模具表面處理對沖壓生產的影響

文/于海軍·北京奔馳汽車有限公司

沖壓生產過程中，生產穩定性是影響生產效率和生產成本的主要問題。本文詳細介紹了導致生產不穩定的主要原因中拉毛、開裂、起皺的形成原理，并對四種解決措施進行闡述。最后通過實際應用證明措施有效，為后續類似項目的整改提供有效借鑒方案。

隨著汽車工業近10 年的高速發展，汽車的質量越來越高，但價格卻越來越低，因此降低汽車生產成本是每個汽車公司迫切需要解決的問題，對于沖壓專業來講，降低成本的重要舉措之一是確保生產穩定。影響生產穩定的主要原因包括沖壓件的起皺、開裂、拉毛。解決這些缺陷的措施主要為進行模具的表面處理，模具的表面處理能夠降低模具的表面粗糙度、提高硬度，增加耐磨性。從而提高生產穩定性，降低生產成本。

生產不穩定因素產生原因

拉毛

在成形過程中，板料與模具相對滑動時，由于板料與模具的強制接觸而發生粘著磨損，導致在板料上留下條狀痕跡，如圖1 所示。量產一段時間后出現拉毛一般由3 點原因導致：⑴拉延凹模圓角硬度降低，與板料硬度接近，導致模具與板料發生粘連。⑵模具或板料臟，在模具與板料之間有硬質異物，在相對滑動過程中，劃傷模具及板料。⑶凹模圓角破損或補焊后遺存裂紋或氣孔，板料流過凹模圓角時被劃傷。

圖1 拉毛示意圖

開裂

一般而言開裂可分為強度開裂、塑性開裂兩種，見圖2。強度開裂又稱α 開裂，是指在沖壓過程中，板料傳力區的強度不能滿足變形區所需要的變形力要求時，在變形區開裂。如圓筒零件拉深成形時在凸模圓角處產生的開裂就屬于強度開裂。塑性開裂又稱β 開裂，指在沖壓成形過程中，板料變形區的變形能力小于成形所需要的變形程度時，在變形區產生的開裂。如車門外板零件，拉延筋為鎖死筋，材料基本不流動，零件通過脹形成形，此種狀態下的開裂屬于塑性開裂)。按受力狀態來分，開裂有兩種類型，一種是受到X 和Y 兩個方向拉應力導致的開裂，通常為橫向開裂；另一種是X 和Y 兩個方向上一個是拉應力，另一個是壓應力，相鄰金屬晶格間相對移動過大產生的開裂，一般為縱向開裂。

起皺

零件在拉延或成形過程中,受力狀態非常復雜，沒有規律可循，由于板料厚度與長寬兩個方向相比小很多，因此在受拉壓應力的狀態下在厚度方向上非常容易失穩，導致起皺，如圖3 所示。起皺可分為壓應力起皺、不均勻拉應力起皺和切應力起皺。壓應力起皺的特點是呈現與凹模口方向垂直，一般出現在凹模口的拐角處，由于收縮變形，板料里的晶格在平行凹模圓角的方向受壓應力，壓應力超過板料所能承受的極限時，引發失穩起皺。不均勻拉應力起皺一般多發生在外板的平緩區域，因受到的都是拉應力，不會出現較大的褶皺，主要表現形式是緩坑或波紋。切應力起皺的特點是起皺區域所受拉力不均，相鄰金屬晶格流動速度不一致，導致錯位失穩，在其作用下產生剪切應力而導致的起皺。

圖3 起皺示意圖

生產不穩定解決措施

為了保證生產穩定，模具試生產合格及生產過程中，模具表面磨損，原有的工藝平衡條件被打破，出現生產不穩定情況時，都要對模具進行表面處理，使模具達到新的穩定狀態。表面處理有以下幾項措施。

凹模圓角剖光處理

沖壓生產過程中，應定期對模具進行清潔和保養，去除模具表面的鋅皮和油污，同時檢查凹模圓角的粗糙度。如發現粗糙度變差，需要對凹模圓角進行剖光處理，剖光最低需選用600 ～800 目的砂紙，里面墊上矩形研磨塊，在圓角上涂研磨膏，沿走料方向進行研磨，直到粗糙度達到要求為止。

凹模圓角補焊處理

生產中出現較為嚴重的局部拉毛或起皺、開裂現象，排除設備與工藝問題，一般為拉延圓角磨損而導致的硬度降低到40HRC 以下，或者為拉延圓角出現裂紋、破損。解決措施是對有問題部位進行補焊處理，⑴補焊前先對破損部位進行清除，用角磨機打掉深20mm、寬10mm 的坡口，同時滿足坡口的邊緣要超過圓角切線點5mm 以上。⑵焊條材質的選擇，補焊一般為兩層，里面為填充層，外面為工作層，填充層的焊條選用與模具本體機械性能基本一致，尤其是硬度及沖擊韌性，材質可與本體不同。工作層焊條要與模具本體的互熔性好，結合處必須牢固，結合處避免出現裂紋及咬口現象，焊接完成后，硬度應達到模具本體淬火后的硬度水平，50HRC 以上。我司拉延凹模本體材料是球墨鑄鐵，牌號為GGG70L，填充層焊條選用東海的TC-3F，工作層選用的是日亞的NH-100R，使用結果良好。⑶焊接過程中速度要均勻，斷續焊接，同時焊接過程中要用錘子敲擊，去除焊接氣孔和內應力，避免因焊材溫差大或內應力產生的裂紋。⑷焊接完成后數控加工，留0.1mm 余量，剩余由人工進行精研，需保證維修部位與原型面銜接順滑，無起伏，修完后進行精剖光，保證模具的平順度及粗糙度，并最大限度的與原狀態保持一致。

鍍鉻處理

電鍍是在某些金屬表面上鍍上一薄層金屬或合金的過程，達到防止金屬氧化，提高表面硬度及粗糙度的目的，一般以被鍍基體金屬為陰極，以鍍層金屬為陽極，通過電解，使溶液中金屬的陽離子在基體表面沉積，形成鍍層的一種表面加工方法。沖壓專業的電鍍，一般指的是鍍硬鉻，主要是為了提高模具表面的硬度、耐磨度和降低表面粗糙度。電解液為鉻酸溶液，基體表面鍍一層較厚的鉻鍍層，它的厚度一般在10 ～20μm。

PPD 處理

PPD 是指脈沖等離子滲氮，是針對汽車覆蓋件沖壓模具取代電鍍的一種終身抗磨損處理技術，在低真空(小于2000Pa)環境中，以爐體為陽極，以被處理的金屬產品為陰極，通電后在兩者之間產生高達幾百伏電壓，使氮氣和其他氣體分子分離成氮離子，氫離子和電子。氮離子開始與模具表面基體離子反應形成硬化滲氮區域。經過滲氮后模具表面形成一層極硬的合金氮化物(Fe4N、Fe2N)，滲氮層的硬度一般可達到50 ～60HRC，具有很高的表面硬度和耐磨層，并且適用于大部分汽車模具所使用的鑄鐵、鑄鋼材料。

PPD 處理有很多優點：⑴表面可以用800#及以上油石處理。⑵損傷表面可以焊接。⑶補焊后的表面可以接受高溫熱處理。熱處理后的表面形狀不會改變。⑷PPD 處理后的模具一般可保證50 萬沖次。⑸PPD 處理后進行再次處理，無需其他工藝處理。⑹不污染環境。對模具本體進行PPD 處理要滿足以下幾點要求：⑴先要將需要處理零件清理干凈，拆除鑲塊、螺釘、導滑板等附件。⑵保證焊接質量，不存在虛焊、焊接氣孔、焊接裂紋。⑶在PPD 前做過其他涂層處理的需要將其退掉。⑷模具圓角部位表面粗糙度Ra0.2 ～0.4μm，平面區域Ra0.4 ～0.6μm。

表面處理應用

2018 年9 月開始，生產正常的3 個項目的2 套前門內板，1 套后門內板拉延模具頻繁出現拉毛現象，偶爾夾雜開裂、起皺。嚴重影響生產效率和產品一次合格率，對生產的組織造成很大困擾。因此工廠立項解決此問題。經過一段時間的排查統計，每批次都有不同程度停機，見表1。

表1 表面處理前批次停機統計表

運用魚骨圖分析法，將可能產生拉毛的各因素按照生產要素“人、機、料、法、環”的原則進行分類，分別進行排查，最終確定引起拉毛主要原因為模具凹模圓角經過多年生產已經磨損，出現拉毛部位硬度多處低于50HRC，且有些部位出現氣孔，魚骨圖如圖4所示。

圖4 拉毛原因魚骨圖

對三套模具的上模口圓角打坡口、補焊，數控加工，人工精修，表面剖光，經過3 個批次驗證，確認模具變更后的制件符合要求后，模具補焊如圖5 所示。

圖5 后門外板模具補焊圖

將項目1 前門內板，項目3 后門內板模具鍍硬鉻處理，項目2 的前門內板模具進行PPD 處理，圓角表面硬度達到55HRC 以上，粗糙度達到Ra0.2 ～0.4μm，完全符合要求。表面處理完成后，對此3 個項目的結果進行跟蹤。整改要求符合預期，解決生產穩定性問題，跟蹤結果見表2。

表2 表面處理后批次停機統計表

結束語

通過五要素分析法，找出生產不穩定的根本原因及整改方案，對拉延凹模圓角進行補焊，研磨、剖光，模具表面進行鍍硬鉻或PPD處理，使模具圓角的硬度、粗糙度都達到技術要求。在隨后的生產中拉毛基本消除，也未出現開裂和起皺現象。表現穩定。此次3 個項目的表面處理工藝及流程對后續類似項目有一定的借鑒意義。