紐扣焊技術在柔性化生產線的應用

一汽-大眾汽車有限公司，廣東佛山 528000

一汽-大眾汽車有限公司引用世界領先的大眾集團MQB平臺，該平臺擁有極高的柔性化生產能力。我們始終秉承工匠精神，鉆研技術，采用KVP2（質量改進）方法，即基于現場各種數據統計分析而進行的解決問題方法，去解決工作中遇到的重難點問題。

課題團隊對2018年的TOP10質量問題進行了統計分析，發現有63%的問題集中在前蓋上。經過分析得出，造成此問題的原因主要是前蓋在經過電泳和烘干后發生較大的變形，給總裝ZP7增加了大量的返修工作，需要耗費大量的人員調整返修來解決問題。面對當下嚴峻的質量風險和成本考驗，解決此問題迫在眉睫。

如果能夠解決前蓋電泳變形問題，預計前蓋匹配返修工作量可以得到較大幅度的降低，提升生產線的效率。為此，課題團隊將解決前蓋電泳變形問題作為關鍵措施，以此實現減少返修、提高效率的目標。

面對前蓋電泳變形帶來的質量問題和效率損失，如何解決電泳變形成為最關鍵的因素。根據數據統計，由于前蓋電泳變形的影響，前蓋的尺寸變化量為：－2.71～4.85mm，而需要的匹配精度為：

因此前蓋的變形量和楔形量都必須控制在2mm以內。預計如果前蓋電泳變形問題消除，ZP7匹配調整工作量將減少。

紐扣焊技術開發

前蓋電泳變形問題是ZP7工段最嚴重的質量問題，因此按照KVP2的方法開展工作，旨在解決前蓋電泳變形問題。經過分析，常規的技術手段以及工藝優化已無法解決該類問題，因此本課題團隊重點尋求技術的突破，以技術手段去解決電泳變形的問題。

1.建立理論模型

以V車型前蓋總成為例，其主要工藝生產過程分為模具沖壓、涂膠、壓合、單邊焊、電泳、烘干及裝配，前蓋的尺寸變形量是評價其質量的關鍵指標，評價指標具體可換算成前蓋與翼子板、前蓋與大燈、前蓋與格柵以及前蓋與徽標的平度與間隙。對于尺寸變化量可依據胡克定律進行計算，同時結合匹配標準，以前蓋邊緣處某點j為基準，建立模型。

胡克定律變形量公式為

式中，FNi主要受電泳液的作用力影響；li及Ai為產品設計值；E為彈性模量與材料本身及生產工藝相關；ε為工藝綜合影響經驗參數值。

塑性變形所需能量W計算公式為

式中，Fi為受力，li為力距。

工裝彈簧積蓄能量U計算公式為

式中，P為載荷力；k為彈簧阻尼系數；d為變位量。

能量守恒公式為

匹配標準見式（1）。

波動量計算公式為

式中，m為波動中心位置；s為波動分布的曲線形狀。

經驗推導公式為

分析與計算：由理論模型可知，為滿足匹配標準，需要控制變形量Dj，即Dj越小匹配狀態越好。

1）式（1）～（5），受產品結構設計需求，l及Ai無法改變，在柔性化智能制造過程中，尤其在60件/h產能下，FNi減小空間小，最佳解決途徑是優化生產工藝，加大彈性模量E，實現變形量Dj減小的目標。

2）分析式（3）～（5），在外力Fi以及外部對前蓋做功W一定的前提下，減小工裝彈簧阻尼k會增大行程d，從而使W額外增大，得出前蓋的塑性變形能量W降低，可推導出變形量Dj減小。但是，基于生產工藝的經驗，其d→0，即U=0，減小工裝彈簧阻尼k無法改變變形量Dj。

3）觀察式（4）和式（6），結合生產工藝的經驗，提出設想，改變彈簧阻尼會影響尺寸的穩定性，即k值與s值成線性關系，推導出經驗公式（7）。

經以上分析得出，從阻尼系數k以及彈性模量E兩方面著手，去制定生產工藝方案，可能實現V車型的前蓋電泳變形量小于2mm這個目標。

2.試驗方案

結合整車裝配，需要測量以下位置點，如圖1所示，用于評價前蓋尺寸的變化情況。

圖1 測量點分布

（1）焊接方案 前蓋內外板通過滾邊壓合工藝后，為了防止內外板的竄動，一般還會采取焊接工藝，例如單邊焊。可以采用以下方案改變彈性模量E：基于車身結構建立前蓋力學模型，進行變形量仿真分析，尋求最佳焊接位置；根據仿真結果，驗證表1中的工藝，評估前蓋尺寸變化情況。

表1 工藝對尺寸的影響

（2）涂膠方案 前蓋內外板結合后，其剛度除了焊接本身起作用外，涂膠同樣起到增加強度的作用。根據壓合狀態下膠的固化強度特性，可從以下方面進行試驗改變彈性模量E：改變固化時間，設計試驗，設置前蓋總成靜置不同的時間，觀察其尺寸變化情況，考察延長靜置時間是否能增大整體剛度指標。

改變膠的性能，尋找與原有壓合膠性能相近但在強度性能指標上更優的壓合膠。

（3）工裝方案 工裝的作用是連接前蓋與車身。更換彈簧，即改變阻尼系數k，可能會影響σ值，觀察不同阻尼系數下的變形量及波動量。

3.方案實施

基于試驗方案，采取小批量試裝的工作方法，得出試裝試驗數據。

在商務英語研究的實際中，交叉發展是開展商務英語學科建設的必然途徑。通過學科建設的實際反映，把學科發展和提高學科教學水平的積極的因素和有力措施運用起來作為主線，其實踐過程統稱為學科建設。學科的發展永無止境，但是在每個階段，學科研究的能力是受到一定的限制的，這也造成了學科建設存在一定的矛盾，而認識和把握科學的學科發展特定規律及順應時代形勢發展需要，做到順勢而為是解決該矛盾的出發點和立足點。所以必須要全面、科學、客觀地認識到開展學科建設的意義。

（1）焊接試驗 根據車身結構進行仿真分析，結果如圖2所示。紅色及黃色區域變形量最大，因此紅色及黃色區域是最佳焊接位置。

圖2 變形仿真分析

基于智能制造，綜合生產節拍、表面、人員可操作性、強度、經濟型及可優化潛力等指標進行評估，再四個角增加焊點，如圖2中的紅點所示，其變形效果最佳，評估結果見表2。

表2 增加四角焊點后的變形效果評估

從表2可看出，MIG為最優焊接方式，但是其表面狀態及可操作性上會存在不足，后續如無更優方案，可從如何去優化并改進MIG焊工藝的角度嘗試提出解決方案。

（2）涂膠試驗 將總成靜置在干燥室溫下，尺寸變化量見表3。

表3 靜置時間與尺寸變化量

結果顯示，靜置時間長短對尺寸變化量影響不大。

改變膠的性能，試驗結果見表4。

表4 不同膠對變形量的影響

結果表明，2K膠性能最佳，滿足變形量質量要求小于2.0mm。但是單車成本增加約30元，投入產出比太低，不適合批量生產。

表5 不同彈簧對前蓋尺寸波動量和變化量的影響

試驗論證了經驗推導公式（7）是成立的，波動量得到有效的控制，進而選擇阻尼系數10.9的彈簧最為合適。但是其變形量沒有得到控制，因此該方案對于解決前蓋電泳變形意義不大。

4.改進與創新

綜合評估，決定采取MIG焊接方式，但是需要從技術上解決焊接熱變形的問題。因此，嘗試利用繼電器原理對原有的MIG焊接設備進行改造，如圖3所示。

圖3 設備改造示意

改造后的MIG焊接設備在每次動作的時候僅在固定的焊接時間輸出，同時選擇合適的焊絲并對焊槍槍頭進行優化，從而形成“紐扣”形態的MIG焊，如圖4所示。

圖4 “紐扣”焊實物

紐扣焊的特點是操作簡單、強度高、對表面影響小，特別適合像前蓋這樣的表面件。按照表6調試其相關焊接性能，實現表面狀態及可操作性上的提升。

表6 焊接調試參數表

5.效果驗證

用三坐標測量同一個前蓋總成在漆前與漆后的狀態，樣本量n=58，如圖5所示，藍色表示優化前的尺寸曲線，紅色表示優化后的尺寸曲線。結果顯示，優化后尺寸變化量為－1.73～0.21mm，滿足式（1）的匹配標準，可預見能夠解決前蓋電泳變形的問題。

圖5 三坐標測量結果

6.流程鞏固

編制新技術紐扣焊的操作指導書、設備參數記錄表以及設備故障處理方法。由此，紐扣焊技術正式投入量產。

在柔性化生產線中的應用

為了實現柔性生產，通常會在一個車型平臺上共線生產多種車型。由于不同車型的工藝差別，對某個工位來說，生產不同車型時，可能執行不同的工藝要求，完成不同的工作流程，導致在不同車型下工人的負荷率不同，所以采取平均負荷率來衡量員工的負荷情況和生產線的能力。

1.建立模型

假定某生產線節拍為T（單位為秒），同時生產A、B、C、D四種車型，四種車型的比例為a∶b∶c∶d。工人甲在本工位執行4種車型工藝，A車型工作時間為t1，B車型工作時間為t2，C車型工作時間為t3，D車型工作時間為t4，則工人甲的平均工作時間見式（8），員工甲的平均負荷率見式（9）。

通常工人的平均符合率要求為90%～100%，由于車型比例的差異，則意味著可能某一車型下的員工負荷率會超過100%。只要平均負荷率沒有超過節拍也是可以接受的，但是同時對車序會有較高要求，不能連續出現超節拍的車型，即。

通過此種方式可以最大限度地利用不同車型的空余時間，實現負荷率的提高和產能的提升。

設該生產線的設備開動率為k，則該生產線的能力為

通過以上分析可以得出，如果要提升JPH，就必須要降低員工的平均工作時間，可以通過降低任意一種或幾種車型的工作時間來達到。通常選取工作時間最長的瓶頸車型。

假設車型D的工作時間最長，通過工作流程優化，使該工位車型D的工作時間從t4降低到t5，則員工甲新的平均工作時間為式（12）。保持設備開動率不變的情況下，則該生產線的JPH能力可以提升至式（13），JPH能力提升的比率為式（14），說明在原有人員和設備的情況下，該工位的效率提升了y。

2.方案應用

（1）改進前 由于車身經過涂裝電泳及烘干程序后會發生變形，以及總裝的影響，前蓋與翼子板或與徽標的匹配有錯位，需要在下線前進行調整。目前在總裝BA7線上174－177工位有4名員工進行前蓋調整工作，生產線節拍為59s。該4名員工分為4組，每人調整工作占4個工位和4個節拍時間，往復循環工作。

經過現場的觀察和統計，目前調整耗時較多的點主要為：前蓋與翼子板的匹配，前蓋與徽標的匹配，以及前蓋與大燈的匹配，造成該問題的主要原因是前蓋電泳變形。其中V車型前蓋變形量最大，為－4.85～2.71mm。重點考察V車型的工作，其改進前工作描述見表7。

表7 優化前工作描述

V車型前蓋調整的時間為243s，工作節拍為236s，為超節拍的狀態。由于其他三種車型的前蓋調整時間并沒有超節拍，根據式（8）計算出前蓋調整工位的平均工作時間為202s，平均負荷率為85%，見表8。

表8 優化前各車型工作節拍

（2）改進后 V車型實施紐扣焊技術后，前蓋匹配調整工作量大大降低，其前蓋的變形量為－1.73～0.21mm，改進后工作描述見表9。

表9 優化后工作描述

根據平均符合率公式計算出，如果要優化1人，各個車型需要優化節拍見表10。

表10 節拍優化目標

為此，有針對性的開展其他車型的質量優化工作。其中A車型通過對翼子板單件的型面優化，解決了翼子板與A柱的縮頭匹配缺陷；B車型優化了骨架翼子板的定位孔尺寸，解決了翼子板與前蓋的匹配缺陷；由于前蓋鉸鏈的尺寸得到了有效的控制，C車型前蓋穩定性得到了提升。根據式（8）計算出各工位的平均工時見表11。

表11 優化后各車型工作節拍

工作量減少后，原4人的平均負荷率均為74%，存在較多的等待時間。進一步分析可得，原有工作可以減少至3人完成，即優化1人。根據式（9）計算出3人工作的平均負荷率為98%。

綜上所述，各車型的質量優化使得ZP7調整工作量降低，其中V車型由于新技術的投入使用，貢獻量最大。優化前后ZP7工段工作變化見表12。

表12 優化前后對比表

結語

該項目報告是基于解決2018年的一個TOP質量問題開展起來的。經過統計分析發現前蓋匹配問題最多，而前蓋電泳變形是導致前蓋匹配狀態差的根本原因。經過理論分析以及試驗分析，得出前蓋電泳變形的根本原因是內外板之間的竄動造成，可從優化工裝的阻尼系數以及前蓋的彈性模量嘗試解決問題，因此提出多套試驗方案進行評估，終究因為成本或者質量瓶頸而無法解決。

為了攻克技術難點，本課題團隊深入思考并開展了大量的試驗，發明了“紐扣焊”技術，從技術上解決了問題，實現了將前蓋的變形量控制在2mm以內的目標。對ZP7前蓋調整相關工位的符合率以及柔性化進行了分析，并將紐扣焊技術運用到V車型上解決了前蓋電泳變形的問題，同時對其他相關質量問題進行了優化，最終實現了優化1人的目標。