王朝銳　李海波　黃明新　龐勝軍

摘要：某車型行李箱蓋在使用過(guò)程中發(fā)生鎖扣斷裂失效，本文通過(guò)進(jìn)行掃描電鏡微觀分析斷裂樣件，確定鎖扣失效的模式；然后通過(guò)對(duì)鎖扣力學(xué)性能、零件定義、車身制造精度及裝配調(diào)整等方面展開(kāi)分析，得出鎖扣耐久性能不高和裝配調(diào)整較差等主要原因；最后通過(guò)更換鎖扣材料、局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和提高裝配精度；經(jīng)實(shí)車驗(yàn)證有效地解決了鎖扣斷裂問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：行李箱蓋；鎖扣；斷裂；分析；材料；裝配精度

1.緒論

隨著中國(guó)快速步入汽車社會(huì)，汽車已經(jīng)普遍進(jìn)入中國(guó)家庭。三廂轎車由于其較大的后備箱儲(chǔ)物空間獲得廣大家庭的青睞，行李箱蓋作為車主使用頻次較高的部件，要求有較高的可靠性和舒適性，給客戶帶來(lái)良好體驗(yàn)，如果客戶在用車過(guò)程中，如果存在行李箱鎖扣故障造成鎖不上或者突然彈開(kāi)等現(xiàn)象，會(huì)引起客戶的強(qiáng)烈抱怨，還會(huì)影響品牌形象。某車型在上市后，售后反饋客戶在使用一段時(shí)間后存在鎖扣失效，行駛過(guò)程中存在行李箱蓋突然彈起的現(xiàn)象，經(jīng)對(duì)故障車輛查看，發(fā)現(xiàn)行李箱蓋存在斷裂失效現(xiàn)象，這引起了客戶強(qiáng)烈抱怨，必須快速解決此問(wèn)題。

2.行李箱蓋鎖扣斷裂失效模式分析

為了快速解析鎖扣斷裂問(wèn)題，下面結(jié)合斷裂失效模式，分析鎖扣斷裂的產(chǎn)生原因。

市場(chǎng)售后部門提供了某車型出現(xiàn)行李箱蓋無(wú)法關(guān)閉的一些數(shù)據(jù)，我們隨機(jī)抽取9輛故障車，見(jiàn)圖1所示，經(jīng)初步查看故障車確認(rèn)是行李箱鎖扣已經(jīng)斷裂（圖2），鎖與鎖扣的嚙合部位存在磕碰痕（圖3）。為了更好的解析鎖扣失效模式，需要對(duì)其進(jìn)行斷口分析和掃描電鏡微觀分析。

2.1鎖扣斷口分析

經(jīng)過(guò)斷裂實(shí)物斷口分析，見(jiàn)圖4所示，九件行李箱蓋鎖扣的斷裂形態(tài)類似，在鎖扣的框形部位兩條邊處分別發(fā)生斷裂，對(duì)應(yīng)的斷口分別編號(hào)為斷口A和斷口B。斷口A為典型的雙向彎曲疲勞斷口，裂紋起源于鎖扣相對(duì)兩側(cè)的次表層（據(jù)表面約0.2mm），最后斷裂區(qū)呈線條狀并位于斷面的中部；斷口B表現(xiàn)為拉伸疲勞斷口，裂紋呈周向起源，最后斷裂區(qū)在斷口心部并呈圓環(huán)狀。和斷口A相比，斷口B的最后斷裂區(qū)面積較大，據(jù)此判斷斷口A部分先發(fā)生斷裂，而后斷口B處發(fā)生斷裂。

2.2電鏡微觀分析

由于九件鎖扣的斷口形態(tài)類似，下面選取4#鎖扣斷口進(jìn)行掃描電鏡微觀分析。斷口A的微觀形貌從兩側(cè)表面到心部依次為沿晶-韌窩+準(zhǔn)解理-疲勞-韌窩。即：表層為過(guò)載開(kāi)裂形態(tài)，然后過(guò)渡到疲勞開(kāi)裂，表層過(guò)載開(kāi)裂特征與次表層疲勞起源區(qū)特征有明顯的分界線（見(jiàn)圖5中的A2和A5），最后在斷面中心處瞬間斷裂，最后斷裂區(qū)呈線狀（見(jiàn)圖5中的A4）。斷口B與斷口A類似，從表面到心部的微觀特征依次為沿晶-韌窩+準(zhǔn)解理-疲勞-韌窩。表層過(guò)載開(kāi)裂區(qū)與疲勞起源區(qū)同樣分界明顯（見(jiàn)圖5中的B2）最后斷裂區(qū)在斷口中部并呈圓環(huán)狀。

通過(guò)斷口微觀特征分析表明，行李箱蓋鎖扣在疲勞開(kāi)裂前，其表面已存在因過(guò)載應(yīng)力作用而產(chǎn)生的初始裂紋。

因此通過(guò)上述分析可以判斷行李箱蓋鎖扣為疲勞斷裂，發(fā)生疲勞斷裂的原因是其表面存在初始裂紋。

3.行李箱蓋鎖扣斷裂原因解析

針對(duì)初始裂紋產(chǎn)生的原因，從鎖扣的工作原理進(jìn)行解析，見(jiàn)圖6所示，其主要是從零件的性能定義、零件的產(chǎn)品定義和車身制造調(diào)整等方面進(jìn)行分析。

3.1零件性能定義

由于該鎖扣為供應(yīng)商所供零件，為了更好檢查發(fā)生斷裂后的零件是否滿足定義要求，對(duì)鎖扣的強(qiáng)度進(jìn)行分析見(jiàn)圖7，經(jīng)過(guò)分析，鎖扣的強(qiáng)度滿足強(qiáng)度定義，表1：

為了能進(jìn)一步核查鎖扣的耐久性能要求，采用CAE軟件分析鎖扣耐久的可靠性，通過(guò)分析得知（圖8）鎖扣斷裂處的循環(huán)18700次，較目標(biāo)要求（2萬(wàn)次）偏低較多。當(dāng)車輛行駛在路面狀況不良的道路上時(shí)，存在鎖扣斷裂的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)加大。

3.2零件材料核查

3.2.1金相組織

經(jīng)過(guò)金象組織分析，該鎖扣板厚2.5mm，經(jīng)過(guò)碳氦共滲處理，金相組織：心部為鐵素體+少量珠光體，圖9所示，表面組織為馬氏體。

3.2.2化學(xué)成分

為了確定鎖扣的材料是否符合定義要求，采用直讀光譜測(cè)表層和心部（距表面距離≥0.4mm）的化學(xué)成分，見(jiàn)圖10：

3.2.3維氏硬度梯度

鎖扣心部硬度137HV0.3，表面硬度632HV0.3，滲層深度0.32mm。采用維氏硬度來(lái)表征從表面硬化層到心部的硬度變化，見(jiàn)圖11，有效硬化層深度0.09-0.1mm 515HV0.05（參考GB/T 9450-2005）。

3.2.4材料分析結(jié)論

綜合分析，推測(cè)鎖扣材料所用材料牌號(hào)為SPHC，板厚2.5mm；零件表面經(jīng)過(guò)碳氮共滲處理和淬火回火處理，表面硬度632 HV 0.3，有效硬化層深度0.09-0.1mm。

3.3鎖扣探傷檢測(cè)

為了檢查鎖扣生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中是否產(chǎn)生缺陷，進(jìn)行鎖扣抽查工作，對(duì)零部件進(jìn)行著色探傷分析見(jiàn)圖12，經(jīng)過(guò)分析，鎖扣沒(méi)有產(chǎn)生缺陷。

3.4鎖扣裝配工藝核查

經(jīng)過(guò)調(diào)查鎖扣的裝配過(guò)程，發(fā)現(xiàn)總裝制造時(shí)在調(diào)整鎖扣需要用榔頭用力敲擊調(diào)整，導(dǎo)致鎖扣表面產(chǎn)生缺陷。從零件的失效分析來(lái)看，鎖扣的斷裂失效形式首先是表面產(chǎn)生為裂紋，然后裂紋擴(kuò)展，直至最終徹底斷裂，通過(guò)斷裂的鎖扣表面裂紋進(jìn)行分析，鎖扣表面已經(jīng)產(chǎn)生微裂紋，車輛交付用戶使用后，隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)生失效。帶有微裂紋鎖扣的車輛經(jīng)過(guò)用戶使用后極有可能發(fā)生斷裂。

進(jìn)一步調(diào)查發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)行調(diào)整鎖扣是由于安裝時(shí)鎖及鎖扣的對(duì)中性很難調(diào)整到位，導(dǎo)致由于鎖和鎖扣的安轉(zhuǎn)時(shí)是Y向調(diào)整量很小，關(guān)閉行李箱蓋時(shí)鎖扣會(huì)磕碰行李箱鎖，導(dǎo)致關(guān)閉不暢如圖13，為此，現(xiàn)場(chǎng)裝配工人不得不通過(guò)榔頭敲擊的方式來(lái)調(diào)整鎖扣，導(dǎo)致鎖扣表面產(chǎn)生微裂紋，經(jīng)過(guò)分析鎖及鎖扣的尺寸鏈，計(jì)算得出按照沖壓件的公差分配，車身的焊接精度無(wú)法滿足裝配要求。

從尺寸鏈的分析結(jié)果來(lái)看，按照當(dāng)前的沖壓件精度和焊接精度控制要求，鎖和鎖扣發(fā)生磕碰的概率在58.3%如圖14，生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中發(fā)生鎖與鎖扣的磕碰的概率較高，導(dǎo)致只能通過(guò)強(qiáng)行調(diào)整鎖扣來(lái)保證鎖與鎖扣的對(duì)中性能。

4.解決方案及驗(yàn)證

根據(jù)原因分析，引起鎖扣斷裂的原因如下，見(jiàn)表2，并給出一些可行的解決方案，并分別進(jìn)行分析驗(yàn)證。

4.1鎖扣結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先是優(yōu)化鎖扣的結(jié)構(gòu)，將鎖扣局部較薄弱的部位進(jìn)行加強(qiáng)（圖15所示），經(jīng)過(guò)CAE仿真分析結(jié)果來(lái)看，從云圖上可知（圖16），鎖扣兩側(cè)變寬后薄弱點(diǎn)從拐角處向右側(cè)轉(zhuǎn)移，且更集中。原方案鎖扣折彎處循環(huán)次數(shù)18700次，新方案為22000次，增長(zhǎng)17.6%，效果比較明顯，可以滿足要求。

4.2鎖扣材料更改分析

材料由SPHC換成QSTE420，循環(huán)次數(shù)明顯增長(zhǎng)，1890000次（見(jiàn)圖17所示），相比未改善前18700次，效果非常明顯，可以采用。

4.3車身制造精度和裝配調(diào)整

為了降低工人在鎖扣裝配過(guò)程中對(duì)鎖扣造成鎖扣傷害發(fā)生的概率，在原有鎖扣調(diào)節(jié)量的基礎(chǔ)上（圖18），增加了鎖扣的調(diào)整量，對(duì)后門檻梁及鎖扣加強(qiáng)板等零件進(jìn)行優(yōu)化，將鎖扣的Y向調(diào)整量更改±3mm（圖19）。同時(shí)，為避免因鎖扣安裝孔變大導(dǎo)致松脫風(fēng)險(xiǎn)，鎖扣擰緊力矩由4.5Nm±10%增加至10Nm±10%。

經(jīng)過(guò)實(shí)際裝車驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，增加鎖扣的調(diào)整量之后，有效降低鎖扣裝配環(huán)節(jié)磕傷的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工人采用工裝進(jìn)行調(diào)整和裝配，不會(huì)對(duì)鎖扣進(jìn)行強(qiáng)行敲擊來(lái)調(diào)整。

4.4實(shí)施方案效果

通過(guò)優(yōu)化鎖扣結(jié)構(gòu)和更換材料的方案，并進(jìn)行制造裝配調(diào)整，保證鎖和鎖扣開(kāi)閉對(duì)中，經(jīng)過(guò)路試及開(kāi)閉耐久等耐久性驗(yàn)證后，鎖扣均沒(méi)有斷裂。并且通過(guò)后期市場(chǎng)反饋來(lái)看，鎖扣的優(yōu)化方案已消除了鎖扣斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

5.結(jié)論

本文針對(duì)鎖扣的斷裂失效模式和斷裂原因進(jìn)行了解析，從設(shè)計(jì)和制造等方面進(jìn)行分析，找出失效的可能原因并提出有效的解決方案，為后期車型鎖及鎖扣的開(kāi)發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于此類涉及到耐久可靠性零件的改進(jìn)驗(yàn)證周期及費(fèi)用均較高，需要耗費(fèi)過(guò)多的精力與金錢，因此在后續(xù)車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，建議盡量選擇強(qiáng)度更高的鎖扣材料及結(jié)構(gòu)，提高鎖扣自身的耐久可靠性，來(lái)避免鎖扣的失效。