掛具球形設(shè)計(jì)在塑料電鍍中的應(yīng)用

劉文芬，王志明

（天津科維爾科技有限公司，天津 300160）

汽車(chē)行業(yè)普遍使用電鍍工藝裝飾產(chǎn)品外觀，增加汽車(chē)零部件的硬度及抗腐蝕性［1］。塑料電鍍（POP，Plating on plastic）開(kāi)發(fā)于20 世紀(jì)，后逐步實(shí)現(xiàn)工業(yè)化［2］，我國(guó)在20 世紀(jì)60年代中期也開(kāi)始進(jìn)行塑料電鍍的生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)主要用于鈕扣、帶扣等小產(chǎn)品，以不起皮、類(lèi)金屬即可滿足要求［3］。與金屬制件相比，塑料電鍍制品不僅可以實(shí)現(xiàn)很好的金屬質(zhì)感，而且能減輕制品重量，在有效改善塑料外觀及裝飾性的同時(shí)，也改善了其在電、熱及耐蝕等方面的性能［4］。隨著現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)豪華、美觀以及輕量化追求的不斷提高，塑料電鍍Cu/Ni/Cr 以其優(yōu)美的金屬光澤外觀、易加工、減重、性能優(yōu)異及成本較低等眾多優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)制件電鍍中逐漸占據(jù)了越來(lái)越重要的地位［5］，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了車(chē)門(mén)拉手、汽車(chē)商標(biāo)、標(biāo)徽、車(chē)內(nèi)飾、反光鏡、表盤(pán)裝飾、操作桿頭、方向盤(pán)裝飾、高級(jí)車(chē)輪殼罩、隔柵等。

由于塑料電鍍?nèi)绱藦V泛地在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用，塑料電鍍的標(biāo)準(zhǔn)和要求也不斷提高，2010年以來(lái)，汽車(chē)銷(xiāo)量逐年增加，因塑料電鍍件腐蝕而引起的售后索賠也越來(lái)越多。車(chē)主對(duì)汽車(chē)外觀質(zhì)量的重視使生產(chǎn)企業(yè)對(duì)質(zhì)量的意識(shí)也不斷加強(qiáng)［6］，特別是裝配性要求高的零部件，既要滿足主機(jī)廠性能標(biāo)準(zhǔn)，如：厚度、耐蝕性、耐溫性等，也要滿足裝配的功能性，如：不能超出重量的公差，否則就可能造成裝配后間隙不合格，不回彈，甚至裝配不上，即鍍層不能低于厚度標(biāo)準(zhǔn)也不能過(guò)厚。這與工藝控制有關(guān)，溶液組成不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致鍍層厚度不均勻［7］，在工藝控制穩(wěn)定的前提下，還與工裝設(shè)計(jì)有關(guān)［8-9］。由于電鍍過(guò)程中電流分布的不均勻特性，按照通常的掛具設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了每一個(gè)飛巴上多個(gè)零件的電鍍層厚度差別較大，能夠同時(shí)滿足電鍍標(biāo)準(zhǔn)和裝配性要求的零件很少，這樣合格率低導(dǎo)致電鍍成本太高，不符合精益生產(chǎn)的要求。本篇主要闡述通過(guò)電鍍掛具的設(shè)計(jì)優(yōu)化，來(lái)提高產(chǎn)品的合格率。

1 樣件的試制

實(shí)驗(yàn)樣件名稱(chēng)：扣手裝飾板，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。素材材質(zhì)為PC-ABS-CB3110C，試驗(yàn)數(shù)量為150件。

圖1 扣手裝飾板試樣圖Fig.1 Sample diagram of buckle decorative board

電鍍線為：天津科維爾科技有限公司全自動(dòng)塑膠生產(chǎn)線，產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：DBL8465：2019-05，此產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，即規(guī)定了產(chǎn)品厚度的標(biāo)準(zhǔn)，又規(guī)定了產(chǎn)品鍍后質(zhì)量的公差，質(zhì)量的公差決定了產(chǎn)品的裝配性。產(chǎn)品工藝流程見(jiàn)圖2，產(chǎn)品掛具框架設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖2 產(chǎn)品工藝流程圖Fig.2 Flow chart of product process

圖3 產(chǎn)品掛具框架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic design of product hanger frame

產(chǎn)品電流密度設(shè)計(jì)根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

其中：δ為膜厚，μm；K為電化學(xué)當(dāng)量，g/（A·h）；D為電流密度，A/dm2；t為電鍍時(shí)間，min；η為電流效率；ρ為密度，g/cm3；v為電鍍速率，μm/min；K和ρ從手冊(cè)上可以查到，具體設(shè)計(jì)數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 試樣電流密度設(shè)計(jì)Tab.1 Design of sample current density

產(chǎn)品的掛具形式設(shè)計(jì)優(yōu)為重要，本研究同時(shí)開(kāi)展了兩種掛具設(shè)計(jì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，一種為通常的平面設(shè)計(jì)，另一種為球形設(shè)計(jì)，其它工藝完全相同。球形設(shè)計(jì)方案：根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出電流強(qiáng)弱分布圖，再根據(jù)電流強(qiáng)弱分布位置設(shè)計(jì)掛具導(dǎo)電鉤長(zhǎng)短。圖4 是所設(shè)計(jì)的兩種掛完零件的掛具的正視圖，兩種設(shè)計(jì)的正視圖沒(méi)有區(qū)別，設(shè)計(jì)為單面75（15×5）件，雙面150件的布局形式。圖5（a）為平面設(shè)計(jì)的側(cè)視圖，圖5（b）為球形設(shè)計(jì)的側(cè)視圖，可以看出球形設(shè)計(jì)的掛具上下位置掛鉤短，中間位置掛鉤長(zhǎng)，第10行掛鉤最長(zhǎng)。圖6（a）為平面設(shè)計(jì)的俯視圖，圖6（b）為球形設(shè)計(jì)的俯視圖，可以看出，球形設(shè)計(jì)的掛具左右位置掛鉤短，中間位置掛鉤長(zhǎng)，這樣掛具就形成了球形設(shè)計(jì)的整體外觀。

圖4 平面及球形設(shè)計(jì)的掛具的正視圖Fig.4 Front view of hanging device for graphic design and spherical design

圖5 掛鉤側(cè)視示意圖Fig.5 Side view of the hook

圖6 掛鉤俯視示意圖Fig.6 Overhead view of the hook

產(chǎn)品的工藝參數(shù)設(shè)置如表2 所示。試樣電鍍完成后，放置24 h，進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。為了方便測(cè)量的一一對(duì)應(yīng)，把試樣在掛具上的位置進(jìn)行編號(hào)，試樣分布在掛具的正反兩面，正面記為A，反面記為B，每一側(cè)共5 列，記為A1～A5，共15 行，記為A1-1～A15-1，反面記為B1～B5，B1-1～B15-1。另一常規(guī)對(duì)比掛具的正反面分別記為AA1～AA5，AA1-1～AA15-1，及BB1～BB5，BB1-1～BB15-1。

表2 試樣的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.2 Design of process parameters of the sample

2 性能要求及測(cè)試方法

2.1 膜厚

標(biāo)準(zhǔn)要求：銅層≥25 μm；鎳層≥12.5 μm；鉻層≥0.25 μm；銅∶鎳≥2∶1，產(chǎn)品鍍后質(zhì)量9.5 g±10%。采用德國(guó)Fischer STEPP-480 測(cè)厚儀，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)DBL 8465.22：2019 Table 4＆DIN EN ISO 2177：2004，測(cè)定銅、鎳、鉻膜厚，采用JD2000-2 型電子稱(chēng)測(cè)產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 鹽霧實(shí)驗(yàn)

CASS 測(cè)試：采用專(zhuān)用的TC-089 CASS 試驗(yàn)箱進(jìn)行24 h 測(cè)試，按照標(biāo)準(zhǔn)DBL 8465.22：2019 Table 9＆ MBN 10494-6：2021 測(cè)試，測(cè)試后樣品表面無(wú)變化為合格。

2.3 氣候循環(huán)測(cè)試

采用HT-HW-1000B 恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱，按照DBL 8465.22：2019 Table 10 ＆ AK LV 112：2002，測(cè)試30個(gè)循環(huán)，樣品不起泡，涂層不分層，不開(kāi)裂為合格，凹陷點(diǎn)不進(jìn)行評(píng)估。

2.4 耐溫性實(shí)驗(yàn)

采用專(zhuān)用HT-HW-1000B恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱，按照DBL 8465.22：2019 Table 13 標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試溫度為90 ℃，1 h 無(wú)視覺(jué)變化為合格；測(cè)試溫度為23±5 ℃，24 h無(wú)視覺(jué)變化為合格。

2.5 耐溫度沖擊實(shí)驗(yàn)

采用HT-HW-1000B 恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)箱，按照DBL 8465.22：2019 Table 13 標(biāo)準(zhǔn)，高溫110 ℃，時(shí)間1 h，然后于18±3 ℃水浴中速冷，沖擊試驗(yàn)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行三次，涂層不分層，不開(kāi)裂為合格，凹陷點(diǎn)不進(jìn)行評(píng)估。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 膜厚及質(zhì)量

首先測(cè)量了150 件常規(guī)試樣（AABB）的質(zhì)量，鍍后質(zhì)量分布如圖7 所示。30%試樣超出了標(biāo)準(zhǔn)范圍，同時(shí)測(cè)量了150 個(gè)AB 試樣的質(zhì)量，從鍍后的質(zhì)量分布圖（圖8）可以看出，鍍層分布仍然是掛具中間位置薄，邊緣位置厚的趨勢(shì)，但已經(jīng)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。然后從正反兩面各取質(zhì)量最大和最小的5個(gè)試樣，編制為4組，進(jìn)行了厚度測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表3所示，鍍層厚度及銅鎳比均可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 試樣鍍層厚度記錄表Tab.3 Record for the coating thickness of the samples

圖7 AABB試樣鍍后質(zhì)量分布圖Fig.7 Mass distribution diagram of the AABB samples after plating

圖8 AB試樣鍍后質(zhì)量分布圖Fig.8 Mass distribution diagram of the AB samples after plating

3.2 CASS實(shí)驗(yàn)

兩種試樣各取3 件進(jìn)行CASS 實(shí)驗(yàn)（圖9），表面均未發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，但AABB 試樣中一件產(chǎn)品在高區(qū)出現(xiàn)微的皸裂紋，此件鉻層厚度為0.95 μm，鉻層硬度高，在高溫高濕高鹽環(huán)境中會(huì)出現(xiàn)微裂紋。鉻層超過(guò)1.0 μm 時(shí)，耐腐蝕性能明顯下降，CASS 試驗(yàn)后鉻層之間容易產(chǎn)生搭橋腐蝕引起鉻腐蝕裂紋［10］。

圖9 試樣AB和AABB在CASS測(cè)試前后的表面狀態(tài)Fig.9 Surface state of samples AB and AABB before and after CASS testing

3.3 氣候循環(huán)測(cè)試

兩種試樣各取3 件進(jìn)行氣候循環(huán)測(cè)試（圖10），測(cè)試后外觀均無(wú)變化，可見(jiàn)采用兩種掛具設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出的產(chǎn)品的氣候循環(huán)都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 試樣AB和AABB在氣候循環(huán)測(cè)試前后的表面狀態(tài)Fig.10 Surface state of samples AB and AABB before and after climate cycling test

3.4 耐溫性實(shí)驗(yàn)

兩種試樣各取3 件進(jìn)行耐溫性測(cè)試（圖11），測(cè)試后外觀均無(wú)變化，可見(jiàn)采用兩種掛具設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出的產(chǎn)品的耐溫性都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 試樣AB和AABB在耐溫性測(cè)試前后的表面狀態(tài)Fig.11 Surface state of samples AB and AABB before and after temperature resistance test

3.5 耐溫度沖擊實(shí)驗(yàn)

兩種試樣各取3 件進(jìn)行耐溫度沖擊測(cè)試（圖12），測(cè)試后外觀均無(wú)變化，可見(jiàn)采用兩種掛具設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出的產(chǎn)品的耐溫度沖擊都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 試樣AB和AABB在耐溫沖擊測(cè)試前后的表面狀態(tài)Fig.12 Surface state of samples AB and AABB before and after temperature impact test

4 結(jié)論

球形掛具設(shè)計(jì)方案有效地解決了小件產(chǎn)品在高低電位區(qū)鍍層不均勻的問(wèn)題，特別是對(duì)鍍層硬度最高的鉻層，其標(biāo)準(zhǔn)范圍很窄，如：大眾標(biāo)準(zhǔn)TL528A，鉻層厚度要求為0.3～0.5 μm。掛具如采用平面設(shè)計(jì)，經(jīng)常會(huì)有很多產(chǎn)品的厚度在要求的范圍之外，出現(xiàn)高電流區(qū)厚、低電流區(qū)薄的現(xiàn)象。采用球形掛具設(shè)計(jì)方案，會(huì)增加掛具的設(shè)計(jì)難度，但可大大提高產(chǎn)品的均勻性，進(jìn)而提高產(chǎn)品的合格率。