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BUICK后桥桥架生产中出现拉伸破裂的解决办法 |
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newmaker 来源：中国机械与金属 |
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本文以在冲压生产过程中，后桥桥架出现批量开裂的现象为例，详尽地阐述了模具修改方案的确定过程、修改的原则、方法，并定性、定量地展示了模具修改的全过程。为遇到类似冲压问题的相关人员提供参考和帮助。
问题的发生
2012年3月，作为BUICK 后桥总成中的主要件—后桥桥架（见图1）在冲压生产过程中，发生在第一道落料预成形时，在其一端的凸台处出现大批量的拉伸破裂问题（见图2中圆圈部分）。而据冲压部门的统计，废品发生率大约在50%左右，情况严重时甚至达可到80%，这使生产面临停产的危险，并将可能导致中断向客户供货的严重后果。
图1 后桥总成中的后桥桥架
图2 后桥桥架拉伸破裂实物照片
问题的起因及解决办法
是什么原因导致现在的严重局面？要找出问题的原因，还需从BUICK 后桥生产的历史开始。BUICK 后桥桥架的冲压工艺比较复杂，需通过落料预成形等共9道冲压工序来完成。而由于冲压难度大，因此整套模具是花了大量外汇由加拿大工程公司设计制造提供的。冲件的板材也完全采用北美进口的牌号为SAE 1008～1010，厚度为2.0+ 0.40的DDQAK（深拉伸特别镇静级）钢板。根据有关数据的记录，当时，在后桥桥架在第一道落料预成形时，偶尔也曾产生少量的拉伸开裂现象，但数量并不多，约在3～5%左右，且后来随着模具的使用，质量情况渐入佳境。然而，由于从北美进口的钢材受价格、供货日期等因素的影响较大，因此从2003年1月开始，经用户同意并试冲，决定改用日本的牌号为SPHE，厚度为2.0+ 0.40的热轧钢板。
意想不到的是，在完全采用日本上述钢材替代北美进口材料生产后不久，却发生了这么严重的废品率。日本钢材供货商的有关技术专家因此被急召至生产现场。日方认为他们提供的钢材是符合双方的合同技术要求的，只是材料的机械性能在规定的允许范围内波动。最终，日方给出的结论是要求修改模具。
而这对于我们厂家而言，不啻是出了个大难题。因为北美进口的材料已经用完，再订货，起码再需3、4个月的时间，是“远水救不了近火”。面对一堆堆挂着“黄牌”的日本材料，你用也得用，不用也得用。只有“华山一条道”，没有退路。
如果不修改模具，摆在面前的，只有两种选择：要生产就得大批量报废，不生产就会中断对客户的供货。不论哪一种选择都是痛苦的，甚至是不能容忍的。这样，修改模具就成为唯一的选择。
修改模具所面临的困难
前面已经介绍，BUICK 后桥桥架的冲压工艺比较复杂，需落料预成形、成形、切周边冲四孔、四周翻边、两侧整形切头、整形、冲28孔、4孔翻边精整打标记、冲腰形孔，共9道冲压工序来完成。整套模具除第9道冲腰形孔外，都比较复杂，且为大型模具，整套模具是花了大量外汇由加拿大工程公司设计制造提供的唯一的一套模具。后桥桥架拉伸破裂是发生在第一道落料预成形工序，要修改的模具正是这第一道。然而，这道模具是集落料和预成形两种功能于一起的复合模（见图3），模具既大又复杂，要修改这副模具难度大不说，风险也大。
图3 第一道落料预成形下模照片
修改模具主张的确定
修改模具的责任十分重大。因为只有一副模具，若稍有不慎，模具被修整过头，再想返回，几乎是不太可能的事，因此后果将不堪设想。在充分听取大家的意见之后，结合以往这副模具实际的预成形的拉伸状况，以及北美和日本两种钢板材料的力学性能存在的差异，同时考虑到目前后桥桥架冲件拉伸破裂的严重程度，我们坚定地认为：面临的现状是模具必须修改，这是唯一的出路。修模虽有风险，但也蕴藏着成功和机会，只要认真确定好修改模具的方案，并循序渐进地修模，成功的把握还是很大的。
修改模具方案的原则
这副模具虽然在开始生产时，曾出现少量的开裂现象，但后来出现的状况逐渐减少，因此模具状态日趋完臻，用行话说，模具被用（磨）顺了。通俗地讲，就是模具上原来一些不利于（阻碍）拉伸的凹、凸点，模具间隙以及转角R等经过无数次拉伸被磨掉、磨大和磨顺了，此外，在开始改用日本材料时并没有桥架被拉破的情况出现，这说明日本料的拉伸性能虽然比北美料差，但性能指针相差不太大。再次，后桥桥架被拉破的部位集中在桥架一端的凸台处，即“走料”比较困难和“用料”较多的地方。也就是说，如果能够使“走料”困难变为不困难，使“用料”较多的地方材料能及时得到周边材料的补偿。那么，拉伸开裂的问题就完全可以得到解决。
修改模具方案的思维过程及内容
上面修改模具方案的确定只是从理论上作了定性的分析，而真正需确定的内容还包括具体的修模位置及范围、修模（磨）量、修模角度、放大间隙量、转角R放大值、以及判断哪些部位体内因还存在不利于冲压拉伸的“硬点”而需要加以去除等等。所有这些内容，要正确地确定其部位并给予量化，是很难的，因此要尽可能一次成功（因为时间紧急），并做到万无一失，实非易事。这要借助于视觉的非语言思维过程，即一种创造性思维。这些非语言思维来源于经验、物理要求、空间想象及形状感觉能力，靠的是理论与实践的反复验证，从而得到一种“悟性”。这个感觉有时很难用语言来表达，也就是平时所说的“只能意会，不可言传”。同时，也印证了“实践出真知”这个道理。
在图4中可以看到，两处：1～2；一处：0.5～0.8；另一处：R放大1～2；在最左侧还有一个“鸭蛋形”黑圈等数字及符号。
图4 修改模具方案上的签名
修改模具方案各数字及符号所代表的含义
这些数字及符号各代表了不同的含义。其中两处1～2是表示要求在后桥桥架凸模芯的两个突出部位（见图5）按其形状各磨低1～2mm，目的是降低凸模芯的高度，作用是使“走料”困难变为不困难，使“用料”较多减为较少，且该处的材料易于流动并能及时得到周边材料的补偿。一处0.5～0.8是表示要求在后桥桥架凸模芯的侧面部位按其形状磨去0.5～0.8mm厚的材料，目的是加大该处的模具间隙和缩小凸模芯的体积，作用是使“走料” 困难变为不困难，使“用料” 较多减为较少、并将多出的料补偿给破裂处，且该处的材料能及时得到周边材料的补偿。而另一处R放大1～2是表示要求在后桥桥架凹模的“三角形”转角部位的两R在原来的基础上给予放大，目的主要是减少拉伸时材料向内流动的阻力，作用是便于边缘的材料向开裂处的部位流动补偿（这是主要的），同时亦会使“用料”较多减为较少（因为R角越小，用料越多，反之则越少），不过这个多余量是较少的。
图5 拉伸硬点印
那么，“鸭蛋形”黑圈表示什么呢？这表示，在该部位的凹凸模在拉伸时，产生明显的硬点，表明这里的模具间隙特别紧，参考图5中椭圆黑圈内部分。需要将该部位的凸模和凹模按该处的形状都适当磨掉些，目的是加大该处的模具间隙，作用是拉伸时材料不至于被上下凹凸模“夹死”，使“走料”困难变为不困难，同时由于凸模的磨低，也会使“用料”较多减为较少的效果，当然和上面一样，这个量也是较少的。
此外，在图5中没有圈出的球面凹坑处，是表示为了有效地减少破裂部位的材料用量，需适当磨低凹坑处凸模的球面。但修磨此处必须十分谨慎，因为预拉伸凹坑球面是为了后道成形有足够的材料被用于成形，而如果凹坑处凸模的球面被磨去过低，将会导致后道成形没有足够的材料被用于成形而拉破，造成顾此失彼的局面。
可见，上面的各项措施都是围绕能够使被拉破位置的“走料”由困难变为不困难，同时使被拉破位置的“用料”能及时得到周边材料给予补偿的目的展开的。
确定修模方案原则的依据
确定上述修模方案的依据是什么？要回答这个问题，除了上面已经介绍的三点理由外，还需对方案确定前的现场试模作一个简单的回顾。当时，为了取得第一手数据，我们在方案确定前，重新进行了一次现场试模，以判断开裂的情况到底有多严重，以及评估通过调整冲压工艺参数可以达到怎么结果。在试模过程中，我们通过调低模具的压边力，在压边处不产生起皱的前提下，使气垫压力由原来的3～4 Kg调低为2.3～2.5 Kg，冲了12张板料共48件，其中有4件明显开裂，7件隐性开裂，废品率23%。
确定修模方案的另一个依据是根据对北美和日本材料所做的一个详细对比。根据公司质保部和用钢所提供的用于BUICK后桥桥架的北美和日本材料的检测报告的有关数据以及相关标准，日本材料机械性能的标准显然比北美料低，且尽管延伸率试样的B0取25，但实测结果38还是比北美料的41低（注：如B0同样取12.5，则实际延伸率一般还会低4%左右，即延伸率并不是38，而约为34）。不仅如此，日本材料的屈服强度一栏并未有规定要求。因此，不难看出，日本料与北美料机械性能的主要区别在延伸率和屈服强度两项，尤其是延伸率方面差异较大。这就是在同一副模具上，拉伸时产生不同结果的主要原因所在。
修模的方法和原则
根据方案确定前的现场试模以及两种材料性能的对比，修改模具的方法最终得以确定。为了更形象地说明问题，可借用历史上“围魏救赵”的成语典故来比喻。这个典故是讲战国时期，齐国为了救赵国，齐国的孙膑设计围打魏国而成功营救赵国的战术。假如把后桥桥架的“开裂部位”看作为需要解救的“赵国”，而把后桥桥架的“凸台部位”看作为需要攻打的“魏国”。这样就不难理解修改模具的方法了。这个比喻虽不十分贴切，但却非常形象。我们需要解决的是开裂部位，但要着重去做的却是凸台部位。桥架的开裂部位是由于在拉伸过程中缺料，且又得不到周边部分的材料及时的补充引起的，而在旁边的凸台处在拉伸过程中恰恰又是用料最多的部位，如果能将凸台的高度适当地降（磨）低，则会对桥架的开裂部位在拉伸过程中产生两个有利的作用，一是由于凸台处的高度适当的降低，会更有利于材料的流动，使得周边部分的材料及时给予开裂部位的补充；二是由于凸台处的高度适当的降低，减少了凸台处本身的用料，使得有多余的材料能给予开裂部位的补充。简单来说，修模的总体原则是：先重点，后一般；先凸台，后圆角；先硬点，后虚印；先间隙，后光洁，这么一个循序渐进的过程。
修模的参照物和具体实施过程
为了使修整（磨）模具工作能够在确保万无一失的情况下进行，我们选取了一个可靠的操作参照物，而这个参照物就是后桥桥架的拉伸破裂件（参见图4、图5）。否则，对这么复杂的模具型腔进行修整（磨）将无从下手。
由于前面对修模的方案进行了认真、周密地分析考虑，因此，修模的具体实施过程就显得比较容易了。首先，我们在打开模具型腔需要修磨的部位和范围做了相应的记号（见图6中蓝色圈内所示部位。注：其中5处打剖面线记号的主要是修磨下模的该处部位；另一处未打剖面线记号的主要是修磨上凸模的对应位置及该处的少量修磨。）在模具修理人员的精心细致操作下，我们按照前面所确定的：先重点，后一般；先凸台，后圆角；先硬点，后虚印；先间隙，后光洁，这个循序渐进的修模原则，经过将近一天的工作，最终达到了上下模腔间隙均匀、拉伸变形程度合理、材料流动顺畅的预期效果。
图6 修模的具体部位
模具修整的效果
经修磨后的模具实际效果如何呢？应该通过试模和批量生产两个步骤来验证。
试模的结果
修模后的试模冲件用料是用挂黄色牌子的板材（即原来生产时曾产生严重开裂的材料），气垫压力是2.7～2.8Kg，板料单面加油，模具表面一次加油冲5件，共冲30件。其中，凸台一端（即原来严重开裂的部位）经修模后全部合格；无凸台一端（即桥架的另一端，因之前未提出存在隐性裂纹的现象，故未修模）有3件有约1～1.5长的隐性减簿痕迹。第二道成形，气垫压力是3Kg，试冲后，凸台一端30件仍然是全部合格。无凸台一端的3件隐性减簿痕迹部位因不在拉伸变形区域，故冲后没有发生变化（之后，对第一道落料预成形模具的无凸台一端，曾产生隐性减簿痕迹的部位也作了修整）。从试模的结果来看，经修磨后的模具实际效果是令人满意的。那么，批量生产的情况又是怎么样呢？
批量生产的状况
BUICK后桥桥架第一道落料预成形模修模后的批量生产的模具验证工作分三次进行，分别汇总如下：
第一次
第1道落料预成形，使用800吨压机，气垫压力2.7～2.8 Kg，冲了28件，桥架有、无凸台处均无开裂出现，全部合格。
第2道成形，使用800吨压机，气垫压力2.3～2.5Kg，冲了28件，桥架有、无凸台处均无开裂出现，全部合格。
第3道—切周边冲四孔、第4道—四周翻边，因有其他模具在冲，未试。
第5～9道分别是：两端整形切头、整形、冲28孔、4孔翻边精整打标记、冲腰形孔（线束孔）因冲压设备能力，要等前4道冲完后，调换模具再冲。
第二次
第1～4道分两个班次共冲了2,047根，有11根出现开裂现象（据质保和模具修理人员处了解，均未出现开裂，是隐性缩颈痕迹，约母指甲大小，且大多出现在有凸台处，系球面底部拉毛所致，模具经抛光后，即解决。）废品率为0.5%。（注：低于历史3～5%）
第三次
共生产了3,700多根。仍然用原日本板料，包括3叠挂黄色牌子的板料。据车间反映，生产状况良好，虽有14根隐性小开裂，但并非模具原因，而是由于气垫压力、加油等操作问题和模具拉毛引起的。如把这些也算进去，废品率是0.3%。可以说，第一道落料预成形模的修磨结果达到了预期目的。
日本材料的改进
为了确保今后的BUICK后桥桥架生产件的质量更可靠、稳定，在本次对第一道落料预成形模进行修整后，产品工程部、用钢研究所、质保部、采购部、和国贸部等相关部门联同日本钢材供货商重新对用于BUICK后桥桥架冲件的板材技术要求进行了审定，尤其对材料的屈服强度和延伸率作了新的规定，将原来对材料的屈服强度不作考核改为≧180（注：不足的是仅规定了下限值，上限没有作约束）；延伸率由原来的≧35%，改为≧38%(目标值≧40)（注：因桥架成形时各向受力复杂，如能对各向异性作规定，则更加有利）；试样标准由原来的JIS G3131-1990标准，L0=50，B0=25，改为统一按照北美的ASTM A370标准，即L0=50，B0=12.5。
经过以上各项措施后，BUICK后桥桥架冲压件的质量一直比较稳定、可靠。但经验告诉我们，日本材料的稳定性有时会不尽如意，尤其在各向异性方面的差异比较大，这点在今后的生产中还须引起足够的重视。不能把问题的解决仅仅寄托在模具的无限制修整手段上，而不顾材料的质量控制。(end)
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(1/19/2013) |
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