新能源汽車熱成型鋼制車輪的智能制造策略

李曉飛

(浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 前言

目前，傳統(tǒng)制造企業(yè)正在艱難轉(zhuǎn)型，但市場規(guī)模增長有限，人工等成本迅速增加，因此，為了獲得更多利潤，提升企業(yè)核心競爭力，須從生產(chǎn)過程管理入手。工廠制造成本是最大的成本源，生產(chǎn)部門是工廠最大的部門，生產(chǎn)制造是工廠的核心，因此，優(yōu)化生產(chǎn)制造、提高生產(chǎn)管理水平意義重大。同行企業(yè)之間的競爭已經(jīng)從產(chǎn)品、質(zhì)量和價格競爭升級到管理競爭，只有更好地利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升制造水平，才能為客戶提供更滿意的產(chǎn)品與服務(wù)，同時保證企業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展。

鋼制車輪生產(chǎn)是傳統(tǒng)制造行業(yè)。鋼制車輪由輪輞和輪輻組成，輪輞通過滾型加工，輪輻通過沖壓加工，2種傳統(tǒng)加工方式均屬于冷加工；將兩者焊接合成，進行涂裝，經(jīng)檢驗合格后包裝入庫。傳統(tǒng)鋼制車輪生產(chǎn)管理存在以下缺陷：① 生產(chǎn)現(xiàn)場缺乏先進的管理手段，沒有信息報告機制反饋車間現(xiàn)場的情況，無法及時優(yōu)化生產(chǎn)制造過程的管理業(yè)務(wù)；② 鋼制車輪生產(chǎn)質(zhì)量追溯是批次追溯，但每批次的產(chǎn)量較大(可達到幾千套或幾萬套)，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，無法查明產(chǎn)品原材料的供應(yīng)商、供應(yīng)時間、接收人、檢驗參數(shù)，以及產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的時間、技術(shù)參數(shù)、工藝參數(shù)、設(shè)備狀況、操作人員、檢驗人員等信息。

隨著國家“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略的發(fā)布，新能源代表著能源重大轉(zhuǎn)型。為實現(xiàn)智能制造的目標(biāo)、加快傳統(tǒng)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與新能源汽車熱成型鋼制車輪生產(chǎn)相結(jié)合，可依托互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)優(yōu)化生產(chǎn)要素、更新業(yè)務(wù)體系，完成對鋼制車輪制造的轉(zhuǎn)型和升級?！靶履茉雌嚐岢尚弯撝栖囕喼圃臁表椖繉⒊邚姸葻岢尚弯摬挠糜谲囕喩a(chǎn)，采用熱加工方式，以減輕簧下質(zhì)量、提高產(chǎn)品舒適度、提升經(jīng)濟性。充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，將互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深度融合，以產(chǎn)業(yè)升級提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化與生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。

1 新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造方案

傳統(tǒng)制造企業(yè)不具備互聯(lián)網(wǎng)實力和專業(yè)知識技術(shù)，需要借助專業(yè)智能制造企業(yè)的力量實現(xiàn)企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型。如要將智能制造真正融入企業(yè)的生產(chǎn)運營過程，持續(xù)為生產(chǎn)發(fā)展提供有價值的數(shù)據(jù)支撐，不僅要配備智能化硬件，還要建設(shè)智能制造系統(tǒng)。

為實現(xiàn)真正的智能化，企業(yè)應(yīng)首先完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，轉(zhuǎn)型需要經(jīng)歷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化和數(shù)據(jù)資產(chǎn)化這3個階段。企業(yè)應(yīng)布局智慧工廠戰(zhàn)略，制定分步可行的智能制造方案，以制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)為核心，負責(zé)調(diào)度生產(chǎn)、物料、質(zhì)量、設(shè)備等所有生產(chǎn)制造要素，通過整合優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效益。通過新能源汽車鋼制車輪熱成型生產(chǎn)技術(shù)建立統(tǒng)一的制造過程信息平臺，在車間一線推進信息化建設(shè)，以整合生產(chǎn)力，實現(xiàn)車間工序任務(wù)排產(chǎn)，解決多品種、小批量生產(chǎn)模式下生產(chǎn)計劃排產(chǎn)較復(fù)雜的問題，實現(xiàn)負荷均衡化生產(chǎn)，整體提升企業(yè)效益，降低運營成本。

1.1 鋼制車輪智能制造要素

在鋼制車輪生產(chǎn)過程中，需要控制物料、設(shè)備、人員、工藝、測量、流程指令和環(huán)境設(shè)施等所有工廠資源，以提高制造效率，優(yōu)化生產(chǎn)過程。新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造系統(tǒng)的主要作用為：① 實時收集和傳遞生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過設(shè)計的功能(程序)提供給有需要的管理者，使其及時知曉生產(chǎn)變化，有針對性地調(diào)控，實現(xiàn)對生產(chǎn)有效控制； ② 通過分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)找出規(guī)律，改進生產(chǎn)組織和管理方法，優(yōu)化生產(chǎn)管理體系。具體需求如圖1所示。

圖1 新能源汽車熱成型鋼制車輪制造需求分析

根據(jù)企業(yè)的管理模式和自動控制水平，將各種自動設(shè)備和自控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，自動采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)信息集成，建立整個企業(yè)范圍的實時和歷史數(shù)據(jù)庫，這是企業(yè)實現(xiàn)新能源汽車熱成型應(yīng)用最關(guān)鍵、最核心、最基礎(chǔ)的任務(wù)。

1.2 二維碼方案

要實現(xiàn)對所有鋼輪的精確追溯，需要給每個鋼輪打碼，即為每個鋼輪提供“身份證號碼”。但鋼制車輪無法通過激光或噴墨打碼，這是由輪輞和輪輻的特殊工藝決定的。一般輪輞通過滾型加工，會導(dǎo)致在加工前打上去的二維碼變得面目全非；輪輻通過沖壓加工，其表面形成復(fù)雜曲面，導(dǎo)致二維碼變形，影響讀碼的準(zhǔn)確率；熱成型加工會加劇其變形，表面的氧化物使二維碼模糊；最后涂裝焊接合成的鋼輪，表面電泳漆會覆蓋二維碼。因此，如何在產(chǎn)品上打碼是決定項目能否成功的關(guān)鍵點之一。

經(jīng)大量試驗研究，制定了新的二維碼方案。在熱成型加工完成并拋丸后，將二維碼打在輪輻螺栓孔之間的位置；考慮到輪輻空白位置較小，設(shè)置二維碼尺寸為6 mm×6 mm，打碼深度為0.3～0.4 mm；為提高打碼效率，設(shè)置二維碼內(nèi)容為6位字符串(64位進制數(shù)字)。鹽霧試驗(ASTM B117—64標(biāo)準(zhǔn))驗證30 天，讀碼器(康耐視8050)能正常讀取點陣二維碼；潮濕試驗(ASTM D1735標(biāo)準(zhǔn))及浸水試驗(ASTM D870—54標(biāo)準(zhǔn))后，讀碼器(康耐視8050)仍能正常讀取點陣二維碼。照片讀碼驗證(模擬車輪售出后拍照片即可完成數(shù)據(jù)追溯)，利用手機對二維碼拍照，再用打印機打印出來，讀碼校驗，讀碼器(康耐視8050)可順利讀碼。

該二維碼方案具有如下優(yōu)點：不影響輪轂整體美觀性；后期定位方便，容易實現(xiàn)流水線識別；二維碼位置與鋁輪一致；容易裝夾、定位，可提高打碼質(zhì)量。

1.3 特殊特性設(shè)備

特殊特性一般是指由客戶指定的產(chǎn)品和過程特性，包括政府法規(guī)和安全特性，由供應(yīng)商通過產(chǎn)品和過程的了解，以及制造經(jīng)驗選出的特性。產(chǎn)品特殊特性主要有以下2個來源：① 用戶的明確要求，如在圖紙尺寸上進行特殊標(biāo)記(汽車零部件上多采用)；② 通過失效模式和影響分析 (FMEA)分析發(fā)現(xiàn)其重要度和風(fēng)險系數(shù) (RPN)值較高，但無法改善的產(chǎn)品固有性能。

鋼制車輪的特殊特性可以理解為產(chǎn)品滿足客戶要求所具有的屬性，如裝配尺寸、強度、硬度、焊接、可靠性、涂層等，通常特指客戶關(guān)注的內(nèi)容。針對與鋼制車輪相關(guān)的精整機、反拉延壓機、合成焊機等特殊特性設(shè)備，需要采集其特性過程的數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)速、分時擴張距離、氣墊壓力、電流、電壓、送絲速度、氣體流量等。

1.4 生產(chǎn)過程控制

針對鋼制車輪生產(chǎn)，應(yīng)先完成來料質(zhì)量控制 (IQC)來料檢驗，將檢驗結(jié)果錄入系統(tǒng)并判定是否發(fā)行。對各個崗位的操作人員實行上崗管理，符合資質(zhì)要求的員工可上崗，并系統(tǒng)記錄員工的工作時間及對應(yīng)崗位，便于后期追溯。

針對輪輻生產(chǎn)，應(yīng)從上料開始。上料生產(chǎn)線節(jié)拍為6 s，打碼節(jié)拍不超過3 s；輪輻沖床在沖壓前有預(yù)壓動作，之后有短暫停頓，該停頓時間可調(diào)，不少于2 s；現(xiàn)場輪輻落料沖床預(yù)壓后給出信號，觸發(fā)激光打碼機按照設(shè)定規(guī)則開始打碼；打碼結(jié)束后，為沖床預(yù)留反饋接口。

針對輪輞生產(chǎn)，其上料生產(chǎn)線節(jié)拍同樣為6 s，打碼節(jié)拍不超過3 s；現(xiàn)場輪輞定位傳感器觸發(fā)給出信號，觸發(fā)激光打碼機按照設(shè)定規(guī)則開始打碼；打碼結(jié)束后，為生產(chǎn)線預(yù)留反饋接口。

輪輻、輪輞制好之后進行合成，生產(chǎn)線節(jié)拍為12 s；合成之后在最終產(chǎn)品上打碼，單個車輪打點陣碼，節(jié)拍不超過12 s；同時點陣碼綁定采集到的焊接數(shù)據(jù)。在自動檢測工位讀碼器讀取輪輻碼、輪輞碼和點陣碼，并將3碼綁定，以完整記錄產(chǎn)品生產(chǎn)過程。

最后1道工序為涂裝。車輪等車下部件使用條件苛刻，要求具有較高的防腐蝕性，因此涂裝對產(chǎn)品表面質(zhì)量的影響較大，關(guān)系到產(chǎn)品上的二維碼能否被讀取，是項目成功的關(guān)鍵因素。涂裝流程可分為以下9個步驟。

(1)熱水洗。調(diào)整噴淋壓力在0.10～0.20 MPa之間，保證產(chǎn)品及二維碼區(qū)域清潔。

(2)預(yù)脫脂。可使用脫脂液和熱水洗補給的水，脫脂液由硅酸鈉、磷酸鈉、表面活性劑等配制，去除產(chǎn)品及二維碼區(qū)域的油污。

(3)第2遍水洗。去除脫脂清洗劑，冷卻工件。

(4)表面調(diào)整。使用鈦酸鹽表調(diào)劑，配槽濃度3‰，調(diào)整鋼板表面呈微堿性pH值為8.0～9.5。

(5)磷化。磷化液總酸度18～24 PT；二維碼區(qū)域的磷化膜結(jié)晶均勻細致、牢固，呈淺色至深灰色，允許局部有少量彩膜，但以不影響涂膜的均勻性為基礎(chǔ)，無嚴重掛灰，允許有輕微水跡及掛灰現(xiàn)象，保證二維碼涂裝后的可讀性。

(6)泳前純水洗。要求滴水電導(dǎo)率小于等于30 μs/cm，如大于50 μs/cm必須清洗槽體，立即更換純水保證電泳后質(zhì)量。

(7)陰極電泳。電泳槽液固體份NV為13±2%，pH值為5.0～6.2，電導(dǎo)率為1 000±400 μs/cm，溶劑含量為1.0%～2.0%，灰分為10±4%；電泳后，目測車輪及二維碼處漆膜是否均勻，表面無鼓泡、桔皮等不良現(xiàn)象。

(8)超濾水(UF)浸洗。超濾液pH值為4.8～5.8，電導(dǎo)率為800±400 μs/cm。

(9)電泳烘干。溫度為175～205 ℃，保溫時間為25～35 min。二維碼區(qū)域附著力等級0級，電泳表面硬度等級大于等于H級。

成品檢驗工位鎖定檢驗讀碼器，并在這一工序校驗特殊特性設(shè)備首件是否通過，如不通過，在此處進行卡控。對于不良產(chǎn)品需進行二次判定，合格成品方可包裝入庫。

在上述生產(chǎn)過程管控下，鋼制車輪一輪一碼，可單件追溯，滿足智能制造的基本要求。

2 新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造效益

目前，熱成型材料僅被用于汽車防撞鋼梁、加強立柱等，未被大批量用于車輪生產(chǎn)。該項目采用新材料、新工藝和新的生產(chǎn)方式，在國內(nèi)外鋼輪制造行業(yè)均為首創(chuàng)。通過融入互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，生產(chǎn)管理者可以監(jiān)控從原材料進廠到產(chǎn)品的入庫的整個生產(chǎn)過程，記錄產(chǎn)品所使用的材料、設(shè)備、產(chǎn)品檢測的數(shù)據(jù)和結(jié)果，以及產(chǎn)品在每個工序上的生產(chǎn)時間、人員信息等。通過系統(tǒng)分析信息并制作報表，可實時了解生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)進度、目標(biāo)完成情況、產(chǎn)品品質(zhì)，以及人、機、料的利用狀況，使整個生產(chǎn)現(xiàn)場完全透明化。

2.1 完全透明的生產(chǎn)系統(tǒng)

通過報表、電子看板顯示等方式，以二維碼和設(shè)備數(shù)據(jù)接口技術(shù)為手段，實時了解訂單生產(chǎn)進度、待產(chǎn)訂單情況、在制品狀態(tài)、生產(chǎn)效率、不良品情況等，掌握并控制所有物料的流動和狀態(tài)，提高按期完工率，縮短生產(chǎn)周期，減少跟單、統(tǒng)計、物料清點核對等工作。工廠相關(guān)管理人員可以全面了解整個工廠的生產(chǎn)進度、任務(wù)達成度和產(chǎn)品品質(zhì)。

2.2 物流的正向和反向追溯

可根據(jù)物料批號，在系統(tǒng)中正向追溯產(chǎn)品各個生產(chǎn)站點、設(shè)備、成品、檢測等相關(guān)信息；可根據(jù)產(chǎn)品編號，反向追溯關(guān)鍵物料供應(yīng)商、批次、生產(chǎn)記錄、檢驗記錄等信息，如圖2所示。

圖2 正反向追溯

2.3 設(shè)備集成信息管理

通過設(shè)備連線采集檢測設(shè)備信息，可減少人工錄入，提高檢測效率，同時能管理設(shè)備并分析設(shè)備效率。

2.4 品質(zhì)實時監(jiān)控、分析和改善

關(guān)鍵控制點質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集與實時報表，使管理人員及質(zhì)量人員實時掌控現(xiàn)場質(zhì)量情況，可通過設(shè)置質(zhì)量水平門限自動觸發(fā)告警，啟動改善程序，智能生成專業(yè)的質(zhì)量分析報表，作為質(zhì)量管理的高效工具和決策依據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)分析與決策支持

基于數(shù)據(jù)庫，提供菜單式、智能化的績效數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，數(shù)據(jù)來源統(tǒng)一、客觀，并通過模板預(yù)設(shè)，智能完成各項專業(yè)分析圖表，為管理決策和精益生產(chǎn)提供有力支撐。

2.6 扁平化、人機協(xié)作和信息交互

傳統(tǒng)制造業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，同時結(jié)合新材料、新工藝，可以發(fā)揮優(yōu)勢互補，特別是在汽車及零部件制造行業(yè)，這種創(chuàng)新具有典型的示范意義。在鋼制車輪行業(yè)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為首創(chuàng)，對本行業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要的標(biāo)桿意義，可以在整個鋼輪行業(yè)，甚至車輪行業(yè)推廣。

3 結(jié)語

項目上線運行半年后，達到項目總體目標(biāo)：建設(shè)了能夠與系統(tǒng)應(yīng)用和產(chǎn)品(SAP)無縫集成的生產(chǎn)信息平臺，以提高工廠運行效率、降低成本、提高競爭力，并協(xié)調(diào)集團內(nèi)部軟件平臺的統(tǒng)一性，以降低實施、維護和系統(tǒng)集成的成本。各部門以生產(chǎn)為服務(wù)對象，以計劃為核心，生產(chǎn)計劃完成率達到100%；可全面掌握生產(chǎn)過程中人、機、料、法、環(huán)、測等環(huán)節(jié)，使生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定可控，產(chǎn)品總體合格率提升5%；設(shè)備管理由以故障維修為主逐步轉(zhuǎn)型為以例行保養(yǎng)為主，增強主動維護意識，減少設(shè)備的意外停機時間，加快生產(chǎn)運行速度，提高產(chǎn)品的一次合格率；使得設(shè)備綜合效率(OEE)提高到80%，產(chǎn)量提高了10%以上，1條生產(chǎn)線的單班產(chǎn)量由3 000件增加至3 500件左右；極大地改善了現(xiàn)場過程管理，提升了產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量，減少了不合格品數(shù)量和返工返修數(shù)量，取得了良好的經(jīng)濟效益。初步估算1條生產(chǎn)線的合格率每提升1個百分點，每年就可以創(chuàng)造至少100萬元的效益。公司計劃后期將該項目推廣到其他生產(chǎn)線、類似產(chǎn)品的生產(chǎn)車間，以及國內(nèi)其余的生產(chǎn)基地。

“新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造”發(fā)揮了互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，使其與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)深入融合，在提升效益的同時更方便管理，生產(chǎn)管理者無論何時身處何地，只要透過互聯(lián)網(wǎng)就能了解和掌握生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況，亦能通過互聯(lián)網(wǎng)獲取信息，遠程關(guān)注訂單進度、產(chǎn)品品質(zhì)、庫存等情況。