材料在線檢測助力沖壓智能生產

文/徐興智，羅龍飛·北京奔馳汽車有限公司

沖壓生產過程伴隨著物理化學反應、甚至相變過程，以及物質和能量的轉移和傳遞，是一個復雜的工業過程，其本身就存在大量的不確定性和非線性因素；強調生產過程的實時性、整體性，各生產裝置間存在復雜的耦合、制約關系，要求從全局協調，以求整個沖壓生產裝置運行平穩、高效。這種復雜特性使得在沖壓生產過程中很難建立起準確的數學模型。傳統制造系統在技術上無論如何進步，運行邏輯始終是：發生問題→人根據經驗分析問題→人根據經驗調整五個要素→解決問題→人積累經驗。

而智能制造系統區別于傳統制造系統最重要的是在于建立新的智能模型，解決數據和知識的產生與傳承過程，包括監測、預測、優化和防范等，從而驅動其他五個要素，解決和避免制造系統的問題。智能制造運行的邏輯是：發生問題→模型（或在人的幫助下）分析問題→模型調整五個要素→解決問題→模型積累經驗，并分析問題的根源→模型調整五個要素→避免問題。因此，智能制造所要解決的核心問題是知識的產生與傳承過程。

要實現沖壓智能化生產，首要任務就是建立生產信息的連通，通過對以材料為載體的生產過程信息實時監控與處理，可以建立基于物聯網技術的沖壓智能生產。實現先進先出的物料管理，實現柔性化生產的精益倉儲，實現質量Q卡的電子化管理，實現材料質量信息可追溯。隨著今年在線油膜檢測在BBAC沖壓工廠的實現，越來越多的材料質量信息實現智能感知，助力實現BBAC沖壓智能生產的未來。

技術路線

目前沖壓生產過程中，多采用離線檢測分析的方法，即當沖壓生產出現質量問題時或每隔一段時間對材料進行抽樣，送試驗室進行樣品的分析，然后根據分析結果來指導生產，保證零件的質量。由于抽樣代表性和時間滯后性等原因，離線分析往往不能滿足生產的要求。

在線檢測是通過直接安裝在生產線上的設備，利用各種軟測量技術實時檢測、實時反饋。如果在沖壓材料成形的過程中能夠實現在線檢測，實時地檢測材料的狀態信息，并根據實時檢測到的材料狀態信息及早的發現生產過程誤差，為后續加工過程提供依據和參考，盡快地做出修正。實現質量在線監測、在線控制，提高產品全生命周期質量追溯能力；實現沖壓工藝優化，提升關鍵工藝過程的控制水平；從而降低生產廢品率和節約成本，將有助于打造出真正智能化的生產制造體系。

近年來，隨著科學技術的迅猛發展和市場競爭的日益激烈，為了保證產品的質量和經濟效益，越來越多的在線檢測技術被應用于工業生產中，例如沖壓油膜在線檢測、沖壓材料強度在線檢測等等。

沖壓油膜在線檢測

隨著市場對新材料和更加復雜零件需求的不斷增加，對生產工序可靠性的要求也在與日俱增。因此，油膜對于鋼板和鋁板的沖壓成形工序來說變得至關重要。沖壓材料表面的油膜可以減少材料與模具的摩擦，降低拉伸力；有助于材料的流動，提高材料變形的程度；防止材料表面的擦傷和起皺，提高沖壓件質量；冷卻保護模具，提高模具的使用壽命。潤滑油在沖壓生產中發揮著不可或缺的作用。然而，材料表面潤滑油分布不均將可能適得其反影響沖壓成形，甚至在沖壓件表面出現條痕缺陷；沖壓件潤滑油量過大，還將影響后續焊接及涂膠生產，帶來焊接煙氣污染，以及清潔等問題。在汽車行業中，已經有統一規定的油膜厚度標準。其涉及范圍廣泛，從大量使用防銹油的材料生產過程，到需要清洗涂油的開卷落料，以及足夠潤滑油的沖壓環節，油膜厚度測量已是必不可少，至關重要。

北京奔馳首先在沖壓伺服E線引入油膜厚度在線檢測技術，該系統可實現沖壓自動線上板料運行過程中對油層厚度進行在線測量，可在板帶運行中得到整個長寬方向上的油膜厚度實時數據。該系統利用紅外光譜測量板帶表面油層的重量，并且實現板料全部表面測量結果的可視化顯示。該新增設備單元安裝在涂油機與對中站之間，如圖1所示。用于實時檢測板料殘余油膜，在板料送入模具沖壓前，實現板料表面油膜的在線監控，及時調整工藝參數及設備故障。

這是全球首次在沖壓線上引入板料在線油膜檢測設備，以斷續板料作為測量目標，方案采用橫向穿梭雙測頭，滿足左右件及整個板料區域的測量，單料片和雙料片均可滿足，并且對測量結果進行升級，以適應汽車沖壓領域的需求。在線油膜設備系統可顯示實時值、平均值，并可按照時間和板料形狀進行統計。非接觸、運動中的測量精度保證是一大難題，為適應伺服線的高速生產，測量頭在傳感器、運動機構等硬件方面均進行了優化升級。

圖1 北京奔馳沖壓伺服E線在線油膜設備

測量得到的油膜數據按照產品，批次，時間進行歸檔，雙料垛時，可實現左右板料分別歸檔，以更好的支持工藝和質量追蹤。系統可顯示雙測量頭的實時測量結果。測量結果可按照X軸方向（測量頭移動方向）顯示一段時間內的平均值，以便于監測清洗涂油設備狀態。

測量結果可按照X軸和Y軸方向顯示一段時間內的平均值，以便于工藝和質量工程師監測板料油膜分布情況。測量結果的3D顯示如圖2所示。

油膜厚度在線檢測的相關經濟收益十分顯著，可大量避免沖壓件報廢返修損失，預警設備故障減少停機，同時在精確控制油膜的基礎上可節約油品的使用量，經濟效益預計到達每年百萬元以上。油膜厚度在線檢測融入沖壓生產控制流程后，將建立完善的油膜記錄數據庫，基于大數據支持工藝分析、設備維護，以及質量追查。

圖2 測量結果3D顯示

沖壓材料強度在線檢測

沖壓材料強度在線檢測是將電磁感應自動測量系統（IMPOC系統如圖3所示），用于自動無損在線檢測鐵磁性板帶材料的機械性能（抗拉強度和屈服強度）。EMG IMPOC系統的使用簡化了沖壓材料質量的評價，實現了對整個板帶長度和寬度機械性能的連續評估。如果一個或多個機械性能參數超差，相應板帶區域得到警報后，將進行可選的額外測試。保證了每一個沖壓件的強度都符合標準，最終滿足整車安全對沖壓件的要求。

圖3 在線性能測量原理示意圖

北京奔馳的沖壓工廠還沒有材料強度在線檢測的設備，我們可以結合北京奔馳沖壓生產過程中的實際問題，以及鋼廠材料強度在線檢測設備的分析案例，說明IMPOC系統的應用實例。

沖壓發現橘皮

2018年2月24日，在MFA 沖壓車間生產V213門內板零件，材料鋼卷號426128_1，沖壓件表面出現橘皮缺陷，如圖4所示。

圖4 門內板橘皮缺陷

鋼廠IMPOC曲線調查

2017年12月4日生產的卷料，在反查IMPOC曲線過程中發現卷號426128_1的IMPOC曲線異常，對應的屈服強度和抗拉強度均表現出異常，實時檢測數據接近下限，如圖5所示。

IMPOC曲線異常原因調查

調取SAP系統中的生產工藝參數數據（圖6），顯示中央1段兩次降速，致使帶鋼出退火爐加熱段和均熱段出口的溫度升高，導致IMPOC-value值降低，卷料部分位置存在機械性能不符合的風險。

圖5 IMPOC曲線和強度異常

圖6 工藝參數曲線

材料復檢性能及微觀金相

經沖壓現場在橘皮位置取樣分析，復檢的力學性能顯示屈服強度偏低，接近標準要求的下限。沖盆復檢，表面開裂，在變形較大區域出現橘皮如圖7所示。沖壓后復檢的微觀晶粒度組織，晶粒度大小不一，分布不均，晶粒度級別為6～8級，如圖8所示。

圖7 沖盆測試

圖8 微觀晶粒度

結論

此次沖壓出現橘皮缺陷是由于鋼廠退火生產過程導致的材料晶粒不均勻。材料強度在線檢測設備可以檢測抗拉強度和屈服強度的波動，以及晶粒度不均勻的混晶缺陷。

結束語

為了促進“工業4.0”與“中國制造2025”戰略在制造行業的實施，需要在智能制造體系中構建有效的設備與控制系統，促進車間狀態數據與工藝流程的結合。本文提出了通過智能儀器與智能檢測技術實現車間狀態智能感知與工藝質量控制的方法，并探討了智能儀器與智能檢測技術在智能制造系統中新的應用模式，還結合實際項目進行數字化生產線改造與建設的創新實踐。經項目實踐驗證，智能儀器與檢測技術是滿足智能制造要求的發展方向。通過智能檢測設備與智能儀器的應用，可有效促進智能制造系統中數據采集、智能感知的實現，并為整體工藝流程的智能決策提供有效的數據資源，是智能制造系統建立與完善的關鍵基礎。