汽車塑料出風(fēng)口的電鍍性能分析

盧振光

（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室，上海 201805）

【經(jīng)驗交流】

汽車塑料出風(fēng)口的電鍍性能分析

盧振光

（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室，上海 201805）

從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電鍍工藝、裝配方式等方面對3款出風(fēng)口的電鍍性能進行分析。得出具有最佳電鍍性能的出風(fēng)口設(shè)計，并對選材、電鍍、裝配等提出了建議。

出風(fēng)口；塑料；電鍍；應(yīng)力；開裂；裝配

隨著現(xiàn)代汽車不斷地追求豪華美觀以及輕量化，塑料鍍鉻件在汽車內(nèi)外飾，尤其是出風(fēng)口上的應(yīng)用越來越廣泛[1]。出風(fēng)口安裝于汽車儀表板區(qū)域，用戶直接可見，一旦發(fā)生質(zhì)量問題，非常容易引起不滿。另外，近年來出現(xiàn)的細(xì)長造型出風(fēng)口對于電鍍工藝而言也是一個很大的挑戰(zhàn)。電鍍件的質(zhì)量性能包括厚度、微孔(或微裂紋)數(shù)、附著力、耐高低溫濕熱交變性能、耐腐蝕性能等方面[2]。本文從出風(fēng)口電鍍框的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、電鍍工藝、裝配方式等方面對3款出風(fēng)口的鍍鉻性能進行分析，總結(jié)出性能最穩(wěn)定的出風(fēng)口設(shè)計模式，以尋求最佳的電鍍工藝設(shè)計方案。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

3款產(chǎn)品的電鍍框都屬于比較細(xì)長的造型，具體尺寸參數(shù)見表1。相對而言，B款的出風(fēng)口零件粗壯一些，結(jié)構(gòu)強度最高。

表1 3款出風(fēng)口鍍鉻框的尺寸參數(shù)Table 1 Sizes of three models of air vents needing chromium electroplating

1.1 電鍍工藝

因施鍍時鍍液溫度高達(dá)65 °C，加上鍍液打氣，容易使細(xì)長鍍件變形而翹曲(見圖1)，最終影響產(chǎn)品與對手件的間隙。因此，對于比較單薄的細(xì)長結(jié)構(gòu)鍍件而言，其電鍍的難點在于如何控制零件的變形量。

圖1 細(xì)長電鍍產(chǎn)品的變形現(xiàn)象Figure 1 Deformation of thin and long product after electroplating

采用圖2所示的措施進行改善，具體如下：

(1) 合理設(shè)計電鍍掛具，將常規(guī)的三點定位改為兩點定位，避免單邊變形。如圖2中的A點和B點為兩點定位，C點用于提高導(dǎo)電效果，并非定位腳。

(2) 將掛具腳由卡接式改為彈針式，避免產(chǎn)品受力過大，圖2中A點便是彈針式掛腳。

(3) 在產(chǎn)品的中部流道位置增加1個軟接觸(見圖2中的C點)，不僅可避免產(chǎn)品在電鍍過程中因晃動而變形，而且能提高導(dǎo)電效果。

(4) 產(chǎn)品掛點豎排，以降低下掛過程中產(chǎn)品的受力程度。

圖2 掛具照片F(xiàn)igure 2 Photo of rack

1.2 裝配方式

3款車型的鍍鉻框與對手件的裝配方式不同，間隙的設(shè)計也有區(qū)別。A款和C款出風(fēng)口內(nèi)部都是葉片，間隙很大。B款如圖3所示，在截面A-A處從內(nèi)到外依次是輪盤底座、電鍍框、面框。輪盤底座與電鍍框的間隙偏小。

圖3 B款出風(fēng)口的組裝結(jié)構(gòu)Figure 3 Assembly structure of Model-B air vent

如圖4所示，A、B款出風(fēng)口的鍍鉻框背面與外部油漆飾板均通過焊接進行裝配，各有焊腳13處和17處，裝配應(yīng)力較大。而C款出風(fēng)口的鍍鉻框僅有定位孔，自然裝配，無需焊接，裝配應(yīng)力很小。

圖4 3款出風(fēng)口鍍鉻框的焊接位置Figure 4 Welding positions of three models of chromium-plated air vent frames

2 鍍層性能分析

2.1 鍍層厚度的比較

3款鍍鉻框的電鍍層從內(nèi)到外都是依次為Cu、Ni、Cr，鍍層厚度是影響電鍍性能的重要因素之一，因此按照GB/T 16921-2005《金屬覆蓋層 覆蓋層厚度測量 X射線光譜方法》檢測鍍鉻層厚度，按照GB/T 6462-2005《金屬和氧化物覆蓋層 厚度測量 顯微鏡法》檢測鍍銅層和鍍鎳層厚度，結(jié)果列于表2。從中可知，3款出風(fēng)口電鍍框表面的Cu、Ni、Cr鍍層厚度均滿足大眾集團標(biāo)準(zhǔn)TL528《塑料電鍍件材料要求》對內(nèi)飾件鍍層厚度的要求(Cr 0.3 ～ 1.0 μm，Ni≥10 μm，Cu≥20 μm)。

表2 3款出風(fēng)口鍍鉻框表面不同位置上不同鍍層的厚度Table 2 Thicknesses of different coatings at different positions on three models of chrome-plated air vent frames(單位：μm)

鍍銅層是重要的中間層，具有高整平作用，能使基體本身的粗糙度降低，對后續(xù)電鍍層的均勻性起到非常重要的作用。金屬鍍層與塑料基材之間的熱膨脹系數(shù)差異較大，與其他金屬相比，銅較軟，延展性和柔韌性較好，其膨脹系數(shù)更接近于塑料的熱膨脹系數(shù)。因此當(dāng)零件受到外界溫度變化的影響時，鍍銅層可以起到良好的緩沖作用，有利于增強鍍層與塑料基材之間的結(jié)合力。鎳鍍層可以改善零件的抗腐蝕能力，一般為多層鎳，利用不同鎳層之間的電位差，將縱向腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向腐蝕，從而改善鍍層性能。鉻鍍層在零件的最表層，電鍍鉻的電流效率很低，鍍層較薄，主要起裝飾的作用。

對比3款產(chǎn)品的鍍銅層厚度可知，A款和B款出風(fēng)口鍍鉻框的鍍銅層厚度略大于C款。因此從鍍銅層厚度看，A款和B款的延展性可能優(yōu)于C款。

2.2 素材內(nèi)應(yīng)力的比較

在素材件的生產(chǎn)過程中，注塑工藝條件、注入位置、模具制造、制品形狀等因素不同都會使注射成型的制件在某些部位存在內(nèi)應(yīng)力。鍍件的壁厚不均勻，轉(zhuǎn)角處為直角，形狀復(fù)雜而又缺少對稱性等不合理的造型設(shè)計會造成內(nèi)應(yīng)力。模具設(shè)計上澆注尺寸不符合要求，如澆道太窄，澆口太小，主流道太長，澆口位置不當(dāng)(如澆口位置設(shè)計在不同厚度的轉(zhuǎn)接處)，或頂桿位置不當(dāng)，造成強行脫模等，也會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力過高會造成表面粗化不足，難于敏化、活化和金屬化[3]，最終影響電鍍產(chǎn)品的性能。參考德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 53100 Metallic coatings—Electroplated coatings of nickel plus chromium and of copper plus nickel plus chromium on plastics materials中的附錄F，采用冰醋酸測試內(nèi)應(yīng)力：在室溫[(24 ± 3) °C]下，將素材件置于冰醋酸中浸泡30 s，取出后用流動水沖洗，冷風(fēng)吹干，于光源燈下觀察樣品表面是否有發(fā)白或者龜裂現(xiàn)象。若有，說明應(yīng)力較大；若無，則說明應(yīng)力均勻。將素材件重新放入冰醋酸中浸泡2 min，檢查零件是否有斷裂，有則說明應(yīng)力較大。經(jīng)檢測，3款電鍍框的毛坯件浸泡冰醋酸前后均無明顯變化，說明素材件的內(nèi)應(yīng)力均較小。

2.3 耐高低溫濕熱交變性能的比較

對3款出風(fēng)口成品進行8個周期的高低溫濕熱交變試驗，1個周期為：由室溫加熱至80 °C(耗時1 h)，相對濕度為80%，并保持4 h；然后冷卻至-40 °C和相對濕度30%(耗時2 h)，并保持4 h；再升溫至23 °C(耗時1 h)，維持相對濕度30%。試驗結(jié)束后取出，觀察鍍鉻框表面，要求無縮痕、裂紋、起殼等缺陷，且鍍層的附著力仍然合格。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，A款和B款的出風(fēng)口鍍鉻框均出現(xiàn)裂紋(見圖5)，而C款出風(fēng)口鍍鉻框沒有任何缺陷，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。由厚度檢測結(jié)果可知，A款和B款的鍍銅層厚度略大于C款，說明對這幾款出風(fēng)口而言，鍍層厚度不是影響鍍層延展性的主要因素。

經(jīng)過分析，A款的出風(fēng)口開裂多位于焊接處，焊接處結(jié)構(gòu)薄弱，壁厚僅1.2 ～ 1.5 mm。高溫時，電鍍件和對手件面框的膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致電鍍件的焊接孔處被撐裂。

圖5 高低溫濕熱交變試驗后2款鍍鉻框的開裂現(xiàn)象Figure 5 Cracking phenomenon of two models of chrome-plated frames after high and low temperature alternating damp heat test

在造型和裝配方式已經(jīng)確定的情況下，要改進A款出風(fēng)口的電鍍性能，只能通過改進零件的焊接工藝，通過將焊接筋尺寸減小1 mm，使得焊接后的溶膠不能填滿整個孔(見圖6)，應(yīng)力有足夠的空間得以釋放。另外，鉚接焊點要保證均勻性，避免過盈焊接。因此，A款出風(fēng)口對焊接工藝的要求很高，工藝窗口很小，焊接過松容易出現(xiàn)異響抱怨，甚至出現(xiàn)脫落的情況。

圖6 A款出風(fēng)口的焊接筋Figure 6 Welding web of Model-A air vent

B款出風(fēng)口開裂的位置位于輪盤底座與鍍鉻框接觸點，通過圖3可以看到B款出風(fēng)口的組織結(jié)構(gòu)。輪盤底座采用的是PC/ABS T85XF材料，而電鍍框是常用的電鍍級PC/ABS T45PG材料。兩種材料的熱膨脹系數(shù)不同，高低溫存放時，輪盤底座膨脹系數(shù)大于電鍍框的膨脹系數(shù)，輪盤底座位于產(chǎn)品內(nèi)側(cè)，故導(dǎo)致輪盤底座頭部擠推電鍍框，造成電鍍框開裂。而另外兩款出風(fēng)口的內(nèi)部是葉片，并且不直接接觸，也就沒有來自框內(nèi)部的作用力。要改進B款出風(fēng)口的電鍍性能，只能通過調(diào)整輪盤底座與電鍍框的間隙。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，該間隙控制在0.5 mm時能夠使出風(fēng)口高低溫存放試驗后不至于產(chǎn)生開裂。

3 結(jié)語

3款出風(fēng)口鍍鉻框中，C款出風(fēng)口的電鍍性能最好，而且該款出風(fēng)口鍍鉻框無需焊接，自然裝配，在高低溫濕熱存放時有空間釋放應(yīng)力。如果采用焊接的裝配方式，必須給應(yīng)力釋放提供足夠的空間。在采用電鍍級PC/ABS T45PG和T85XF兩種材料的零件焊接組裝的情況下，360 mm長度的兩種材料要有0.5 mm以上的間隙才能滿足耐高低溫濕熱交變的質(zhì)量要求。對于比較單薄的零件，采用合理的掛具設(shè)計可以避免電鍍過程中發(fā)生變形，進而降低產(chǎn)品不良率。采用電鍍框內(nèi)部留空，輪盤底座在電鍍框外部的結(jié)構(gòu)，可以讓電鍍性能更加穩(wěn)定。

這種針對造型和組裝的分析方法也可以進一步推廣到汽車其他鍍鉻零部件的質(zhì)量整改上，有助于整車廠和零部件加工廠及時找到原因，快速消除產(chǎn)品缺陷。相關(guān)的經(jīng)驗積累可以在后續(xù)新項目的早期給鍍鉻件的造型和組裝提供參考，系統(tǒng)地降低鍍鉻件的質(zhì)量風(fēng)險，這也是鍍鉻件質(zhì)量管控的治本之策。

[1] 張菊香.塑料電鍍在汽車中的應(yīng)用及發(fā)展[J].汽車工程師, 2014 (9): 16-18.

[2] 張華, 陳志勇.汽車塑料飾件電鍍工藝及其性能檢測[J].環(huán)境試驗, 2013 (2): 14-18.

[3] 王尚義.汽車塑料件電鍍工藝[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2009: 16.

Analysis on electroplating quality of automotive plastic air vent

LU Zhen-guang

The properties of electroplated frames for three models of air vents were analyzed from several aspects including product structure, electroplating process and assembly method.The optimal design of air vent most suitable for electroplating was determined.Some suggestions for material selection, electroplating and assembly were given.

air vent; plastic; electroplating; stress; cracking; assembly

TQ153.2; TG147

B

1004 - 227X (2017) 20 - 1090 - 05

10.19289/j.1004-227x.2017.20.005

Author’s address: Laboratory of Quality Assurance, SAIC Volkswagen Co., Ltd., Shanghai 201805, China

2017-08-08

2017-10-16

盧振光（1984-），男，山東青州人，碩士，工程師，主要從事表面工程方面的研究工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) lzg_4@163.com。

[ 編輯：周新莉 ]