論隱式氣囊展開線的加工工藝

摘 要:為了提升汽車的安全性、舒適性與裝飾性，越來越多車型的采用帶隱式氣囊展開線(Invisible Airbag Line)的儀表板。主要介紹激光弱化加工、冷鉆銑弱化加工、熱刀加工、超聲波冷刀加工這四種常見的隱式展開線加工工藝。

關(guān)鍵詞:隱式展開線;激光弱化;冷鉆;熱刀加工;超聲波加工

中圖分類號(hào):TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-3198(2010)07-0302-03

1 概述

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展以及客戶對(duì)安全性的重視，對(duì)汽車的安全性、舒適性與裝飾性的要求越來越高。目前國(guó)內(nèi)不少中高檔次的轎車都配備帶副駕駛氣囊的儀表板。為了讓氣囊正常開啟，多在氣囊上方設(shè)計(jì)一氣囊蓋板，在打開時(shí)釋放氣囊。在氣囊蓋板與儀表板匹配處存在可視裝接線，現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)的車型主要有PASSAT B5系列，通用的SAIL系列，GL8等等。為美觀起見，近年越來越多車型的儀表板被設(shè)計(jì)為隱式氣囊展開線(Invisible Airbag Line)儀表板，既無可視裝接線，又能保證氣囊正常展開。其中有一種在儀表板本體上加工出一條安全氣囊線的隱式氣囊展開線儀表板，在大眾的POLO和Touran，以及上海通用的凱越(EXCELLE)均得到了采用。今后，隱式氣囊展開線的應(yīng)用將越來越廣泛，因此，其加工工藝將成為儀表板專業(yè)制造商或整車廠必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

隱式氣囊展開線的加工工藝有許多種，可以在注塑模具上直接預(yù)成型、或者使用熱刀加工、激光弱化加工等后加工方式進(jìn)行加工。下面簡(jiǎn)單介紹一下幾種常見的隱式展開線加工工藝。

2 激光弱化加工

2.1 工藝簡(jiǎn)介

激光弱化加工就是利用激光所具有的高能，加工隱式氣囊展開線的工藝。激光發(fā)生器將所產(chǎn)生的激光聚焦在約0.2mm的范圍內(nèi)，形成具有高能量的激光束，激光束通過激光頭，以定頻脈沖的形式，打在儀表板上，其焦點(diǎn)處的材料在吸收激光的高能后迅速汽化，形成穿透或不穿透(根據(jù)需要)的小孔，這些小孔區(qū)域的材料厚度變薄，斷裂強(qiáng)度降低，從而能在受到外界沖擊時(shí)，優(yōu)先斷裂。這樣的許多順序排列的微孔的組合，就是我們通常所說的氣囊展開線(Airbag Line)。當(dāng)安全氣囊爆炸時(shí)，氣囊蓋板將沿著這條強(qiáng)度相對(duì)低的線順利打開，氣囊從打開位置沖出儀表板。

2.2 弱化工藝原理

假設(shè)面板在理想狀態(tài)下(主要指儀表板各處厚度一致，密度一致)，并且激光功率保持恒定，激光的打開和關(guān)閉沒有時(shí)間延遲，在這種情況下，打每個(gè)孔所需要的激光脈沖個(gè)數(shù)應(yīng)該也是恒定不變的。

但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，這種假設(shè)是不存在的，主要有以下的不穩(wěn)定因素:

激光功率不恒定，一直是在微小范圍內(nèi)連續(xù)波動(dòng);

激光的打開和關(guān)閉需要時(shí)間延遲;

加工表面和激光頭之間的距離在小范圍內(nèi)波動(dòng);

儀表板的厚度存在微小變化(比如表面有皮紋);

儀表板內(nèi)的各層密度也不斷發(fā)生變化(例如泡沫層密度不一致，注塑骨架中存在的氣泡、雜質(zhì)等)。

以上任何一種不穩(wěn)定因素都可能造成剩余厚度的超差(精度為0.01mm)。

如何消除這些不確定因素的影響呢?JENOPTIK公司的設(shè)計(jì)方案很好的解決了這個(gè)難題，并且獲得專利。方法是將激光發(fā)射過程根據(jù)功率大小分為前后兩個(gè)階段:

第一階段，使用大功率激光脈沖，脈沖數(shù)量恒定;

第二階段，使用小功率的脈沖，脈沖數(shù)量實(shí)時(shí)變化。

激光弱化系統(tǒng)工作原理如下圖所示:

圖1 激光弱化系統(tǒng)工作原理圖

2.3 適用范圍及小結(jié)

激光弱化加工適用于硬質(zhì)儀表板、也適用于軟質(zhì)儀表板。

激光弱化加工工藝的不足在于工藝復(fù)雜，設(shè)備昂貴，針對(duì)不同材質(zhì)的儀表板，需要做大量的試驗(yàn)，不斷調(diào)整，憑借深厚的經(jīng)驗(yàn)積累才能確定合適的參數(shù)值。

最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)過程100%監(jiān)控，每個(gè)微孔都受到工作傳感器發(fā)出的反饋信息受到精確控制，因此，精度很高。只要設(shè)備正常，設(shè)定的參數(shù)正確，就不會(huì)出現(xiàn)缺陷。而且，自動(dòng)化程度高，柔性高的優(yōu)勢(shì)明顯，能夠很好的滿足隱式氣囊展開線的加工要求。

3 冷鉆銑弱化加工

3.1 工藝簡(jiǎn)介

冷鉆銑弱化加工是在常溫狀態(tài)下使用高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭在儀表板素材上切割出凹槽，一系列強(qiáng)度較低的凹槽就形成了氣囊展開線，此即為冷鉆銑破裂線弱化工藝。加工時(shí)，工件固定在治具上，鉆頭基座帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭可在水平方向上移動(dòng)(X軸、Y軸)，以控制氣囊展開線的具體位置。通過對(duì)鉆頭的高度調(diào)整可以控制每個(gè)部位是否加工凹槽、以及凹槽的深淺。以確保加工后的儀表板強(qiáng)度適中，既能滿足氣囊展開要求，并且具備必需的剛度。一般來說，凹槽呈鋸齒狀。在正常使用時(shí)，儀表板有足夠的強(qiáng)度，滿足正常使用要求。當(dāng)安全氣囊爆炸時(shí)，氣囊蓋板將沿著這條強(qiáng)度相對(duì)低的線順利打開，氣囊從打開位置沖出儀表板。

3.2 弱化工藝原理

目前的機(jī)加工已經(jīng)可以加工出很精細(xì)的鉆頭，高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭能很輕易地把儀表板素材銑出。由于氣囊展開破裂線的尺寸不能太大，所以要求所使用鉆頭口徑較小、并且刃角合適。為了防止加工時(shí)阻力較大，最佳是采用多刀刃的鉆頭。借助3軸伺服電機(jī)來帶動(dòng)鉆頭的行走路徑，并且通過對(duì)加工品的加工情況進(jìn)行全數(shù)檢查，可以很好的控制加工品質(zhì)。

設(shè)備要點(diǎn)及工件詳見下圖:

圖2 冷鉆銑氣囊展開線加工設(shè)備的示意圖

圖3 工件示意圖

3.3 適用范圍及小結(jié)

由于冷鉆銑弱化加工采用3軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以很好的控制展開線的路徑和各個(gè)部位的弱化效果，適用于形狀較復(fù)雜、產(chǎn)品面不規(guī)則的儀表板展開線的加工。而且設(shè)備構(gòu)造較簡(jiǎn)單，設(shè)備制作成本較低。

不過，為了確保設(shè)備的檢測(cè)精度，需要減少設(shè)備受外界氣溫的影響(熱脹冷縮)，所以，需要對(duì)設(shè)備的本體進(jìn)行恒溫控制(建議溫度波動(dòng)不得超過5攝氏度)，并且，對(duì)設(shè)備的清潔度要求較高。加工后的工件的剛性也比較差，需要采取后續(xù)加工增強(qiáng)剛度。

鑒于該工藝對(duì)工件的強(qiáng)度、可加工性有較高的要求，所冷鉆銑弱化工藝只適用于硬質(zhì)儀表板、不能應(yīng)用于軟質(zhì)儀表板。較簡(jiǎn)便的加工軟質(zhì)儀表板氣囊展開線除了激光加工外，還有以下幾種方法可采用。

4 熱刀加工工藝

4.1 工藝簡(jiǎn)介

熱刀加工是在根據(jù)需要的氣囊展開線的形狀，設(shè)計(jì)好刀具，對(duì)刀具進(jìn)行加熱后壓在儀表板表皮上，促使表皮受熱融化，形成強(qiáng)度較低的展開線。展開線的撕裂強(qiáng)度較其他部位低很多，在受到外界沖擊時(shí)，將優(yōu)先被撕裂，讓氣囊從該部位展開。通過對(duì)刀具的溫度、刀具與表皮的貼合程度、加工時(shí)間等因素進(jìn)行合理控制，就可加工出合適的展開線。

4.2 弱化工藝原理

圖4 熱刀加工品斷面示意圖

為了兼顧制品外觀和使用性能，需要結(jié)合表皮材料特性對(duì)刀具的溫度、刀具與表皮的貼合程度、加工時(shí)間等因素進(jìn)行多次調(diào)試，確定合理的基準(zhǔn)值和控制范圍。

4.3 適用范圍及小結(jié)

由于當(dāng)前的熱刀及熱電偶的技術(shù)非常成熟，熱刀弱化加工的設(shè)備制作比較簡(jiǎn)單，設(shè)備穩(wěn)定性佳。由于熱刀和表皮貼附一次后即可將整個(gè)展開線加工完畢，加工的效率較高，節(jié)拍較短。并且，在出現(xiàn)第一次加工切口深度不足的狀態(tài)下，可以進(jìn)行再次加工，減少廢品的產(chǎn)生。此外，設(shè)備自帶溫度檢測(cè)和控制器對(duì)刀具的溫度進(jìn)行PID控制，能將道具溫度控制得很好，基本上不受外界溫度變化的影響，這對(duì)季節(jié)性溫差、晝夜溫差變化大的地區(qū)而言，有很好的優(yōu)勢(shì)。

由于刀具和表皮的貼合狀態(tài)直接關(guān)系著加工品質(zhì)的合格與否，所以，需要對(duì)刀具于表皮的貼合狀態(tài)進(jìn)行管理。刀具的制作完成或者維護(hù)后(如定期打磨)，需要重新調(diào)校刀具，確保刀具與表皮的貼合狀態(tài)。調(diào)校工作需要較高的經(jīng)驗(yàn)。并且，熱刀加工受表皮的溶化效果影響較大。如果表皮融化不佳，表皮背面較粗糙或者表皮內(nèi)部有較多氣孔，會(huì)造成殘留厚度偏高等加工不良。

該加工方法適用于加工軟質(zhì)儀表板氣囊展開線，比如表皮材為TPU材質(zhì)、PVC材質(zhì)的表皮。但如果氣囊展開線附近的形狀不是平滑面而是棱角分明的轉(zhuǎn)折面，則不能使用該工藝。

5 超聲波冷刀加工工藝

5.1 工藝簡(jiǎn)介

超聲波冷刀加工是用機(jī)器人控制刀具在制品的背面劃過，劃出一定深度的溝。該刀具并非傳統(tǒng)的熱式刀具，而是冷刀。利用的是刀尖發(fā)出超聲波，使得靠近刀尖的表皮分子運(yùn)動(dòng)加劇導(dǎo)致發(fā)熱融化，因此，冷刀劃過時(shí)能很輕易地在局部融化的表皮加工出一道溝。由于主要利用的是超聲波使表皮發(fā)熱融化的原理，因此業(yè)內(nèi)稱之為超聲波冷刀加工。

5.2 弱化原理

圖5 超聲波冷刀加工設(shè)備示意圖

圖6 超聲波加工品斷面示意圖

超聲波能加劇各種物體內(nèi)的分子熱運(yùn)動(dòng)，從而提升物體的溫度，不同強(qiáng)度的超聲波作用于不同材質(zhì)的工件上會(huì)有不同的效果，因此，超聲波加工在工業(yè)上應(yīng)用很廣泛。比如超聲波焊接、超聲波切割等。超聲波氣囊展開線弱化加工的利用的是超聲波使工件局部融化的原理。設(shè)備主要由機(jī)器人、刀(含超聲波發(fā)生及調(diào)節(jié)裝置)、傳感器以及設(shè)備本體構(gòu)成等。其中，核心是超聲波發(fā)生及調(diào)節(jié)裝置，利用的是刀尖發(fā)出超聲波，使得靠近刀尖的表皮分子運(yùn)動(dòng)加劇導(dǎo)致發(fā)熱融化，因此，冷刀劃過時(shí)能很輕易地在局部融化的表皮加工出一道溝。在加工的同時(shí)，傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)加工效果，并反饋至機(jī)器人控制系統(tǒng)，不斷調(diào)整機(jī)器人的速度和壓下深度。以確保工件的殘留厚度在控制范圍內(nèi)。

5.3 適用范圍及小結(jié)

由于超聲波能控制在很窄的范圍，因此，切口的斷面很漂亮，不會(huì)出現(xiàn)毛刺、切口不順等問題，產(chǎn)品上看不到展開線的痕跡，提升了儀表板的美觀性。同時(shí)，傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工效果并反饋給機(jī)器人控制中心，必要時(shí)能不斷修正機(jī)器人的加工軌跡。所以，殘留厚度能控制得更好。減少氣囊展開線的品質(zhì)波動(dòng)。

由于刀具劃過表皮之后馬上移開，沒有保持時(shí)間，切口容易發(fā)生再次粘接。導(dǎo)致殘留厚度變厚。所以必須在表皮材料加上防止再次粘接的添加劑。若應(yīng)用于硬質(zhì)儀表板，則需要考慮增加吹氣裝置，讓切口快速冷卻。

該加工工藝能適用于軟質(zhì)和硬質(zhì)儀表板氣囊展開線的加工。特別是在氣囊面較不平整的軟質(zhì)儀表板的展開線加工方面，有較大的優(yōu)勢(shì)。

6 總結(jié)

上面對(duì)激光弱化加工、冷鉆銑弱化加工、熱刀加工、超聲波冷刀加工這四種常見的隱式展開線加工工藝進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)產(chǎn)品的材質(zhì)、工廠人員技術(shù)能力等具體情況進(jìn)行加工工藝的選擇。由于設(shè)備精加工水平、零部件制造工藝、檢測(cè)及伺服控制等技術(shù)日新月異，相信儀表板氣囊展開線的加工應(yīng)用中會(huì)不斷地有新技術(shù)投入使用。也會(huì)帶動(dòng)現(xiàn)有工藝的改良與創(chuàng)新。