激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕技術(shù)在模具紋理加工應(yīng)用的研究

摘 要：近年來，隨著光電子科技水平的快速發(fā)展，激光五軸設(shè)備的開發(fā)成功，激光雕刻技術(shù)還被應(yīng)用到汽車模具的紋理加工中來。本文介紹了激光雕刻工作原理，并基于激光雕刻紋理技術(shù)、模具化學(xué)腐蝕紋理技術(shù)的特點(diǎn)，介紹了激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕技術(shù)在汽車紋理中的應(yīng)用，希望對汽車紋理設(shè)計(jì)師有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：模具紋理；激光雕刻；化學(xué)腐蝕

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0107-05

Application of Laser Engraving Composite Chemical Corrosion Technology in Mold Texture Processing： A Review

HOU Zhi-ming

（ Dongfeng Liuzhou Motor Co.， Ltd ， Liuzhou 545007， China）

Abstract： With the rapid advancement of optoelectronic technology and the successful development of five-axis laser equipment in recent years， laser engraving technology has found application in texture processing for automotive molds. To inspire automotive texture designers with innovative approaches， this paper has delineated the operational principles of laser engraving and explores the utilization of laser engraving composite chemical corrosion technology in automotive textures， based on the distinctive features of laser engraving texture technology and mold chemical corrosion texture technology.

Key Word： Mold Texture; Laser Engraving; Chemical Corrosion

引 言

隨著人們對汽車產(chǎn)品品質(zhì)、外觀需求提升，汽車主機(jī)廠對車輛內(nèi)飾表面感官品質(zhì)提出更高要求。傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕紋理工藝在模具表面殘留的腐蝕性化學(xué)物質(zhì)難于清除，特別是型面復(fù)雜的立柱護(hù)板和扶手的紋理，因菲林膜拉伸起皺扭曲變形、難實(shí)現(xiàn)3D紋理無痕拼接，導(dǎo)致內(nèi)飾感官品質(zhì)降低。而激光雕刻紋理工藝則受限于激光雕刻設(shè)備昂貴、激光雕刻加工成本高、周期長等因素影響，只有少部分如內(nèi)飾假縫線、幾何紋、激光紋紋理才會采用。

激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕紋理技術(shù)是一種新型汽車模具紋理制作技術(shù)，它結(jié)合了化學(xué)腐蝕和激光雕刻紋理工藝，具有皮紋無拼接線、無起皺扭曲變形、紋理排布調(diào)整方便、復(fù)制性與一致性好、開發(fā)周期相對短及成本相對低等特點(diǎn)，可適用于更復(fù)雜造型面的生產(chǎn)和制備。本文對三種模具紋理加工工藝、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了綜述介紹，以期對汽車紋理設(shè)計(jì)師有所啟發(fā)。

1 化學(xué)腐蝕在模具紋理應(yīng)用

1.1 化學(xué)腐蝕紋理加工工藝

化學(xué)腐蝕紋理加工工藝，工序相對較多，流程相對較長，其流程如圖1所示。腐蝕皮紋前，先開展模具清洗，封膠，并做檢查，規(guī)避鋼料材質(zhì)線、模具燒焊砂眼等問題，再將菲林膜貼在需蝕紋的模具表面，檢查、修飾后，將菲林膜處理掉，使油墨圖案保留在模具表面。將覆有油墨圖案的模具放入化學(xué)腐蝕溶劑池內(nèi)，通過腐蝕掉沒有油墨覆蓋的鋼鐵，使模具表面形成與菲林膜對應(yīng)的紋理。

1.2 化學(xué)腐蝕紋理的技術(shù)局限性

化學(xué)腐蝕紋理加工，主要依賴有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人通過手工操作完成?；瘜W(xué)腐蝕紋理存在如下局限[1]：

（1）皮紋缺乏3D立體感?；瘜W(xué)蝕刻工藝只能加工平面形的皮紋， 3D立體效果皮紋在曲面上加工，需要將菲林膜拉伸或者拼接，導(dǎo)致菲林膜上的紋理扭曲、變形，并有拼接縫，如圖2所示。最終化學(xué)腐蝕處的皮紋立體感相對較差，皮紋形式單一，扁平化地浮于表面。

（2）加工精度差?；瘜W(xué)腐蝕紋理工藝整個(gè)加工過程是由技術(shù)工人手工操作完成，其貼菲林膜過程都是靠手工核對尺寸。因貼菲林膜過程的拉伸、菲林膜定位情況不一致，導(dǎo)致腐蝕效果，皮紋精度與設(shè)計(jì)有一定偏差。

（3）皮紋復(fù)制一致性差。受模具鋼材料硬度、化學(xué)腐蝕時(shí)間等的影響，導(dǎo)致化學(xué)腐蝕速度不同，皮紋深度不同的問題。最終皮紋深度不一致，皮紋光澤度不一致。皮紋紋理相似度只有60%～80%，對于高端車型，這種差異會影響客戶感官感覺。

2 激光雕刻在模具紋理應(yīng)用

2.1 激光雕刻原理

激光雕刻加工的原理是：通過極高能量的光束作用在材料表面，使材料發(fā)生物理化學(xué)變化，達(dá)到在材料表面加工出字符、圖案，如圖3所示：

① 材料吸收激光光子的能量

② 隨之是通過加熱產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)

③ 材料從固態(tài)變成液態(tài)（即融化）。

④ 材料以等離子體的形式從液態(tài)變成氣態(tài)，而蒸發(fā)。

⑤ 通過生成沖擊波，材料微粒被噴發(fā)出去。

2.2 激光雕刻加工工藝流程

激光雕刻技術(shù)是利用CAD繪制紋理，通過灰度圖產(chǎn)生模具零件表面雕刻深度的差異（白色是不雕刻，灰色是較深雕刻，黑色是最深雕刻，如圖4），通過漸變灰度實(shí)現(xiàn)立體化效果。

激光雕刻技術(shù)的加工工藝分為6個(gè)步驟[1]，如圖5所示：

（1）紋理設(shè)計(jì)，先確定產(chǎn)品表面所需紋理種類、細(xì)節(jié)；

（2）紋理仿真，利用3D軟件，將所需紋理轉(zhuǎn)移貼到產(chǎn)品表面，形成做好紋理的產(chǎn)品效果，用于前期紋理效果模擬方案，供造型部門評審確定；

（3）模具3D數(shù)據(jù)檢測，LASER 3D三維貼圖，利用3D軟件編制激光灰度圖，再采用3D模型軟件把紋理灰度圖均勻貼到模具3D數(shù)據(jù)，形成需要雕刻形狀；

（4）激光編程3D仿真，對貼好紋理的零件3D圖進(jìn)行激光雕刻編程，加工模擬，防止在加工過程中出現(xiàn)加工不到位問題；

（5）激光雕刻，將編好的激光雕刻程序傳輸?shù)轿遢S激光雕刻設(shè)備，裝夾好零件，完成雕刻；

（6）后期處理，模具激光雕刻完成后，將附在表面的黑色碳化物清理干凈，并通過噴砂工藝調(diào)整模具光澤度、增強(qiáng)耐刮擦性能；

2.3 激光雕刻蝕紋工藝參數(shù)

要實(shí)現(xiàn)模具紋理的激光雕刻，必須要遵循一定的操作步驟和設(shè)置一定的工藝參數(shù)。與激光雕刻加工有關(guān)的工藝參數(shù)有：激光功率、脈沖重復(fù)頻率、激光波長、光束質(zhì)量、雕刻深度、雕刻線速、雕刻線寬、重復(fù)精度、掃描速度、分辨率等待，其中與模具紋理雕刻相關(guān)的主要參數(shù)為：雕刻強(qiáng)度、雕刻脈沖重復(fù)頻率、雕刻速度。[2]

2.3.1 激光雕刻強(qiáng)度

雕刻強(qiáng)度是指照射到加工工件表面的激光強(qiáng)度。隨著激光雕刻功率增加，激光強(qiáng)度也會增大，激光與物質(zhì)的熱作用增大，雕刻的寬度加寬，雕刻的深度加深。激光功率不能無限加大，在激光功率增加到一定閾值時(shí)，激光雕刻的寬度、深度趨于平緩，不再增加。此時(shí)加工物品表面出現(xiàn)焦?fàn)钗镔|(zhì)，會阻礙激光進(jìn)一步融化金屬。所以選取合理的激光雕刻強(qiáng)度，可以達(dá)到更好的雕刻速度和外觀質(zhì)量。

2.3.2 激光雕刻脈沖重復(fù)頻率

激光雕刻重復(fù)頻率對雕刻線寬影響不明顯，但對雕刻深度有較大影響，即脈沖重復(fù)頻率在某一值時(shí)，雕刻深度最大。激光雕刻深度與激光雕刻紋理的效率成正比，雕刻深度越深，工作效率越高，單套模具激光雕刻紋理所耗費(fèi)的時(shí)間越短。

2.3.3 激光雕刻速度

雕刻速度是指激光頭移動的速度，通常用IPS（英寸/秒）來表示。在一定的雕刻強(qiáng)度下，速度越快，則加工效率越高，但表面加工深度會變淺，加工工件的表面效果不一定能夠達(dá)到要求。

2.4 激光雕刻技術(shù)的特點(diǎn)

激光雕刻紋理加工相比于傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕紋理加工方法，具有以下特點(diǎn)[3]：

（1）紋理設(shè)計(jì)自由度高。解決傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕模具紋理的扭曲變形、拼接縫問題，紋理深度自由可控；

（2）紋理可數(shù)字化仿真。通過仿真渲染3D立體效果，可提前獲知紋理在產(chǎn)品表面的外觀效果，可進(jìn)行多種紋理設(shè)計(jì)方案的評估，減少產(chǎn)品打樣、模擬皮紋制作所需的時(shí)間、費(fèi)用損耗；

（3）紋理加工精度高，一致性好，重復(fù)性高。激光雕刻的精度可達(dá)到0.1μm，實(shí)現(xiàn)更加精密的多層次加工，肉眼難以區(qū)分的細(xì)節(jié)也能加工，突顯紋理精細(xì)化和立體化。紋理設(shè)計(jì)可以任意復(fù)制不同形狀、不同曲度的產(chǎn)品，并保持多個(gè)產(chǎn)品的紋理一致性。如可以實(shí)現(xiàn)前后模皮紋無痕對接，如圖6所示：

（4）使用范圍廣，適用于金屬及非金屬材料，包括高硬度、高脆性和高熔點(diǎn)材料。僅需要調(diào)整激光雕刻工藝參數(shù)，就可以在不同硬度材料表面雕刻出一致的紋理，克服了模具材料表面硬度差異的問題；

（5）數(shù)控加工設(shè)備對環(huán)境、操作人員友好。設(shè)備加工效率高，加工程序和參數(shù)設(shè)定后，可不間斷工作。整個(gè)加工過程為無接觸，不存在“刀具”磨損，人員接觸化學(xué)品問題。同時(shí)不使用化學(xué)腐蝕溶劑，不存在廢水、廢液等環(huán)境污染問題；

（6）汽車模具紋理所需的激光雕刻設(shè)備成本高，一次性投入大，且維護(hù)成本高；

（7）激光雕刻紋理相對化學(xué)腐蝕紋理成本高；

（8）紋理維修困難。模具紋理出現(xiàn)損傷后，需要重新用激光雕刻紋理，維修難度及成本高。

3 激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕在模具紋理應(yīng)用

3.1 激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕原理介紹

激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕是基于化學(xué)腐蝕紋理加工和激光雕刻紋理加工的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)發(fā)展起來的一種新型紋理加工技術(shù)。其工作原理是：采用激光雕刻在涂覆耐腐蝕保護(hù)漆的模具表面上雕刻出紋理圖案，替代傳統(tǒng)化學(xué)腐蝕的菲林貼膜，再將模具放入化學(xué)腐蝕溶劑池中進(jìn)行腐蝕處理。被激光雕刻處理過的位置，金屬外露，被腐蝕溶劑腐蝕后，形成所需的紋理圖案。其激光雕刻和化學(xué)腐蝕過程與上述內(nèi)容一致。

3.2 激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕加工工藝流程

激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕紋理加工的主要工藝流程如下（如圖7所示）：模具紋理加工前，先開展模具清洗、封膠，并做檢查，規(guī)避鋼料材質(zhì)線、模具燒焊砂眼等缺陷，并在需做紋理加工的模具表面上涂刷密封保護(hù)漆（該保護(hù)漆具有耐腐蝕，吸附力強(qiáng)，粘性低等優(yōu)點(diǎn)見圖8）；利用模具3D數(shù)據(jù)，將所需加工紋理圖案通過3D軟件處理，均勻轉(zhuǎn)移到模具數(shù)據(jù)表面，形成灰度圖用于激光雕刻加工；完成激光雕刻編程仿真后，利用五軸激光鐳雕機(jī)對油漆層雕刻去掉油漆形成圖案；模具表面剩余的保護(hù)漆，就類似化學(xué)腐蝕貼好菲林膜后的狀態(tài)，將模具放入化學(xué)腐蝕溶劑池內(nèi)，腐蝕溶劑通過已雕刻區(qū)域接觸到模具鋼材表面，產(chǎn)生腐蝕效應(yīng)，最終加工出所需的紋理圖案。雕刻紋理工藝步驟可以重復(fù)多次進(jìn)行，除了所謂的單層雕刻，還可多層重復(fù)雕刻，精準(zhǔn)的花紋處理可以達(dá)到10層。

3.3 激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕工藝特點(diǎn)

激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕工藝相比于傳統(tǒng)的化學(xué)腐蝕紋理加工方法或全激光雕刻紋理加工，具有以下特點(diǎn)：

（1）紋理貼圖效果可以預(yù)見，貼圖效果直觀，便于提前發(fā)現(xiàn)問題；

（2）紋理圖案無拼接線或紋理起皺變形問題，效果更精致；

（3）紋理可以輕松實(shí)現(xiàn)大圓角光順過渡，能對更復(fù)雜的造型面進(jìn)行皮紋雕刻，紋理變化過程可以通過全數(shù)字化、網(wǎng)格化修改控制，效果可控；

（4）紋理排布調(diào)整方便，可根據(jù)產(chǎn)品要求選擇不同的紋理方向；

（5）激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕加工的模具紋理損傷，可實(shí)現(xiàn)無痕二次修復(fù)，修復(fù)難度低；

（6）激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕工藝紋理制作成本低于全激光雕刻紋理；

（7）激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕工藝紋理制作周期，相對化學(xué)腐蝕紋理短（見圖9）：

4 結(jié)束語

就汽車模具紋理加工而言，激光雕刻紋理是一項(xiàng)較新的技術(shù)，而激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕紋理加工技術(shù)，則是將新技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，并在此基礎(chǔ)上做創(chuàng)新開發(fā)。激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕紋理加工技術(shù)與全激光雕刻紋理相比，降低了汽車模具紋理加工成本、時(shí)間，使激光雕刻能在更多場合應(yīng)用。激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕技術(shù)將在汽車內(nèi)外飾件中發(fā)揮更大作用，并與其他領(lǐng)域技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)更美觀、超值的紋理作品。

參考文獻(xiàn)：

[1]張森，袁林，賈宇霖，楊瑞樹，汽車方向盤模具零件表面皮紋激光雕刻技術(shù)研究[J]，模具工業(yè)2020年第46卷第9期.

[2]韋崇東，曾艷，基于激光雕刻技術(shù)的汽車紋理設(shè)計(jì)[J]，大科技2018年2月（期刊）.

[3]楊燕燕，裘洲通，張華，激光雕刻在汽車皮紋上的應(yīng)用[J]，模具制造2020年第1期.

侯志明

畢業(yè)于廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，材料成型及控制工程專業(yè)，本科學(xué)歷，現(xiàn)就職于東風(fēng)柳州汽車有限公司，任汽車非金屬材料工藝開發(fā)主管，主要從事汽車內(nèi)外飾件設(shè)計(jì)、模具開發(fā)相關(guān)工作，已發(fā)表文章數(shù)篇。

專家推薦語

康 明

東風(fēng)商用車技術(shù)中心 工藝研究所所長

材料科學(xué)與工程 研究員級高級工程師

本文介紹了汽車內(nèi)飾紋理模具制備所采用的激光雕刻紋理、化學(xué)腐蝕紋理以及激光雕刻復(fù)合化學(xué)腐蝕紋理等三種工藝的技術(shù)原理和特點(diǎn)，可對汽車紋理設(shè)計(jì)師選用和相關(guān)技術(shù)人員研發(fā)工作有一定技術(shù)啟發(fā)作用。

本文理論正確，文字流暢，條理清楚，合乎邏輯，具有一定的技術(shù)借鑒作用。