淺談汽車電子電器零件的鍍鉻設(shè)計

燕平

（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室，上海 201805）

淺談汽車電子電器零件的鍍鉻設(shè)計

燕平

（上汽大眾汽車有限公司質(zhì)保實驗室，上海 201805）

介紹了目前汽車上帶有鍍鉻裝飾的電子電器件的種類，并結(jié)合整車廠的鍍鉻件檢測質(zhì)量標準，探討了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具設(shè)計、原材料設(shè)計等對汽車鍍鉻電子電器件質(zhì)量的影響，并提出了相關(guān)建議。

汽車內(nèi)飾；電子電器；造型設(shè)計；鍍鉻；注塑；裝掛

在現(xiàn)代汽車對“電動化、智能化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化”要求不斷提高的背景下，汽車電子化的發(fā)展和革新已成為提升現(xiàn)代汽車性能的關(guān)鍵[1-3]。汽車電子電器零件作為整個汽車系統(tǒng)的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)，不僅具有控制運動，實現(xiàn)功能性，協(xié)調(diào)各汽車系統(tǒng)的基本功能，而且可在未來汽車中提供舒適性、安全性和環(huán)保性的附加價值[1-2,4]。目前，作為人車交互的終端類電子電器件(如開關(guān)、儀表類等)，在汽車內(nèi)飾設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用[4]。為了追求現(xiàn)代汽車內(nèi)飾設(shè)計的舒適性和美觀性，越來越多的汽車工程師在電子電器件終端設(shè)計時選擇了具有優(yōu)良的表面裝飾性、感官性能和機械性能的塑料鍍鉻(依次鍍銅、鎳后鍍鉻)裝飾工藝[5]。然而，塑料鍍鉻生產(chǎn)過程復(fù)雜，工序繁多，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、模具、原材料等的設(shè)計要求敏感度高[6]。產(chǎn)品設(shè)計若不合理，如R角(又稱倒圓角，即兩條相交直線相切的圓弧所對應(yīng)的圓角)過小，不連續(xù)電鍍平面，不均勻壁厚，差異巨大的膨脹系數(shù)，過小的澆口，掛點不足等，容易導(dǎo)致鍍鉻生產(chǎn)中出現(xiàn)堆鍍、起殼、裂紋、脫落、縮痕、漏鍍等質(zhì)量缺陷和抱怨[7]。本文對市場上汽車中帶有鍍鉻裝飾的電子電器件進行了梳理和總結(jié)，指出了鍍鉻設(shè)計不合理導(dǎo)致的質(zhì)量問題，旨在為電子電器件的鍍鉻設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 鍍鉻電子電器件的分類

市場上汽車用電子電器零件可依據(jù)是否具有控制單元分為電器類零件和電子類零件。根據(jù)使用功能的不同，帶有鍍鉻裝飾的汽車電器類零件可分為開關(guān)類、儀表類、飾條類和電子類。開關(guān)類零件有大燈開關(guān)、搖窗機開關(guān)、一鍵啟動開關(guān)、電子手剎開關(guān)、座椅調(diào)節(jié)開關(guān)、中央集控開關(guān)、開關(guān)模塊、警告燈開關(guān)、天窗調(diào)節(jié)開關(guān)等。儀表類零件主要是組合儀表。飾條類零件主要有門板氛圍燈、儀表板氛圍燈等。電子類零件有空調(diào)控制器、收音機面板等。

2 鍍鉻電子電器件的常見設(shè)計問題

易對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響的常見設(shè)計有產(chǎn)品造型設(shè)計、模具設(shè)計、掛具設(shè)計、裝配設(shè)計等。不同的設(shè)計問題在不同種類的帶有鍍鉻裝飾的電子電器件中會造成不同的內(nèi)在質(zhì)量問題，從而反映在以下質(zhì)量缺陷、抱怨或試驗失效案例中。

2.1 開關(guān)類

如圖1a左黃色區(qū)域所示，一鍵啟動開關(guān)的R角過小(小于R0.3，R0.3代表倒圓角半徑為0.3 mm)，邊緣尖銳的過渡易出現(xiàn)注塑應(yīng)力的集中，在環(huán)境交變試驗(PV1200)后會出現(xiàn)鍍層起泡現(xiàn)象(見圖1a右中的方框區(qū)域)。如圖1b所示，若增大R角至0.3 mm以上，圓滑的過渡減輕了過渡圓角處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，相同試驗條件下所得鍍層未出現(xiàn)起泡，且后續(xù)鍍層劃格附著力試驗合格。

圖1 增大R角前后一鍵啟動開關(guān)的三維圖和PV1200試驗后的照片F(xiàn)igure 1 Three-dimensional schematic diagram and photos after PV1200 test for auto-start button before and after enlarging of R angle

一鍵啟動開關(guān)的表面字符設(shè)計“START ENGINE STOP”須滿足透光要求。為了實現(xiàn)該功能，需對預(yù)鍍鎳后的素材件進行鐳雕處理，以使字符處的化學(xué)鎳層被破壞而露出ABS基材，后續(xù)電鍍無法在對應(yīng)位置進行，從而很好地保留了基材的透光性。然而，在整車大氣曝曬試驗(VW50180)中，字母“A”的“△”區(qū)域和字母“N”的“”區(qū)域出現(xiàn)鍍層大面積起殼，附著力完全喪失(如圖2a所示)。這是因為字母“A”中的封閉“△”區(qū)域完全破壞和割裂了鍍層的連續(xù)性，那么在開關(guān)反復(fù)冷熱干濕循環(huán)試驗過程中，有鍍層產(chǎn)生嚴重起殼甚至脫落的風(fēng)險。另外，在實際使用過程中，外界施加的機械壓力以及手汗、化妝品、污漬等在字符凹槽中的堆積易侵蝕基材，也會對鍍層的附著力產(chǎn)生不利影響，嚴重時起殼脫落，甚至?xí)?dǎo)致其有割手感。若在設(shè)計字符的造型時，將字母“A”的“△”區(qū)域和字母“N”的“”區(qū)域的尖角“打斷”(如圖2b所示)，即在鐳雕時將字符尖角處雕刻成不連續(xù)的，則起殼現(xiàn)象可得到有效抑制。

圖2 更改字符設(shè)計前、后的一鍵啟動開關(guān)示意圖和照片F(xiàn)igure 2 Schematic diagram and photos of auto-start button before and after modification of character design

如圖3所示，某車型EPB(電子駐車系統(tǒng))電子手剎開關(guān)高溫存放試驗(100 °C × 6 h，下同)后鍍鉻層表面出現(xiàn)低于周圍表面的凹陷區(qū)域，即縮印。其產(chǎn)生的原因是1射PC模具表面預(yù)留凸起而產(chǎn)生注塑凹陷，致使背面2射ABS膠口位置的注塑壁厚不均，最終導(dǎo)致高溫存放試驗后壁厚處的熱膨脹量不同。在將1射模具凸起修平后，素材的澆口位置被填平，2射ABS膠口位置的注塑壁厚均勻，高溫縮印即消失。此外，適當增大R角至0.5 mm以上以及電鍍時增加陰極保護框來屏蔽棱邊和端部的部分電場，使電流密度均勻分布于整個鍍鉻飾條表面，棱邊和端部的堆鍍現(xiàn)象可得到有效改善[8]。

圖3 EPB電子手剎開關(guān)模具改善前、后的三維圖Figure 3 Three-dimension schematic diagram of EPB electronic handbrake switch before and after mold modification

2.2 電子類

空調(diào)控制器和收音機面板上的鍍鉻裝飾零件通常有細長條類和旋鈕類兩種。旋鈕上常伴有嵌入式鍍鉻圈設(shè)計。如圖4中方框區(qū)域所示，某車型的空調(diào)控制器旋鈕在高溫存放試驗后，鍍鉻裝飾圈出現(xiàn)裂紋。對于造型封閉的鍍鉻環(huán)(框)，當其鑲嵌于兩部分散件(嵌入式鍍鉻圈)，如旋鈕外套和旋鈕帽之間時，材料本身的熱膨脹系數(shù)會對其受到的熱應(yīng)力產(chǎn)生重要影響。如外套和旋鈕帽的基材為PC，鍍鉻環(huán)的基材為ABS，其線膨脹系數(shù)分別為6.5 × 10-5K-1和9.0 × 10-5K-1。在高溫試驗中，旋鈕帽和外套的膨脹量會小于鍍鉻環(huán)的膨脹量，鍍鉻環(huán)受到旋鈕帽的徑向壓應(yīng)力，產(chǎn)生開裂風(fēng)險。若將外套材料改為與ABS線膨脹系數(shù)接近的PA6(線膨脹系數(shù)約為10.0 × 10-5K-1)，則可有效降低因材料熱膨脹導(dǎo)致的開裂失效。因此，在原材料設(shè)計時應(yīng)盡量保證鍍鉻件、旋鈕外套和旋鈕帽的素材相同或相似，以避免鍍鉻件素材的膨脹系數(shù)與其裝配件的膨脹系數(shù)相差較大。因為膨脹系數(shù)差異過大會使電鍍件在熱存放時受到裝配件產(chǎn)生的熱應(yīng)力，在裝配間隙不能滿足其熱影響形變的情況下，造型封閉的電鍍件無法釋放由形變帶來的熱應(yīng)力，再加上鍍鉻環(huán)(框)的造型在徑向上與裝配件相比，厚度薄且強度低，所以會產(chǎn)生很高的開裂風(fēng)險。若原材料設(shè)計因故無法更改，則可考慮適當增大裝配間隙。

圖4 高溫存放試驗后的空調(diào)控制器旋鈕Figure 4 Knob of air conditioning controller after high-temperature storage test

2.3 儀表類

儀表類零件多數(shù)應(yīng)用非嵌入式鍍鉻圈設(shè)計。如圖5所示，某車型的組合儀表鍍鉻飾圈在耐高溫存放試驗中出現(xiàn)鍍鉻層起殼的現(xiàn)象。進一步觀察起殼處，發(fā)現(xiàn)背面有卡角，且該處為澆口位置。由于整個鍍鉻圈的表面造型設(shè)計相同，飾圈覆蓋在裝配凹槽之上(非嵌入式鍍鉻圈)，素材對電鍍件無熱擠壓力的作用，因此在鍍層厚度符合標準的前提下，工藝設(shè)計和模具設(shè)計是導(dǎo)致失效的主要原因。調(diào)整注塑工藝參數(shù)，如適當降低注塑壓力和速率，增加烘烤工序，或適當增大澆口，可在一定程度上降低澆口處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免起殼現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖5 高溫存放試驗后的組合儀表鍍鉻飾圈Figure 5 Decorative chromium-electroplated ring of combination instrument after high-temperature storage test

2.4 飾條類

某車型的氛圍燈飾條在環(huán)境交變試驗后產(chǎn)生端部鍍鉻起殼缺陷(見圖6方框區(qū)域)，失去附著力。對于此類細長零件，在設(shè)計掛具時，應(yīng)設(shè)置足夠的掛點數(shù)來保證產(chǎn)品的導(dǎo)電性。如圖6所示，長度約為1 300 mm的鍍鉻長條，當掛點數(shù)(圖中圓圈處)從4個增加至6個時，可解決因為導(dǎo)電不良而引起的鍍層附著力不足的問題。此外，適當延長粗化時間和增加粗化次數(shù)可以在一定程度上改善鍍層的附著力。

圖6 鍍鉻長飾條示意圖(左)和PV2005試驗后的照片(右)Figure 6 Schematic diagram (left) of long chromium-electroplated bar and photo (right) of it after PV2005 test

3 各種帶有鍍鉻裝飾的汽車電器類零件的設(shè)計建議

(1) 開關(guān)類零件：為保證良好的外觀，避免縮印產(chǎn)生，應(yīng)保證素材的壁厚均勻；為保證產(chǎn)品觸感，可適當增大產(chǎn)品R角或在施鍍過程中增加保護框，減輕尖端堆鍍現(xiàn)象；為提高鍍層連續(xù)性和附著力，應(yīng)減少字符連續(xù)性對鍍鉻面的割裂作用。

(2) 電子類零件：造型封閉的嵌入式鍍鉻圈應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)相近的匹配件，并預(yù)留裝配間隙，以減弱高溫膨脹形變產(chǎn)生的熱應(yīng)力對鍍鉻件的影響。

(3) 儀表類零件：對于造型封閉的非嵌入式鍍鉻圈，可調(diào)整注塑參數(shù)和澆口大小，減輕澆口處的應(yīng)力集中。

(4) 飾條類零件：細長結(jié)構(gòu)產(chǎn)品存在導(dǎo)電不良的可能，需要在掛具設(shè)計和工藝設(shè)計時，適當增加掛點個數(shù)和粗化次數(shù)來保證其導(dǎo)電性和附著力。

4 結(jié)語

在塑料電鍍中，設(shè)計對產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性作用。復(fù)雜的造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然滿足了用戶對車內(nèi)飾美觀性的強烈需求，但往往意味著有潛在的質(zhì)量風(fēng)險。在原料成本增加和汽車整車價格戰(zhàn)的雙重壓力下，如何在設(shè)計源頭防范后期生產(chǎn)可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題，創(chuàng)造滿足質(zhì)量要求的最優(yōu)設(shè)計，成為控制質(zhì)量和成本，實現(xiàn)電鍍廠、整車廠降本增效的關(guān)鍵。此外，隨著新能源汽車產(chǎn)量的增加，帶有鍍鉻裝飾的電子電器件將會得到更加廣泛的應(yīng)用。為此，原材料廠、模具廠、電鍍廠和整車廠的設(shè)計和質(zhì)量部門應(yīng)共同參與到提升鍍鉻電子電器件設(shè)計和質(zhì)量的整個過程。作為整車廠，在產(chǎn)品設(shè)計初期，建議提供一個供應(yīng)商技術(shù)部門對零部件進行風(fēng)險評估的平臺。因為在產(chǎn)品造型設(shè)計凍結(jié)后，任何設(shè)計更改(包括模具設(shè)計和原材料設(shè)計的更改)都會增加成本，且無法從根源上解決設(shè)計帶來的質(zhì)量問題。作為電鍍廠，應(yīng)根據(jù)自身專業(yè)技術(shù)能力，量力而行地承接項目，對于前期和批量質(zhì)量生產(chǎn)控制有風(fēng)險的設(shè)計，或?qū)τ谝蛟O(shè)計而導(dǎo)致的合格率過低的情況，應(yīng)及時通知客戶，做到早發(fā)現(xiàn)、早溝通、早整改。

[1] 田永, 方瑛, 廖兵.汽車電子電器件材料的選擇與應(yīng)用[J].汽車與配件, 2014, 33 (19): 64-67.

[2] 徐蒙, 張煜.汽車“進化”的十字路口，上汽以“新四化”撥開迷霧[N].解放日報, 2017-04-10 (4).

[3] 張成才.汽車電子電器零部件產(chǎn)品通用測試要求解析[J].環(huán)境技術(shù), 2011 (4): 52-55.

[4] 高成, 邱浩.未來20年汽車電子技術(shù)發(fā)展趨勢[J].深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2010, 9 (1): 33-39.

[5] 張菊香, 盧振光, 燕平.汽車手剎按鍵鍍鉻表面起殼的缺陷研究[J].材料保護, 2017, 50 (8): 93-95.

[6] 吳利英.影響塑料電鍍的塑料工藝因素分析[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用, 2002, 14 (6): 11-13.

[7] 謝無極.電鍍故障精解[M].2版.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2013: 132-154.

[8] 燕平.汽車電子手剎按鍵鍍鉻堆鍍現(xiàn)象的分析與解決[J].電鍍與涂飾.2017, 36 (19): 1047-1050.

Discussion on chromium electroplating design of automotive electronic and electrical parts

YAN Ping

The types of present electronic and electrical parts in automobiles decorated by chromium electroplating are summarized.The effect of design of product structure, mold and material on the performance of chromium-electroplated automotive electronic and electrical parts was discussed.Some corresponding suggestions were given.

automotive interior; electronic and electrical appliance; model design; chromium electroplating; injection;racking

TQ153.11

B

1004 - 227X (2017) 20 - 1095 - 04

10.19289/j.1004-227x.2017.20.006

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

2017-08-14

2017-09-26

燕平（1989-），男，山東淄博人，碩士，工程師，主要研究方向為汽車零部件表面處理和汽車防腐。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) yanping@csvw.com。

[ 編輯：周新莉 ]