鍛造鋁合金車輪智能制造關鍵技術及其應用

丁有望

摘 要：通過實驗獲得了適用于鍛造鋁合金輪轂的表面打標工藝參數，解決了鋁合金輪轂全過程可追溯性的瓶頸，實現了生產過程中物料流的透明化。結合工業網絡的設備互聯和在線三維尺寸測量技術，將一個鍛造鋁合金輪轂的整個生產過程中的過程數據與質量數據關聯并綁定在一起;通過非線性回歸算法對數據進行擬合和分析，以獲得最佳系數，以使模型更接近于實際生產狀態：鍛造鋁鋁合金輪轂行業的智能工廠精益生產提供了有效的方法。

關鍵詞：激光刻碼;視覺讀碼;數據采集;數據驅動

中圖分類號：TP99 文獻標識碼：A

引言

鍛造中心在項目中使用了高科技和智能設備，例如實時在線檢測，激光編碼，可視代碼識別，數控設備，機器人等。在信息方面，它基于ERP，PLM，MES和其他信息系統進行了高度的協作和集成。熱處理中心提供了核心的智能制造設備-步進式鋁輪熱處理生產線，可實現全自動和智能操作，同時實現綠色節能。在項目團隊的共同努力下，北京機電學院有限公司克服了追蹤激光雕刻和熱件讀取的全過程的問題，充分實現了基于Internet的現場數據采集物聯網，并建立了實時生產和敏捷制造。鍛造鋁合金車輪的智能車間軟件系統。

1基于鋁合金表面激光標刻的鋁車輪追溯技術

鍛造鋁合金輪轂經過多次處理，從生鋁棒到成品包裝。在鍛件生產領域，鋁輪轂表面打標需要考慮高溫條件下的激光熱效應參數，激光壽命等問題;在熱處理區內，工件表面的打標受固溶和時效影響，導致變形，打標對比度差等;在加工區域中，需要通過虛擬編碼來處理區域和表面標記，以追蹤材料的過程并面臨標記等各種困難。因此，為了達到識別單個鍛造鋁合金輪轂全過程的目的，有必要結合鋁合金的材料特性來研究不同條件下不同的激光加工工藝參數和鋁合金表面識別技術[1]。鋁合金在1064-1070nm波長處的激光吸收率較高，因此選擇激光波長為1064nm的光纖激光器作為鋁合金車輪的在線打標設備。激光電流是影響激光功率的主要因素，電流大小直接影響處理功率。Pm=（I-I0）（αlnf+β）（1）其中：Pm是激光功率，I0是最小激光電流，f是脈沖頻率，并且α和β是匹配常數。掃描速度是影響鋁合金車輪在線打標的重要參數。當功率和脈沖頻率為固定值時，激光加工的能量效率與掃描速度密切相關。同時，由掃描速度和脈沖頻率的耦合形成的脈沖重疊率也對標記的質量有很大的影響[2]。激光脈沖的重疊率如公式（2）所示。ηp=（1-vfD）×100%（2）其中：ηp是重疊率，v是掃描速度，f是脈沖頻率，D是光斑直徑。通過對激光波長，功率，掃描速度和脈沖頻率的上述研究，對激光打標機的各種工藝參數進行了正交試驗。通過實驗，在激光波長為1070nm，激光功率為30W，掃描速度為150mm/s，脈沖頻率為20kHz的參數設置條件下，鋁合金表面二維碼標記的質量讀取率高于99.5%。

2鍛造鋁合金車輪三維尺寸在線測量技術

目前鍛造鋁合金車輪生產線通常依賴人工對旋壓成形后的工件尺寸進行抽檢，由于抽檢頻次較低且難以對車輪的徑向跳動量化，一般要在車輪經過固溶、時效、車削后出現黑皮才能判斷工件的旋壓成形不合格，對企業能源產生了較大了浪費。

為了更好的對測量數據關鍵尺寸進行自動分析，需要將測量坐標系與設計坐標系進行對齊。坐標系精確對齊可分解為2個步驟：1）初始對齊。測量坐標系與設計坐標系的初始對齊關系可以在自動化測量系統安裝后調試確定。2）精確對齊。在粗配準基礎上，采用迭代最近點算法對測量數據與設計數模進行精確對齊。最終提取數模對應特征的點云數據，并對點云數據進行計算和分析，如圖所示。在鋁合金車輪旋壓工序后對工件進行三維遲，鍛造鋁合金車輪三維尺寸數據提取流程寸的在線測量，可以對超差零件進行及時處理，不進入后續高能耗的熱處理環節，有效節約能源;一旦發現鍛件的尺寸有缺陷，可快速將信息傳輸至工藝流程的入口處，對工藝參數進行及時修改，實現對車輪成形工藝的精細化控制，提高產品合格率[3]。

3基于非線性回歸的鍛造過程預測方法的研究

3.1基于非線性回歸的建模

判斷鍛造生產過程穩定性的最直接指標是拍子數據，包括從熔爐到機器人抓取的拍子，鍛造拍子和沖頭拍子。本文將機器人抓拍拍子定義為從爐子到機器人抓拍的拍子，與爐子放電后短棒的冷卻時間呈線性關系，即T=K（t1-t2）（3）對于非線性回歸方法分析中的多項式回歸算法，在考慮擬合程度和實際工作條件的情況下，選擇最適合偽造某些數據和建模中變量n的建模方法[4]。自變量的數量應在樣品數量的多項式回歸以及鍛造前的溫度與爐溫之間的溫差回歸之前確定。應確定自變量的數量。使用MATLAB曲線擬合工具箱的Cruve擬合工具分別模擬n=4，n=5，n=6，n=7，以得到擬合曲線。當n=4時，樣品數量大于200后，整個曲線呈下降趨勢，鍛造溫度將越來越接近實際溫度，不符合鍛造生產邏輯。當n=5時，樣品數量超過200后，數據顯示上升趨勢，并且斜率大，這意味著鍛造過程將顯示不穩定趨勢，并且溫差會變得越來越大，這不會符合實際的鍛件生產工藝;當n=6時，更合適，曲線面積穩定，可以實際反映出鍛造過程的趨勢。它可以反映出鍛件生產過程中的復雜性和不確定性;當n=7時，擬合效果類似于n=5，并且誤差超過n=5時的誤差。

3.2型號含義

在公司A的實際生產條件下，可以通過三個數據項來區分生產條件：預鍛和預熱之間的溫差，鍛造節拍和沖壓節拍。從數據的角度來看，甲公司的鍛造生產過程中有6個工作條件會影響節拍和溫差數據。其中：在正常模式下，鍛造周期和沖壓周期都在75s的穩定范圍內，預鍛爐與預熱爐之間的溫差在35℃范圍內。第二種模式是多次噴涂或手動滅火[5]。這種情況會增加下一種材料的等待時間，因此會增加鍛造前的下一種材料與卸料時的溫度之間的溫差。第三種情況是預熱爐人員太慢，即爐子太慢，這會增加鍛造周期。在第四方式中，在鍛造生產過程中發生故障并且不拋擲材料。在這種模式下，鍛造周期將太大，而下部鍛造毛坯的溫度在成型之前會太低。第五種情況是在鍛造過程中有拋出，例如不合格的鍛造形狀，機器人掉落（這種情況極少發生）;根據第五種情況，該部分將不會有打音。第六種情況是沖壓生產線的故障，包括沖壓機故障，R2機械手故障和雕刻機故障。在這種模式下，打孔周期會太大;這種設計中的鍛造周期不會抵消沖壓周期，節拍產生影響。

結語

隨著國家節能和新能源汽車產業政策的實施，汽車制造商對輕量化零部件的需求急劇增加。特別地，鍛造鋁合金輪轂不僅具有重量輕的優點，而且具有更致密的金相組織和更好的機械性能。因此，國內鋁合金鍛造輪轂企業正在以前所未有的速度發展，產品的市場競爭越來越激烈，企業面臨的壓力越來越大。如何通過智能制造提高生產效率，穩定產品質量，降低生產成本是每個企業都亟待解決的問題。

參考文獻

[1] 凌云漢.鍛造鋁合金車輪單件全流程質量追溯系統關鍵技術研究[D].機械科學研究總院，2018.

[2] 王丹晨.鋁合金車輪鍛造工藝及質量控制技術研究[D].機械科學研究總院，2018.

[3] 趙鐵石.鍛造鋁合金商用車車輪的設計、仿真與開發[D].燕山大學，2017.

[4] 王璐雯.鍛造鋁合金車輪結構優化設計[D].燕山大學，2012.

[5] 高軍，趙國群.整體式鍛造鋁合金車輪及其發展[J].汽車工藝與材料，2001（05）：14-16.