在正常沖壓作業(yè)環(huán)境下，車身覆蓋件模具的主要失效形式是：模具表面粘結(jié)形成積瘤，劃傷沖壓件表面，頻繁打磨喪失型面精度。在汽車的使用過程中，車身銹蝕先從拉毛劃痕開始，尤其對(duì)一些骨架件或加強(qiáng)板件而言，劃痕處的應(yīng)力集中是導(dǎo)致破裂的主要原因之一。為了提高覆蓋件質(zhì)量，維修鉗工不得不研磨模具表面除去積瘤，并且需拋光產(chǎn)品表面劃痕。而頻繁拋光打磨，既破壞了最初的模具形面，又降低了生產(chǎn)效率，最終導(dǎo)致沖壓件精度降低，模具過早失效。
拉延工序件產(chǎn)生拉毛的主要因素
車身覆蓋件質(zhì)量主要取決于拉延工序質(zhì)量，拉延工序件缺陷形式主要有起皺、破裂、棱線滑移、吸頸和拉毛等。前四種可以在沖壓工藝方案確定階段及模具精調(diào)階段改善或優(yōu)化，最后一種缺陷伴隨著模具應(yīng)用的全過程，只要是沖壓件都存在不同程度的表面拉毛缺陷。更有甚者，拉毛轉(zhuǎn)化成犁溝，深約為材料厚度的1/3。無論如何，僅靠鉗工拋光模具表面，不能解決拉毛缺陷。一般拋光一次僅維持沖壓40～50件，又產(chǎn)生拉毛。本文探討對(duì)象是拉毛缺陷產(chǎn)生機(jī)理、危害及其改善途徑。
模具作用于鋼板表面夠成一對(duì)摩擦副，摩擦副之間的硬質(zhì)顆粒也會(huì)造成拉延工序件產(chǎn)生拉毛缺陷，同時(shí)損傷模具表面。這些顆粒來自鋼板表面、臟污的模具表面及工作環(huán)境等。這種缺陷，只能依靠清潔環(huán)境、清洗板料和模具表面才能改善或消除。外來硬質(zhì)顆粒不在本文分析范圍。
1. 拉延模表面粘結(jié)瘤的生成
車身覆蓋件拉延時(shí)板坯滑過模具表面，在力和摩擦作用下，模具表面和金屬板料表面的吸附層和油膜被破壞，剛開始是表面的高點(diǎn)油膜先失去，吸附層破壞，產(chǎn)生原子級(jí)接觸而出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象。模具表面和板料表面的金屬離子相互吸附、擴(kuò)散，由于板料軋制和模具鑄造或加工等產(chǎn)生晶粒缺陷，兩種潔凈表面金屬離子吸附力大于有缺陷的原子鍵或正常原子鍵，板料晶粒被剝離、粘結(jié)在模具表面上，隨著拉延繼續(xù)深入，板料連續(xù)滑過模具表面，這些先粘附高點(diǎn)更易擠壓破壞板料表面油膜而吸附、擴(kuò)散和剝離板料表面，發(fā)生再次粘結(jié)。多次拉延，造成粘結(jié)點(diǎn)增生形成“積瘤”。
“積瘤”的每層金屬晶粒都經(jīng)過了晶粒破碎和位錯(cuò)變化，金屬塑性變形抗力增大，其硬度和強(qiáng)度顯著升高，塑性和韌性下降，即產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象?！胺e瘤”具有比板坯材料更高的硬度，可達(dá)到板料硬度的2～3.5倍。拉延不斷進(jìn)行，長高的積瘤像一把鏟刀，鏟去滑過積瘤處的板料金屬，產(chǎn)生劃傷鱗刺和犁溝損傷。如圖1所示，積瘤使沖壓件表面產(chǎn)生的拉毛劃傷。
圖1 重卡保險(xiǎn)杠端頭嚴(yán)重拉毛缺陷
卡車前保險(xiǎn)杠拉延工序如圖2示所，板料厚1.2mm，模具材料為低合金鑄鐵，模具凸、凹模分界線隨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分型。因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)深，材料流動(dòng)阻力大，無論怎樣補(bǔ)充壓邊面，修邊時(shí)拉毛部位不能全部修凈。產(chǎn)品拉延輪廓外表面輕者劃傷，重者出現(xiàn)犁溝和鱗刺現(xiàn)象;這時(shí)，仔細(xì)觀察模具表面，有粘結(jié)斑痕，拋光模具表面，再拉延幾乎無改善。造成上述現(xiàn)象的原因是，產(chǎn)品拉延深，拉延流動(dòng)阻力較大;拉延時(shí)摩擦發(fā)熱，模具和板料間咬合、粘結(jié)在模具表面而產(chǎn)生積瘤。模具尚未淬火表面硬度為基體硬度，一般為HB200～280，與板料的硬度很接近，極易產(chǎn)生粘結(jié)現(xiàn)象，模具硬度越低粘結(jié)趨勢(shì)增大，而且為雙向互粘結(jié)，即此時(shí)模具表面和板料表面剝離幾率相等。經(jīng)過不同熱處理，模具表面硬度提高，增強(qiáng)了模具表面抗粘結(jié)能力。
圖2 卡車保險(xiǎn)杠拉延工序件
綜上所述，凡是硬度相差小的同類金屬，兩種界面晶粒之間很容易發(fā)生原子擴(kuò)散，形成金屬鍵而產(chǎn)生粘結(jié)剝離。
2. 覆蓋件拉延表面拉毛的主要危害
(1)拉毛增大拉延阻力。沖壓作業(yè)時(shí)，拉延件表面拉毛增加了壓邊面進(jìn)料阻力，要么頻繁調(diào)整設(shè)備壓力以維持最佳壓力條件穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，要么產(chǎn)品棱線及危險(xiǎn)段面產(chǎn)生吸頸和破裂的概率增加數(shù)倍。
(2)拉毛刻痕易產(chǎn)生應(yīng)力集中。覆蓋件表面拉毛易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致覆蓋件首先從劃傷處出現(xiàn)裂紋，致使車身早期損壞。
(3)拉毛刻痕易產(chǎn)生涂飾缺陷。拉毛刻痕在涂飾時(shí)，易出現(xiàn)細(xì)微排氣不暢，導(dǎo)致漆膜與金屬面間有氣隙，因震動(dòng)或碰撞，氣隙處漆膜破裂而進(jìn)氣、進(jìn)水，生銹由此先生。
(4)增加人工修件工時(shí)。車身覆蓋件因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，許多產(chǎn)品表面拉毛必然留在產(chǎn)品上。手工拋光打磨，會(huì)產(chǎn)生工時(shí)浪費(fèi)。如保險(xiǎn)杠制品周邊拉毛修復(fù)，每人每天8h作業(yè)，僅可修復(fù)約50件。
(5)大型壓機(jī)臺(tái)時(shí)浪費(fèi)。沖壓作業(yè)每拉延40～50件，需停機(jī)拋光模具表面，每拋一次約10～15min。
車身覆蓋件模具的表面激光處理
激光表面淬火工藝，是解決保險(xiǎn)杠拉延模粘結(jié)積瘤缺陷的有效途徑之一。與常規(guī)火焰淬火相比，激光處理能進(jìn)一步提高模具表面硬度，增強(qiáng)表面抗粘結(jié)能力。
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激光表面強(qiáng)化技術(shù)目前主要的應(yīng)用方式有兩種：一是模具表面激光淬火硬化，二是模具表面局部損傷部位的激光熔焊修復(fù)。該技術(shù)適用于絕大部分汽車拉延模具，既適用于新制模具，又適用于在役模具。模具材料包括各類灰鑄鐵、鉻鉬合金鑄鐵及空冷鋼，對(duì)于反復(fù)補(bǔ)焊過或火焰淬火模具亦有顯著改善效果。
1. 激光處理原理
激光相變硬化是以高能量(104～105W/cm2)的光束快速掃描工件，使被照射的金屬表面以極快速度升到高于相變點(diǎn)而低于熔化溫度(升溫速度可達(dá)105～106℃/s)。當(dāng)激光束離開被照射部位時(shí)，由于熱傳導(dǎo)的作用，處于冷態(tài)的基體使其迅速冷卻而進(jìn)行自冷淬火，(冷卻速度可達(dá)105℃/s)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的表面相變硬化。這一過程是在快速加熱和快速冷卻下完成的，所以得到超細(xì)晶粒度的硬化層組織，顯微組織為極細(xì)的板條馬氏體和孿晶馬氏體，硬度明顯高于常規(guī)熱處理硬度。
圖3所示為CrMo鑄鐵經(jīng)激光強(qiáng)化處理后的硬度分布情況。由圖可見，激光表面處理硬度可達(dá)HV800以上，表面硬度值比常規(guī)熱處理工藝可提高20%以上，耐磨性提高5～10倍。拉延作用時(shí)，摩擦副硬度差增大，表面抗吸附、粘接能力顯著增強(qiáng)。
圖3 CrMo鑄鐵經(jīng)激光強(qiáng)化處理后的硬度分布
2. 激光相變硬化組織
圖4所示為CrMo鑄鐵經(jīng)激光相變硬化處理后的金相組織。由圖可見，CrMo鑄鐵強(qiáng)化組織由兩層組成，第一層(a圖下邊緣約20mm區(qū)域)為不易侵蝕的白亮層，它具有比原來高得多的顯微硬度，用超聲波硬度計(jì)檢測(cè)為59～63HRC。第二層為過渡層，它是高顯微硬度層到原始組織的過渡區(qū)。
圖4 激光處理層金相組織顯微照片
激光相變硬化后的顯微組織明顯細(xì)化，為極細(xì)的位錯(cuò)馬氏體和孿晶馬氏體組織，板條馬氏體位錯(cuò)密度極高，且含有較多的殘余奧氏體。隨著晶粒細(xì)化，晶界數(shù)目增多，疲勞裂紋擴(kuò)展受到阻礙，同時(shí)晶粒細(xì)化，碳化物彌散分布，使得在交變應(yīng)力下不均勻滑移程度減小，推遲了疲勞裂紋核心的產(chǎn)生;而位于馬氏體板條間的殘余奧氏體是一種韌性相，當(dāng)擴(kuò)展中的裂紋遇到韌性相時(shí)，擴(kuò)展受阻，延遲了裂紋的形核及擴(kuò)展速率;而且激光相變硬化表面可產(chǎn)生數(shù)百兆帕的殘余壓應(yīng)力，提高了材料疲勞強(qiáng)度。因此，激光相變硬化可有效解決模具的磨損失效和疲勞失效以及局部塑性變形等問題，延長模具使用壽命。
模具激光表面強(qiáng)化優(yōu)點(diǎn)，不僅在于能改善模具工作面的性能，還可以保持基體材料性能不變。更重要的是其硬化層硬度均勻、層深;強(qiáng)化部位機(jī)械性能參數(shù)可以較準(zhǔn)確地控制，對(duì)于一些傳統(tǒng)工藝難以處理部位，也比較容易實(shí)現(xiàn)。
3. 激光處理模具使用情況
保險(xiǎn)杠模具經(jīng)過激光處理，表面硬度58～62HRC，厚度0.5～1.2mm，已累計(jì)沖壓29000件。2009年6月，最多一個(gè)批次排產(chǎn)1 300件，這期間無需人工拋光模具，沖壓件表面無拉毛缺陷。圖5所示為保險(xiǎn)杠凹模，圖6所示為已沖壓近3萬件的保險(xiǎn)杠拉延表面效果。
圖5 激光處理保險(xiǎn)杠凹模
該種車型以每年8 000臺(tái)計(jì)算，拋修頻率平均50件一次，每次10min，停機(jī)拋修模具工時(shí)為26.7h，大型壓機(jī)綜合臺(tái)時(shí)費(fèi)為1 200元，年節(jié)約設(shè)備臺(tái)時(shí)費(fèi)32 000元，無需拋光制品，節(jié)約的人工修件費(fèi)尚未計(jì)算。
圖6 激光處理后保險(xiǎn)杠上表面沖壓效果
模具表面處理工藝取得了十分顯著的效果，緊接著我們又分期、分批處理了卡車側(cè)外板、門內(nèi)板模具，商用車側(cè)圍、前圍及背門外板模具。
激光處理工藝也可運(yùn)用到已經(jīng)調(diào)試定型，尚未做任何表面處理的模具。諸如，引進(jìn)的德國寶馬新五系轎車側(cè)圍外板、門內(nèi)板、后行李箱蓋和發(fā)罩外板等模具。德國模具擁有一個(gè)特點(diǎn)，交付使用模具表面未作任何熱處理即投入小批量生產(chǎn)。大型覆蓋件拉延模表面火焰淬火，溫度場(chǎng)效應(yīng)大，易產(chǎn)生型面局部隆起變形，轎車模具不宜采用。在中國沈陽，寶馬公司德方專家首次采用激光表面處理工藝，一貫小心謹(jǐn)慎的德國專家先在轎車后側(cè)圍內(nèi)板做激光處理試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化，表面硬度均達(dá)到德國標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)激光處理后硬度由HRC20左右提高到HRC55以上。目前，寶馬轎車模具已正常使用兩年以上，拉延件表面未見異常。
激光處理模具的維護(hù)和保養(yǎng)
車身覆蓋件拉延模激光處理后，在正常的潤滑條件下經(jīng)過數(shù)千次沖壓，凡處理過的表面(如凹?？赗、拉延筋)會(huì)產(chǎn)生鏡面效果。這主要是表面抵抗粘接能力增強(qiáng)，板料表面幾乎不可能粘接在模具表面，越用越亮。而未處理前，表面易產(chǎn)生粘結(jié)，無論怎樣拋光模具表面并強(qiáng)化潤滑幾乎不可改善。
與任何設(shè)備及模具工裝一樣，再先進(jìn)的處理工藝也不可能一勞永逸，表面激光處理模具也需要精心維護(hù)、悉心保養(yǎng)，適時(shí)地研磨拋光技巧，正確地維護(hù)保養(yǎng)方法。優(yōu)良的沖壓作業(yè)環(huán)境，能延長模具壽命、穩(wěn)定沖壓件質(zhì)量。
模具材質(zhì)的差異，其所作用的制品材質(zhì)和厚度不同，所要求的激光硬化層厚度也不同。鋼板厚度為1.5mm以下，材質(zhì)為ST12-ST16，拉延模材料宜用低合金鑄鐵或球墨鑄鐵，表面處理厚度一般為0.5～0.7mm，表面硬度為58～62HRC。
1. 模具表面清潔
每沖壓1500～2500件，用專用的清洗液沖洗模具工作表面，除凈油污、鐵屑和砂粒等異物，用壓縮空氣吹干。
2. 拋光模具表面
激光處理表面經(jīng)過1500～2500次拉延作業(yè)，表面會(huì)發(fā)現(xiàn)輕微粘結(jié)點(diǎn)，產(chǎn)品表面有細(xì)劃痕，作業(yè)完成后，用超細(xì)油石(800～1200目)輕推這些有手感的粘結(jié)點(diǎn)，直到手感光滑不發(fā)澀為止，油石拋光時(shí)最好沿走料方向反復(fù)推，切忌用粗油石或砂磚、砂輪拋打，否則會(huì)破壞周圍正常的光潔表面。
這些細(xì)小的粘結(jié)點(diǎn)或粘結(jié)線，實(shí)質(zhì)不是上述真正意義的冷焊粘結(jié)現(xiàn)象，鑄件精加工后有細(xì)微的凹坑，坑的邊緣像一把刀刃，材料在模具曲面變形區(qū)受擠壓擠入凹坑，流動(dòng)時(shí)微孔口邊緣鏟下一層，再?zèng)_壓再鏟一層，直至填滿微孔，凸出微孔口緣，狀如積瘤，大到一定程度被板料帶走，因此這些小凸點(diǎn)不會(huì)有過大的，所產(chǎn)生的劃傷約為0.02～0.04mm。
3. 鋼板表面清潔
從鋼板開卷下料到?jīng)_壓作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，要優(yōu)化物流環(huán)境，每天擦洗地板，防止灰塵污染;板料使用的器具、托盤等定期清洗;存放板料垛用專用防塵罩覆蓋、遮蔽，轉(zhuǎn)運(yùn)料垛用塑膜包封。
4. 沖壓潤滑
適當(dāng)潤滑是必要的，尤其是人工送取件沖壓線，沖壓潤滑取決于沖壓件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、壓機(jī)速度及板料清潔程度。自動(dòng)沖壓線用板料經(jīng)過沖洗涂油則另當(dāng)別論。
硬質(zhì)顆粒一旦劃傷模具，再好的潤滑油膜也不能阻擋拉毛。模具表面激光處理能減輕潤滑頻次，同等潤滑條件，產(chǎn)品表面無需拋光。
汽車覆蓋件沖壓作業(yè)是整車制造四大工藝之一，是車身制造中的首要環(huán)節(jié)，沖壓件質(zhì)量水平奠定了車身質(zhì)量的基礎(chǔ)。車身覆蓋件冷沖模表面激光處理，能有效提高模具表面硬度、細(xì)化晶粒，從而提高表面抗咬合、抗粘結(jié)能力。激光處理不僅可降低模具維修頻次，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，延長模具壽命，而且能顯著提高沖壓件質(zhì)量。
