大型汽车覆盖件缩颈拉裂问题研究

文/刘益成·一汽-大众汽车有限公司

汽车车身外形是由很多轮廓尺寸较大且具有复杂空间曲面形状的大型覆盖件焊接而成，因此对覆盖件的表面质量和尺寸精度有较高要求。车身覆盖件要求表面平滑、棱线清晰，不允许有划伤、拉毛、褶皱等表面缺陷，尤其不能出现缩颈及拉裂问题。冲压生产涉及钢/铝板、冲压设备、冲压模具、油品（清洗防锈油和拉延油）、环境温度等诸多要素，而现实生产过程中，这些因素往往都是频繁变化且很难事前有效识别的。由此，如何有效控制这些要素的波动，进而提升产品质量，尤其是杜绝缩颈拉裂问题的出现，变得尤为关键和重要。

本文主要研究大型汽车覆盖件缩颈拉裂的产生原因及解决方案，通过对成形影响要素的研究，识别导致拉裂缩颈的问题点，通过有效措施的实施，实现缩颈拉裂可控，进而提升冲压生产稳定性。

缩颈拉裂整体控制逻辑

冲压生产输入要素较多，往往一次异常变化都是由多个过程因素综合影响导致，因此，如何保证各输入要素性能在有限区间内波动、同时保持过程稳定变得尤为重要。

如图1 所示，从缩颈拉裂产生原因来看，基本来源有如下几个方面：钢/铝板性能波动、工艺参数变化、模具状态不稳定、成形裕度不足、调试方法不当等。经过笔者多年的研究和总结，冲压生产过程出现拉裂缩颈，首先需要考虑模具的稳定性，模具是决定冲压成形的核心要素，只有模具状态稳定且有足够的成形裕度，才可能实现冲压件的稳定生产。在此基础上追求生产工艺参数稳定，同时摸索合理钢铝板性能适应区间，最后通过总结典型零件的调试方法并固化，保证生产过程稳定，这些对于新车型零件尤为重要。而对于已经经过如上过程优化过的零件，生产过程中再次出现缩颈开裂问题，我们需要做的仅仅是查找变化点，而不需要把所有工作再重新做一遍，这样可以有效提升分析问题的精准度和解决问题的效率。

建立缩颈开裂问题识别及隐患监控机制

缩颈开裂是冲压生产的难点问题，由于冲压生产节拍快，同时绝大部分缩颈问题不易目视识别，由此导致生产过程不受控，部分缺陷件容易流入下一道工序。

而随着数字化技术的发展及测量工具的进步，对于缩颈开裂的识别手段逐渐丰富并得到应用。在一汽-大众长春工厂，我们施行的是预先识别＋过程监控的有效控制模式，其包括：

(1)预先识别。结合拉延模拟结果、现场生产问题及调试状态，确定零件缩颈开裂风险点，通过网格试验监控，进行成形裕度分析，针对裕度不足的，进行立项整改，提升过程稳定性。

(2)过程监控。采用周期性网格试验监控＋在线减薄率测量两种方式进行过程监控，识别不稳定点，并立项整改。

①成形裕度测量及风险点识别。结合拉延模拟及现场生产实际状态识别潜在风险点，通过网格试验技术，测量零件成形裕度，识别成形裕度及最终减薄率风险点(图2)。

②在线生产过程中，针对预先选取的监控点进行减薄率测量，基于以往数据比对，识别问题点并分析解决(图3)。

③建立周期性的风险点监控机制，通过Argus 或Comsmart 网格试验设备进行成形裕度监控，识别变化点并分析解决(图4)。

缩颈开裂问题分析及解决方案

冲压生产输入要素较多，包含：钢/铝板坯料、冲压设备、清洗防锈油、拉延油、模具、环境温度、调试方法等，诸多因素共同影响冲压件生产过程质量，其中任何一个因素的微小变化，都会带来不可预知的质量风险。

针对缩颈开裂，从产生原因看，影响因素较多，大致如图5 所示。

模具状态不稳定

冲压成形是微观形变，对模具本身要求较高，但由于模具调试或维护不到位、材质不达标等问题，部分模具基础状态不好，具体表现为：成形R 角过小、拉延筋R 角过小、压料面局部硬点、压料面光洁度不足、成形凸模光洁度不足、成形凸模/压料面等存在砂眼、模具基础着色不好等，小批量生产时看不出问题，但随着生产批量增大，问题逐渐暴露，并对生产产生不利影响。

这类问题属于可恢复问题，通过完善模具基础状态，提升模具表面质量，来实现消除制件异常缩颈开裂。然后通过日常保养，进行状态维持和保证。

(1)模具粗糙度问题。冲压件整个生产过程都是依托模具进行，成形过程中坯料或工序件与模具功能区存在相对运动，由此模具工作部位的粗糙度，对成形质量有极其重要的影响。粗糙度不好，一方面会破坏钢/铝板表面，造成拉毛等缺陷，另一方面，由于粗糙度大，摩擦力增大，导致成形走料困难，出现缩颈开裂问题，如图6 所示。

导致模具表面光洁度差，一般有如下几方面原因：1)模具基体材料质量差，存在细碎铸造砂眼。2)模具材质软，生产过程中产生拉毛等问题。3)钢/铝坯料脏，划伤模具。4)模具维护不及时导致积屑瘤。

模具工作部分粗糙度要求：一般情况下，模具工作部分粗糙度Ra 应该小于0.5μm，局部走料剧烈区域应该小于0.3μm，具体视实际走料控制情况而定。

模具光洁度问题解决方案：1)针对大砂眼，可以通过补焊方式进行修复，然后研修抛光；对于细碎砂眼，临时措施可以通过涂胶方式进行改善(如利用502 等快干胶)，维持生产，长期措施需要整体打掉后补焊研修。2)针对模具材质软导致的表面损伤，一方面可以通过局部烧焊进行硬度改善，另外一方面可以通过金属材料表面处理方式进行改善，如：电镀、TD处理、热处理等。3)针对来料脏导致的模具划伤等，需要从源头控制来料质量。4)针对不同模具，建立有针对性的清擦抛光维护周期，保证模具表面光洁度。

(2)模具工作部分R 角过小。模具成形R 角，是模具成形中比较重要的结构特征之一，对成形质量有较大影响。除了实现产品形状，R 角多用于走料控制，如果R 角半径过小，一方面钢/铝板流动通过R 角加工硬化加剧，另外一方面R 角过小，也起到阻碍材料流动的作用，极易出现缩颈开裂，尤其是铝板成形。近年来，德国大众推崇锐棱结构，产品R 设计越来越小，导致模具成形R 角变小，极大增加了成形难度，如图7 所示。

模具成形R 角过小，一般有如下几个原因：1)产品设计要求。2)成形控制需要。3)模具基础不好，没有研修到位。4)不必要的设计（非功能区等）。

模具工作部分R 角一般要求：1)对于拉延筋槽，一般要求R 角不能小于R3mm(一方面基于缩颈拉裂，另一方面对于热镀锌板，R 过小会脱锌)。2)对于铝件翻边凸模，一般R 角不能小于R1.25mm，具体根据实际产品R 角的要求定。3)对于其他部位R 角，根据实际装车需求的情况定。

模具R 角过小解决方案：1)对于拉延筋槽R 角，可以适当研放控制走料的R 角，同时比对拉延件收料线，识别研放效果；研放后也要对拉延件进行检查，避免产生其他缺陷。2)对于成形R 角，根据产品状态，对于有研放空间的(如非功能区)，可以研放到位；对于涉及压合、匹配等需求的，要在不影响功能需求的前提下研放，同时通过提升R 角光洁度来改善走料控制(抛光、电镀、涂油等)。3)对于无优化潜力的R 角，通过提升光洁度、降低压料力等方式，改善走料控制，提升稳定性。

成形裕度不足

冲压件生产输入要素较多(钢/铝板机械性能、设备精度、模具精度、油品、环境温度等)，且每个要素都有自己的波动范围标准（如钢/铝板机械性能，各个性能要素都是有范围公差的）；理想情况是各种输入要素只要是在公差范围内波动，就不会对最终冲压件质量有影响，但实际情况往往是某一输入要素有微小变化，就会导致成形质量有较大变化，这种情况我们称之为成形裕度不足。

成形裕度不足，对冲压生产影响较大，一方面生产过程极其不稳定，不同批次零件状态不同，相同批次不同卷号材料零件状态不同，同时易产生缩颈开裂问题；另一方面生产过程质量控制无从入手，经常会产生批量漏检，后续用户抱怨强烈。

冲压件整个生产过程都是依托模具进行，其他输入要素的波动，往往可以通过调整模具参数、研修模具等方式进行解决，由此，提升模具对其他输入参数波动的适应性，是提升成形裕度的关键，模具对其他输入参数的适应能力，我们称之为模具裕度。

当前关于模具裕度评价，主要通过两种手段：(1)拉延模拟及网格试验。通过这两种途径定量评价模具裕度；从实际应用效果看，拉延模拟及网格试验只能识别出部分薄弱点。(2)加压试验。选择成形性能偏下限的钢/铝板，通过对拉延工序下拉伸垫压力按一定比例进行增加(一般加压比例为10%～20%)，识别出薄弱点，然后针对薄弱点开展模具优化。通过如上两种方式识别出模具可提升的问题点，通过模具调试优化，提升模具裕度。

模具裕度是保证成形裕度的关键，但模具本身大范围的改动及调整会影响产品质量，因此，成形裕度的保证是一个系统化的工程，模具裕度只能是一个基础，在模具不具备进一步优化的前提下，如何保证过程稳定是保证成形裕度的关键。当前我们保证成形裕度的逻辑是：1)保证模具裕度已经充分释放且稳定。2)进行输入要素性能区间控制，保证过程稳定。3)推行参数管理。4)保证生产过程参数稳定，实现线上维修向线下维修转变。

钢/铝板坯料问题

基于成本考虑，钢/铝板供货机械性能公差带一般都很宽，很大程度上导致了冲压件生产的不稳定，据一汽-大众统计，60%以上的冲压件质量波动与材料性能波动有关，有30%左右的零件品种对材料性能波动非常敏感。材料性能的宽幅波动，给批量生产带来极大影响，造成大量效率和成本损失。

金属材料的机械性能是零件设计和选材时的主要依据，外加载荷性质不同(如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等)，对金属材料要求的机械性能也将不同。而对汽车覆盖件冷冲压成形来讲，屈服强度Rp、抗拉强度Rm、断后延伸率(总延伸率)A80、均匀延伸率Ag、n 值、r 值等是影响成形质量的关键要素，而成形质量的好坏，往往是多个性能要素综合作用的结果。由于机械性能多参数变化特性及模具对板料适应裕度不足，部分冲压件经常会出现随材料性能变化而出现较强烈的质量波动。针对这种情况，当前我们比较成熟的做法是:1)建立机械性能数据库。2)建立机械性能预警区间。3)摸索适合模具状态的合理的材料机械性能区间，通过区间供货保证成形稳定。

对于材料区间供货，当前有两种区间供货模式，一种是单纯控制某个参数，减小其公差范围，使其适应当前生产需求。另外一种是将某个参数按性能排序，控制同一批次生产时该参数窄幅波动，减少模具调整次数，保证质量稳定。

生产工艺参数管理

冲压成形，通过冲压设备和模具实现，成形过程中涉及多个关键参数，如：上/下气垫压力、闭合高度、下气垫举升高度、压机四角压力、清洗油膜厚度、自动化凸轮角度等等，这些参数共同构成该零件的生产工艺参数，决定着冲压件的产品质量和生产稳定性。

由于工艺参数的设定都是基于前期模具设计及后期模具调试，在生产过程中，必须保证参数稳定可控，尽可能减少参数调整，尤其是超差调整。

结束语

缩颈拉裂在覆盖件冲压生产中是不可回避的疑难问题，而笔者通过多年研究摸索，总结出系统完善的汽车覆盖件缩颈开裂解决方案；建立了汽车覆盖件生产过程缩颈开裂隐患识别和监控的机制和方法；实现钢/铝板料性能预警机制，疑难零件关键性能区间供货；引入成形裕度概念，并通过裕度测量及裕度提升，有效改善了冲压件成形稳定性；这套方法经过大量案例验证，确实能够很好的解决缩颈拉裂问题。