某車型行李箱蓋鎖扣斷裂分析及改進

王朝銳　李海波　黃明新　龐勝軍

摘要：某車型行李箱蓋在使用過程中發(fā)生鎖扣斷裂失效，本文通過進行掃描電鏡微觀分析斷裂樣件，確定鎖扣失效的模式；然后通過對鎖扣力學性能、零件定義、車身制造精度及裝配調整等方面展開分析，得出鎖扣耐久性能不高和裝配調整較差等主要原因；最后通過更換鎖扣材料、局部結構優(yōu)化和提高裝配精度；經(jīng)實車驗證有效地解決了鎖扣斷裂問題。

關鍵詞：行李箱蓋；鎖扣；斷裂；分析；材料；裝配精度

1.緒論

隨著中國快速步入汽車社會，汽車已經(jīng)普遍進入中國家庭。三廂轎車由于其較大的后備箱儲物空間獲得廣大家庭的青睞，行李箱蓋作為車主使用頻次較高的部件，要求有較高的可靠性和舒適性，給客戶帶來良好體驗，如果客戶在用車過程中，如果存在行李箱鎖扣故障造成鎖不上或者突然彈開等現(xiàn)象，會引起客戶的強烈抱怨，還會影響品牌形象。某車型在上市后，售后反饋客戶在使用一段時間后存在鎖扣失效，行駛過程中存在行李箱蓋突然彈起的現(xiàn)象，經(jīng)對故障車輛查看，發(fā)現(xiàn)行李箱蓋存在斷裂失效現(xiàn)象，這引起了客戶強烈抱怨，必須快速解決此問題。

2.行李箱蓋鎖扣斷裂失效模式分析

為了快速解析鎖扣斷裂問題，下面結合斷裂失效模式，分析鎖扣斷裂的產(chǎn)生原因。

市場售后部門提供了某車型出現(xiàn)行李箱蓋無法關閉的一些數(shù)據(jù)，我們隨機抽取9輛故障車，見圖1所示，經(jīng)初步查看故障車確認是行李箱鎖扣已經(jīng)斷裂（圖2），鎖與鎖扣的嚙合部位存在磕碰痕（圖3）。為了更好的解析鎖扣失效模式，需要對其進行斷口分析和掃描電鏡微觀分析。

2.1鎖扣斷口分析

經(jīng)過斷裂實物斷口分析，見圖4所示，九件行李箱蓋鎖扣的斷裂形態(tài)類似，在鎖扣的框形部位兩條邊處分別發(fā)生斷裂，對應的斷口分別編號為斷口A和斷口B。斷口A為典型的雙向彎曲疲勞斷口，裂紋起源于鎖扣相對兩側的次表層（據(jù)表面約0.2mm），最后斷裂區(qū)呈線條狀并位于斷面的中部；斷口B表現(xiàn)為拉伸疲勞斷口，裂紋呈周向起源，最后斷裂區(qū)在斷口心部并呈圓環(huán)狀。和斷口A相比，斷口B的最后斷裂區(qū)面積較大，據(jù)此判斷斷口A部分先發(fā)生斷裂，而后斷口B處發(fā)生斷裂。

2.2電鏡微觀分析

由于九件鎖扣的斷口形態(tài)類似，下面選取4#鎖扣斷口進行掃描電鏡微觀分析。斷口A的微觀形貌從兩側表面到心部依次為沿晶-韌窩+準解理-疲勞-韌窩。即：表層為過載開裂形態(tài)，然后過渡到疲勞開裂，表層過載開裂特征與次表層疲勞起源區(qū)特征有明顯的分界線（見圖5中的A2和A5），最后在斷面中心處瞬間斷裂，最后斷裂區(qū)呈線狀（見圖5中的A4）。斷口B與斷口A類似，從表面到心部的微觀特征依次為沿晶-韌窩+準解理-疲勞-韌窩。表層過載開裂區(qū)與疲勞起源區(qū)同樣分界明顯（見圖5中的B2）最后斷裂區(qū)在斷口中部并呈圓環(huán)狀。

通過斷口微觀特征分析表明，行李箱蓋鎖扣在疲勞開裂前，其表面已存在因過載應力作用而產(chǎn)生的初始裂紋。

因此通過上述分析可以判斷行李箱蓋鎖扣為疲勞斷裂，發(fā)生疲勞斷裂的原因是其表面存在初始裂紋。

3.行李箱蓋鎖扣斷裂原因解析

針對初始裂紋產(chǎn)生的原因，從鎖扣的工作原理進行解析，見圖6所示，其主要是從零件的性能定義、零件的產(chǎn)品定義和車身制造調整等方面進行分析。

3.1零件性能定義

由于該鎖扣為供應商所供零件，為了更好檢查發(fā)生斷裂后的零件是否滿足定義要求，對鎖扣的強度進行分析見圖7，經(jīng)過分析，鎖扣的強度滿足強度定義，表1：

為了能進一步核查鎖扣的耐久性能要求，采用CAE軟件分析鎖扣耐久的可靠性，通過分析得知（圖8）鎖扣斷裂處的循環(huán)18700次，較目標要求（2萬次）偏低較多。當車輛行駛在路面狀況不良的道路上時，存在鎖扣斷裂的風險會加大。

3.2零件材料核查

3.2.1金相組織

經(jīng)過金象組織分析，該鎖扣板厚2.5mm，經(jīng)過碳氦共滲處理，金相組織：心部為鐵素體+少量珠光體，圖9所示，表面組織為馬氏體。

3.2.2化學成分

為了確定鎖扣的材料是否符合定義要求，采用直讀光譜測表層和心部（距表面距離≥0.4mm）的化學成分，見圖10：

3.2.3維氏硬度梯度

鎖扣心部硬度137HV0.3，表面硬度632HV0.3，滲層深度0.32mm。采用維氏硬度來表征從表面硬化層到心部的硬度變化，見圖11，有效硬化層深度0.09-0.1mm 515HV0.05（參考GB/T 9450-2005）。

3.2.4材料分析結論

綜合分析，推測鎖扣材料所用材料牌號為SPHC，板厚2.5mm；零件表面經(jīng)過碳氮共滲處理和淬火回火處理，表面硬度632 HV 0.3，有效硬化層深度0.09-0.1mm。

3.3鎖扣探傷檢測

為了檢查鎖扣生產(chǎn)和運輸過程中是否產(chǎn)生缺陷，進行鎖扣抽查工作，對零部件進行著色探傷分析見圖12，經(jīng)過分析，鎖扣沒有產(chǎn)生缺陷。

3.4鎖扣裝配工藝核查

經(jīng)過調查鎖扣的裝配過程，發(fā)現(xiàn)總裝制造時在調整鎖扣需要用榔頭用力敲擊調整，導致鎖扣表面產(chǎn)生缺陷。從零件的失效分析來看，鎖扣的斷裂失效形式首先是表面產(chǎn)生為裂紋，然后裂紋擴展，直至最終徹底斷裂，通過斷裂的鎖扣表面裂紋進行分析，鎖扣表面已經(jīng)產(chǎn)生微裂紋，車輛交付用戶使用后，隨著時間的推移，產(chǎn)生失效。帶有微裂紋鎖扣的車輛經(jīng)過用戶使用后極有可能發(fā)生斷裂。

進一步調查發(fā)現(xiàn)，強行調整鎖扣是由于安裝時鎖及鎖扣的對中性很難調整到位，導致由于鎖和鎖扣的安轉時是Y向調整量很小，關閉行李箱蓋時鎖扣會磕碰行李箱鎖，導致關閉不暢如圖13，為此，現(xiàn)場裝配工人不得不通過榔頭敲擊的方式來調整鎖扣，導致鎖扣表面產(chǎn)生微裂紋，經(jīng)過分析鎖及鎖扣的尺寸鏈，計算得出按照沖壓件的公差分配，車身的焊接精度無法滿足裝配要求。

從尺寸鏈的分析結果來看，按照當前的沖壓件精度和焊接精度控制要求，鎖和鎖扣發(fā)生磕碰的概率在58.3%如圖14，生產(chǎn)調試過程中發(fā)生鎖與鎖扣的磕碰的概率較高，導致只能通過強行調整鎖扣來保證鎖與鎖扣的對中性能。

4.解決方案及驗證

根據(jù)原因分析，引起鎖扣斷裂的原因如下，見表2，并給出一些可行的解決方案，并分別進行分析驗證。

4.1鎖扣結構優(yōu)化

首先是優(yōu)化鎖扣的結構，將鎖扣局部較薄弱的部位進行加強（圖15所示），經(jīng)過CAE仿真分析結果來看，從云圖上可知（圖16），鎖扣兩側變寬后薄弱點從拐角處向右側轉移，且更集中。原方案鎖扣折彎處循環(huán)次數(shù)18700次，新方案為22000次，增長17.6%，效果比較明顯，可以滿足要求。

4.2鎖扣材料更改分析

材料由SPHC換成QSTE420，循環(huán)次數(shù)明顯增長，1890000次（見圖17所示），相比未改善前18700次，效果非常明顯，可以采用。

4.3車身制造精度和裝配調整

為了降低工人在鎖扣裝配過程中對鎖扣造成鎖扣傷害發(fā)生的概率，在原有鎖扣調節(jié)量的基礎上（圖18），增加了鎖扣的調整量，對后門檻梁及鎖扣加強板等零件進行優(yōu)化，將鎖扣的Y向調整量更改±3mm（圖19）。同時，為避免因鎖扣安裝孔變大導致松脫風險，鎖扣擰緊力矩由4.5Nm±10%增加至10Nm±10%。

經(jīng)過實際裝車驗證發(fā)現(xiàn)，增加鎖扣的調整量之后，有效降低鎖扣裝配環(huán)節(jié)磕傷的風險，同時現(xiàn)場工人采用工裝進行調整和裝配，不會對鎖扣進行強行敲擊來調整。

4.4實施方案效果

通過優(yōu)化鎖扣結構和更換材料的方案，并進行制造裝配調整，保證鎖和鎖扣開閉對中，經(jīng)過路試及開閉耐久等耐久性驗證后，鎖扣均沒有斷裂。并且通過后期市場反饋來看，鎖扣的優(yōu)化方案已消除了鎖扣斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

5.結論

本文針對鎖扣的斷裂失效模式和斷裂原因進行了解析，從設計和制造等方面進行分析，找出失效的可能原因并提出有效的解決方案，為后期車型鎖及鎖扣的開發(fā)積累了經(jīng)驗。

對于此類涉及到耐久可靠性零件的改進驗證周期及費用均較高，需要耗費過多的精力與金錢，因此在后續(xù)車型開發(fā)過程中，建議盡量選擇強度更高的鎖扣材料及結構，提高鎖扣自身的耐久可靠性，來避免鎖扣的失效。