在正常沖壓作業環境下，車身覆蓋件模具的主要失效形式是：模具表面粘結形成積瘤，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，尤其對一些骨架件或加強板件而言，劃痕處的應力集中是導致破裂的主要原因之一。為了提高覆蓋件質量，維修鉗工不得不研磨模具表面除去積瘤，并且需拋光產品表面劃痕。而頻繁拋光打磨，既破壞了最初的模具形面，又降低了生產效率，最終導致沖壓件精度降低，模具過早失效。 拉延工序件產生拉毛的主要因素 車身覆蓋件質量主要取決于拉延工序質量，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階段改善或優化，最后一種缺陷伴隨著模具應用的全過程，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，又產生拉毛。本文探討對象是拉毛缺陷產生機理、危害及其改善途徑。 模具作用于鋼板表面夠成一對摩擦副，摩擦副之間的硬質顆粒也會造成拉延工序件產生拉毛缺陷，同時損傷模具表面。這些顆粒來自鋼板表面、臟污的模具表面及工作環境等。這種缺陷，只能依靠清潔環境、清洗板料和模具表面才能改善或消除。外來硬質顆粒不在本文分析范圍。 1. 拉延模表面粘結瘤的生成 車身覆蓋件拉延時板坯滑過模具表面，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油膜先失去，吸附層破壞，產生原子級接觸而出現冷焊現象。模具表面和板料表面的金屬離子相互吸附、擴散，由于板料軋制和模具鑄造或加工等產生晶粒缺陷，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、粘結在模具表面上，隨著拉延繼續深入，板料連續滑過模具表面，這些先粘附高點更易擠壓破壞板料表面油膜而吸附、擴散和剝離板料表面，發生再次粘結。多次拉延，造成粘結點增生形成“積瘤”。 “積瘤”的每層金屬晶粒都經過了晶粒破碎和位錯變化，金屬塑性變形抗力增大，其硬度和強度顯著升高，塑性和韌性下降，即產生加工硬化現象。“積瘤”具有比板坯材料更高的硬度，可達到板料硬度的2～3.5倍。拉延不斷進行，長高的積瘤像一把鏟刀，鏟去滑過積瘤處的板料金屬，產生劃傷鱗刺和犁溝損傷。如圖1所示，積瘤使沖壓件表面產生的拉毛劃傷。 圖1 重卡保險杠端頭嚴重拉毛缺陷卡車前保險杠拉延工序如圖2示所，板料厚1.2mm，模具材料為低合金鑄鐵，模具凸、凹模分界線隨產品結構分型。因產品結構深，材料流動阻力大，無論怎樣補充壓邊面，修邊時拉毛部位不能全部修凈。產品拉延輪廓外表面輕者劃傷，重者出現犁溝和鱗刺現象；這時，仔細觀察模具表面，有粘結斑痕，拋光模具表面，再拉延幾乎無改善。造成上述現象的原因是，產品拉延深，拉延流動阻力較大；拉延時摩擦發熱，模具和板料間咬合、粘結在模具表面而產生積瘤。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，極易產生粘結現象，模具硬度越低粘結趨勢增大，而且為雙向互粘結，即此時模具表面和板料表面剝離幾率相等。經過不同熱處理，模具表面硬度提高，增強了模具表面抗粘結能力。 圖2 卡車保險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生原子擴散，形成金屬鍵而產生粘結剝離。 2. 覆蓋件拉延表面拉毛的主要危害 （1）拉毛增大拉延阻力。沖壓作業時，拉延件表面拉毛增加了壓邊面進料阻力，要么頻繁調整設備壓力以維持最佳壓力條件穩定產品質量，要么產品棱線及危險段面產生吸頸和破裂的概率增加數倍。 （2）拉毛刻痕易產生應力集中。覆蓋件表面拉毛易產生應力集中，導致覆蓋件首先從劃傷處出現裂紋，致使車身早期損壞。 （3）拉毛刻痕易產生涂飾缺陷。拉毛刻痕在涂飾時，易出現細微排氣不暢，導致漆膜與金屬面間有氣隙，因震動或碰撞，氣隙處漆膜破裂而進氣、進水，生銹由此先生。 （4）增加人工修件工時。車身覆蓋件因產品結構特點，許多產品表面拉毛必然留在產品上。手工拋光打磨，會產生工時浪費。如保險杠制品周邊拉毛修復，每人每天8h作業，僅可修復約50件。 （5）大型壓機臺時浪費。沖壓作業每拉延40～50件，需停機拋光模具表面，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，是解決保險杠拉延模粘結積瘤缺陷的有效途徑之一。與常規火焰淬火相比，激光處理能進一步提高模具表面硬度，增強表面抗粘結能力。 激光表面強化技術目前主要的應用方式有兩種：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。該技術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，對于反復補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而低于熔化溫度（升溫速度可達105～106℃/s）。當激光束離開被照射部位時，由于熱傳導的作用，處于冷態的基體使其迅速冷卻而進行自冷淬火，（冷卻速度可達105℃/s），進而實現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，所以得到超細晶粒度的硬化層組織，顯微組織為極細的板條馬氏體和孿晶馬氏體，硬度明顯高于常規熱處理硬度。 圖3所示為CrMo鑄鐵經激光強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HV800以上，表面硬度值比常規熱處理工藝可提高20%以上，耐磨性提高5～10倍。拉延作用時，摩擦副硬度差增大，表面抗吸附、粘接能力顯著增強。 圖3 CrMo鑄鐵經激光強化處理后的硬度分布2. 激光相變硬化組織 圖4所示為CrMo鑄鐵經激光相變硬化處理后的金相組織。由圖可見，CrMo鑄鐵強化組織由兩層組成，第一層（a圖下邊緣約20mm區域）為不易侵蝕的白亮層，它具有比原來高得多的顯微硬度，用超聲波硬度計檢測為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。 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化，為極細的位錯馬氏體和孿晶馬氏體組織，板條馬氏體位錯密度極高，且含有較多的殘余奧氏體。隨著晶粒細化，晶界數目增多，疲勞裂紋擴展受到阻礙，同時晶粒細化，碳化物彌散分布，使得在交變應力下不均勻滑移程度減小，推遲了疲勞裂紋核心的產生；而位于馬氏體板條間的殘余奧氏體是一種韌性相，當擴展中的裂紋遇到韌性相時，擴展受阻，延遲了裂紋的形核及擴展速率；而且激光相變硬化表面可產生數百兆帕的殘余壓應力，提高了材料疲勞強度。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。 模具激光表面強化優點，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；強化部位機械性能參數可以較準確地控制，對于一些傳統工藝難以處理部位，也比較容易實現。 3. 激光處理模具使用情況 保險杠模具經過激光處理，表面硬度58～62HRC，厚度0.5～1.2mm，已累計沖壓29000件。2009年6月，最多一個批次排產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所示為保險杠凹模，圖6所示為已沖壓近3萬件的保險杠拉延表面效果。 圖5 激光處理保險杠凹模該種車型以每年8 000臺計算，拋修頻率平均50件一次，每次10min，停機拋修模具工時為26.7h，大型壓機綜合臺時費為1 200元，年節約設備臺時費32 000元，無需拋光制品，節約的人工修件費尚未計算。 圖6 激光處理后保險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、分批處理了卡車側外板、門內板模具，商用車側圍、前圍及背門外板模具。 激光處理工藝也可運用到已經調試定型，尚未做任何表面處理的模具。諸如，引進的德國寶馬新五系轎車側圍外板、門內板、后行李箱蓋和發罩外板等模具。德國模具擁有一個特點，交付使用模具表面未作任何熱處理即投入小批量生產。大型覆蓋件拉延模表面火焰淬火，溫度場效應大，易產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，一貫小心謹慎的德國專家先在轎車后側圍內板做激光處理試驗，試驗參數經過調整優化，表面硬度均達到德國標準。經激光處理后硬度由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和保養 車身覆蓋件拉延模激光處理后，在正常的潤滑條件下經過數千次沖壓，凡處理過的表面（如凹模口R、拉延筋）會產生鏡面效果。這主要是表面抵抗粘接能力增強，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，表面易產生粘結，無論怎樣拋光模具表面并強化潤滑幾乎不可改善。 與任何設備及模具工裝一樣，再先進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、悉心保養，適時地研磨拋光技巧，正確地維護保養方法。優良的沖壓作業環境，能延長模具壽命、穩定沖壓件質量。 模具材質的差異，其所作用的制品材質和厚度不同，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 激光處理表面經過1500～2500次拉延作業，表面會發現輕微粘結點，產品表面有細劃痕，作業完成后，用超細油石（800～1200目）輕推這些有手感的粘結點，直到手感光滑不發澀為止，油石拋光時最好沿走料方向反復推，切忌用粗油石或砂磚、砂輪拋打，否則會破壞周圍正常的光潔表面。 這些細小的粘結點或粘結線，實質不是上述真正意義的冷焊粘結現象，鑄件精加工后有細微的凹坑，坑的邊緣像一把刀刃，材料在模具曲面變形區受擠壓擠入凹坑，流動時微孔口邊緣鏟下一層，再沖壓再鏟一層，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，因此這些小凸點不會有過大的，所產生的劃傷約為0.02～0.04mm。 3. 鋼板表面清潔 從鋼板開卷下料到沖壓作業現場，要優化物流環境，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，轉運料垛用塑膜包封。 4. 沖壓潤滑 適當潤滑是必要的，尤其是人工送取件沖壓線，沖壓潤滑取決于沖壓件結構、材質、壓機速度及板料清潔程度。自動沖壓線用板料經過沖洗涂油則另當別論。 硬質顆粒一旦劃傷模具，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，產品表面無需拋光。 結語 汽車覆蓋件沖壓作業是整車制造四大工藝之一，是車身制造中的首要環節，沖壓件質量水平奠定了車身質量的基? ３瞪碭哺羌涑迥１礱婕す獯恚苡行岣吣＞弒礱嬗捕取⑾富Я＃傭岣弒礱嬋掛Ш稀⒖拐辰崮芰Α＜す獯聿喚隹山檔湍＞呶奩蕩危跚嶗投慷齲映つ＞呤倜夷芟災岣叱逖辜柿俊