大型汽車覆蓋件縮頸拉裂問題研究

文/劉益成·一汽-大眾汽車有限公司

汽車車身外形是由很多輪廓尺寸較大且具有復(fù)雜空間曲面形狀的大型覆蓋件焊接而成，因此對(duì)覆蓋件的表面質(zhì)量和尺寸精度有較高要求。車身覆蓋件要求表面平滑、棱線清晰，不允許有劃傷、拉毛、褶皺等表面缺陷，尤其不能出現(xiàn)縮頸及拉裂問題。沖壓生產(chǎn)涉及鋼/鋁板、沖壓設(shè)備、沖壓模具、油品（清洗防銹油和拉延油）、環(huán)境溫度等諸多要素，而現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)過程中，這些因素往往都是頻繁變化且很難事前有效識(shí)別的。由此，如何有效控制這些要素的波動(dòng)，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是杜絕縮頸拉裂問題的出現(xiàn)，變得尤為關(guān)鍵和重要。

本文主要研究大型汽車覆蓋件縮頸拉裂的產(chǎn)生原因及解決方案，通過對(duì)成形影響要素的研究，識(shí)別導(dǎo)致拉裂縮頸的問題點(diǎn)，通過有效措施的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)縮頸拉裂可控，進(jìn)而提升沖壓生產(chǎn)穩(wěn)定性。

縮頸拉裂整體控制邏輯

沖壓生產(chǎn)輸入要素較多，往往一次異常變化都是由多個(gè)過程因素綜合影響導(dǎo)致，因此，如何保證各輸入要素性能在有限區(qū)間內(nèi)波動(dòng)、同時(shí)保持過程穩(wěn)定變得尤為重要。

如圖1 所示，從縮頸拉裂產(chǎn)生原因來看，基本來源有如下幾個(gè)方面：鋼/鋁板性能波動(dòng)、工藝參數(shù)變化、模具狀態(tài)不穩(wěn)定、成形裕度不足、調(diào)試方法不當(dāng)?shù)?。?jīng)過筆者多年的研究和總結(jié)，沖壓生產(chǎn)過程出現(xiàn)拉裂縮頸，首先需要考慮模具的穩(wěn)定性，模具是決定沖壓成形的核心要素，只有模具狀態(tài)穩(wěn)定且有足夠的成形裕度，才可能實(shí)現(xiàn)沖壓件的穩(wěn)定生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上追求生產(chǎn)工藝參數(shù)穩(wěn)定，同時(shí)摸索合理鋼鋁板性能適應(yīng)區(qū)間，最后通過總結(jié)典型零件的調(diào)試方法并固化，保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定，這些對(duì)于新車型零件尤為重要。而對(duì)于已經(jīng)經(jīng)過如上過程優(yōu)化過的零件，生產(chǎn)過程中再次出現(xiàn)縮頸開裂問題，我們需要做的僅僅是查找變化點(diǎn)，而不需要把所有工作再重新做一遍，這樣可以有效提升分析問題的精準(zhǔn)度和解決問題的效率。

建立縮頸開裂問題識(shí)別及隱患監(jiān)控機(jī)制

縮頸開裂是沖壓生產(chǎn)的難點(diǎn)問題，由于沖壓生產(chǎn)節(jié)拍快，同時(shí)絕大部分縮頸問題不易目視識(shí)別，由此導(dǎo)致生產(chǎn)過程不受控，部分缺陷件容易流入下一道工序。

而隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展及測量工具的進(jìn)步，對(duì)于縮頸開裂的識(shí)別手段逐漸豐富并得到應(yīng)用。在一汽-大眾長春工廠，我們施行的是預(yù)先識(shí)別＋過程監(jiān)控的有效控制模式，其包括：

(1)預(yù)先識(shí)別。結(jié)合拉延模擬結(jié)果、現(xiàn)場生產(chǎn)問題及調(diào)試狀態(tài)，確定零件縮頸開裂風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過網(wǎng)格試驗(yàn)監(jiān)控，進(jìn)行成形裕度分析，針對(duì)裕度不足的，進(jìn)行立項(xiàng)整改，提升過程穩(wěn)定性。

(2)過程監(jiān)控。采用周期性網(wǎng)格試驗(yàn)監(jiān)控＋在線減薄率測量兩種方式進(jìn)行過程監(jiān)控，識(shí)別不穩(wěn)定點(diǎn)，并立項(xiàng)整改。

①成形裕度測量及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別。結(jié)合拉延模擬及現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，通過網(wǎng)格試驗(yàn)技術(shù)，測量零件成形裕度，識(shí)別成形裕度及最終減薄率風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)(圖2)。

②在線生產(chǎn)過程中，針對(duì)預(yù)先選取的監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行減薄率測量，基于以往數(shù)據(jù)比對(duì)，識(shí)別問題點(diǎn)并分析解決(圖3)。

③建立周期性的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)監(jiān)控機(jī)制，通過Argus 或Comsmart 網(wǎng)格試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行成形裕度監(jiān)控，識(shí)別變化點(diǎn)并分析解決(圖4)。

縮頸開裂問題分析及解決方案

沖壓生產(chǎn)輸入要素較多，包含：鋼/鋁板坯料、沖壓設(shè)備、清洗防銹油、拉延油、模具、環(huán)境溫度、調(diào)試方法等，諸多因素共同影響沖壓件生產(chǎn)過程質(zhì)量，其中任何一個(gè)因素的微小變化，都會(huì)帶來不可預(yù)知的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)縮頸開裂，從產(chǎn)生原因看，影響因素較多，大致如圖5 所示。

模具狀態(tài)不穩(wěn)定

沖壓成形是微觀形變，對(duì)模具本身要求較高，但由于模具調(diào)試或維護(hù)不到位、材質(zhì)不達(dá)標(biāo)等問題，部分模具基礎(chǔ)狀態(tài)不好，具體表現(xiàn)為：成形R 角過小、拉延筋R 角過小、壓料面局部硬點(diǎn)、壓料面光潔度不足、成形凸模光潔度不足、成形凸模/壓料面等存在砂眼、模具基礎(chǔ)著色不好等，小批量生產(chǎn)時(shí)看不出問題，但隨著生產(chǎn)批量增大，問題逐漸暴露，并對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響。

這類問題屬于可恢復(fù)問題，通過完善模具基礎(chǔ)狀態(tài)，提升模具表面質(zhì)量，來實(shí)現(xiàn)消除制件異?？s頸開裂。然后通過日常保養(yǎng)，進(jìn)行狀態(tài)維持和保證。

(1)模具粗糙度問題。沖壓件整個(gè)生產(chǎn)過程都是依托模具進(jìn)行，成形過程中坯料或工序件與模具功能區(qū)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由此模具工作部位的粗糙度，對(duì)成形質(zhì)量有極其重要的影響。粗糙度不好，一方面會(huì)破壞鋼/鋁板表面，造成拉毛等缺陷，另一方面，由于粗糙度大，摩擦力增大，導(dǎo)致成形走料困難，出現(xiàn)縮頸開裂問題，如圖6 所示。

導(dǎo)致模具表面光潔度差，一般有如下幾方面原因：1)模具基體材料質(zhì)量差，存在細(xì)碎鑄造砂眼。2)模具材質(zhì)軟，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生拉毛等問題。3)鋼/鋁坯料臟，劃傷模具。4)模具維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致積屑瘤。

模具工作部分粗糙度要求：一般情況下，模具工作部分粗糙度Ra 應(yīng)該小于0.5μm，局部走料劇烈區(qū)域應(yīng)該小于0.3μm，具體視實(shí)際走料控制情況而定。

模具光潔度問題解決方案：1)針對(duì)大砂眼，可以通過補(bǔ)焊方式進(jìn)行修復(fù)，然后研修拋光；對(duì)于細(xì)碎砂眼，臨時(shí)措施可以通過涂膠方式進(jìn)行改善(如利用502 等快干膠)，維持生產(chǎn)，長期措施需要整體打掉后補(bǔ)焊研修。2)針對(duì)模具材質(zhì)軟導(dǎo)致的表面損傷，一方面可以通過局部燒焊進(jìn)行硬度改善，另外一方面可以通過金屬材料表面處理方式進(jìn)行改善，如：電鍍、TD處理、熱處理等。3)針對(duì)來料臟導(dǎo)致的模具劃傷等，需要從源頭控制來料質(zhì)量。4)針對(duì)不同模具，建立有針對(duì)性的清擦拋光維護(hù)周期，保證模具表面光潔度。

(2)模具工作部分R 角過小。模具成形R 角，是模具成形中比較重要的結(jié)構(gòu)特征之一，對(duì)成形質(zhì)量有較大影響。除了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品形狀，R 角多用于走料控制，如果R 角半徑過小，一方面鋼/鋁板流動(dòng)通過R 角加工硬化加劇，另外一方面R 角過小，也起到阻礙材料流動(dòng)的作用，極易出現(xiàn)縮頸開裂，尤其是鋁板成形。近年來，德國大眾推崇銳棱結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品R 設(shè)計(jì)越來越小，導(dǎo)致模具成形R 角變小，極大增加了成形難度，如圖7 所示。

模具成形R 角過小，一般有如下幾個(gè)原因：1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。2)成形控制需要。3)模具基礎(chǔ)不好，沒有研修到位。4)不必要的設(shè)計(jì)（非功能區(qū)等）。

模具工作部分R 角一般要求：1)對(duì)于拉延筋槽，一般要求R 角不能小于R3mm(一方面基于縮頸拉裂，另一方面對(duì)于熱鍍鋅板，R 過小會(huì)脫鋅)。2)對(duì)于鋁件翻邊凸模，一般R 角不能小于R1.25mm，具體根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品R 角的要求定。3)對(duì)于其他部位R 角，根據(jù)實(shí)際裝車需求的情況定。

模具R 角過小解決方案：1)對(duì)于拉延筋槽R 角，可以適當(dāng)研放控制走料的R 角，同時(shí)比對(duì)拉延件收料線，識(shí)別研放效果；研放后也要對(duì)拉延件進(jìn)行檢查，避免產(chǎn)生其他缺陷。2)對(duì)于成形R 角，根據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)，對(duì)于有研放空間的(如非功能區(qū))，可以研放到位；對(duì)于涉及壓合、匹配等需求的，要在不影響功能需求的前提下研放，同時(shí)通過提升R 角光潔度來改善走料控制(拋光、電鍍、涂油等)。3)對(duì)于無優(yōu)化潛力的R 角，通過提升光潔度、降低壓料力等方式，改善走料控制，提升穩(wěn)定性。

成形裕度不足

沖壓件生產(chǎn)輸入要素較多(鋼/鋁板機(jī)械性能、設(shè)備精度、模具精度、油品、環(huán)境溫度等)，且每個(gè)要素都有自己的波動(dòng)范圍標(biāo)準(zhǔn)（如鋼/鋁板機(jī)械性能，各個(gè)性能要素都是有范圍公差的）；理想情況是各種輸入要素只要是在公差范圍內(nèi)波動(dòng)，就不會(huì)對(duì)最終沖壓件質(zhì)量有影響，但實(shí)際情況往往是某一輸入要素有微小變化，就會(huì)導(dǎo)致成形質(zhì)量有較大變化，這種情況我們稱之為成形裕度不足。

成形裕度不足，對(duì)沖壓生產(chǎn)影響較大，一方面生產(chǎn)過程極其不穩(wěn)定，不同批次零件狀態(tài)不同，相同批次不同卷號(hào)材料零件狀態(tài)不同，同時(shí)易產(chǎn)生縮頸開裂問題；另一方面生產(chǎn)過程質(zhì)量控制無從入手，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生批量漏檢，后續(xù)用戶抱怨強(qiáng)烈。

沖壓件整個(gè)生產(chǎn)過程都是依托模具進(jìn)行，其他輸入要素的波動(dòng)，往往可以通過調(diào)整模具參數(shù)、研修模具等方式進(jìn)行解決，由此，提升模具對(duì)其他輸入?yún)?shù)波動(dòng)的適應(yīng)性，是提升成形裕度的關(guān)鍵，模具對(duì)其他輸入?yún)?shù)的適應(yīng)能力，我們稱之為模具裕度。

當(dāng)前關(guān)于模具裕度評(píng)價(jià)，主要通過兩種手段：(1)拉延模擬及網(wǎng)格試驗(yàn)。通過這兩種途徑定量評(píng)價(jià)模具裕度；從實(shí)際應(yīng)用效果看，拉延模擬及網(wǎng)格試驗(yàn)只能識(shí)別出部分薄弱點(diǎn)。(2)加壓試驗(yàn)。選擇成形性能偏下限的鋼/鋁板，通過對(duì)拉延工序下拉伸墊壓力按一定比例進(jìn)行增加(一般加壓比例為10%～20%)，識(shí)別出薄弱點(diǎn)，然后針對(duì)薄弱點(diǎn)開展模具優(yōu)化。通過如上兩種方式識(shí)別出模具可提升的問題點(diǎn)，通過模具調(diào)試優(yōu)化，提升模具裕度。

模具裕度是保證成形裕度的關(guān)鍵，但模具本身大范圍的改動(dòng)及調(diào)整會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，因此，成形裕度的保證是一個(gè)系統(tǒng)化的工程，模具裕度只能是一個(gè)基礎(chǔ)，在模具不具備進(jìn)一步優(yōu)化的前提下，如何保證過程穩(wěn)定是保證成形裕度的關(guān)鍵。當(dāng)前我們保證成形裕度的邏輯是：1)保證模具裕度已經(jīng)充分釋放且穩(wěn)定。2)進(jìn)行輸入要素性能區(qū)間控制，保證過程穩(wěn)定。3)推行參數(shù)管理。4)保證生產(chǎn)過程參數(shù)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)線上維修向線下維修轉(zhuǎn)變。

鋼/鋁板坯料問題

基于成本考慮，鋼/鋁板供貨機(jī)械性能公差帶一般都很寬，很大程度上導(dǎo)致了沖壓件生產(chǎn)的不穩(wěn)定，據(jù)一汽-大眾統(tǒng)計(jì)，60%以上的沖壓件質(zhì)量波動(dòng)與材料性能波動(dòng)有關(guān)，有30%左右的零件品種對(duì)材料性能波動(dòng)非常敏感。材料性能的寬幅波動(dòng)，給批量生產(chǎn)帶來極大影響，造成大量效率和成本損失。

金屬材料的機(jī)械性能是零件設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)，外加載荷性質(zhì)不同(如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等)，對(duì)金屬材料要求的機(jī)械性能也將不同。而對(duì)汽車覆蓋件冷沖壓成形來講，屈服強(qiáng)度Rp、抗拉強(qiáng)度Rm、斷后延伸率(總延伸率)A80、均勻延伸率Ag、n 值、r 值等是影響成形質(zhì)量的關(guān)鍵要素，而成形質(zhì)量的好壞，往往是多個(gè)性能要素綜合作用的結(jié)果。由于機(jī)械性能多參數(shù)變化特性及模具對(duì)板料適應(yīng)裕度不足，部分沖壓件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)隨材料性能變化而出現(xiàn)較強(qiáng)烈的質(zhì)量波動(dòng)。針對(duì)這種情況，當(dāng)前我們比較成熟的做法是:1)建立機(jī)械性能數(shù)據(jù)庫。2)建立機(jī)械性能預(yù)警區(qū)間。3)摸索適合模具狀態(tài)的合理的材料機(jī)械性能區(qū)間，通過區(qū)間供貨保證成形穩(wěn)定。

對(duì)于材料區(qū)間供貨，當(dāng)前有兩種區(qū)間供貨模式，一種是單純控制某個(gè)參數(shù)，減小其公差范圍，使其適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)需求。另外一種是將某個(gè)參數(shù)按性能排序，控制同一批次生產(chǎn)時(shí)該參數(shù)窄幅波動(dòng)，減少模具調(diào)整次數(shù)，保證質(zhì)量穩(wěn)定。

生產(chǎn)工藝參數(shù)管理

沖壓成形，通過沖壓設(shè)備和模具實(shí)現(xiàn)，成形過程中涉及多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，如：上/下氣墊壓力、閉合高度、下氣墊舉升高度、壓機(jī)四角壓力、清洗油膜厚度、自動(dòng)化凸輪角度等等，這些參數(shù)共同構(gòu)成該零件的生產(chǎn)工藝參數(shù)，決定著沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

由于工藝參數(shù)的設(shè)定都是基于前期模具設(shè)計(jì)及后期模具調(diào)試，在生產(chǎn)過程中，必須保證參數(shù)穩(wěn)定可控，盡可能減少參數(shù)調(diào)整，尤其是超差調(diào)整。

結(jié)束語

縮頸拉裂在覆蓋件沖壓生產(chǎn)中是不可回避的疑難問題，而筆者通過多年研究摸索，總結(jié)出系統(tǒng)完善的汽車覆蓋件縮頸開裂解決方案；建立了汽車覆蓋件生產(chǎn)過程縮頸開裂隱患識(shí)別和監(jiān)控的機(jī)制和方法；實(shí)現(xiàn)鋼/鋁板料性能預(yù)警機(jī)制，疑難零件關(guān)鍵性能區(qū)間供貨；引入成形裕度概念，并通過裕度測量及裕度提升，有效改善了沖壓件成形穩(wěn)定性；這套方法經(jīng)過大量案例驗(yàn)證，確實(shí)能夠很好的解決縮頸拉裂問題。