汽車門內板拉傷問題的分析和解決

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

汽車門內板是汽車覆蓋件的一種，具有形狀復雜，拉伸深度深，成型過程板料流入量大等特性，此特性決定了在門內板拉延成型過程中極容易出現拉傷缺陷。隨著客戶對于汽車質量的要求越來越高，目前主流主機廠家出于防腐防銹蝕的需求，門內板多數采用鍍鋅板件，生產過程中鋅粉的脫落黏著加劇了板件的拉傷問題。同時由于汽車行業競爭激烈，主機廠對于模具工裝降本要求迫切，拉延模材質降低后模具筋條，凹模刮料圓角等區域材料表面致密性變差，同樣會導致板件拉傷問題加劇。拉傷問題頻發不僅影響零件表面質量和企業生產效率，嚴重時還可能降低車身覆蓋件抗腐蝕性和抗疲勞性等性能。因此研究門內板拉傷問題形成原因及抑制措施對于整車質量及企業生產運行效率具有重要意義。

2 現狀描述及問題調查

某車型前門內板，采用左右件雙腔合模工藝，板件材質為DC56D+Z鍍鋅板，OP10拉延模具凸模、壓邊圈、上模材質出于降本考慮，由行業內普遍采用的GM246降等級為GM241。在模具生產過程中，前門內板B/C柱區域出現了嚴重的拉傷問題，且通過以往常規的拋光，模具表面鍍鉻提高光潔度等措施無法得到有效解決。拉傷缺陷如圖1，主要集中在門內板零件側壁，從根部圓角開始，呈條狀分布。

圖1 前門內板拉傷缺陷圖

將零件拉傷位置對應到拉延模具上，位置如下圖2所示，發現拉傷主要集中在B/C柱板料流入量超過60mm的區域，且拉傷從凹模口圓角位置開始出現。

圖2 門內板板料流入量及拉傷位置示意

3 板件拉傷機理

拉延成型過程中，模具凸、凹模與被加工材料表面相互接觸并相對滑動組成一對摩擦副。由于材料表面不可能完全平整，所以真正的接觸只發生在微觀接觸面上。分析表明微觀真實接觸面積只是名義上的幾何接觸面積的一個小部分，在微觀接觸面上將產生很大的機械應力這些應力由于切向相對運動還會加強，導致受到負荷作用的粗糙面凸峰發生彈性或彈塑性變 形。這樣摩擦副雙方表面的吸附層或反應層會遭到破壞，結果使暴露在表面的原子鍵聯結或多或少地得到加強這種現象稱為黏著作用。當摩擦副發生相對運動時，這種原子鍵又會相互脫開，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果是材料從摩擦副的一方轉移到摩擦副的另一方上去這就是所謂的黏著磨損。實驗證明出現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、摩擦副之間相對運動速度以及溫度等負荷參數有關。在實踐中減少黏著磨損消除拉傷缺陷主要從以下幾點考慮①模具凸圓角硬度，實踐表明模具走料凸圓角通過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頻次。②模具表面光潔度，通過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，通過補焊等措施消除凸圓角鑄件表面的細小沙眼、氣孔等缺陷，提高材質致密性。

4 問題原因分析

根據板件拉傷產生機理，從出現拉傷區域的模具刮料圓角硬度、表面光潔度、材質致密性等方面對此車型前門內板拉傷問題進行分析。

4.1 拉傷區域刮料圓角硬度分析

測量采集了如圖3出現拉傷區域的圓角硬度數據，如表1所示測量數據均在HRC48以上，可知圖示圓角熱處理后表面硬度符合≥HRC48的要求，硬度不是導致板件拉傷的主要原因。

表1 門內板拉傷區域圓角硬度數據

圖3 門內板拉傷區域圓角硬度位置示意及編號

4.2 拉傷區域黏著物分析

批量生產過程中發現在拉傷區域凹模凸圓角位置黏附有大量的異物，對黏著物進行能譜分析，發現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過程中，板材表面鍍鋅層與刮料凸圓角表面產生摩擦，鋅層出現不同程度的剝落。而鋅層剝落堆積形成的異物加劇了黏著磨損效應，使板件拉傷問題更為嚴重。經檢測，板材鋅層附著力滿足要求。鋅層剝落的主要原因為板材流入量大，成型過程中產生劇烈摩擦導致黏著磨損加劇，而刮料圓角表面光潔度無法達到要求從而導致拉傷區域板材鋅層大面積剝落。

圖4 拉傷區域凹模刮料圓角黏附異物

表2 黏附異物能譜分析數據

4.3 拉傷區域模具光潔度及模具材質致密性分析

行業內門內板拉延模在表面拋光鍍鉻處理以后，拉傷問題一般能得到有效解決。但此車型門內板模具在拋光鍍鉻處理后，拉傷問題并未消除且在小批量生產后急劇加重，模具鍍鉻層迅速脫落，遠遠低于鍍鉻層正常壽命。考慮到此門內板出于降成本考慮，凹模、凸模、壓邊圈材質由行業內普遍使用的GM246降為GM241，初步判斷此問題為模具材料特性導致。

檢查拉傷區域凹模刮料圓角，發現表面有密集的針孔狀麻點，如圖5所示。使用顯微鏡放大100倍觀察，如圖6所示，發現在微觀狀態下凹模圓角表面凹凸不平，麻點密集。判斷為此門內板產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

圖6 使用顯微鏡放大100倍麻點狀態

以下對比了GM246與GM241兩種模具材質的特性，圖7為GM241金相組織圖，圖8為GM246金相組織圖，不難發現在GM241金相組織中石墨呈片狀形態，在GM246金相組織中石墨呈球狀形態，GM246材質組織致密性要遠好于GM241。同時從表3中可以看出GM246材質在抗拉強度、硬度等性能上亦遠優于GM241，機械加工以后GM241表面會出現輕微鉬鉻麻點，而GM246加工后表面致密光亮。綜合二者材質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增加了模具表面的摩擦系數，導致模具表面與板材相對滑動時，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材質差異對比

5 問題對策

根據以上原因分析，因拋光和模具表面鍍鉻無法完全覆蓋GM241材質表面麻點，考慮從更改拉傷區域凹模圓角基體材質的角度制定整改對策。具體措施如下：①數控開槽+人工補焊+機加工的方式更換拉傷區域凹模刮料圓角基體材質，從根上解決GM241材質表面麻點的問題。數控設備在拉傷區域凹模刮料圓角位置加工深度5mm，長度800mmU型槽，提升坡口一致性，減少焊接造成的應力集中。采用TM系列焊材，采用打底+蓋面+氣錘錘擊的焊接工藝，焊材與焊絲結合，減少裂紋及氣孔等焊接缺陷。機加工時R角在數模基礎上增大0.5mm，預留0.2-0.5mm鉗工研配余量。機加工完成后對補焊加工區域基體表面進行探傷，檢查因補焊帶來的表面裂紋和沙眼缺陷，并對缺陷位置用焊絲進行補焊修復，如圖9所示。

圖9 補焊、機加工、探傷

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

6 整改后效果

上述對策措施實施后，門內板拉傷區域凹模刮料圓角光順，無明顯麻點、氣孔、沙眼等缺陷，如圖10所示。同時在批量生產過程中兩件拉傷問題得到明顯改善，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域表面狀態

同時，整改以后門內板生產效率亦得到大幅提升，圖表12統計了幾個批次批量生產的停線率，從中可以看出拉傷問題整改后以后，模具生產停線率顯著下降。達到了預期整改效果。

圖12 前門內板停線率

7 結語

從板件成型過程中的拉傷機理出發，通過對門內板拉傷缺陷產生的原因進行分析，最終確定了解決方案并從根本上解決了此問題，提高了生產運行效率。在汽車門內板使用鍍鋅板料時，為了減少黏著磨損，對模具材質表面致密性光潔度有更高的要求。通過此問題可知GM241材質并不適用于此種工況，雖然模具材質成本得到了降低，但后期整改拉傷問題的成本及生產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可以使用GM241材質，對于門內板這種深拉伸且板件材質為鍍鋅板的盡量使用表面組織致密性及各項性能更好的GM246材質。同時對本問題的公關也給類似問題提供了一定的經驗。