汽车方向盘模具零件表面皮纹激光雕刻技术研究 |
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汽车方向盘模具零件表面皮纹激光雕刻技术研究
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点击上方↑模具工业，关注我们吧关于提醒广大读者、作者谨防诈骗的声明有删减，如需全文，请购杂志或前往知网下载《模具工业》创刊45周年系列活动启动中每一款汽车的方向盘表面都有各种仿皮纹造型的花纹，简称皮纹，主要分布在方向盘底部及气囊盖表面，其作用是：在视觉方面，起到装饰效果，防止光线反射，消除眼部疲劳，使产品更加美观、高雅，满足视觉要求；在触觉方面，起到防滑、防转、表面不易划伤、不易沾上灰尘和指纹，使产品有良好的手感；在模具成型工艺方面可以使待成型产品表面与型腔表面之间可容纳少许空气，不形成真空吸附，成型的产品容易脱模。这些仿皮纹的花纹要先在模具零件表面加工，然后通过注射工艺生产的方向盘表面就自带花纹。 1 技术现状分析 过去方向盘模具零件表面的皮纹都是采用化学蚀刻工艺加工（也称金属模具零件表面纹理蚀刻工艺），是利用化学药水对模具零件表面进行部分溶解蚀刻形成纹理的加工工艺，整个加工过程主要依赖技术工人凭经验手工操作完成，是过去模具零件表面花纹制作不可缺少的主要工艺。除了化学蚀刻工艺，还有电极放电和数控精雕等纹理加工工艺。随着工业制造技术的不断发展，一些更先进的模具零件表面花纹加工技术出现，使化学蚀刻工艺的缺点及技术瓶颈逐渐凸显，采用化学蚀刻工艺加工方向盘模具零件表面皮纹的主要缺点如下。（1）皮纹缺少3D立体感。化学蚀刻工艺只能加工平面形的皮纹，无法加工3D立体效果的皮纹，因此皮纹形式单一，扁平化地浮于表面。受到工艺条件的制约，皮纹设计趋于简单，无法进行特殊的创新设计，使皮纹产品的外观缺乏特色，缺失个性，降低产品的观赏性。（2）加工精度差、效率低。化学蚀刻工艺整个加工过程是由技术工人手工操作完成，蚀刻过程主要依靠化学药水对模具零件表面进行部分溶解腐蚀而形成纹理，腐蚀时间依靠技术工人经验确定，导致皮纹加工区域、深度尺寸难以把控，误差大。另外皮纹表面细节特征无法加工，缺乏自然皮纹细节，不够逼真。整个工艺过程步骤多，手工操作效率低，1副方向盘模具零件皮纹蚀刻加工需要12天左右。（3）对材质有严格要求，后期维护困难。由于蚀刻工艺限制，可应用方向盘模具零件的材质种类较少，同一种材质硬度也要均匀，硬度误差控制在2HRC以内，否则导致蚀刻的皮纹深度不一致或出现较大光度差。另外蚀纹表面如果有补焊，不能直接进行蚀纹，否则无法满足模具零件纹面后期维护需求。（4）皮纹复制一致性差。方向盘模具通常需要制作多副复制模，化学蚀刻工艺加工的每副模具零件皮纹都有差异，造成同一个产品不同生产批次的差异性较大，皮纹的相似度只有60%~70%，对于高端车型，这种差异不能接受。（5）环境污染。由于使用化学药水才能对模具零件表面进行腐蚀，药水散发的气味及最终排放，对环境造成污染。鉴于化学蚀刻以上缺点，汽车厂商有时只能被动地修改设计方案，牺牲产品的创新性来满足加工的要求。目前一种利用专业设计软件和五轴数控激光加工设备结合的全数字化工艺流程（称为数字化激光雕刻技术）正在模具零件表面纹理加工行业推广应用。激光雕刻技术在各行各业应用广泛，金属行业的激光雕刻技术主要应用于金属零件表面的各种图案、文字和细小结构特征加工，其中平面图案经过雕刻后可以有浮雕的效果，形成立体化。2 激光雕刻技术简介 01 技术原理 图1 激光雕刻技术原理 激光雕刻与激光打标、激光切割的技术原理类似，如图1所示，同样是利用高功率密度的聚焦激光光束作用在材料表面，使材料气化或发生物理变化，达到加工的目的。 02 工艺流程 图3 模具零件表面纹理激光雕刻工艺流程 激光雕刻技术是利用纹理灰度图产生模具零件表面雕刻深度的差异，通过渐变灰度实现立体化效果。主要工艺流程分为5个步骤，如图3所示。（1）纹理设计。使用图像或3D设计软件设计纹理，然后转换成激光灰度图。（2）三维贴图。利用三维模型展UV软件，把三维雕刻区域曲面展平，然后把纹理灰度图贴在已展平的雕刻区域，再转换成3D零件雕刻形状。（3）激光编程。对贴好纹理的零件3D图进行激光雕刻编程、加工模拟。（4）激光雕刻。将编好的激光雕刻程序传输到五轴激光雕刻设备，装夹好零件，完成雕刻。（5）后期处理。零件雕刻完成后，将附在表面的黑色碳化物清理干净，并调整光泽度。03 技术优势 激光雕刻技术相比传统化学蚀刻工艺，优势明显，全数字化的工艺链符合目前智能制造技术发展需求，使用更少的劳动力便能完成更精确更复杂的纹理加工。整个过程数字化保存数据，可精准追寻数据源，易于纹理复制扩展及后期各种维护。（1）纹理设计无局限。不再受传统工艺的各种局限，任何纹理设计都能实现。设计师无需考虑加工工艺可实现的程度，可利用各种艺术设计软件或工业设计软件，发挥想像，进行纹理设计的创新。另外数字化的纹理设计技术，可以通过仿真渲染三维立体效果，提前获知纹理在产品表面的形态，进行多种纹理设计方案的评估，减少产品打样的损耗，数字化纹理设计图案如图4所示。 3 模具零件纹激光雕刻关键技术 图5 汽车方向盘的表面皮纹 方向盘是汽车驾驶员触摸最多的部位，表面易磨损，维护备件需求相对较多，汽车方向盘的表面皮纹如图5所示。汽车厂商需要准备多副方向盘的生产模具，为保证同一产品的多副模具纹理一致性，激光雕刻技术成为汽车方向盘模具零件纹理的首选加工方式。但是激光雕刻技术在应用端仍有较多关键技术需要掌握，才能真正发挥该技术应有的优势。深圳银宝山新集团在三年多的激光雕刻技术应用创新研发积累了丰富的经验，其中在方向盘模具零件表面皮纹雕刻技术应用研究方面，取得重要的关键技术突破，主要如下。（1）立体皮纹设计技术。皮纹是模仿自然肌肤纹理，没有固定的几何规律，无法通过CAD类软件设计立体纹理图。皮纹产品既要突显皮纹纹理颗粒块与纹路的立体层次，又要体现天然效果。在激光雕刻工艺中，自然皮纹纹理的设计是核心。激光雕刻是利用图像灰阶产生深度差异，其立体化设计、层次设计、自然因素设计、分片无痕结合是激光皮纹设计的关键技术。国内较多蚀纹厂家由于受到传统的纹理设计经验影响，设计思维禁锢，难以掌握上述4个关键设计技术，使这些厂家在引进激光雕刻技术过程中无法快速突破，激光雕刻皮纹与传统腐蚀皮纹区别如图6所示。 （a）激光雕刻皮纹 （b）传统腐蚀皮纹 图6 激光雕刻皮纹与传统腐蚀皮纹区别 （2）皮纹变形处理技术。激光雕刻技术在纹理加工时都需要面临一个问题：处理复杂多片体、封闭式、狭窄深腔型的曲面纹理加工时，把纹理三维贴图后，都会出现纹理变形（也称为纹理走样）。目前国内知名的激光纹理制作公司，也只能依靠国外专家团队支持，没有自主完成。深圳银宝山新集团经过近两年不断试验，在多次失败中总结，掌握了一套独特的纹理变形解决方案，纹理变形处理结果对比如图7所示。 图7 纹理变形处理结果对比 （3）后处理工艺。现有纹理制作加工对后期处理不注重，缺乏规范的工艺流程及作业标准，实际产品应用受人员变动影响较大，产品处理质量不稳定，会因为细节处理不当，破坏整个产品的皮纹细节。强化纹理表面后处理环节，对材料的规格型号进行划分，规范处理过程的工艺顺序，标准化工艺参数。 图8 激光雕刻加工完成的方向盘模具零件表面皮纹 目前，方向盘模具零件表面皮纹加工采用激光雕刻技术的品牌，其高端车型一直坚持采用激光雕刻技术，其他品牌也纷纷效仿，但国内的制纹厂难以利用激光雕刻技术加工方向盘模具零件皮纹，皮纹加工转到国外进行。因该技术在国内处于起步阶段，企业相互之间的技术封闭，专业技术人才紧缺。激光设备制造商仅能提供的技术支持是设备操作应用，在纹理设计开发、雕刻工艺、光度调节等专项技术并无太多经验，只能靠企业自己摸索。所以完全自主掌握该技术的公司还只是个别，规模化生产远未普及，激光雕刻加工完成的方向盘模具零件表面皮纹如图8所示。通过方向盘模具零件表面皮纹加工为例，介绍了激光雕刻技术的优势及分析了关键技术，实例证明方向盘模具零件表面皮纹采用激光雕刻技术是成功的，该技术对传统技术的缺点进行了补充，其优势及作用已体现明显，不仅仅在汽车方向盘上应用，汽车其他内饰的纹理都可以应用。另外，在信息和通信技术以及电子技术方面，手机壳、电视机外壳、笔记本电脑、扬声器和相机外壳上的模具零件表面纹理加工，也逐步在使用激光雕刻技术，还可应用在珠宝和手表以及体育器材、化妆品盒、玩具等各种消费品上。 ▍原文作者：张森，袁林，贾宇霖，杨瑞树 ▍作者单位：深圳市银宝山新科技股份有限公司 |
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