新能源汽車熱成型鋼制車輪的智能制造策略

李曉飛

(浙江長征職業技術學院，浙江 杭州 310023)

0 前言

目前，傳統制造企業正在艱難轉型，但市場規模增長有限，人工等成本迅速增加，因此，為了獲得更多利潤，提升企業核心競爭力，須從生產過程管理入手。工廠制造成本是最大的成本源，生產部門是工廠最大的部門，生產制造是工廠的核心，因此，優化生產制造、提高生產管理水平意義重大。同行企業之間的競爭已經從產品、質量和價格競爭升級到管理競爭，只有更好地利用互聯網技術提升制造水平，才能為客戶提供更滿意的產品與服務，同時保證企業的健康持續發展。

鋼制車輪生產是傳統制造行業。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種傳統加工方式均屬于冷加工；將兩者焊接合成，進行涂裝，經檢驗合格后包裝入庫。傳統鋼制車輪生產管理存在以下缺陷：① 生產現場缺乏先進的管理手段，沒有信息報告機制反饋車間現場的情況，無法及時優化生產制造過程的管理業務；② 鋼制車輪生產質量追溯是批次追溯，但每批次的產量較大(可達到幾千套或幾萬套)，一旦出現質量問題，無法查明產品原材料的供應商、供應時間、接收人、檢驗參數，以及產品在生產過程中各環節的時間、技術參數、工藝參數、設備狀況、操作人員、檢驗人員等信息。

隨著國家“碳達峰、碳中和”戰略的發布，新能源代表著能源重大轉型。為實現智能制造的目標、加快傳統制造企業轉型升級，利用互聯網技術與新能源汽車熱成型鋼制車輪生產相結合，可依托互聯網信息技術優化生產要素、更新業務體系，完成對鋼制車輪制造的轉型和升級。“新能源汽車熱成型鋼制車輪制造”項目將超高強度熱成型鋼材用于車輪生產，采用熱加工方式，以減輕簧下質量、提高產品舒適度、提升經濟性。充分發揮互聯網的優勢，將互聯網與傳統產業深度融合，以產業升級提高生產效率與質量，最終實現生產過程的可視化與生產管理的現代化。

1 新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造方案

傳統制造企業不具備互聯網實力和專業知識技術，需要借助專業智能制造企業的力量實現企業的智能化轉型。如要將智能制造真正融入企業的生產運營過程，持續為生產發展提供有價值的數據支撐，不僅要配備智能化硬件，還要建設智能制造系統。

為實現真正的智能化，企業應首先完成數字化轉型，轉型需要經歷業務數據化、數據業務化和數據資產化這3個階段。企業應布局智慧工廠戰略，制定分步可行的智能制造方案，以制造執行系統(MES)為核心，負責調度生產、物料、質量、設備等所有生產制造要素，通過整合優化生產流程，提高生產效益。通過新能源汽車鋼制車輪熱成型生產技術建立統一的制造過程信息平臺，在車間一線推進信息化建設，以整合生產力，實現車間工序任務排產，解決多品種、小批量生產模式下生產計劃排產較復雜的問題，實現負荷均衡化生產，整體提升企業效益，降低運營成本。

1.1 鋼制車輪智能制造要素

在鋼制車輪生產過程中，需要控制物料、設備、人員、工藝、測量、流程指令和環境設施等所有工廠資源，以提高制造效率，優化生產過程。新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造系統的主要作用為：① 實時收集和傳遞生產數據，通過設計的功能(程序)提供給有需要的管理者，使其及時知曉生產變化，有針對性地調控，實現對生產有效控制； ② 通過分析生產數據找出規律，改進生產組織和管理方法，優化生產管理體系。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

根據企業的管理模式和自動控制水平，將各種自動設備和自控系統聯網，自動采集生產過程中的數據，實現企業生產信息集成，建立整個企業范圍的實時和歷史數據庫，這是企業實現新能源汽車熱成型應用最關鍵、最核心、最基礎的任務。

1.2 二維碼方案

要實現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，其表面形成復雜曲面，導致二維碼變形，影響讀碼的準確率；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，如何在產品上打碼是決定項目能否成功的關鍵點之一。

經大量試驗研究，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，設置二維碼內容為6位字符串(64位進制數字)。鹽霧試驗(ASTM B117—64標準)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標準)及浸水試驗(ASTM D870—54標準)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據追溯)，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點：不影響輪轂整體美觀性；后期定位方便，容易實現流水線識別；二維碼位置與鋁輪一致；容易裝夾、定位，可提高打碼質量。

1.3 特殊特性設備

特殊特性一般是指由客戶指定的產品和過程特性，包括政府法規和安全特性，由供應商通過產品和過程的了解，以及制造經驗選出的特性。產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)分析發現其重要度和風險系數 (RPN)值較高，但無法改善的產品固有性能。

鋼制車輪的特殊特性可以理解為產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，通常特指客戶關注的內容。針對與鋼制車輪相關的精整機、反拉延壓機、合成焊機等特殊特性設備，需要采集其特性過程的數據，包括轉速、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 生產過程控制

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

針對輪輻生產，應從上料開始。上料生產線節拍為6 s，打碼節拍不超過3 s；輪輻沖床在沖壓前有預壓動作，之后有短暫停頓，該停頓時間可調，不少于2 s；現場輪輻落料沖床預壓后給出信號，觸發激光打碼機按照設定規則開始打碼；打碼結束后，為沖床預留反饋接口。

針對輪輞生產，其上料生產線節拍同樣為6 s，打碼節拍不超過3 s；現場輪輞定位傳感器觸發給出信號，觸發激光打碼機按照設定規則開始打碼；打碼結束后，為生產線預留反饋接口。

輪輻、輪輞制好之后進行合成，生產線節拍為12 s；合成之后在最終產品上打碼，單個車輪打點陣碼，節拍不超過12 s；同時點陣碼綁定采集到的焊接數據。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，以完整記錄產品生產過程。

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，因此涂裝對產品表面質量的影響較大，關系到產品上的二維碼能否被讀取，是項目成功的關鍵因素。涂裝流程可分為以下9個步驟。

(1)熱水洗。調整噴淋壓力在0.10～0.20 MPa之間，保證產品及二維碼區域清潔。

(2)預脫脂。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，去除產品及二維碼區域的油污。

(3)第2遍水洗。去除脫脂清洗劑，冷卻工件。

(4)表面調整。使用鈦酸鹽表調劑，配槽濃度3‰，調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；二維碼區域的磷化膜結晶均勻細致、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，無嚴重掛灰，允許有輕微水跡及掛灰現象，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、桔皮等不良現象。

(8)超濾水(UF)浸洗。超濾液pH值為4.8～5.8，電導率為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備首件是否通過，如不通過，在此處進行卡控。對于不良產品需進行二次判定，合格成品方可包裝入庫。

在上述生產過程管控下，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。該項目采用新材料、新工藝和新的生產方式，在國內外鋼輪制造行業均為首創。通過融入互聯網技術，生產管理者可以監控從原材料進廠到產品的入庫的整個生產過程，記錄產品所使用的材料、設備、產品檢測的數據和結果，以及產品在每個工序上的生產時間、人員信息等。通過系統分析信息并制作報表，可實時了解生產現場的生產進度、目標完成情況、產品品質，以及人、機、料的利用狀況，使整個生產現場完全透明化。

2.1 完全透明的生產系統

通過報表、電子看板顯示等方式，以二維碼和設備數據接口技術為手段，實時了解訂單生產進度、待產訂單情況、在制品狀態、生產效率、不良品情況等，掌握并控制所有物料的流動和狀態，提高按期完工率，縮短生產周期，減少跟單、統計、物料清點核對等工作。工廠相關管理人員可以全面了解整個工廠的生產進度、任務達成度和產品品質。

2.2 物流的正向和反向追溯

可根據物料批號，在系統中正向追溯產品各個生產站點、設備、成品、檢測等相關信息；可根據產品編號，反向追溯關鍵物料供應商、批次、生產記錄、檢驗記錄等信息，如圖2所示。

圖2 正反向追溯

2.3 設備集成信息管理

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

2.4 品質實時監控、分析和改善

關鍵控制點質量數據的采集與實時報表，使管理人員及質量人員實時掌控現場質量情況，可通過設置質量水平門限自動觸發告警，啟動改善程序，智能生成專業的質量分析報表，作為質量管理的高效工具和決策依據。

2.5 數據分析與決策支持

基于數據庫，提供菜單式、智能化的績效數據統計與分析，數據來源統一、客觀，并通過模板預設，智能完成各項專業分析圖表，為管理決策和精益生產提供有力支撐。

2.6 扁平化、人機協作和信息交互

傳統制造業和互聯網相結合，同時結合新材料、新工藝，可以發揮優勢互補，特別是在汽車及零部件制造行業，這種創新具有典型的示范意義。在鋼制車輪行業應用互聯網技術為首創，對本行業轉型升級具有重要的標桿意義，可以在整個鋼輪行業，甚至車輪行業推廣。

3 結語

項目上線運行半年后，達到項目總體目標：建設了能夠與系統應用和產品(SAP)無縫集成的生產信息平臺，以提高工廠運行效率、降低成本、提高競爭力，并協調集團內部軟件平臺的統一性，以降低實施、維護和系統集成的成本。各部門以生產為服務對象，以計劃為核心，生產計劃完成率達到100%；可全面掌握生產過程中人、機、料、法、環、測等環節，使生產過程更加穩定可控，產品總體合格率提升5%；設備管理由以故障維修為主逐步轉型為以例行保養為主，增強主動維護意識，減少設備的意外停機時間，加快生產運行速度，提高產品的一次合格率；使得設備綜合效率(OEE)提高到80%，產量提高了10%以上，1條生產線的單班產量由3 000件增加至3 500件左右；極大地改善了現場過程管理，提升了產品產量與質量，減少了不合格品數量和返工返修數量，取得了良好的經濟效益。初步估算1條生產線的合格率每提升1個百分點，每年就可以創造至少100萬元的效益。公司計劃后期將該項目推廣到其他生產線、類似產品的生產車間，以及國內其余的生產基地。

“新能源汽車熱成型鋼制車輪智能制造”發揮了互聯網優勢，使其與傳統產業深入融合，在提升效益的同時更方便管理，生產管理者無論何時身處何地，只要透過互聯網就能了解和掌握生產現場的狀況，亦能通過互聯網獲取信息，遠程關注訂單進度、產品品質、庫存等情況。