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        貫穿式汽車(chē)尾燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用

        2023-02-01 07:45:30江曉翊孟云飛
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2023年2期
        關(guān)鍵詞:改性工藝產(chǎn)品

        江曉翊,孟云飛

        (敏實(shí)集團(tuán),浙江 嘉興 314006)

        隨著我國(guó)汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展,目前市場(chǎng)呈現(xiàn)百花爭(zhēng)鳴的態(tài)勢(shì),消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的新穎造型和功能追求越來(lái)越高。2012年林肯MKZ使用貫穿式尾燈打開(kāi)了尾燈設(shè)計(jì)的新風(fēng)尚:貫穿式造型尾燈[1]。貫穿燈一般使用焊接工藝[2],熱板焊接的原理是將需焊接的2個(gè)塑料件的表面用熱板同時(shí)加熱,然后在一定的壓力下壓合熔融部分材料,冷卻之后塑料件之間形成牢固的鏈接[3]。振動(dòng)頻率和振幅連續(xù)可調(diào)的電磁振動(dòng)頭可以確保產(chǎn)品不會(huì)虛焊[4]。在貫穿燈的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要關(guān)注每一個(gè)可能影響產(chǎn)品總成性能表現(xiàn)的因子。

        1 應(yīng)用實(shí)績(jī)問(wèn)題分析

        貫穿式汽車(chē)尾燈近年來(lái)在市場(chǎng)上的新車(chē)型上面有了很廣泛的應(yīng)用,可以發(fā)現(xiàn)貫穿式的尾燈在汽車(chē)市場(chǎng)及造型部門(mén)的應(yīng)用中呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),針對(duì)這類產(chǎn)品,往往會(huì)涉及貫穿燈與車(chē)輛兩側(cè)車(chē)大燈的造型匹配和延續(xù)性,產(chǎn)品本身也會(huì)涉及一些典型的要求,比如防水透氣功能的實(shí)現(xiàn),氣密性、水密性的實(shí)現(xiàn),包括內(nèi)外板的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)與工程塑料合金(PC+ABS)的焊接功能,焊接時(shí)候的相容性,雙色注塑的匹配性,雙色注塑、物理氣象沉積(PVD)、硬質(zhì)涂層(Hard coating)和工藝的性能考量,振動(dòng)摩擦焊接的一些性能考量,產(chǎn)品的整體插拔力的考量,以及造型車(chē)身的外觀視覺(jué)效果的考量。因?yàn)楫a(chǎn)品橫貫車(chē)身,所以一般都比較長(zhǎng),這樣就會(huì)產(chǎn)生諸如翹曲、波浪紋、褶皺、縮水、粒點(diǎn)、橘皮、卷邊、異響、燙傷、燒焦、壓腫、飛邊、熔接線、銀絲、斷差、光影不順、拋光痕和PVD漏鍍等各種各樣的不良問(wèn)題。因此,在貫穿燈的設(shè)計(jì)初期,到過(guò)程管控,再到異常分析對(duì)策,最終到裝車(chē)試驗(yàn)功能驗(yàn)證等,需要全方位地進(jìn)行人機(jī)料法環(huán)的預(yù)判和分析。結(jié)合數(shù)據(jù)模擬和實(shí)物分析及參數(shù)因子DOE試片驗(yàn)證等手段,最終設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出可靠的貫穿燈產(chǎn)品。

        2 材料選擇

        材料的選擇是貫穿式汽車(chē)尾燈非常核心的一個(gè)環(huán)節(jié),材料的性能會(huì)影響到產(chǎn)品本身的性能,包括工藝中注塑、焊接、PVD和產(chǎn)品成型之后的冷熱循環(huán)及插拔力等諸多核心性能的實(shí)現(xiàn)。貫穿式汽車(chē)尾燈通常使用透明的材料作為一個(gè)外板,利用PMMA透明料和PMMA黑色料雙色注塑成一個(gè)外板,同時(shí)配以PC+ABS的內(nèi)板,通過(guò)焊接的工藝來(lái)進(jìn)行整體的成型。

        2.1 內(nèi)板材料選擇

        關(guān)于基材PC+ABS材料的選擇,需要綜合考慮拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、彎曲模量、熱變形溫度及最重要的熔融指數(shù)的表觀,同時(shí)因?yàn)槭瞧?chē)外飾件,產(chǎn)品的外觀光澤、黑度及成型性也需要綜合考量,所以基于如下的打分表(見(jiàn)表1)的對(duì)比,最終選擇了材料3。

        表1 不同材料供應(yīng)商的PC+ABS材料性能對(duì)比

        貫穿式汽車(chē)尾燈在T3試模之后,從產(chǎn)品的內(nèi)外板單件到產(chǎn)品的總成都產(chǎn)生了不少的問(wèn)題點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題點(diǎn)進(jìn)行分析。

        2.2 外板材料選擇

        在確定了內(nèi)板的成型材料之后,需要重點(diǎn)考量產(chǎn)品的外板材料,外板材料肩負(fù)著外觀和整體透光的要求。所以一般從透明性的要求來(lái)說(shuō),行業(yè)里會(huì)有PMMA和PC 2種材料的選擇,PMMA材料的黑度包括光澤性會(huì)優(yōu)于PC,同時(shí)PC材料在耐候試驗(yàn)之后,會(huì)出現(xiàn)發(fā)黃的現(xiàn)象,所以在外觀上就會(huì)選擇PMMA。目前行業(yè)內(nèi)也會(huì)有PC改性的材料可以符合使用要求,但是往往價(jià)格比較貴,所以最終選擇了PMMA。

        3 焊接工藝的選擇

        在確定了PMMA和PC+ABS的工藝之后,首先可以確定的是焊接之后,因?yàn)楫a(chǎn)品比較長(zhǎng),需要做退火的處理,以此防止應(yīng)力集中產(chǎn)品開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)。

        紅外預(yù)熱振動(dòng)摩擦焊。貫穿燈在進(jìn)行焊接工藝選擇的時(shí)候,需要面臨2個(gè)問(wèn)題的考驗(yàn),第一,產(chǎn)品需要達(dá)到燈一級(jí)的外觀,內(nèi)外板焊接之后,往往會(huì)產(chǎn)生焊渣和焊屑、焊絲等次生料。這樣外觀上就無(wú)法滿足客戶的要求。第二,相關(guān)的焊渣、焊屑和焊絲也會(huì)對(duì)后序工序的PVD工藝產(chǎn)生非常大的影響。因?yàn)镻VD沉積的膜厚非常的薄,所以在有這些雜質(zhì)的時(shí)候外觀往往是被判定為不良品的。因此基于圖1(a)的普通摩擦焊接縫和圖1(b)的紅外預(yù)熱振動(dòng)摩擦焊接縫的對(duì)比,最終會(huì)選擇紅外預(yù)熱摩擦焊的工藝用于貫穿燈的焊接。

        圖1 2種焊接工藝焊接縫對(duì)比圖

        4 產(chǎn)品插拔力要求

        產(chǎn)品的總成的插拔力要求是插入力小于65 N,拔出力大于98 N,在這樣的試驗(yàn)要求情況下,綜合考慮材料物理性能的影響(見(jiàn)表2),對(duì)產(chǎn)品的總成進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)解析的分析,最終發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的總成滿足整體的要求,在前期就規(guī)避了插拔力不足的影響。

        表2 材料的物理性能

        5 產(chǎn)品的人機(jī)工程校核

        針對(duì)注塑件產(chǎn)品來(lái)說(shuō),在產(chǎn)品的造型面會(huì)有2種情況產(chǎn)生,第一種情況是如果在P.L線附近的夾角因?yàn)檎?chē)的造型而比較尖銳,這樣的情況下,產(chǎn)品出來(lái)之后因?yàn)榧膺厱?huì)對(duì)內(nèi)部生產(chǎn)工藝過(guò)程的操作工人和產(chǎn)品總成的安裝工人,以及車(chē)輛的使用者在觸碰的情況下造成傷害。第二種情況是在P.L線附近有飛邊和毛刺的產(chǎn)生,在進(jìn)行下一道工序的時(shí)候會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生劃傷,對(duì)操作工人產(chǎn)生劃傷手指等操作的風(fēng)險(xiǎn)。因此在設(shè)計(jì)的前期,就會(huì)針對(duì)產(chǎn)品的邊緣部分進(jìn)行產(chǎn)品角度的校核,一般會(huì)盡量把產(chǎn)品的角度做到65°以上,同時(shí)在邊緣部分比如凸臺(tái)部分可以做玉緣的結(jié)構(gòu),形成圓形的過(guò)渡,這樣就不容易對(duì)人造成傷害,最后在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段,可以使用UL利邊測(cè)試儀對(duì)(圖2)產(chǎn)品的邊緣進(jìn)行檢測(cè)。

        圖2 UL利邊測(cè)試儀

        6 產(chǎn)品的注塑工藝DOE

        當(dāng)貫穿燈產(chǎn)品出來(lái)之后,產(chǎn)品出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的問(wèn)題點(diǎn),包括:①主澆口氣痕——扇形氣痕;②產(chǎn)品結(jié)構(gòu)印(縮印/應(yīng)力痕)——存在結(jié)構(gòu)?。虎蹨夭罹€——溫差線伴有發(fā)白狀。且產(chǎn)品的批次工藝調(diào)整的狀態(tài)不同,經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品品質(zhì)的來(lái)回波動(dòng),往往一種不良調(diào)整消除之后,另外一種不良或者多種不良就會(huì)出現(xiàn)。在這種情況下,就非常有必要進(jìn)行產(chǎn)品注塑工藝的試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)分析,來(lái)進(jìn)行最佳工藝的篩選。

        第一步,需要通過(guò)注塑短射來(lái)確定注塑是否左右側(cè)走膠均衡(如圖3所示)。

        圖3 注塑短射驗(yàn)證

        第二步,對(duì)注塑工藝產(chǎn)品的如上不良現(xiàn)象影響最大的3大模塊展開(kāi)DOE的因子解析,分別是保壓壓力的DOE因子解析、射出速度的DOE因子解析和保壓時(shí)間的DOE因子解析,基于此3類分析,最終選擇出最佳工藝(見(jiàn)表3)。

        表3 最佳注塑工藝DOE

        7 基于PVD外觀匹配的改性材料性能比對(duì)

        產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中,隨著客戶對(duì)于整車(chē)的外觀定義標(biāo)準(zhǔn)的變更,在設(shè)計(jì)初期對(duì)產(chǎn)品方案策劃的時(shí)候,進(jìn)行的材料性能解析所選擇的材料類型可能在其他的產(chǎn)品性能方面可以滿足開(kāi)發(fā)的需求,但是當(dāng)客戶對(duì)整車(chē)外觀匹配提出新的要求和標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候,就需要基于材料進(jìn)行改性調(diào)整。通過(guò)最佳改性材料光澤色差反光率對(duì)比(表4)和最佳改性材料產(chǎn)品外觀和尺寸對(duì)比(表5)2個(gè)綜合維度的考量,最終選擇出材料3的各項(xiàng)指標(biāo)是最匹配本零件的綜合性能要求。

        表4 最佳改性材料光澤色差反光率對(duì)比

        表5 最佳改性材料產(chǎn)品外觀和尺寸對(duì)比

        8 結(jié)論

        隨著我國(guó)新能源和傳統(tǒng)汽車(chē)行業(yè)的興起和突破,汽車(chē)貫穿式汽車(chē)尾燈在市場(chǎng)上開(kāi)始更多地應(yīng)用于選配和車(chē)型上。本文通過(guò)對(duì)貫穿式汽車(chē)尾燈的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的研究,有如下總結(jié)和業(yè)界同仁分享。

        (1)貫穿燈材料的選擇:需要綜合考慮產(chǎn)品總成性能對(duì)材料物性、工藝流程中焊接力的評(píng)估,雙色注塑工藝對(duì)材料的流動(dòng)性的影響。材料的選擇需要綜合考慮拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、彎曲模量、熱變形溫度及最重要的熔融指數(shù)的表觀,同時(shí)因?yàn)槭瞧?chē)外飾件,產(chǎn)品的外觀光澤、黑度及成型性也需要綜合考量,建議對(duì)材料的機(jī)械性能、熱性能和物理性能進(jìn)行綜合比對(duì)考量。

        (2)貫穿燈焊接工藝的選擇:最終會(huì)選擇紅外預(yù)熱摩擦焊的工藝用于貫穿燈的焊接。綜合考慮接縫的外觀及避免虛焊等因素。

        (3)貫穿燈的產(chǎn)品插拔力、人機(jī)工程校核:選取其中的一個(gè)點(diǎn)去進(jìn)行分享,希望更多的工作和驗(yàn)證在虛擬設(shè)計(jì)階段進(jìn)行,盡量前期規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也可以用UL利邊測(cè)試儀之類的工具進(jìn)行產(chǎn)品的后續(xù)校核驗(yàn)證。

        (4)最佳工藝DOE:在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出現(xiàn)不良的時(shí)候,可以對(duì)注塑工藝產(chǎn)品的不良現(xiàn)象影響最大的3大模塊展開(kāi)DOE的因子解析,分別是保壓壓力的DOE因子解析、射出速度的DOE因子解析和保壓時(shí)間的DOE因子解析。

        (5)最佳的外觀匹配材料:通過(guò)最佳改性材料光澤色差反光率對(duì)比和最佳改性材料產(chǎn)品外觀和尺寸對(duì)比2個(gè)綜合維度的考量,實(shí)現(xiàn)實(shí)車(chē)匹配的最滿足整車(chē)外觀一致性匹配的基材。

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