激光雕刻復合化學腐蝕技術在模具紋理加工應用的研究

摘 要：近年來，隨著光電子科技水平的快速發展，激光五軸設備的開發成功，激光雕刻技術還被應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、模具化學腐蝕紋理技術的特點，介紹了激光雕刻復合化學腐蝕技術在汽車紋理中的應用，希望對汽車紋理設計師有所啟發。

關鍵詞：模具紋理；激光雕刻；化學腐蝕

中圖分類號：U466 文獻標志碼：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

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

激光雕刻復合化學腐蝕紋理技術是一種新型汽車模具紋理制作技術，它結合了化學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、紋理排布調整方便、復制性與一致性好、開發周期相對短及成本相對低等特點，可適用于更復雜造型面的生產和制備。本文對三種模具紋理加工工藝、技術特點進行了綜述介紹，以期對汽車紋理設計師有所啟發。

1 化學腐蝕在模具紋理應用

1.1 化學腐蝕紋理加工工藝

化學腐蝕紋理加工工藝，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，規避鋼料材質線、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腐蝕溶劑池內，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的紋理。

1.2 化學腐蝕紋理的技術局限性

化學腐蝕紋理加工，主要依賴有經驗的技術工人通過手工操作完成?；瘜W腐蝕紋理存在如下局限[1]：

（1）皮紋缺乏3D立體感。化學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腐蝕紋理工藝整個加工過程是由技術工人手工操作完成，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，導致腐蝕效果，皮紋精度與設計有一定偏差。

（3）皮紋復制一致性差。受模具鋼材料硬度、化學腐蝕時間等的影響，導致化學腐蝕速度不同，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，使材料發生物理化學變化，達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 隨之是通過加熱產生的熱傳導

③ 材料從固態變成液態（即融化）。

④ 材料以等離子體的形式從液態變成氣態，而蒸發。

⑤ 通過生成沖擊波，材料微粒被噴發出去。

2.2 激光雕刻加工工藝流程

激光雕刻技術是利用CAD繪制紋理，通過灰度圖產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），通過漸變灰度實現立體化效果。

激光雕刻技術的加工工藝分為6個步驟[1]，如圖5所示：

（1）紋理設計，先確定產品表面所需紋理種類、細節；

（2）紋理仿真，利用3D軟件，將所需紋理轉移貼到產品表面，形成做好紋理的產品效果，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數據檢測，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數據，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圖進行激光雕刻編程，加工模擬，防止在加工過程中出現加工不到位問題；

（5）激光雕刻，將編好的激光雕刻程序傳輸到五軸激光雕刻設備，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，并通過噴砂工藝調整模具光澤度、增強耐刮擦性能；

2.3 激光雕刻蝕紋工藝參數

要實現模具紋理的激光雕刻，必須要遵循一定的操作步驟和設置一定的工藝參數。與激光雕刻加工有關的工藝參數有：激光功率、脈沖重復頻率、激光波長、光束質量、雕刻深度、雕刻線速、雕刻線寬、重復精度、掃描速度、分辨率等待，其中與模具紋理雕刻相關的主要參數為：雕刻強度、雕刻脈沖重復頻率、雕刻速度。[2]

2.3.1 激光雕刻強度

雕刻強度是指照射到加工工件表面的激光強度。隨著激光雕刻功率增加，激光強度也會增大，激光與物質的熱作用增大，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，激光雕刻的寬度、深度趨于平緩，不再增加。此時加工物品表面出現焦狀物質，會阻礙激光進一步融化金屬。所以選取合理的激光雕刻強度，可以達到更好的雕刻速度和外觀質量。

2.3.2 激光雕刻脈沖重復頻率

激光雕刻重復頻率對雕刻線寬影響不明顯，但對雕刻深度有較大影響，即脈沖重復頻率在某一值時，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的時間越短。

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到要求。

2.4 激光雕刻技術的特點

激光雕刻紋理加工相比于傳統的化學腐蝕紋理加工方法，具有以下特點[3]：

（1）紋理設計自由度高。解決傳統化學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）紋理可數字化仿真。通過仿真渲染3D立體效果，可提前獲知紋理在產品表面的外觀效果，可進行多種紋理設計方案的評估，減少產品打樣、模擬皮紋制作所需的時間、費用損耗；

（3）紋理加工精度高，一致性好，重復性高。激光雕刻的精度可達到0.1μm，實現更加精密的多層次加工，肉眼難以區分的細節也能加工，突顯紋理精細化和立體化。紋理設計可以任意復制不同形狀、不同曲度的產品，并保持多個產品的紋理一致性。如可以實現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、高脆性和高熔點材料。僅需要調整激光雕刻工藝參數，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）數控加工設備對環境、操作人員友好。設備加工效率高，加工程序和參數設定后，可不間斷工作。整個加工過程為無接觸，不存在“刀具”磨損，人員接觸化學品問題。同時不使用化學腐蝕溶劑，不存在廢水、廢液等環境污染問題；

（6）汽車模具紋理所需的激光雕刻設備成本高，一次性投入大，且維護成本高；

（7）激光雕刻紋理相對化學腐蝕紋理成本高；

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

3 激光雕刻復合化學腐蝕在模具紋理應用

3.1 激光雕刻復合化學腐蝕原理介紹

激光雕刻復合化學腐蝕是基于化學腐蝕紋理加工和激光雕刻紋理加工的技術優點發展起來的一種新型紋理加工技術。其工作原理是：采用激光雕刻在涂覆耐腐蝕保護漆的模具表面上雕刻出紋理圖案，替代傳統化學腐蝕的菲林貼膜，再將模具放入化學腐蝕溶劑池中進行腐蝕處理。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。其激光雕刻和化學腐蝕過程與上述內容一致。

3.2 激光雕刻復合化學腐蝕加工工藝流程

激光雕刻復合化學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，規避鋼料材質線、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漆（該保護漆具有耐腐蝕，吸附力強，粘性低等優點見圖8）；利用模具3D數據，將所需加工紋理圖案通過3D軟件處理，均勻轉移到模具數據表面，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對油漆層雕刻去掉油漆形成圖案；模具表面剩余的保護漆，就類似化學腐蝕貼好菲林膜后的狀態，將模具放入化學腐蝕溶劑池內，腐蝕溶劑通過已雕刻區域接觸到模具鋼材表面，產生腐蝕效應，最終加工出所需的紋理圖案。雕刻紋理工藝步驟可以重復多次進行，除了所謂的單層雕刻，還可多層重復雕刻，精準的花紋處理可以達到10層。

3.3 激光雕刻復合化學腐蝕工藝特點

激光雕刻復合化學腐蝕工藝相比于傳統的化學腐蝕紋理加工方法或全激光雕刻紋理加工，具有以下特點：

（1）紋理貼圖效果可以預見，貼圖效果直觀，便于提前發現問題；

（2）紋理圖案無拼接線或紋理起皺變形問題，效果更精致；

（3）紋理可以輕松實現大圓角光順過渡，能對更復雜的造型面進行皮紋雕刻，紋理變化過程可以通過全數字化、網格化修改控制，效果可控；

（4）紋理排布調整方便，可根據產品要求選擇不同的紋理方向；

（5）激光雕刻復合化學腐蝕加工的模具紋理損傷，可實現無痕二次修復，修復難度低；

（6）激光雕刻復合化學腐蝕工藝紋理制作成本低于全激光雕刻紋理；

（7）激光雕刻復合化學腐蝕工藝紋理制作周期，相對化學腐蝕紋理短（見圖9）：

4 結束語

就汽車模具紋理加工而言，激光雕刻紋理是一項較新的技術，而激光雕刻復合化學腐蝕紋理加工技術，則是將新技術與傳統工藝相結合，并在此基礎上做創新開發。激光雕刻復合化學腐蝕紋理加工技術與全激光雕刻紋理相比，降低了汽車模具紋理加工成本、時間，使激光雕刻能在更多場合應用。激光雕刻復合化學腐蝕技術將在汽車內外飾件中發揮更大作用，并與其他領域技術相結合，開發更美觀、超值的紋理作品。

參考文獻：

[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研究[J]，模具工業2020年第46卷第9期.

[2]韋崇東，曾艷，基于激光雕刻技術的汽車紋理設計[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用[J]，模具制造2020年第1期.

侯志明

畢業于廣西大學機械工程學院，材料成型及控制工程專業，本科學歷，現就職于東風柳州汽車有限公司，任汽車非金屬材料工藝開發主管，主要從事汽車內外飾件設計、模具開發相關工作，已發表文章數篇。

專家推薦語

康 明

東風商用車技術中心 工藝研究所所長

材料科學與工程 研究員級高級工程師

本文介紹了汽車內飾紋理模具制備所采用的激光雕刻紋理、化學腐蝕紋理以及激光雕刻復合化學腐蝕紋理等三種工藝的技術原理和特點，可對汽車紋理設計師選用和相關技術人員研發工作有一定技術啟發作用。

本文理論正確，文字流暢，條理清楚，合乎邏輯，具有一定的技術借鑒作用。