車輛外覆蓋件沖壓橘皮的成因分析與工藝優化

閆超，高興昌，王樂，張晉彰

(山東鋼鐵集團·日照有限公司，山東日照 276800)

0 引言

用戶使用某鋼廠一款商用車頂蓋沖壓用冷軋板DC04，通過對材料進行替換時，沖壓后部件表面出現橘皮缺陷，以致無法滿足使用要求。

查閱相關冷軋工藝生產數據、生產過程控制規范，確定參數正常，材料各項性能指標合格。初步判斷沖壓橘皮缺陷原因可能是:

(1)材料替換時異常點控制不到位；

(2)沖壓生產工藝參數調整不能滿足不同廠家材料差異性；

(3)材料問題、材料混晶或者產生時效出現屈服平臺。

沖壓橘皮缺陷又稱“桔皮”，是鋼板在沖壓過程中產生的一種質量缺陷，影響產品外觀甚至性能，針對該質量缺陷的研究有很多，多數是利用金相顯微鏡、三維形貌儀和掃描電鏡等設備，采用SEM、XRD和EBSD等技術，從微觀形貌、表面晶粒擇優取或織構入手解析缺陷成因[1]。本文作者以DC04冷軋板現場質量缺陷技術服務為例，通過材料本身理論分析和現場沖壓技術分析與工藝優化，到最終解決質量問題入手，進行沖壓橘皮缺陷的解析。

1 理論分析

從材料本身分析，文獻[1]的研究結果表明，產生沖壓件表面橘皮缺陷的根源在于鐵素體晶粒粗大；材料外在形貌表現為表面平緩區和粗糙區，兩個區域不同的織構取向特征，表面接觸不均是造成形貌差異的主要原因。同時根據文獻[2-3]的研究結果分析，橘皮缺陷與晶粒尺寸關系密切，文獻結果表明材料表面粗糙度與晶粒大小呈正比例關系，晶粒越粗大，材料表面越粗糙，則越容易形成橘皮缺陷。

文中所述材料生產取樣檢測結果顯示上部粗糙度Ra0.796 μm，下部粗糙度Ra0.933 μm，金相組織如圖1所示，在用金相組織如圖2所示。根據文獻研究結果分析，文中所述材料本身組織性能，不會是造成橘皮缺陷的主要原因。

圖1 DC04(8.0級)

圖2 在用DC04(8.3級)

2 沖壓工藝分析和現場處理

查閱相關文獻，對產生二沖壓橘皮的沖壓工藝進行了分析。沖壓件表面橘皮缺陷的根源就是塑性變形不均勻，也就是生產過程中板料走料不均導致橘皮缺陷。根據文獻[1]中的討論，大的沖壓量和織構特征不理想是加劇橘皮產生的兩個重要因素。文中所述料片在沖壓過程受到強烈的沖壓變形與文獻[1]有所不同。已知該商用車頂蓋正常使用DC04料片沖壓無沖壓橘皮缺陷，工藝優化、材料替換后出現頂蓋局部橘皮缺陷。理論上原始料片表面和心部的形變差異越大，越不均勻，就會導致形變過程各晶粒間變形難以協調，反映到宏觀上塑性變形不均勻，越容易出現橘皮缺陷。這與料片的塑性應變比R值與鋼板織構有著密切的關系，但文中所述料片R90為2.964高于在用原始料片的R值，性能比較見表1。

表1 現場材料力學性能比較

在宏觀形變一致情況下，沖壓變形只有分析走料不均的影響因素。在模具間隙不變的情況下，測量替換料片厚度與在用料片厚度見表2，對比分析發現替換材料平均厚度偏厚。在原有理想沖壓狀態下，替換材料就會受到更大的沖壓變形，理想狀態下分析沖壓走料過程，是一個變形和整體減薄的過程。相同沖次，同一成型時間內替換料片的走料速度必然快于在用料片，塑性變形量大于在用料片，走料不均勻的風險增加。

表2 替換料片厚度與在用料片厚度對比 mm

初步測量厚度如圖3替換料片厚度和圖4正常料片厚度，但符合沖壓要求，作為異常因素分析；按照材料質保書顯示，伸長率46.5已經足夠，排除在用材料廠家伸長率數據影響，最終判斷材料流動性波動導致的橘皮缺陷，發生主要原因為材料厚度、伸長率和沖壓模具壓力及間隙差異性造成。遂進行沖壓工藝調整，根據現場情況，以調整拉伸力、壓邊力和沖壓速度為主。

用戶曾經直接增大壓力，直至沖壓部件開裂，依然無法消除橘皮現象。對此制定適當增加壓力的情況下，減緩滑塊下行速度，延長成型時間和微調模具間隙等方案，盡量使材料流動充分均勻。

圖3 替換料片厚度

圖4 在用料片厚度

現場通過壓力調整和沖壓速度調節，橘皮明顯好轉，但在局部拉延形面上仍有橘皮無法完全消除，如圖5和圖6所示。

圖5 覆蓋件上表面橘皮

圖6 拉延角表面橘皮

根據橘皮具體位置，通過調整墊片，微調模具間隙，調整外部材料流速，加大拉伸力，相對減小壓邊力，進行不斷試沖，沖壓橘皮缺陷消除，通過質量檢驗，結果如圖7所示。保持壓力不變情況下，微調模具間隙，橘皮消除；保持產品質量穩定情況下，再將沖壓速度加大，保持原有沖次時間，橘皮仍未出現。由此可確定沖壓橘皮缺陷消除。

圖7 表面橘皮消除

3 結論

因橘皮產生的影響因素較多，要根據現場不合格品件情況，進行全面分析，進而找到根本原因，解決現場問題。

現場沖壓橘皮消除，所以前期材料混晶或者產生時效的懷疑不成立，并非材料問題。所以在材料規格和性能參數基本相同情況下，在用料正常，試用替代料出現橘皮缺陷時，可以通過用戶現場工藝參數的調整，消除沖壓橘皮缺陷。