汽車前格柵不同材料與工藝的選擇及對比分析

　　01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。

　　02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。

　　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。

　　03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。

　　04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0.6m2，五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。

　　4材料工藝組合與成本比例關系曲線

　　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。

　　05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。

　　06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。