關(guān)于汽車車身覆蓋件暗裂的分析與探討

文/單英，李馳，李嘉榮，李慶月·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

關(guān)于汽車車身覆蓋件暗裂的分析與探討

文/單英，李馳，李嘉榮，李慶月·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

暗裂是一種汽車覆蓋件常見的面品缺陷，因?yàn)槠浒l(fā)生位置多在覆蓋件圓角立壁等特殊位置，不易檢查，很容易流到下道工序，給車身質(zhì)量帶來重大影響。本文從暗裂產(chǎn)生原理出發(fā)，對(duì)暗裂的產(chǎn)生原因及影響因素進(jìn)行分析，并闡述解決暗裂問題的基本方法。

暗裂是汽車車身覆蓋件常見的一種品質(zhì)缺陷，其主要發(fā)生在拉延工序。由于暗裂不同于其他的品質(zhì)缺陷（如起皺、凹陷等）有著自身的特殊性，如形成條件復(fù)雜，隨機(jī)性較大，不易檢查等。如果流入后續(xù)工序，如焊裝、涂裝等生產(chǎn)過程，零件之間相互受力以及壓力釋放，暗裂部位很有可能產(chǎn)生開裂，導(dǎo)致白車身出現(xiàn)嚴(yán)重的品質(zhì)問題。

覆蓋件暗裂原因分析

暗裂是金屬塑性成形中常見的一種現(xiàn)象，它是板料達(dá)到開裂前必須經(jīng)過的一個(gè)階段，對(duì)于研究控制覆蓋件開裂也有著重要的意義。從圖1中，我們可以清楚地看到，在強(qiáng)光的照射下，板件圓角側(cè)壁處有一條明顯向內(nèi)凹陷的裂痕，這種裂痕就是暗裂。對(duì)于汽車覆蓋件來說，暗裂一般發(fā)生在拉延深度較大、造型復(fù)雜、流料困難的部位。

模具在向下運(yùn)動(dòng)過程中，板料與模具上下型面之間接觸點(diǎn)存在先后性。如圖2所示，當(dāng)上模觸料點(diǎn)C接觸板料AB段后進(jìn)入下模凹圓角，板料沿著凸模壓入凹模。初始接觸點(diǎn)A與初始接觸點(diǎn)B先與模具圓角存在摩擦力作用，摩擦力的方向與A、B點(diǎn)晶體相對(duì)位移的方向相反，因此，AB段之間的板料受力為拉伸狀態(tài)。

圖1 板件的暗裂

圖2 板料與模具上下型面之間接觸點(diǎn)的關(guān)系

根據(jù)拉伸試驗(yàn)曲線，在持續(xù)的拉應(yīng)力作用下，當(dāng)材料應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度σb時(shí)，中間的某一位置會(huì)體現(xiàn)出集中伸長(zhǎng)的現(xiàn)象，即產(chǎn)生局部塑性變形狀態(tài)。隨著集中伸長(zhǎng)趨勢(shì)的持續(xù)，當(dāng)板料流動(dòng)速度不足以維持板料均勻減薄趨勢(shì)時(shí)，便會(huì)在集中伸長(zhǎng)位置產(chǎn)生暗裂現(xiàn)象，如果這一狀態(tài)持續(xù)到斷裂階段，將造成板件開裂。

覆蓋件暗裂影響因素

影響覆蓋件暗裂產(chǎn)生的因素很多，除零件自身造型特點(diǎn)外，還有工藝方案、材料性能、模具制造與調(diào)試等因素的綜合影響，其邊界條件復(fù)雜，難以量化計(jì)算。暗裂的產(chǎn)生可能受其中單一因素的影響，也有可能是多種因素影響，因此在判斷暗裂產(chǎn)生的原因時(shí)，要綜合多種因素考慮，找到主要因素，才能有效的消除以及預(yù)防暗裂的發(fā)生。

產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)對(duì)暗裂的影響

如何準(zhǔn)確判斷沖壓成形過程中板料應(yīng)力分布是解決應(yīng)變的基礎(chǔ)，也是避免缺陷產(chǎn)生的根本方法。由于沖壓件產(chǎn)品形狀復(fù)雜，影響暗裂的非線性因素較多。以往，我們只是憑經(jīng)驗(yàn)作定性分析，給出一定沖壓余量作為沖壓產(chǎn)品的缺陷預(yù)測(cè)，并以此制定預(yù)防措施。現(xiàn)在，在覆蓋件成形工藝設(shè)計(jì)階段，越來越多的借助CAE軟件，如Autoform、Dynaform等模擬分析，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，通過制作驗(yàn)證車進(jìn)行沖壓工藝試驗(yàn)，更準(zhǔn)確地得出沖壓裕度（沖壓余量）的修正值，極大的降低了由于零件工藝性和工藝設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的暗裂缺陷。

圖3為側(cè)圍設(shè)計(jì)工藝的成形極限圖，圖中圈出的區(qū)域分析時(shí)出現(xiàn)減薄現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)位置在實(shí)際生產(chǎn)中也產(chǎn)生暗裂甚至開裂，如圖4所示。

圖3 零件成形極限圖

通過成形性分析判斷出成形過程中零件存在減薄風(fēng)險(xiǎn)的位置，對(duì)該位置的進(jìn)料阻力影響因素分析。在前期的工藝設(shè)計(jì)階段對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的位置進(jìn)行工藝優(yōu)化，通過工藝補(bǔ)償、拉延筋設(shè)置、工藝圓角的約束、壓料力的大小等方式有效地控制暗裂的產(chǎn)生。

但需要明確的是CAE有限元理論分析和實(shí)際還是有一定的差距，再加上機(jī)床精度、模具型面光潔度等因素的影響，CAE分析的結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)果可能存在一定的偏差。所以，有時(shí)候通過CAE分析之后達(dá)到合格要求的零件并不能完全保證在實(shí)際的生產(chǎn)過程中不會(huì)由于工藝設(shè)計(jì)的原因而產(chǎn)生暗裂。

材料對(duì)暗裂的影響

材料的特性值是影響板件塑性成形的一個(gè)重要因素，材料的塑性好、組織均勻、屈強(qiáng)比小、板平面方向性系數(shù)小而板厚方向性系數(shù)較大時(shí)，材料的拉伸性能較好，成形也就容易。但是，不同批次的材料特性值可能會(huì)發(fā)生變化，即便相同批次的材料在同一批次的生產(chǎn)過程中，所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變都有可能發(fā)生變化。為了判斷材料特性值和摩擦系數(shù)對(duì)零件暗裂以及開裂的影響是否是主要因素，我們測(cè)量同一材料的零件產(chǎn)生開裂和正常情況下的特性值。

圖4 生產(chǎn)零件開裂、暗裂情況

從圖5測(cè)試結(jié)果反饋，開裂材料與正常材料力學(xué)性能與摩擦系數(shù)變化不是引起零件生產(chǎn)過程中開裂、暗裂的主要原因。

那么這是否說明材料因素對(duì)暗裂的產(chǎn)生沒有直接關(guān)系呢？其實(shí)不然，在現(xiàn)在的沖壓成形過程中，在前期設(shè)計(jì)沖壓裕度及后期模具調(diào)試時(shí)已考慮到材料力學(xué)性能的變化范圍，只要其不超過安全范圍的極限值，一般情況下都可以正常生產(chǎn)。

圖5 材料性能檢測(cè)

除此之外，在成形過程中，如果材料晶格之間存在著晶界障礙物，當(dāng)材料持續(xù)流動(dòng)時(shí)便會(huì)阻礙晶層滑移，如同橋墩阻礙流水一樣，使板料的減薄不均勻，隨著拉應(yīng)力的增大，在障礙物的前方將產(chǎn)生微裂紋。

油膜厚度也是一個(gè)需要考慮的因素，油膜在成形時(shí)與模具接觸面產(chǎn)生邊界摩擦，起到邊界潤(rùn)滑的效果。但是如果坯料存放時(shí)間長(zhǎng)，油膜風(fēng)干，或者在型面彎曲變形大，減薄率高的地方，油膜較薄的話則可能被擠壓掉，使板件與模具之間直接接觸，導(dǎo)致摩擦力增大，板料的流動(dòng)性降低。當(dāng)然，如果油膜過厚也有可能產(chǎn)生起皺、凹陷等缺陷。

模具對(duì)暗裂的影響

模具的工作狀態(tài)和暗裂的產(chǎn)生有著最直接的關(guān)系。暗裂主要在模具圓角立壁處產(chǎn)生，而凹凸模圓角半徑的大小對(duì)材料的流入有很大的影響。無(wú)論凹模還是凸模，如果圓角半徑過小，圓角過渡區(qū)的壓邊有效面積加大，拉應(yīng)力相應(yīng)增大，板料的變形阻力增加，從而使制件減薄率嚴(yán)重。

由于模具型面加工、調(diào)試過程中精度存在偏差，導(dǎo)致型面符合率不精確，使板料在成形過程中所受的力與實(shí)際需要的力不一致。如在間隙小的地方則會(huì)由于受到過度擠壓而造成局部板料過薄，拉伸力增大，導(dǎo)致暗裂。所以需要進(jìn)一步通過鉗工調(diào)試，對(duì)模具的型面、拉延筋、圓角等位置進(jìn)行打磨拋光、鍍鉻處理，調(diào)整平衡塊高度等，從而使材料流動(dòng)順暢，消除暗裂的產(chǎn)生。

例如，側(cè)圍A處暗裂，通常采用的解決方案便是放大拉延R角，如圖6所示，通過對(duì)上模R角放大1.5mm，對(duì)應(yīng)右圖紅色部位，使該處的材料流入阻力減小，從而消除該處暗裂的發(fā)生。

通常在模具調(diào)試過程中，會(huì)對(duì)材料進(jìn)行FLD試驗(yàn)(成形極限網(wǎng)格試驗(yàn))，如圖7所示。在材料上印上網(wǎng)格，通過拉延成形后，對(duì)網(wǎng)格偏移進(jìn)行數(shù)值測(cè)量，數(shù)值較大的位置即為容易出現(xiàn)開裂、暗裂的地方。

通過FLD試驗(yàn)輸出的結(jié)果，直觀的反映出材料流動(dòng)的情況，對(duì)存在開裂、暗裂風(fēng)險(xiǎn)的位置進(jìn)行調(diào)整控制，從而指引模具調(diào)試，降低暗裂發(fā)生。

模具的調(diào)試主要是壓邊力。壓邊力的大小是板料成形重要的工藝參數(shù)，壓邊圈型面一般呈現(xiàn)不規(guī)則的曲面，其工藝補(bǔ)充部位的大小和流料多少以及深度也不相同。當(dāng)壓邊圈與上模壓力過大時(shí)，使得部分位置材料流入變的困難，發(fā)生暗裂的風(fēng)險(xiǎn)便會(huì)加大。

那么如何控制壓邊力，使其達(dá)到最佳的工作狀態(tài)呢？在實(shí)際生產(chǎn)過程中壓邊力的調(diào)節(jié)方法可通過平衡器的壓力、模具平衡墊高度等，使各處得到與變形相適宜的進(jìn)料阻力，從而有效地抑制起皺和拉裂現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 暗裂整改工藝方案

圖7 FLD網(wǎng)格試驗(yàn)

此外，還需要考慮壓機(jī)穩(wěn)定性對(duì)成形的影響。在拉伸過程中，壓邊力主要是由拉伸墊提供。相對(duì)氣壓墊，液壓墊的壓邊力隨行程的變化較小，甚至不變，因此能提供更加穩(wěn)定的壓邊力。目前國(guó)內(nèi)很多沖壓車間采用伺服液壓機(jī)，相對(duì)以往的機(jī)械壓機(jī)，伺服壓機(jī)在參數(shù)穩(wěn)定性、可調(diào)參數(shù)多樣性等方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，但是也要考慮伺服壓機(jī)維護(hù)方面的困難。

暗裂的檢驗(yàn)及控制

生產(chǎn)過程中，暗裂的檢測(cè)成為線檢的重要工作內(nèi)容之一。由于其不易察覺的特點(diǎn)，很容易流到下工序。在焊裝工藝中，如果加強(qiáng)件精度超差，零件相互受力，則可能在暗裂的地方產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象；經(jīng)過涂裝烘烤，暗裂處的漆層常發(fā)生龜裂現(xiàn)象，受熱脹冷縮影響，鋼板壓力釋放，零件會(huì)變形，變形后零件互相拉扯，也有可能產(chǎn)生開裂。

在檢查暗裂方面，該零件調(diào)試階段開始，將CAE分析有暗裂的地方、生產(chǎn)中已經(jīng)出現(xiàn)過開裂或暗裂的地方列入零件重點(diǎn)檢查部位，并進(jìn)行編號(hào)。在線生產(chǎn)過程中，按編號(hào)順序進(jìn)行循環(huán)檢查，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)部位出現(xiàn)暗裂時(shí)，馬上對(duì)暗裂部位進(jìn)行重點(diǎn)追溯檢查。每批次生產(chǎn)完成之后，對(duì)記錄進(jìn)行整理分析，然后指導(dǎo)模具整改。

在控制暗裂方面，從模具調(diào)試開始，便要求進(jìn)行不帶平衡墊研配，盡可能增大上下限范圍，提高安全裕度。在量產(chǎn)階段定期對(duì)模具進(jìn)行上下限測(cè)試，當(dāng)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)有暗裂產(chǎn)生時(shí)，必須及時(shí)對(duì)模具作出整改對(duì)策。

結(jié)束語(yǔ)

由于暗裂在生產(chǎn)過程中很難管控，而暗裂產(chǎn)生的影響又對(duì)白車身強(qiáng)度至關(guān)重要。因此，必須消除零件任何一處的暗裂。我們可以從工藝設(shè)計(jì)階段開始，提高各個(gè)環(huán)節(jié)的保證能力，建立信息反饋機(jī)制并進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，制定一個(gè)嚴(yán)格的暗裂檢查體系，在生產(chǎn)中有效地控制覆蓋件的暗裂，確保整車的質(zhì)量。

單英，助理工程師，主要從事汽車覆蓋件沖壓工藝分析、沖壓工藝和模具結(jié)構(gòu)審核、模具現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等。先后參與了AL等5款新車項(xiàng)目的工藝分析，工藝和模具結(jié)構(gòu)審核以及2款新車項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作，具有豐富的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)。