樣本的準(zhǔn)確性，需要增加評價(jià)人數(shù)和延長評價(jià)時(shí)間，因此主觀評價(jià)方法逐漸難以滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，從而發(fā)展了對A級表面質(zhì)量進(jìn)行儀器評價(jià)的測量方法和技術(shù)。

1 汽車制品外觀表面質(zhì)量的檢測手段

一個(gè)高表面質(zhì)量的制品可以節(jié)約能源和材料、減少成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低零件的廢品率以及提高其使用壽命和使用性能[4]，因此需要對A級表面的評定提出一系列客觀、可度量的評定標(biāo)準(zhǔn)。

對汽車制品外觀件的表面質(zhì)量進(jìn)行檢測，主要有兩種手段：一種是接觸式測量手段，另一種是非接觸式。接觸式測量手段是采用高靈敏度的探針在表面移動(dòng)，將表面接觸的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，從而獲得不同表面位置的輪廓圖像。許多表面光潔度的測量儀器都屬于這一類型，例如常用于表面檢測的原子力顯微鏡(AFM)就屬于接觸式測量方法[5-7]。非接觸式測量技術(shù)則一般基于光學(xué)原理，采用光學(xué)顯微技術(shù)、電子顯微技術(shù)或光學(xué)傳感器技術(shù)來檢測和收集表面質(zhì)量參數(shù)。非接觸式表面測量技術(shù)除了可以確定表面輪廓，還可以測量光澤度、DOI(圖像的清晰度)以及桔皮現(xiàn)象。相對于接觸式測量方法，非接觸式測量系統(tǒng)更適用于測量較大表面積的樣品以及材料表面較軟的樣品。但是，非接觸式系統(tǒng)相較接觸式價(jià)格往往更高，同時(shí)也可能會(huì)受到材料顏色或表面其他光學(xué)性質(zhì)的影響。

目前，非接觸測量系統(tǒng)和接觸測量系統(tǒng)都可以實(shí)現(xiàn)樣品表面的高精度和高分辨率測量[8]，也已經(jīng)發(fā)展了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)用于評定表面粗糙度[9-11]。

1.1 接觸式測量原理及主要產(chǎn)品

接觸針式儀器的測量原理是在被檢測樣品的表面移動(dòng)一個(gè)高精度的探頭，在移動(dòng)的過程中檢測每一個(gè)位點(diǎn)的相對高度隨移動(dòng)位置變化的情況。機(jī)械觸針法按照位移檢測方式分為電感式、電容式、壓電式、邁克爾遜干涉式、柱面光柵干涉式、掃描白光干涉式等[12]。在測量過程中，觸針通過對被測樣品做逐點(diǎn)掃描收集信息，最后組合信息得到被測表面的輪廓曲線。觸針式輪廓儀盡管有可能對被測表面造成損傷、掃描速度低、測量區(qū)域有限等缺點(diǎn)，但它仍是目前使用最便捷的一種表面探測手段，并且由于觸針直接接觸被測樣品表面，接觸式測量儀器的分辨率很高，可以得到穩(wěn)定可靠的表面形貌數(shù)據(jù)。例如Mitutoyo SJ402的分辨率可以達(dá)到1.25 nm/800 μm，所以一直是各國國家標(biāo)準(zhǔn)及國際標(biāo)準(zhǔn)制定的依據(jù)。觸針式測量過程在測量表面粗糙度時(shí)產(chǎn)生誤差的主要影響因素是探針的大小、探針的負(fù)載、探針移動(dòng)的速度以及粗糙表面的橫向偏差。

自英國Taylor-Hobson公司1940年研制成功了表面粗糙度測量儀Talysurf之后[13]，輪廓儀迅速進(jìn)入了表面特征測量領(lǐng)域，除了常見系列Talysurf 5、Talysurf 6、Form Talysurf，另外還有Form Talysurf PGI系列粗糙度輪廓儀[14-15]。德國Mahr集團(tuán)生產(chǎn)性能優(yōu)異的M系列便攜式粗糙度儀，其附件的多樣性有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜溝槽的測量。臺(tái)式粗糙度儀中Perthometer S3P、S4P等也表現(xiàn)出很好的性能。日本Mitutoyo公司的優(yōu)勢在于各種專用傳感器測頭可以適配各種型號(hào)輪廓儀，一機(jī)多用，其產(chǎn)品主要是Surftest系列，包括便攜式211/212/301及臺(tái)式SU424/ SU-624等。我國主要的輪廓儀生產(chǎn)廠家有哈爾濱量具刀具廠、上海量具刃具廠及北京時(shí)代公司等。

1.2 非接觸式測量原理

雖然觸針法測量技術(shù)簡單，但對于表面測量數(shù)據(jù)的后處理計(jì)算過程繁瑣，特別對于大樣品的表面檢測效率較低，不能實(shí)現(xiàn)表面粗糙度的實(shí)時(shí)控制，且容易對測試表面產(chǎn)生一定程度的破壞，因此該技術(shù)對檢測對象的材質(zhì)要求較高，工業(yè)上在更多時(shí)候通過光學(xué)非接觸測量手段來檢測表面的外觀質(zhì)量。美國測試與材料學(xué)會(huì)(American Soeiety for Testing and Materials,ASTM)將對象的外觀定義為大小、形狀、顏色、紋理、光澤、透明度等視覺感知[16-17]。人類感知的視覺外觀是物體與入射在其上的入射光之間復(fù)雜相互作用的結(jié)果，這些相互作用包括鏡面反射、散射、吸收和透射。視覺外觀的所有幾何屬性都源于空間中白光的分布[18-19]。國際照明委員會(huì)(International Commission on illumination,CIE)將材料的光學(xué)特性分為4個(gè)方面(顏色，光澤，半透明和紋理)[20]。

1970年，MEADOWS等[21]提出了主要基于光學(xué)條紋圖的表面分析原理，通過提取條紋圖中的相位信息來獲取物體表面形貌。隨后表面測量技術(shù)逐漸由觸針逐點(diǎn)式測量向光學(xué)多采樣點(diǎn)方式發(fā)展。隨后1982年掃描隧道顯微鏡(STM)的成功面世更加促進(jìn)了表面質(zhì)量非接觸式測量技術(shù)的發(fā)展[22]。目前非接觸式測量方法的評定標(biāo)準(zhǔn)主要基于光線與樣品表面物理性質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的視覺印象和光學(xué)信息來進(jìn)行，由于表面外觀質(zhì)量不同，樣品表面直接反射的光線使物體呈現(xiàn)出不同的外觀顯現(xiàn)，主要表現(xiàn)在樣品表面的光澤、桔皮、霧影以及鮮映性(DOI)等參數(shù)[23-25]。HUNTER等首先將鏡面光澤度定義為以指定角度從表面反射的光與從表面法向另一側(cè)相同角度入射到表面上的光的比率(圖1)。隨后，他又提出了其他幾種反應(yīng)光澤的指標(biāo)并對它們做出了解釋[16,26-27]。

圖1 HUNTER提出來的5種光澤類型[16]

1.2.1 光澤(光澤度)

光澤度是光在沒有散射的情況下從表面反射的程度。當(dāng)眼睛聚焦在光源的反射影像上，獲取的信息反映的是成像質(zhì)量以及表面反射物體的能力，即表面的光澤屬性。測量光澤度時(shí)，光源放在探測器的對面，在反射角的小范圍內(nèi)記錄光強(qiáng)。表面接收入射光后，大多數(shù)在鏡面反射角處集中反射出平行光束，則樣品顯示高光澤度。入射光在各個(gè)角度都存在反射，光束朝各個(gè)方向上漫射，則成像質(zhì)量低，稱為中光澤或低光澤表面。為了在從高光澤到啞光的整個(gè)測量范圍內(nèi)獲得準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)，ISO 2813和ASTM D523從高到低光澤標(biāo)準(zhǔn)化了20°、60°、85°三種光路幾何結(jié)構(gòu)[28-30]。目前的光澤度儀都可以提供3種情形下的鏡面幾何形狀，一般情況下，測量程序首先使用60°入射光線測量光澤度，如果結(jié)果小于10光澤度單位(GU)，則應(yīng)使用85°光路進(jìn)行測試，或者如果結(jié)果大于70 GU，則必須采用20°光路。

在反射物體邊緣時(shí)，高光澤表面的黑暗部分會(huì)顯得有點(diǎn)明亮，稱為霧影；高光澤表面由于細(xì)微結(jié)構(gòu)，在主反射方向附近有低強(qiáng)度的漫射光，使得表面光澤度和成像質(zhì)量高但表面會(huì)出現(xiàn)乳白色的朦朧。這種由于涂料中顏料分散均勻性不好而導(dǎo)致的微結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生乳狀外觀，就被稱為霧影，霧影是只有高光澤表面才會(huì)出現(xiàn)的現(xiàn)象。

樣品隨著老化時(shí)間的延長，樣品表面對光的鏡面反射能力下降，目視光澤變差；烘烤溫度對物體表面鏡面反射能力也有一定的影響。而對于溶劑型涂料而言，溶劑的各組分揮發(fā)速率的差別越小越有可能得到高光澤的表面。當(dāng)溶劑各組分在濕膜階段的揮發(fā)速率不相同時(shí)，聚合物分子有析出的趨勢，會(huì)使涂膜表面變得不平整。在漆膜的烘烤工藝中，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致各組分之間揮發(fā)拉開差距，從而導(dǎo)致樣品目視光澤度急劇下降[31-32]。

1.2.2 鮮映性(DOI)

鮮映性(Distinctness of Image)是以物體在表面上反射而產(chǎn)生的影像的銳度為特征的光澤的一部分，它是鏡面反射微小變化的函數(shù)[33]。在測量A級表面的鮮映性，即圖像清晰度時(shí)，一般使入射光束的軸線從垂直于試樣表面20°或30°的位置入射，接收器設(shè)置在與反射光重合位置和離開反射光0.2°～0.4°的位置，光澤度反射系數(shù)是由此兩者得到的值組合起來得到的[34]。

2006年BYK-Gardner開發(fā)了一種稱為wave-scan dual(也叫wave-scan DOI)的儀器，其入射激光以60°的角度照射在表面上，并在鏡面反射角檢測到反射光，通過掃描和記錄表面的光學(xué)輪廓來測量表面的波紋度。在測量過程中，儀器在整個(gè)樣品表面上移動(dòng)一個(gè)大約10 cm的掃描長度，每0.027 mm記錄一次數(shù)據(jù)點(diǎn)。信號(hào)在0.1～30 mm內(nèi)被分為5個(gè)波長范圍，對于5個(gè)范圍中的每個(gè)范圍都有其特征值(Wa為0.1～0.3 mm，Wb為0.3～1.0 mm，Wc為1.0～3.0 mm，Wd為3.0～10 mm，We為10～30 mm)。并將1～10 mm的波掃描值歸納為長波(LW)，0.3～1 mm為短波(SW)。檢測到的散射光即所謂的霧影(du<0.1 mm)，通過使用短波范圍Wa、Wb和du的3個(gè)值，可計(jì)算出DOI值[35-36]。

此外還有兩種可通過波掃描DOI測量的外觀特征：濕性外觀(WL)和長波覆蓋(LC)。這些值分別使用方程式(1)和(2)從元素結(jié)構(gòu)尺寸測量中計(jì)算

(1)

(2)

當(dāng)短波在視覺系統(tǒng)占優(yōu)勢時(shí)，會(huì)隱藏涂層表面的長波。Wd/Wc比值較高時(shí)，表面具有明顯的WL。WL值低會(huì)導(dǎo)致纖維狀光學(xué)印痕的出現(xiàn);WL值高會(huì)導(dǎo)致表面看起來濕滑。另外，在汽車的檢測過程中，汽車的水平面(如引擎蓋)和垂直面(如車門)是主要的檢查區(qū)域。在幾乎所有的車身中，垂直表面的LC值都高于水平表面[37]。

物料分散程度、細(xì)度、顏料種類和彼此之間的兼容性，添加的濕潤劑、分散劑及其濃度，涂裝方法(氣動(dòng)優(yōu)于靜電)等都對霧影值有一定程度的影響。物料細(xì)度越小，分散程度越好，則霧影就越不明顯，光澤度越好。隨濕潤劑或分散劑等添加劑的含量增加，材料表面的光澤和霧影都有所改善。

1.2.3 紋理(桔皮)

當(dāng)眼睛聚焦于表面時(shí)，會(huì)觀察到像明暗區(qū)域交替出現(xiàn)的波紋結(jié)構(gòu)，這些波紋結(jié)構(gòu)被稱作桔皮。桔皮是對表面粗糙度或波紋度的度量，受涂層表面高度差的影響，由樣品的基體粗糙度、薄膜厚度、漆膜配方、制造工藝等各種因素共同決定。桔皮反映的是樣品表面的紋理屬性，從外觀來看可將其視為亮區(qū)和暗區(qū)的波浪形圖案[38-39]。ASTM E284標(biāo)準(zhǔn)將桔皮定義為類似于桔皮表面的不規(guī)則外觀[17]。桔皮結(jié)構(gòu)通過不規(guī)則外觀的大小、形狀和深度來描述，其可見程度與波紋大小、觀測距離、成像質(zhì)量等因素有關(guān)。這些結(jié)構(gòu)的清晰度不僅取決于結(jié)構(gòu)的大小，還取決于觀看距離，3～100 mm大小的波紋在3 m的距離可以看到，被稱為長波；0.1～1 mm內(nèi)的小型結(jié)構(gòu)只有在非常近的距離才看得見，稱為短波[40]。非常精細(xì)的表面結(jié)構(gòu)，甚至小于0.1 mm不能用肉眼檢測到，但它們也會(huì)降低涂層表面的清晰度，并最終影響涂層的視覺外觀；尺寸在1～3 mm的表面結(jié)構(gòu)在距離為3 m時(shí)很難被檢測到，但它們也會(huì)影響涂層的外觀[14]。

1980年，美國高級涂料技術(shù)(Advanced Coating Technology laboratory,ACT)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)桔皮樣板，定義了10塊桔皮樣板作為外觀比較的標(biāo)準(zhǔn)，以助于視覺評估樣品的表面質(zhì)量。該套樣板簡單地標(biāo)記為面板1～10，其中面板1具有高度的表面粗糙度，面板10具有最好的光滑光潔度。并用該桔皮樣板來實(shí)現(xiàn)給參數(shù)AOP(Absence of Orange Peel)及ACT標(biāo)準(zhǔn)橙皮標(biāo)度(ACTv)關(guān)于LW參數(shù)與鏡面光澤度和DOI的相互轉(zhuǎn)換，使AOP的值介于0～100之間，來表示桔皮的缺失百分比。

在證明了目前提出的視覺評估技術(shù)的內(nèi)在可加性之后，又提出方程來定義“總幾何外觀指數(shù)(GAI)[如方程式(3)]，作為幾何外觀屬性的組合指數(shù)，即鏡面反射消色差汽車飾面的光澤度G、DOI和OP[41]：

(3)

2 表面檢測的應(yīng)用及A級表面的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對金屬材料的光滑表面而言，無論入射角如何，其鏡面反射率總是恒定的。對熱塑性樹脂，生產(chǎn)冷卻過程中體積收縮明顯，表面會(huì)出現(xiàn)微型孔洞，影響其表面質(zhì)量。且增強(qiáng)材料收縮時(shí)還會(huì)導(dǎo)致樹脂和纖維的不均勻分布，使纖維凸出，表面粗糙度增加[3]，后續(xù)處理的清漆應(yīng)用也對表面質(zhì)量有一定影響[42-44]。熱固性復(fù)合材料(BMC/SMC/RTM)由于體積收縮率降低，表面光滑度有顯著提高。

對BMC/SMC制品表面的評價(jià)方法，經(jīng)歷了由低級到高級、由定性到定量的轉(zhuǎn)變。關(guān)于表面測試的方法，國際上有光柵法、衍射觀測指數(shù)法以及激光光學(xué)反射成像分析等[45]，我國則制訂了一個(gè)測試漆膜光澤度的國家標(biāo)準(zhǔn)[46]。用光柵法測試時(shí)，A級表面應(yīng)符合9級精度；當(dāng)用衍射觀測指數(shù)(DSI)時(shí)，A級表面應(yīng)為130；當(dāng)用激光光學(xué)反射成像分析時(shí)，A級表面的激光光學(xué)反射圖像分析儀的數(shù)值LORIA (Laser Optical Reflection Image Analysis)為80～110。專利[47]中使用表面分析儀LORIA測試反映合成的片狀模塑料(SMC)的表面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)論表示成分為熱固性樹脂添加芳族、多烯鍵式不飽和單體、低收縮添加劑增強(qiáng)劑和粗紗增強(qiáng)材料等可得到具有A級表面質(zhì)量的車輛模塑復(fù)合材料[48]。

2008年，歐洲一家汽車研究小組還定義了一個(gè)新的“結(jié)構(gòu)平衡指數(shù)B”，該指數(shù)B是Wb和Wd值的函數(shù)，如方程式(4)所示，它可以用來同時(shí)評估表面的短波和長波，從中取得平衡，然后再借助BYK的“平衡表”來評價(jià)整體外觀[49]。

(4)

用于測量汽車飾面外觀的最常用的儀器是Autospec QMS-BP。該儀器測量光澤度、DOI和桔皮。通過綜合測量的光澤度、DOI和桔皮值計(jì)算出整體外觀值(NAP)[39,50]。神龍有限公司的漆膜桔皮測試中就用到了桔皮儀和NAP來獲取其長短波桔皮和鮮映性數(shù)據(jù)[51]。德國的Car Paint Vision(CPV)的ISRA Surface Vision，實(shí)現(xiàn)了將現(xiàn)代視像技術(shù)用于表面量化測定。德國的曼佐里特(Menzolit)公司可以制作出低比重的轎車級別SMC，即能夠使SMC基材成型后具有金屬一般非常平整的表面。

3 總結(jié)

目前，汽車用A級表面的檢測手段正在不斷完善，產(chǎn)品類型和后續(xù)開發(fā)也越來越多。各粗糙度測量儀的生產(chǎn)廠家需要努力實(shí)現(xiàn)測量設(shè)備的性能優(yōu)化，完善其功能；同時(shí)，也不能忽視微機(jī)處理技術(shù)、高度集成化電路技術(shù)，使生產(chǎn)出來的設(shè)備具有更加適應(yīng)在線測量要求的超小型體系結(jié)構(gòu)?？傮w來說，A級表面的測量不斷向著現(xiàn)代化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。