汽車(chē)前格柵不同材料與工藝的選擇及對(duì)比分析

馬強(qiáng)

摘 要：文章沿著汽車(chē)前格柵的演變歷程，識(shí)別其中的材料與工藝的變化，對(duì)汽車(chē)前格柵常用的材料與工藝的特點(diǎn)梳理，結(jié)合前格柵材料與工藝選擇案例，進(jìn)行成本分析對(duì)比，最后對(duì)未來(lái)汽車(chē)前格柵材料與工藝應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)前格柵;材料與工藝;成本對(duì)比

中圖分類(lèi)號(hào)：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）19-193-04

The Analysis of Selection and Comparison for Different Material and Process

of the Car Front Grille

Ma Qiang

（ BAIC Group Off-road Vehicle Co.， Ltd.， Design Cost Engineering Department， Beijing 101300 ）

Abstract： In this paper， along the evolution course of the car front grille， Identify the change of the material and the process， To comb the characteristics of commonly used material and process for the car front grille. Combined with the cases of material and process selection for the front grille， to analyze and contrast?the cost. Finally， the material and technology of the car front grille for the future applications are prospected.

Keywords： Car front grille; Materials and technology; Cost comparison

CLC NO.： U466 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-193-04

前言

近年來(lái)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，各個(gè)車(chē)企不斷推出新車(chē)型，前格柵的形狀是千姿百態(tài)，材料與工藝也自然是各有不同。目前，汽車(chē)企業(yè)自身的成本壓力不斷增加，與此同時(shí)，激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，使得企業(yè)需要不斷壓縮成本、降低汽車(chē)價(jià)格以獲取市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[1]。超過(guò)70%的產(chǎn)品成本是由設(shè)計(jì)所決定的[2]，整車(chē)的成本主要由各個(gè)系統(tǒng)零部件成本組成，而各個(gè)零部件成本主要在于設(shè)計(jì)中材料與工藝的應(yīng)用，因此梳理前格柵常用的材料與工藝、對(duì)比分析成本，對(duì)汽車(chē)前格柵成本設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 汽車(chē)前格柵形狀、材料與工藝的演變

1.1 前格柵形狀的演變

1886年1月29日被公認(rèn)為汽車(chē)的誕生日[3]。在汽車(chē)誕生之初，并沒(méi)有前格柵。如圖1所示。

20世紀(jì)以后，汽車(chē)不再僅是歐洲人的專(zhuān)利了，進(jìn)入流水線大批量生產(chǎn)時(shí)期[4]，造車(chē)企業(yè)逐漸增多，汽車(chē)前格柵造型隨整車(chē)造型變化而產(chǎn)生、變化。國(guó)外汽車(chē)產(chǎn)生較早，前格柵逐漸出現(xiàn)家族化特征，勞斯萊斯帕特農(nóng)神廟結(jié)構(gòu)、寶馬雙腎造型、奔馳百葉窗式、Jeep七豎孔式等等。如圖2所示。

中國(guó)汽車(chē)自主品牌雖然發(fā)展較晚，但發(fā)展較迅速，各汽車(chē)集團(tuán)品牌設(shè)計(jì)出多種車(chē)型，前格柵有橫幅式、直瀑式、點(diǎn)陣式、回形水波紋式等等。

格柵的造型風(fēng)格按照形狀可分為一體大口型、上下均等型、上大下小型、上小下大型[5]。從前格柵組成結(jié)構(gòu)上區(qū)分，可以分為一體式與分體式，分體式主要包括格柵本體、格柵網(wǎng)格、格柵裝飾件等多個(gè)零件組成。

1.2 前格柵材料與工藝的演變

1.2.1 材料演變

20世紀(jì)初，前格柵材料主要是金屬，格柵發(fā)展到中后期，也開(kāi)始了以塑代鋼的發(fā)展[6]。目前，前格柵應(yīng)用材料以熱塑性材料為主。

1.2.2 加工與組裝工藝演變

前格柵早期采用手工打造，各零件組合通過(guò)焊接、螺接實(shí)現(xiàn)組裝。隨著金屬?zèng)_壓工藝的發(fā)展，前格柵成型逐漸由設(shè)備沖壓替代手工制作。材料以塑代鋼后，主要成型為注塑，組裝方式以卡接為主。

1.2.3 表面處理工藝演變

裝飾件表面亮銀色一直貫穿前格柵的發(fā)展，隨著電鍍工藝的發(fā)展表面鍍鉻顯更加光亮。裝飾件表面金色電鍍，雖顯更加尊貴，但成本較高，相比表面銀色應(yīng)用較少;受環(huán)保及多樣化表面裝飾需求，近幾年，前格柵本體廣泛由電鍍、噴車(chē)身同色漆向注塑黑色、高光黑發(fā)展。

2 汽車(chē)前格柵不同材料與工藝選擇的成本影響及對(duì)比

2.1 前格柵基礎(chǔ)工藝與材料選擇對(duì)比

金屬單價(jià)比塑料低，但金屬密度大，使用塑料材料可以減輕零件重量，可以不進(jìn)行表面處理，整體成本較低，同時(shí)輕量化使車(chē)輛減少有害氣體排放，環(huán)保性好。另外塑料注塑可以生產(chǎn)出復(fù)雜形狀與結(jié)構(gòu)，便于多個(gè)零部件集成，滿(mǎn)足復(fù)雜造型需求，所以目前前格柵采用塑料材料注塑工藝居多。梳理基礎(chǔ)工藝與常見(jiàn)材料進(jìn)行對(duì)比，如表1。

金屬材料手工制作可以加工較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，加工成本較高，相反，沖壓或注塑制作，節(jié)省單件生產(chǎn)時(shí)間，但需進(jìn)行模具制作，增加模具投入成本，所以手工制作適合小批量生產(chǎn)，沖壓及注塑制作適應(yīng)大批量生產(chǎn)。塑料材料中PP、ABS、PMMA、ASA等能基本滿(mǎn)足工作環(huán)境要求，PP成本相對(duì)較低，ABS綜合性能較好，PMMA透明度較好，ASA抗褪色性好。上表列出為基本材料類(lèi)型，實(shí)際選擇中，為追求綜合性能的提高，往往會(huì)采用塑料合金如PC+ABS、PMMA+ASA等，當(dāng)然相應(yīng)成本也會(huì)增加。

2.2 不同表面處理工藝與材料選擇對(duì)比

不同表面效果涉及工藝主要有普通注塑、皮紋注塑、高光注塑、噴漆、電鍍、熱燙印等，噴漆、電鍍、熱燙印為二次表面處理工藝，在注塑成型基礎(chǔ)上增加的，多數(shù)用于局部裝飾。具體不同表面處理工藝與材料選擇對(duì)比如表2。

前格柵普通注塑與皮紋注塑：材料可選擇符合耐熱、耐老化等性能要求即可（如ASA、PP-EPDM），皮紋注塑需對(duì)普通注塑模具上進(jìn)行皮紋腐蝕，模具成本增加，為滿(mǎn)足成型工藝性，普通注塑拔模角度≥3°，皮紋注塑拔模角度≥5°。

高光免噴涂注塑工藝：表面注塑出光亮效果，材料需增加透亮性能（如PMMA+ASA），材料單價(jià)相對(duì)普通注塑材料較高，密度相差不大，故零部件成本相比較高;為滿(mǎn)足成型工藝性，格柵拔模角度需≥7°，格柵型面寬度≥5mm，故對(duì)制品形狀要求較高;制品產(chǎn)生光亮效果，模具型腔需應(yīng)用高性能鋼材，如1.2344H，表面需精修，拋光至8000目以上，模具加工的材料與工時(shí)均增加，故模具費(fèi)用高。

電鍍、噴漆、熱燙印二次表面處理：三種工藝對(duì)基材材料都有特殊要求，電鍍需材料有導(dǎo)電性、噴漆需有易著色性，熱燙印要求基材易融合性;三種工藝對(duì)基材注塑質(zhì)量要求都較高，相應(yīng)注塑模具投入較高，形狀要求簡(jiǎn)易、不能帶有尖角、深凹等形狀，否則會(huì)對(duì)表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，對(duì)基材要求苛刻程度相比較電鍍、熱燙印高、噴漆中。電鍍表面鍍層較厚，光亮金屬效果明顯，噴漆及熱燙印光亮度及性能稍差，但顏色種類(lèi)可選性多;熱燙印與電鍍、噴漆相比性能差，但環(huán)保性好、成本低。電鍍工序較多，生產(chǎn)線長(zhǎng)，設(shè)備投入高，需使用電鍍藥水（銅、鎳、鉻等）耗材多，綜合零部件成本較高，生產(chǎn)零部件的掛具基材需采用導(dǎo)電性較高的材料（如銅），大部分表面需做絕緣處理（如浸涂塑料絕緣材料）;噴漆生產(chǎn)工序相對(duì)電鍍工藝較少，但人員投入相對(duì)較多，掛具采用普通金屬材料即可;熱燙印工藝設(shè)備、人員投入均較少，但需要增加燙印模具及支具，燙印模具一般采用硅橡膠模具，支具為普通鋼材，整體費(fèi)用相對(duì)電鍍、噴漆的掛具費(fèi)用高。

3 某車(chē)型前格柵材料與工藝選擇

例如某款車(chē)型前格柵造型定義本體中部網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)、表面要求高光黑效果;格柵裝飾條分為五塊，表面要求銀色光亮效果;項(xiàng)目預(yù)計(jì)生產(chǎn)總產(chǎn)量10萬(wàn)臺(tái)。根據(jù)邊界輸入，測(cè)算前格柵外形尺寸（單位mm）為1000*400*280，格柵本體外漏面積約0.6 m2，五個(gè)格柵裝飾條外漏面積約0.18m2，如圖3所示。

3.1 材料與工藝初步選擇

由于進(jìn)氣格柵與汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的位置較為接近，會(huì)長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境中，因此，在選擇材料期間，應(yīng)當(dāng)保證其具備一定的耐高溫能力[7]。金屬材料與塑料中大部分材料均可以滿(mǎn)足此要求，因造型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)量較大，金屬手工制作及沖壓均不合適，所以選擇塑料注塑工藝。

3.2 材料與工藝進(jìn)一步選擇

3.2.1 前格柵本體材料與工藝選擇

本體表面高光黑效果，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)，方案一是采用添加黑色母的PMMA+ASA等材料高光注塑，方案二是采用PC+ABS材料普通注塑，表面噴涂光亮黑色。雖然免噴涂塑料比一般產(chǎn)品貴10%，但汽車(chē)企業(yè)如果用該產(chǎn)品代替油漆，將會(huì)使汽車(chē)企業(yè)的成本下滑20%-30%[8]。因高光免噴涂注塑工藝可免去后續(xù)處理費(fèi)用，零件成本相對(duì)較低，但模具成本增加約20%。假設(shè)前格柵本體普通注塑及噴漆對(duì)應(yīng)零件成本150元，模具費(fèi)用80萬(wàn)元（掛具費(fèi)用較少，此處忽略），高光注塑成本約85元，模具費(fèi)用95萬(wàn)元，按10萬(wàn)臺(tái)分?jǐn)?，綜合成本計(jì)算公式為：

C1=A1+F1/n=150+800000/100000=158元

C2=A2+F2/n=85+950000/100000=94.5元

式中C為含分?jǐn)偟某杀?、A為不含分?jǐn)偟某杀?、F為模具費(fèi)用、n為分?jǐn)倲?shù)量，C1、A1、F1為方案一中對(duì)應(yīng)的數(shù)值，C2、A2、F2為方案二中對(duì)應(yīng)的數(shù)值，從成本對(duì)比結(jié)果上分析，方案一高光注塑占優(yōu)，根據(jù)高光注塑格柵型面寬度≥5mm的要求，現(xiàn)有網(wǎng)格造型不符合要求，同時(shí)高光注塑表面耐刮擦效果相對(duì)較差，此案例中，實(shí)際以保造型為優(yōu)先，同時(shí)考慮表面質(zhì)量，舍棄了成本優(yōu)勢(shì)，采用了PC+ABS材料，普通注塑+表面噴光亮黑色漆。

3.2.2 前格柵裝飾條材料與工藝選擇

前格柵裝飾條銀色光亮效果，有兩種方式可以實(shí)現(xiàn)，一是表面電鍍，二是表面熱燙印。熱燙印加工費(fèi)用少，但需投入模具，假設(shè)五個(gè)前格柵裝飾條電鍍成本50元，掛具費(fèi)用忽略（掛具費(fèi)用本身較少且一個(gè)掛具可放置多個(gè)裝飾條，再按10萬(wàn)臺(tái)分?jǐn)?，成本更少），五個(gè)前格柵裝飾條熱燙印成本約40元，模具及支具費(fèi)用約30萬(wàn)元，按10萬(wàn)臺(tái)分?jǐn)?，綜合成本計(jì)算公式為：

C3=A3+F3/n=40+300000/100000=43元。

式中，C3為裝飾條含分?jǐn)偟某杀?、A3為裝飾條不含分?jǐn)偟某杀?、F3為熱燙印模具費(fèi)用、n為分?jǐn)倲?shù)量，根據(jù)結(jié)果對(duì)比熱燙印工藝成本相對(duì)較低，加工過(guò)程中污染小，環(huán)保性好。此案例中，考慮電鍍工藝歷史悠久，工藝成熟，表面效果及耐久性均高，放棄了低成本，選取了電鍍工藝。

3.2.3 小結(jié)

此案例為早期設(shè)計(jì)案例，并不是以成本因素為主要導(dǎo)向，而以造型、質(zhì)量為導(dǎo)向，采用固有成熟的材料與工藝，隨著成本意識(shí)的提升，新材料與新工藝的發(fā)展完善，相信前格柵基于成本的設(shè)計(jì)，選擇的材料與工藝將是另一番景象。

3.3 前格柵材料與工藝擴(kuò)展選擇與成本對(duì)比

前車(chē)前格柵材料與工藝選擇性較多，影響因素也較多，主要分為造型、表面效果定義、產(chǎn)品質(zhì)量、成本影響。本文例子中，因造型表面效果的要求，限定了前格柵材料與工藝的選擇，現(xiàn)假設(shè)以此款前格柵輪廓尺寸、面積不變，替換不同外觀需求，梳理前格柵常見(jiàn)材料、工藝與成本對(duì)比，以便其它后續(xù)設(shè)計(jì)參考。不同外觀需求組合如表3。

分析表中每種材料與工藝組合對(duì)應(yīng)的零部件成本及模具費(fèi)用，對(duì)比折算比例，以A組合為基礎(chǔ)比例，設(shè)定為1，其它組合對(duì)應(yīng)的成本及費(fèi)用與之對(duì)比，各個(gè)組合與成本比例關(guān)系如圖4。

總之，前格柵的零件越多、加工工藝越多、表面質(zhì)量要求越高，使用的材料、設(shè)備就越多、越優(yōu)，材料、加工、模具等費(fèi)用的投入也會(huì)越多，以成本為導(dǎo)向設(shè)計(jì)需根據(jù)造型、表面質(zhì)量、成本、生產(chǎn)量綱等要求，權(quán)衡減少這些投入。

4 汽車(chē)前格柵形狀、材料與工藝未來(lái)發(fā)展

隨著汽車(chē)的發(fā)展，功能需求變化、審美觀念變化、成本意識(shí)提升，汽車(chē)前格柵形狀、應(yīng)用的材料與工藝也將不斷變化。未來(lái)發(fā)展方向一是集成化，主動(dòng)進(jìn)氣格柵、發(fā)光格柵等功能需求將使格柵集成更多功能，同時(shí)會(huì)增加格柵新的材料與工藝的應(yīng)用。二是環(huán)保、低成本化，減少?lài)娖釋?duì)環(huán)境污染及降低表面處理費(fèi)用，未來(lái)免噴涂材料及工藝應(yīng)用將會(huì)增多。

三是一體化，燃油車(chē)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量不斷加大，前格柵尺寸也逐漸加大，并隨著造型更顯動(dòng)感，一體蜂窩狀的格柵會(huì)逐漸增多;另一方面隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展與比例的增加，格柵通風(fēng)散熱功能需求降低，不需要較大通風(fēng)面積，裝飾功能凸顯，前格柵將與保險(xiǎn)杠融為一體。

5 結(jié)束語(yǔ)

回顧歷史，展望未來(lái)，汽車(chē)前格柵形狀、材料與工藝的應(yīng)用仍將不斷的變化。本文梳理了較為典型的前格柵形狀、材料與工藝特點(diǎn)，對(duì)比分析了常見(jiàn)材料與工藝組合的成本，預(yù)測(cè)了前格柵材料及工藝的發(fā)展方向。前格柵材料及工藝的選擇應(yīng)用是前格柵設(shè)計(jì)中的重要部分，望引起汽車(chē)設(shè)計(jì)師共鳴，在汽車(chē)前格柵設(shè)計(jì)上不斷研究與創(chuàng)新，順應(yīng)潮流，兼顧成本，設(shè)計(jì)、應(yīng)用適合各個(gè)特定車(chē)型的前格柵材料與工藝。

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