汽車覆蓋件拉延縮頸開裂改善中的典型誤區

摘要：通過總結如何規避汽車覆蓋件拉延縮頸開裂改善中存在的典型誤區，提升問題解決效率，減少質量損失和重復工作。

關鍵詞：沖壓生產；縮頸開裂；板料；潤滑；模具基礎狀態；拉延模擬；網格實驗；尺寸優化

沖壓件縮頸開裂是汽車覆蓋件沖壓生產中最嚴重的質量問題，可直接導致沖壓件甚至總成和車身報廢。各整車廠近十年新建的高速沖壓線工作節拍普遍達到了15～18次/min，比6軸機器人時代快了1倍，但同時期內，沖壓件人工抽檢的檢驗方式并沒有發生質的改變和提升，導致了生產過程中一旦發生縮頸開裂，產生的報廢損失也比之前翻倍。因此，如何更為高效、精準地解決批量生產中縮頸開裂問題顯得比以往更迫切。

同樣在近十年，隨著汽車市場的爆發式增長，有經驗的模具工和工程技術人員緊缺，新模具調試狀態與工藝設計的理論狀態存在較大差異。而工藝設計人員和工程技術人員往往現場經驗不足，對縮頸開裂缺陷件缺乏細節觀察和整體了解，發現實際缺陷與理論分析不符時對分析結論信心不足，現場模具工難以得到及時有效的理論支持。

筆者所在的模具團隊通過一年時間的縮頸開裂專項攻關，把4款車型覆蓋件（含前后地板、輪罩等結構件）非材料原因和主動調整（尺寸回彈、拉延油量等）導致的沖壓縮頸開裂產生次數，從2022年的平均0.41次/萬沖程優化到0.2次/萬沖程以內。結合在此工作過程中走過的彎路和以往工作經驗，總結出縮頸開裂調試過程中的常見誤區及規避方法，供一線模具同行參考。

汽車覆蓋件拉延縮頸開裂改善過程中的典型誤區

1.新車型項目期對新模具基礎狀態缺乏有效把控

對比筆者從業16年中經歷的自主品牌、韓系、德系三家不同風格主機廠以及對標交流過的多家主機廠發現，對新模具基礎狀態的有效把控是德系車沖壓件質量和縮頸開裂基礎狀態顯著優于其他廠家的重要原因之一。

主機廠新車型模具調試一般由ME主導，這些部門多以項目管理見長，對新模具調試狀態的管理更多依賴于模具廠的自我把控。主機廠模修對新模具調試缺乏經驗，并且往往從SOP才開始介入，而SOP前新模具母線調試次數和壓件數量有限，致使從新模具進廠到SOP這至少6個月的寶貴時間里成形性問題不能充分暴露，模具廠人員缺乏對模具基礎狀態主動優化的動力。直到SOP縮頸開裂成為制約新車型產量的瓶頸時才開始引起重視，但此時優化縮頸開裂導致的回彈變化又直接影響了零件尺寸，量產階段來自整車匹配的尺寸壓力導致拉延模具狀態已不敢大動，只能通過氣墊壓力和墊片的調整以及R值的放大臨時保產，遺留下縮頸開裂的禍根。

得益于大眾、奧迪的技術傳承和整車廠模具工在新項目模具調試中的經驗積累，一汽-大眾形成了一套從機加合模到底開始的新模具標準化調試方法。通過在模具入調前給調試人員進行培訓，貫徹一汽-大眾的調試標準和調試理念，結合主機廠模具工以最終用戶身份的早期介入，讓模具一開始就按照“長期穩定”的原則進行調試。并通過首次上線即按最高節拍生產、增加SOP前每批次壓件數量等方式，主動提前暴露成形性問題并及時優化，在SOP時即獲得較好的模具基礎狀態。

2.對板料的關注點過于局限

不管是新項目期還是量產階段，沖壓件發生縮頸開裂時沖在最前面解決問題的永遠是模具工。模具工出于職業本能，會更多地把眼光放在自己擅長的模具本身，對板料的著眼點往往局限于延伸率和屈服強度。而實際板料對拉延縮頸開裂的影響因素遠不止這兩個參數。表1列出了板料對拉延成形性能的主要影響因素。

實際在整車廠和鋼鐵廠的訂貨技術協議中，鋼板延伸率和屈服強度、抗拉強度、n值及R值是最基本的要求，一線鋼廠控制手段也相對成熟。上述參數發生嚴重偏離的情況并不多見，以筆者所在年產30萬輛主機廠沖壓車間為例，過去10個月中反查到的材料原因相關縮頸開裂次數統計如圖1所示。

圖1數據通常重點關注的延伸率和屈服強度導致的縮頸開裂實際占比并不高。而表1和圖1中的其他因素也在一定程度上解釋了一直困擾我們的“換料時或臨近換料時發生縮頸開裂，調氣墊壓力及墊片無效，再換料就好”或“連續生產中偶發幾件縮頸開裂，尚未來得及停線調整即恢復正常”但板料取樣檢測機械性能卻完全合格的現象。另外很有意思的是，有悖于各種文獻中描述的屈服強度越低，屈強比越大越有利于成形的理論，發現了三次屈服強度低導致沖壓件開裂的情況（并未因屈服強度低調皺），其原理還有待進一步分析和積累。

現場如何辨別板料是否存在上述問題呢？鋁板熱處理時間直接可查，除了用儀器測量延伸率、屈服/抗拉強度、R值、n值、粗糙度、板料厚度以及板料表面油膜外，對縮頸開裂零件斷口的觀察也是現場最簡單直觀，但卻經常忽略的細節。

如圖2所示，團隊通過對缺陷件斷口的目視觀察，發現板料夾雜、分層跡象，取樣后由材料廠家進行電鏡檢查和能譜分析，最終確定為氧化鋁夾雜的過程。最終鋼卷供應商通過增加結晶器浸入水口深度、延長精煉循環時間、提高下渣檢測精度等措施有效減少了夾雜缺陷的發生。

3.僅關注設備自身精度，忽略設備與模具的配合狀態以及對設備的合理運用

縮頸開裂問題在線調整過程中，氣墊（液壓墊，以下按傳統習慣簡稱氣墊）壓力和平衡塊墊片高度是最常用的手段，二者分別通過調整壓料力和壓料間隙來實現調節材料流入量的目的。壓機滑塊與工作臺之間的平行度和氣墊自身平行度決定了模具整體壓料間隙和壓料力是否均勻，也是所有沖壓車間重點關注的設備參數。但經常遇到以下情況：靜態測量氣墊平行度沒問題，但把壓邊圈上的平衡塊設成等高時，有的平衡塊就是不著色，而下氣墊的動態平行度又無法測量。通過圖3來分析下氣墊力的傳遞過程[2]。

如圖3所示，下氣墊（液壓墊）的壓力來源于液壓缸，設備自身會嚴格確保兩個液壓缸之間的壓力平衡，但液壓缸的壓力要通過箱體/墊板和工作臺氣墊頂桿傳遞給壓邊圈接腿，然后才傳遞到壓邊圈的壓料面上。大家往往只關注液壓缸的壓力和箱體/墊板的靜態平行度，卻忽略了氣墊頂桿和壓邊圈接腿的影響。在機加環節，氣墊頂桿和壓邊圈裝配式接腿的長度公差要求通常都是±0.2mm，而隨著各主機廠普遍采用了拉延全氣墊頂桿模式，氣墊頂桿在工作臺的安裝位置固定，使用頻次高的部位氣墊頂桿變形會大于其他頂桿，兩種因素疊加，導致了原本均衡的氣墊力被不均衡地傳遞到了壓料面。

除此之外，氣墊的初始頂起高度與凸模的關系決定了板料預彎程度即成形前在型腔內“儲料”的多少，氣墊“預加速”功能也會直接影響成形初期的材料流入量。因此，壓機對拉延成形的影響并不僅限于設備自身精度，設備參數的合理設置以及設備與模具的完美配合才能幫我們得到好的成形狀態。

4.對成形過程中潤滑的作用理解不全面

拉延成形過程中，拉延油和板料表面殘留的清洗油可在一定程度上減少模具和板料之間的有害摩擦系數，潤滑效果的提高可以改善成形性能，從而降低對金屬材料拉伸等級的要求，可以允許使用級別更低的金屬材料，并大幅度降低廢品率，可節約金屬成本10%～20%[3]。

在很多人的理解中，增加板料潤滑的主要作用是通過改善壓邊圈壓料面的潤滑，增加成形時的外部材料流入量。但實際在前、后門內板、后蓋內板等零件的拉延成形中，多次遇到在涂油條件下正常生產的零件，取消涂油后，沒有出現縮頸開裂，反而出現大皺的情況。對比拉延件收料線發現，不涂油的零件實際材料流入量也確實明顯增大。在燒焊拉延筋槽R、降低平衡塊高度以增加進料阻力的過程中，導致了零件內部多個部位的縮頸開裂。為求證取消涂油后零件出現皺的原因，團隊進行了手工涂油對比試驗。發現板料涂油后，雖然壓料面處進料阻力變小了，但在拉延油的幫助下，零件在模具凸、凹模內部，減薄更充分，因此在成形到底的過程中需求的外部材料流入更少。而不涂油的零件，內部減薄不充分，成形到底的過程中需要從外部要料來補充成形所需，外部材料流入不均導致了褶皺的產生。

結合以上實際現象和試驗結論，拉延油/殘留清洗油在拉延成形過程中的作用為：通過增加板料潤滑性能，減少模具和板料之間的有害摩擦系數，使材料減薄更加均勻，從而減少了危險斷面處的材料變薄（應力集中）。簡單來說，拉延油涂在凸、凹模型腔內部和涂在壓料面上可以取得不同的效果。因此，通過科學合理地設置涂油機在板料上涂油位置、涂油量，以及巧妙控制板料表面殘留的清洗油油膜，有助于提升拉延成形質量，減少縮頸、開裂和褶皺的發生。

5.對拉延模擬和網格試驗結果缺乏有效運用

拉延模擬是在沖壓工藝設計（甚至可制造性分析）階段就進行的成形基礎分析，整個零件的成形方案和工藝造型都以此為基礎。而網格試驗則是最早在新模具零件首件驗收階段要求進行的實際成形性檢查。前者理論性較強，往往在新模具調試階段就已經與實際情況體現出差異。后者雖然直接反映了實際成形過程中的減薄率和縮頸開裂風險，但由于和批量生產階段實際發生的縮頸開裂直接對應性不強（網格試驗與批量生產中實際發生的縮頸開裂符合率不到10%），往往被現場模具工認為參考價值不高，實際調試過程中很少參考拉延模擬和網格試驗的結果。

分析拉延模擬和網格試驗結果與實際成形狀態存在差異的原因如下。拉延模擬過程中，一般針對模擬后出現的破裂和起皺這些缺陷通過反復調整拉延筋的阻力，多次模擬分析，最終得到破裂風險、最大減薄率、起皺趨勢等模擬結果[4]。但軟件模擬時真實拉延筋需要額外建模及網格處理，較等效拉延筋處理復雜，影響計算效率且不容易對其修改。故多采用等效拉延筋，不對拉延筋進行模型的構造，只在相應的網格節點上設置代表拉延筋的線并施加單位長度上的流動阻力來模擬真實拉延筋[5]。等效筋中流動阻力的設置無法與實際拉延筋的狀態做到完全一致，調試階段壓料面實際研合狀態、強壓間隙、筋與筋槽實際間隙及模具R角拋光狀態也會在一定程度上造成實際成形狀態和理論的差異。

網格試驗雖然是基于實際的模具狀態和成形過程測算的減薄率和FLD狀態，但單張板料的成形無法體現生產中模具發熱后走料的變化。另外，板料印制網格前后存在擦油和手工涂油過程，網格件表面的油膜狀態會與批量生產有差異，導致批量生產中偶發的縮頸開裂很難通過網格試驗直接體現。

以下通過兩個實際案例分別說明拉延模擬和網格試驗結果在縮頸開裂問題優化過程中的運用和幫助。

1）除了在新拉延模調試初期需要讓實際拉延收料線盡可能與理論收料線接近，零件內部的拉延模擬理論減薄率也是模具成形裕度優化的重要參考依據。圖4所示的3處R角局部的理論減薄率達到了32.8%，局部的最大失效0.86，但此處在后工序工作中沒有進一步減薄，從FLD圖看，縮頸開裂尚在安全區間。

基于拉延模擬情況，雖整體綜判為通過，但減薄超過30%的三處R仍存在縮頸開裂風險，調試階段通過研放凸R、在壓邊圈實際行程設置時讓板料適當預彎，合理設置下氣墊預加速距離，增加成形初期內部儲料，并在涂油機參數選擇上，在對應部位增大涂油量，讓R成形時在良好的潤滑條件下均勻減薄。從而增加成形時的安全裕度。得到的實際網格試驗驗證結果如圖5所示。

由圖5可見，除產品造型凸臺外，其他兩處凸R的實際減薄率已降到24%以下，凸臺處實際減薄率32.3%。FLD圖中，最小安全裕度10.163%，雖在安全范圍內，但根據FLD圖和主、次應變狀態，仍可通過減小主應變（減小圖4中A處進料阻力）或增加次應變（加大圖4中B處進料阻力）來進一步提升縮頸開裂安全裕度，為批量生產中的進一步優化調整提供了參考依據。

2）以下案例則通過網格試驗的分析結果為縮頸開裂問題提供了改善方向。如圖6所示，某車型前門內板B柱頂端拉延開裂，研放拉延筋槽R和調整平衡塊墊片后，對應位置拉延收料線完全進入拉延筋槽底部，但仍偶發縮頸和開裂。此處成形深度不深，最大減薄率也在22%左右，但偶發縮頸開裂的問題并未得到徹底解決。

通過對該部位進行網格試驗分析，發現此處主、次應變方向復雜，并非根據常規經驗和裂口方向推斷的主要從上方走料，如表1和圖7所示。

結合開裂部位主次應變方向和FLD圖可看出，危險區域正對10%安全裕度線拐角，這種情況下不管是減小主應變還是增大或減小次應變，都能有效提升此處縮頸開裂的安全裕度。再結合此處減薄率現狀，找到研放凸模R的方式作為進一步改善方向，成功解決了偶發縮頸開裂的問題。

6.拉延成形尚未穩定就急于更改尺寸

零件尺寸認可是新車型模具項目管理的重要里程碑，迫于項目進度壓力和調試人員經驗水平，在拉延成形尚未穩定的情況下，項目管理人員經常會“頭痛醫頭”地通過整形工序對門內板、后蓋內板、發罩內板類零件的法蘭尺寸進行更改。但上述零件的法蘭尺寸往往直接與成形過程中的拉延回彈直接相關，項目期一些存在偏差的法蘭尺寸，往往會隨著零件縮頸開裂優化過程中走料狀態的變化而改變。多個項目中出現過項目期通過整形更改的法蘭尺寸，在拉延調試穩定后產生變化，把前期燒焊整形的更改量做回去之后尺寸恢復正常的情況。反復更改整形，不僅是重復工作的浪費，在反復更改整形模具的過程中產生的著色損失更是難以挽回的。因此在新項目調試階段，一定要先做好零件本身的成形性，在確認實際拉延收料線與理論收料線符合程度、各工序著色率均穩定合格的基礎上，再進行整形尺寸的優化。

7.拉延模具R放大后，零件在后工序模具符形狀態未及時確認

下面通過一個實際案例說明優化縮頸開裂過程中零件尺寸發生變化，又通過在后工序模具上排除干涉做符形恢復尺寸的過程。該零件尺寸變化過程如圖8所示。

“初始尺寸狀態”為該零件尺寸認可時的狀態，在SOP初期，發現整個B柱法蘭邊平面度尺寸發生變化。排查拉延及整形模具著色狀態、零件在各工序模具中定位以及零件儲運過程均無異常。反查從尺寸認可到發現尺寸變化的中間過程，發現唯一的變化點在于因為左上圖框線部位出現縮頸開裂，現場研放過拉延凸模R。進一步排查后工序零件在下模的貼合狀態發現，拉延凸模R放大后，后工序凸模對應R未及時做空開，導致零件在后工序模具中被R略支起來，在切邊壓料板和整形工序作用下產生尺寸偏差。根據拉延凸模R放大過的部位，在后工序凸模R做空開后，尺寸恢復正常狀態，并且比尺寸認可狀態還要貼近零偏差。

結語

本文結合汽車覆蓋件拉延縮頸開裂調試和優化的實際經驗，以及在新項目模具調試過程中走過的一些彎路，從模具基礎狀態、板料、模具與壓機的合理匹配、成形過程中的潤滑、拉延模擬和網格試驗結果的運用、尺寸優化前提及拉延R放大后的零件外形等方面總結了實際工作中易被忽略的誤區供一線模具同行參考。實際工作中規避這些誤區，可以有效提升縮頸開裂優化的效率，減少質量損失和重復工作。

參考文獻：

[1] 寧海濤，汪建余，密思斌，等.沖壓量產階段預防性質量控制的數字化探索實踐[J].鍛造與沖壓，2023，16（8）：43-46.

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[3] 王曉寧，張耀圓.沖壓拉延油在車身制造中的應用[J].汽車制造業，2013（2）：38～39.

[4] 高沙沙，薄青紅 水志祥.基于Autoform的汽車覆蓋件拉延過程模擬[J].山東工業技術，2015（14）：20-22.

[5] 劉細芬.汽車覆蓋件拉延成形數值模擬分析及參數優化[J].機械與電子，2013（7）：68-71.