汽車前格柵不同材料與工藝的選擇及對比分析

馬強

摘 要：文章沿著汽車前格柵的演變歷程，識別其中的材料與工藝的變化，對汽車前格柵常用的材料與工藝的特點梳理，結合前格柵材料與工藝選擇案例，進行成本分析對比，最后對未來汽車前格柵材料與工藝應用進行了展望。

關鍵詞：汽車前格柵;材料與工藝;成本對比

中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

近年來汽車產業發展迅猛，各個車企不斷推出新車型，前格柵的形狀是千姿百態，材料與工藝也自然是各有不同。目前，汽車企業自身的成本壓力不斷增加，與此同時，激烈的市場競爭，使得企業需要不斷壓縮成本、降低汽車價格以獲取市場競爭優勢[1]。超過70%的產品成本是由設計所決定的[2]，整車的成本主要由各個系統零部件成本組成，而各個零部件成本主要在于設計中材料與工藝的應用，因此梳理前格柵常用的材料與工藝、對比分析成本，對汽車前格柵成本設計具有現實意義。

1 汽車前格柵形狀、材料與工藝的演變

1.1 前格柵形狀的演變

1886年1月29日被公認為汽車的誕生日[3]。在汽車誕生之初，并沒有前格柵。如圖1所示。

20世紀以后，汽車不再僅是歐洲人的專利了，進入流水線大批量生產時期[4]，造車企業逐漸增多，汽車前格柵造型隨整車造型變化而產生、變化。國外汽車產生較早，前格柵逐漸出現家族化特征，勞斯萊斯帕特農神廟結構、寶馬雙腎造型、奔馳百葉窗式、Jeep七豎孔式等等。如圖2所示。

中國汽車自主品牌雖然發展較晚，但發展較迅速，各汽車集團品牌設計出多種車型，前格柵有橫幅式、直瀑式、點陣式、回形水波紋式等等。

格柵的造型風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]。從前格柵組成結構上區分，可以分為一體式與分體式，分體式主要包括格柵本體、格柵網格、格柵裝飾件等多個零件組成。

1.2 前格柵材料與工藝的演變

1.2.1 材料演變

20世紀初，前格柵材料主要是金屬，格柵發展到中后期，也開始了以塑代鋼的發展[6]。目前，前格柵應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，各零件組合通過焊接、螺接實現組裝。隨著金屬沖壓工藝的發展，前格柵成型逐漸由設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展，隨著電鍍工藝的發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，相比表面銀色應用較少;受環保及多樣化表面裝飾需求，近幾年，前格柵本體廣泛由電鍍、噴車身同色漆向注塑黑色、高光黑發展。

2 汽車前格柵不同材料與工藝選擇的成本影響及對比

2.1 前格柵基礎工藝與材料選擇對比

金屬單價比塑料低，但金屬密度大，使用塑料材料可以減輕零件重量，可以不進行表面處理，整體成本較低，同時輕量化使車輛減少有害氣體排放，環保性好。另外塑料注塑可以生產出復雜形狀與結構，便于多個零部件集成，滿足復雜造型需求，所以目前前格柵采用塑料材料注塑工藝居多。梳理基礎工藝與常見材料進行對比，如表1。

金屬材料手工制作可以加工較復雜的結構，但生產時間較長，加工成本較高，相反，沖壓或注塑制作，節省單件生產時間，但需進行模具制作，增加模具投入成本，所以手工制作適合小批量生產，沖壓及注塑制作適應大批量生產。塑料材料中PP、ABS、PMMA、ASA等能基本滿足工作環境要求，PP成本相對較低，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型，實際選擇中，為追求綜合性能的提高，往往會采用塑料合金如PC+ABS、PMMA+ASA等，當然相應成本也會增加。

2.2 不同表面處理工藝與材料選擇對比

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，在注塑成型基礎上增加的，多數用于局部裝飾。具體不同表面處理工藝與材料選擇對比如表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），皮紋注塑需對普通注塑模具上進行皮紋腐蝕，模具成本增加，為滿足成型工藝性，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），材料單價相對普通注塑材料較高，密度相差不大，故零部件成本相比較高;為滿足成型工藝性，格柵拔模角度需≥7°，格柵型面寬度≥5mm，故對制品形狀要求較高;制品產生光亮效果，模具型腔需應用高性能鋼材，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均增加，故模具費用高。

電鍍、噴漆、熱燙印二次表面處理：三種工藝對基材材料都有特殊要求，電鍍需材料有導電性、噴漆需有易著色性，熱燙印要求基材易融合性;三種工藝對基材注塑質量要求都較高，相應注塑模具投入較高，形狀要求簡易、不能帶有尖角、深凹等形狀，否則會對表面質量產生不利影響，對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，但顏色種類可選性多;熱燙印與電鍍、噴漆相比性能差，但環保性好、成本低。電鍍工序較多，生產線長，設備投入高，需使用電鍍藥水（銅、鎳、鉻等）耗材多，綜合零部件成本較高，生產零部件的掛具基材需采用導電性較高的材料（如銅），大部分表面需做絕緣處理（如浸涂塑料絕緣材料）;噴漆生產工序相對電鍍工藝較少，但人員投入相對較多，掛具采用普通金屬材料即可;熱燙印工藝設備、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，整體費用相對電鍍、噴漆的掛具費用高。

3 某車型前格柵材料與工藝選擇

例如某款車型前格柵造型定義本體中部網格狀結構、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;項目預計生產總產量10萬臺。根據邊界輸入，測算前格柵外形尺寸（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

由于進氣格柵與汽車發動機的位置較為接近，會長期處于高溫環境中，因此，在選擇材料期間，應當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足此要求，因造型結構復雜、產量較大，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，有兩種方式可以實現，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品貴10%，但汽車企業如果用該產品代替油漆，將會使汽車企業的成本下滑20%-30%[8]。因高光免噴涂注塑工藝可免去后續處理費用，零件成本相對較低，但模具成本增加約20%。假設前格柵本體普通注塑及噴漆對應零件成本150元，模具費用80萬元（掛具費用較少，此處忽略），高光注塑成本約85元，模具費用95萬元，按10萬臺分攤，綜合成本計算公式為：

C1=A1+F1/n=150+800000/100000=158元

C2=A2+F2/n=85+950000/100000=94.5元

式中C為含分攤的成本、A為不含分攤的成本、F為模具費用、n為分攤數量，C1、A1、F1為方案一中對應的數值，C2、A2、F2為方案二中對應的數值，從成本對比結果上分析，方案一高光注塑占優，根據高光注塑格柵型面寬度≥5mm的要求，現有網格造型不符合要求，同時高光注塑表面耐刮擦效果相對較差，此案例中，實際以保造型為優先，同時考慮表面質量，舍棄了成本優勢，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，有兩種方式可以實現，一是表面電鍍，二是表面熱燙印。熱燙印加工費用少，但需投入模具，假設五個前格柵裝飾條電鍍成本50元，掛具費用忽略（掛具費用本身較少且一個掛具可放置多個裝飾條，再按10萬臺分攤，成本更少），五個前格柵裝飾條熱燙印成本約40元，模具及支具費用約30萬元，按10萬臺分攤，綜合成本計算公式為：

C3=A3+F3/n=40+300000/100000=43元。

式中，C3為裝飾條含分攤的成本、A3為裝飾條不含分攤的成本、F3為熱燙印模具費用、n為分攤數量，根據結果對比熱燙印工藝成本相對較低，加工過程中污染小，環保性好。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

此案例為早期設計案例，并不是以成本因素為主要導向，而以造型、質量為導向，采用固有成熟的材料與工藝，隨著成本意識的提升，新材料與新工藝的發展完善，相信前格柵基于成本的設計，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展選擇與成本對比

前車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、產品質量、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，現假設以此款前格柵輪廓尺寸、面積不變，替換不同外觀需求，梳理前格柵常見材料、工藝與成本對比，以便其它后續設計參考。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應的零部件成本及模具費用，對比折算比例，以A組合為基礎比例，設定為1，其它組合對應的成本及費用與之對比，各個組合與成本比例關系如圖4。

總之，前格柵的零件越多、加工工藝越多、表面質量要求越高，使用的材料、設備就越多、越優，材料、加工、模具等費用的投入也會越多，以成本為導向設計需根據造型、表面質量、成本、生產量綱等要求，權衡減少這些投入。

4 汽車前格柵形狀、材料與工藝未來發展

隨著汽車的發展，功能需求變化、審美觀念變化、成本意識提升，汽車前格柵形狀、應用的材料與工藝也將不斷變化。未來發展方向一是集成化，主動進氣格柵、發光格柵等功能需求將使格柵集成更多功能，同時會增加格柵新的材料與工藝的應用。二是環保、低成本化，減少噴漆對環境污染及降低表面處理費用，未來免噴涂材料及工藝應用將會增多。

三是一體化，燃油車隨著發動機排量不斷加大，前格柵尺寸也逐漸加大，并隨著造型更顯動感，一體蜂窩狀的格柵會逐漸增多;另一方面隨著電動汽車的發展與比例的增加，格柵通風散熱功能需求降低，不需要較大通風面積，裝飾功能凸顯，前格柵將與保險杠融為一體。

5 結束語

回顧歷史，展望未來，汽車前格柵形狀、材料與工藝的應用仍將不斷的變化。本文梳理了較為典型的前格柵形狀、材料與工藝特點，對比分析了常見材料與工藝組合的成本，預測了前格柵材料及工藝的發展方向。前格柵材料及工藝的選擇應用是前格柵設計中的重要部分，望引起汽車設計師共鳴，在汽車前格柵設計上不斷研究與創新，順應潮流，兼顧成本，設計、應用適合各個特定車型的前格柵材料與工藝。

參考文獻

[1] 嚴玉廷，趙明楠，趙振家，羅汀，張圖南.基于成本分析的汽車企業成本管理體系構建[J].北京：企業改革與管理， 2018.12.

[2] 杰弗里·布斯羅伊德（Geoffrey Boothroyd）、彼得·杜赫斯特（Peter Dewhurst）、溫斯頓·奈特（WinstonA. Knight）.面向制造及裝配的產品設計（Product Designfor Manufactureand Assembly）第3版.[M].北京：機械工業出版社，2015.7.

[3] 車影.從汽車外形變遷看汽車發展史[J].汽車實用技術，2004.4.

[4] 劉志剛.汽車發展史簡述[J].汽車運用，2000.12.

[5] 蔣琳，蔡卓琳，黃海.淺談汽車格柵設計[J].時代汽車，2018.1.

[6] 王琛，郝旭飛.汽車外飾的歷史與發展[J].汽車文摘，2020.2.

[7] 景融.汽車外飾零部件材料的選擇與應用研究[J].內燃機與配件，2019.1.

[8] 及愛強.免噴涂材料在汽車行業的應用[J].時代汽車，2017.9.