汽車門內(nèi)板拉傷問(wèn)題的分析和解決

張春華

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

汽車門內(nèi)板是汽車覆蓋件的一種，具有形狀復(fù)雜，拉伸深度深，成型過(guò)程板料流入量大等特性，此特性決定了在門內(nèi)板拉延成型過(guò)程中極容易出現(xiàn)拉傷缺陷。隨著客戶對(duì)于汽車質(zhì)量的要求越來(lái)越高，目前主流主機(jī)廠家出于防腐防銹蝕的需求，門內(nèi)板多數(shù)采用鍍鋅板件，生產(chǎn)過(guò)程中鋅粉的脫落黏著加劇了板件的拉傷問(wèn)題。同時(shí)由于汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，主機(jī)廠對(duì)于模具工裝降本要求迫切，拉延模材質(zhì)降低后模具筋條，凹模刮料圓角等區(qū)域材料表面致密性變差，同樣會(huì)導(dǎo)致板件拉傷問(wèn)題加劇。拉傷問(wèn)題頻發(fā)不僅影響零件表面質(zhì)量和企業(yè)生產(chǎn)效率，嚴(yán)重時(shí)還可能降低車身覆蓋件抗腐蝕性和抗疲勞性等性能。因此研究門內(nèi)板拉傷問(wèn)題形成原因及抑制措施對(duì)于整車質(zhì)量及企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行效率具有重要意義。

2 現(xiàn)狀描述及問(wèn)題調(diào)查

某車型前門內(nèi)板，采用左右件雙腔合模工藝，板件材質(zhì)為DC56D+Z鍍鋅板，OP10拉延模具凸模、壓邊圈、上模材質(zhì)出于降本考慮，由行業(yè)內(nèi)普遍采用的GM246降等級(jí)為GM241。在模具生產(chǎn)過(guò)程中，前門內(nèi)板B/C柱區(qū)域出現(xiàn)了嚴(yán)重的拉傷問(wèn)題，且通過(guò)以往常規(guī)的拋光，模具表面鍍鉻提高光潔度等措施無(wú)法得到有效解決。拉傷缺陷如圖1，主要集中在門內(nèi)板零件側(cè)壁，從根部圓角開始，呈條狀分布。

圖1 前門內(nèi)板拉傷缺陷圖

將零件拉傷位置對(duì)應(yīng)到拉延模具上，位置如下圖2所示，發(fā)現(xiàn)拉傷主要集中在B/C柱板料流入量超過(guò)60mm的區(qū)域，且拉傷從凹?？趫A角位置開始出現(xiàn)。

圖2 門內(nèi)板板料流入量及拉傷位置示意

3 板件拉傷機(jī)理

拉延成型過(guò)程中，模具凸、凹模與被加工材料表面相互接觸并相對(duì)滑動(dòng)組成一對(duì)摩擦副。由于材料表面不可能完全平整，所以真正的接觸只發(fā)生在微觀接觸面上。分析表明微觀真實(shí)接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一個(gè)小部分，在微觀接觸面上將產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力這些應(yīng)力由于切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)還會(huì)加強(qiáng)，導(dǎo)致受到負(fù)荷作用的粗糙面凸峰發(fā)生彈性或彈塑性變 形。這樣摩擦副雙方表面的吸附層或反應(yīng)層會(huì)遭到破壞，結(jié)果使暴露在表面的原子鍵聯(lián)結(jié)或多或少地得到加強(qiáng)這種現(xiàn)象稱為黏著作用。當(dāng)摩擦副發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種原子鍵又會(huì)相互脫開，原子鍵脫開并不一定都在原始微觀接觸處斷開，而有可能在摩擦副雙方表面層附近斷開其結(jié)果是材料從摩擦副的一方轉(zhuǎn)移到摩擦副的另一方上去這就是所謂的黏著磨損。實(shí)驗(yàn)證明出現(xiàn)粘著磨損的摩擦副的表面非常粗糙，并有拉傷。其程度與法向力、摩擦副之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度以及溫度等負(fù)荷參數(shù)有關(guān)。在實(shí)踐中減少黏著磨損消除拉傷缺陷主要從以下幾點(diǎn)考慮①模具凸圓角硬度，實(shí)踐表明模具走料凸圓角通過(guò)熱處理提高表面硬度后將明顯降低黏著磨損作用并緩解拉傷缺陷出現(xiàn)頻次。②模具表面光潔度，通過(guò)鍍鉻在模具凹凸模表面形成一層鍍層，有效提高模具光潔度，從而有效解決拉傷。③模具材質(zhì)，通過(guò)補(bǔ)焊等措施消除凸圓角鑄件表面的細(xì)小沙眼、氣孔等缺陷，提高材質(zhì)致密性。

4 問(wèn)題原因分析

根據(jù)板件拉傷產(chǎn)生機(jī)理，從出現(xiàn)拉傷區(qū)域的模具刮料圓角硬度、表面光潔度、材質(zhì)致密性等方面對(duì)此車型前門內(nèi)板拉傷問(wèn)題進(jìn)行分析。

4.1 拉傷區(qū)域刮料圓角硬度分析

測(cè)量采集了如圖3出現(xiàn)拉傷區(qū)域的圓角硬度數(shù)據(jù)，如表1所示測(cè)量數(shù)據(jù)均在HRC48以上，可知圖示圓角熱處理后表面硬度符合≥HRC48的要求，硬度不是導(dǎo)致板件拉傷的主要原因。

表1 門內(nèi)板拉傷區(qū)域圓角硬度數(shù)據(jù)

圖3 門內(nèi)板拉傷區(qū)域圓角硬度位置示意及編號(hào)

4.2 拉傷區(qū)域黏著物分析

批量生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在拉傷區(qū)域凹模凸圓角位置黏附有大量的異物，對(duì)黏著物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)主要黏著異物主要為鋅，如圖4和表2所示。且局部異物為片狀。表明在拉延成型材料流動(dòng)過(guò)程中，板材表面鍍鋅層與刮料凸圓角表面產(chǎn)生摩擦，鋅層出現(xiàn)不同程度的剝落。而鋅層剝落堆積形成的異物加劇了黏著磨損效應(yīng)，使板件拉傷問(wèn)題更為嚴(yán)重。經(jīng)檢測(cè)，板材鋅層附著力滿足要求。鋅層剝落的主要原因?yàn)榘宀牧魅肓看?，成型過(guò)程中產(chǎn)生劇烈摩擦導(dǎo)致黏著磨損加劇，而刮料圓角表面光潔度無(wú)法達(dá)到要求從而導(dǎo)致拉傷區(qū)域板材鋅層大面積剝落。

圖4 拉傷區(qū)域凹模刮料圓角黏附異物

表2 黏附異物能譜分析數(shù)據(jù)

4.3 拉傷區(qū)域模具光潔度及模具材質(zhì)致密性分析

行業(yè)內(nèi)門內(nèi)板拉延模在表面拋光鍍鉻處理以后，拉傷問(wèn)題一般能得到有效解決。但此車型門內(nèi)板模具在拋光鍍鉻處理后，拉傷問(wèn)題并未消除且在小批量生產(chǎn)后急劇加重，模具鍍鉻層迅速脫落，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鍍鉻層正常壽命?？紤]到此門內(nèi)板出于降成本考慮，凹模、凸模、壓邊圈材質(zhì)由行業(yè)內(nèi)普遍使用的GM246降為GM241，初步判斷此問(wèn)題為模具材料特性導(dǎo)致。

檢查拉傷區(qū)域凹模刮料圓角，發(fā)現(xiàn)表面有密集的針孔狀麻點(diǎn)，如圖5所示。使用顯微鏡放大100倍觀察，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)在微觀狀態(tài)下凹模圓角表面凹凸不平，麻點(diǎn)密集。判斷為此門內(nèi)板產(chǎn)生拉傷缺陷的主要原因。

圖5 凹模刮料圓角表面針孔狀麻點(diǎn)

圖6 使用顯微鏡放大100倍麻點(diǎn)狀態(tài)

以下對(duì)比了GM246與GM241兩種模具材質(zhì)的特性，圖7為GM241金相組織圖，圖8為GM246金相組織圖，不難發(fā)現(xiàn)在GM241金相組織中石墨呈片狀形態(tài)，在GM246金相組織中石墨呈球狀形態(tài)，GM246材質(zhì)組織致密性要遠(yuǎn)好于GM241。同時(shí)從表3中可以看出GM246材質(zhì)在抗拉強(qiáng)度、硬度等性能上亦遠(yuǎn)優(yōu)于GM241，機(jī)械加工以后GM241表面會(huì)出現(xiàn)輕微鉬鉻麻點(diǎn)，而GM246加工后表面致密光亮。綜合二者材質(zhì)特性不難得出零件拉傷主要為凹模圓角表面多處針孔狀鉬鉻麻點(diǎn)增加了模具表面的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致模具表面與板材相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，板材表面鍍鋅剝落黏附在凹模R角表面，黏著磨損加劇，從而出現(xiàn)大范圍的拉傷。

圖7 GM241金相組織圖

圖8 GM246金相組織圖

表3 GM241與GM246材質(zhì)差異對(duì)比

5 問(wèn)題對(duì)策

根據(jù)以上原因分析，因拋光和模具表面鍍鉻無(wú)法完全覆蓋GM241材質(zhì)表面麻點(diǎn)，考慮從更改拉傷區(qū)域凹模圓角基體材質(zhì)的角度制定整改對(duì)策。具體措施如下：①數(shù)控開槽+人工補(bǔ)焊+機(jī)加工的方式更換拉傷區(qū)域凹模刮料圓角基體材質(zhì)，從根上解決GM241材質(zhì)表面麻點(diǎn)的問(wèn)題。數(shù)控設(shè)備在拉傷區(qū)域凹模刮料圓角位置加工深度5mm，長(zhǎng)度800mmU型槽，提升坡口一致性，減少焊接造成的應(yīng)力集中。采用TM系列焊材，采用打底+蓋面+氣錘錘擊的焊接工藝，焊材與焊絲結(jié)合，減少裂紋及氣孔等焊接缺陷。機(jī)加工時(shí)R角在數(shù)?；A(chǔ)上增大0.5mm，預(yù)留0.2-0.5mm鉗工研配余量。機(jī)加工完成后對(duì)補(bǔ)焊加工區(qū)域基體表面進(jìn)行探傷，檢查因補(bǔ)焊帶來(lái)的表面裂紋和沙眼缺陷，并對(duì)缺陷位置用焊絲進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，如圖9所示。

圖9 補(bǔ)焊、機(jī)加工、探傷

②補(bǔ)焊替換拉傷區(qū)域凹模圓角基體材質(zhì)后依次采用800#、1200#、1500#砂紙，并采用研磨膏與羊毛輪對(duì)模具型面進(jìn)行備光，最大化提升模具光潔度，降低模具與板料摩擦系數(shù)。③模具拋光完成后再次進(jìn)行鍍鉻處理。

6 整改后效果

上述對(duì)策措施實(shí)施后，門內(nèi)板拉傷區(qū)域凹模刮料圓角光順，無(wú)明顯麻點(diǎn)、氣孔、沙眼等缺陷，如圖10所示。同時(shí)在批量生產(chǎn)過(guò)程中兩件拉傷問(wèn)題得到明顯改善，如圖11所示。

圖10 整改后凹模刮料圓角

圖11 整改后原零件拉傷區(qū)域表面狀態(tài)

同時(shí)，整改以后門內(nèi)板生產(chǎn)效率亦得到大幅提升，圖表12統(tǒng)計(jì)了幾個(gè)批次批量生產(chǎn)的停線率，從中可以看出拉傷問(wèn)題整改后以后，模具生產(chǎn)停線率顯著下降。達(dá)到了預(yù)期整改效果。

圖12 前門內(nèi)板停線率

7 結(jié)語(yǔ)

從板件成型過(guò)程中的拉傷機(jī)理出發(fā)，通過(guò)對(duì)門內(nèi)板拉傷缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，最終確定了解決方案并從根本上解決了此問(wèn)題，提高了生產(chǎn)運(yùn)行效率。在汽車門內(nèi)板使用鍍鋅板料時(shí)，為了減少黏著磨損，對(duì)模具材質(zhì)表面致密性光潔度有更高的要求。通過(guò)此問(wèn)題可知GM241材質(zhì)并不適用于此種工況，雖然模具材質(zhì)成本得到了降低，但后期整改拉傷問(wèn)題的成本及生產(chǎn)效率的損失大幅增加。建議淺拉深且使用裸板板材的零件模具材質(zhì)可以使用GM241材質(zhì)，對(duì)于門內(nèi)板這種深拉伸且板件材質(zhì)為鍍鋅板的盡量使用表面組織致密性及各項(xiàng)性能更好的GM246材質(zhì)。同時(shí)對(duì)本問(wèn)題的公關(guān)也給類似問(wèn)題提供了一定的經(jīng)驗(yàn)。