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基于质量控制方法的电子驻车制动系统开关开裂问题研究

2024-07-03 28 上传者：管理员

摘要：电子驻车制动系统开关外壳一般通过注塑成型制得，是电子驻车制动系统的触发接口。针对某车型售后开关开裂问题，通过采用质量控制方法探究开关外壳开裂的原因，对各个末端因素进行了逐个确认，最终明确失效的直接原因是退火的工序执行不到位，并据此制定了改进策略，从而有效改善了开关外壳质量，为类似塑料制品开裂问题提供了参考。

关键词：
开关
开裂
残余应力
电子驻车制动系统
质量控制
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电子驻车制动系统(Electrical Park Brake, EPB)是车辆主动安全系统之一，是新车型开发时需实施标定匹配的关键系统之一[1]。EPB开关是在原有机械手刹的基础上，把原有拉杆手刹操作杆转换成了一个集成开关，并添加一个控制模块和执行电机，通过电子线路控制停车制动[2,3]。

EPB开关外壳材料为聚碳酸酯(Polycarbonate, PC),具有很高的韧性，易加工制成大的刚性制品。广泛应用于各种领域。EPB开关外壳成型质量与许多因素相关，例如：注塑的工艺参数，注塑熔接痕位置，注塑成型后退火工艺处理等等。付云龙[4]研究开关面板零件的开裂机理以及对PC开关面板塑件的注塑成形过程进行了较全面系统的理论分析及现场试验，优化了其注塑成型工艺参数，可较好地消除PC开关面板制品在实际生产过程中所产生的开裂缺陷。吴旭等[5]研究PC开关失效的应力来源，验证了不同退火工艺对改善PC开关应力的效果。结果发现：对装配后的PC开关采用90℃,1小时的退火处理可以有效改善PC开关的应力开裂问题。本论文以EPB开关外壳为研究对象，采用PC为材料，以QC方法为分析手段，从人、机、料、法、环5个维度出发，探究开关外壳的开裂原因并制定相应对策，从而有效改善了开关外壳的质量。

1、运用QC方法分析EPB开关开裂的原因

某车型自2022年10月量产后，陆续收到多起EPB开关开裂的故障反馈，故障件中P键/A键均有开裂，裂纹不规则，存在批量风险趋势，需找出根本原因并制定对策。

在产品设计、制造和服务过程中，为了确保产品质量达到既定标准，为了确保使用最经济的手段实现质量的持续改进，一般应用质量控制方法[6],即，成立质量控制小组，通过现状调查、确定目标和分析原因，找出EPB开关开裂的主要因素[7,8]。

图1 EPB开关开裂

1.1初步原因分析

PC制品本身固有的缺点就是应力开裂，尤其是对原材料和工艺敏感，例如，加工压力过大，速度过快，充料愈多，注射，保压时间过长，都会造成内应力过大而开裂。主要解决办法就是退火处理，减少制件残余应力，例如，成型后立即进行退火热处理来消除内应力而减少裂纹的生成。因此对于开裂问题，一般首先需要分析原材料是否合格，是否为来料问题。经过核查供应商来料报告以及傅里叶变换红外光谱图：PC含量>99%,初步排除是PC原材料原因导致。

图2 PC原材料傅里叶变换红外光谱图

1.2要因分析

根据供应商端EPB生产流程：注塑-烘烤-喷漆-镭雕-装配，针对每一个环节，利用鱼骨图从人、机、料、法、环等方面分析导致开裂产生的可能原因，并对可能的原因逐一进行验证，采用试验结论、数据比对、作业观察等方式确定可能的原因是否为要因[9,10]。此次要因分析中，针对内应力导致开关开裂的情况分析出5条可能的原因，如图3所示。

图3 EPB开关开裂鱼骨图

1.3要因确认

对鱼骨图中识别出来的可能的原因进行逐项分析和验证，找到根本原因。

1.3.1模具设计及注塑参数不合理导致注塑熔接痕处断裂

注塑材料PC,主体壁厚1.6mm,产品尺寸：36.7×31.6×28.2mm。根据现场工艺注塑参数进行模流分析，可见开裂位置和模流分析的熔接痕位置不一致。所有故障件的开裂位置均不在熔接痕处，如图4所示。因此此条不是要因。

图4模流分析

1.3.2冷模报废执行不到位

考虑到现场生产时，可能将本该报废的冷模件错误的混入合格件中，导致冷模件装车后产生裂纹。首先，经现场核实，已经执行冷模报废；其次，即使冷模件未报废，对冷模件做高温高湿的验证试验(温度85℃,湿度85%),试验后，样品塑料部分无缩孔、变形和裂纹等缺陷。因此此条不是要因。

表1冷模件高温高湿试验

1.3.3导光柱装配压入力过大

导光柱装配为手工装配，没有工装，装配一致性较难保证，存在不确定的异常外力因素导致开关开裂。产线名义压入力为30N,在实验室用曲线测试仪施加100N的力压导光柱，按键表面未出现开裂，再进行热冲击试验，表面仍未开裂。因此此条不是要因。

图5导光柱压入图

1.3.4退火工艺执行不到位

对开裂的断口进行分析。对于宏观断口，断面整体较平整未见明显塑性变形和机械损伤。对于微观断口，断面起裂源区，扩展区和终断区均可见明显止列弧线，可判断样品是疲劳断裂，是内应力导致，如图6所示。

图6微观断口图

为进一步验证开关注塑后若残余应力未消除是否是导致开裂的根本要因，采用分组验证的方式：将冷模件和正常件一共分了14组，分组细节详见表2。无论是冷模件还是正常件，在CCL4(四氯化碳)中浸泡进行检测，未烘烤均有裂纹；而冷模件烘烤去应力后均无裂纹。可知是否有效烘烤去应力是要因。

PC材料注塑制品出模后在无外加约束条件下内部应力得不到松弛释放，易导致开裂，严重影响成品性能[11]。因此在产品开发时已明确定义注塑件成品要放入120℃±10℃的烘箱内2h退火烘烤去应力，理论上不会出现内应力导致开关开裂的问题。但是供应商在退火工序中，单托盘的成品叠放过多，炉内成品退火温度分布不均，尤其是叠在中间的成品未能有效退火，导致残余应力未消除。

表2 CCL4浸泡试验

图7冷模未烘烤产生开裂

1.4原因追溯

根据质量控制的五问分析法，结合相关工艺流程追溯开关开裂的根本原因——工艺文件未定义单层堆放的高度及数量，由于叠放太多导致退火工序不足。如表3。

表3 EPB开关开裂五问分析法

2、制定对策及实施效果

2.1制定对策

图8隔层网槽高度前成品过渡堆叠

在现有工艺指导书中，未对单托盘一次性放置多少个成品进行定义，供应商为了提高产能，在单层托盘上叠放了过多的成品(叠放5-6层),如图8。

为了平衡生产效率和消除残余应力，对单托盘叠放层数进行研究。根据工程经验，对单托盘叠放2-4层的成品进行研究。试验中，将试验品分成a、b、c组，分别叠放2层、3层、4层，在炉内退火后，各抽取托盘中心的25个样本放入CCL4中浸泡检测，观察是否开裂。试验结果为：a组样本无开裂，b组样本中有1个表面有轻微裂纹，c组样本中有3个开裂。为保证产品无故障，故叠放高度选2层为宜。

为排除工人不规范叠放成品风险，通过定义隔层网高度来间接控制叠放层数。EPB开关高度3.95mm,托盘高度7cm,将烘箱隔层网高度从24cm降低为10cm,这样，供应商每次最多只能叠放2层成品，同时，在点检表上增加退火温度、时长以及烘烤数量的记录。

2.2实施效果

对新工艺进行小批量试制，共生产500件，随机抽取50件进行CCL4浸泡检测，均未发现开裂，证明此工艺改善切实有效。自2023年1月起，3/6/12Mis呈整体质量表现呈好转趋势，未反馈售后不良。其中3Mis故障率由PPM从205降低为0。

3、结论

(1)对某车型投放市场后陆续收到多起EPB开关开裂的故障反馈，运用鱼骨图列出可能的原因，对各个可能的原因进行确认，并运用质量控制五问分析法，确认直接原因为单托盘的成品叠放层数过多，烘烤时炉内成品温度分布不均，导致叠放在中间的成品未能较好地去除残余应力；

(2)通过试验法确定最佳叠放层数为2层，并定义隔层网高度来间接控制成品叠放层数，从根本上消除了退火不充足的问题，有效改善了EPB开关质量，为PC外壳类产品提供了一定的参考。

参考文献:

[1]韩厚禄.EPB电子驻车制动系统设计开发[J].汽车工业,2022(01):19-24.

[2]彭湃.基于EPB的中/重型货车坡道起步控制研究[D].南京理工大学,2020.

[3]何果,韩彦潇,李青章,赵威锋.某新能源商用车的EPB开发系统分析[J].汽车实用技术,2022,47(21):196-201.

[4]付云龙.聚碳酸酯开关面板成型开裂机理及成型过程模拟[D].上海工程技术大学,2014.

[5]吴旭,陈超,高祥达.汽车PC开关应力开裂改善与表征[J].汽车工艺与材料.2022(01):58-62.