新能源汽车热成型钢制车轮的智能制造策略

李晓飞

(浙江长征职业技术学院，浙江 杭州 310023)

0 前言

目前，传统制造企业正在艰难转型，但市场规模增长有限，人工等成本迅速增加，因此，为了获得更多利润，提升企业核心竞争力，须从生产过程管理入手。工厂制造成本是最大的成本源，生产部门是工厂最大的部门，生产制造是工厂的核心，因此，优化生产制造、提高生产管理水平意义重大。同行企业之间的竞争已经从产品、质量和价格竞争升级到管理竞争，只有更好地利用互联网技术提升制造水平，才能为客户提供更满意的产品与服务，同时保证企业的健康持续发展。

钢制车轮生产是传统制造行业。钢制车轮由轮辋和轮辐组成，轮辋通过滚型加工，轮辐通过冲压加工，2种传统加工方式均属于冷加工；将两者焊接合成，进行涂装，经检验合格后包装入库。传统钢制车轮生产管理存在以下缺陷：① 生产现场缺乏先进的管理手段，没有信息报告机制反馈车间现场的情况，无法及时优化生产制造过程的管理业务；② 钢制车轮生产质量追溯是批次追溯，但每批次的产量较大(可达到几千套或几万套)，一旦出现质量问题，无法查明产品原材料的供应商、供应时间、接收人、检验参数，以及产品在生产过程中各环节的时间、技术参数、工艺参数、设备状况、操作人员、检验人员等信息。

随着国家“碳达峰、碳中和”战略的发布，新能源代表着能源重大转型。为实现智能制造的目标、加快传统制造企业转型升级，利用互联网技术与新能源汽车热成型钢制车轮生产相结合，可依托互联网信息技术优化生产要素、更新业务体系，完成对钢制车轮制造的转型和升级。“新能源汽车热成型钢制车轮制造”项目将超高强度热成型钢材用于车轮生产，采用热加工方式，以减轻簧下质量、提高产品舒适度、提升经济性。充分发挥互联网的优势，将互联网与传统产业深度融合，以产业升级提高生产效率与质量，最终实现生产过程的可视化与生产管理的现代化。

1 新能源汽车热成型钢制车轮智能制造方案

传统制造企业不具备互联网实力和专业知识技术，需要借助专业智能制造企业的力量实现企业的智能化转型。如要将智能制造真正融入企业的生产运营过程，持续为生产发展提供有价值的数据支撑，不仅要配备智能化硬件，还要建设智能制造系统。

为实现真正的智能化，企业应首先完成数字化转型，转型需要经历业务数据化、数据业务化和数据资产化这3个阶段。企业应布局智慧工厂战略，制定分步可行的智能制造方案，以制造执行系统(MES)为核心，负责调度生产、物料、质量、设备等所有生产制造要素，通过整合优化生产流程，提高生产效益。通过新能源汽车钢制车轮热成型生产技术建立统一的制造过程信息平台，在车间一线推进信息化建设，以整合生产力，实现车间工序任务排产，解决多品种、小批量生产模式下生产计划排产较复杂的问题，实现负荷均衡化生产，整体提升企业效益，降低运营成本。

1.1 钢制车轮智能制造要素

在钢制车轮生产过程中，需要控制物料、设备、人员、工艺、测量、流程指令和环境设施等所有工厂资源，以提高制造效率，优化生产过程。新能源汽车热成型钢制车轮智能制造系统的主要作用为：① 实时收集和传递生产数据，通过设计的功能(程序)提供给有需要的管理者，使其及时知晓生产变化，有针对性地调控，实现对生产有效控制； ② 通过分析生产数据找出规律，改进生产组织和管理方法，优化生产管理体系。具体需求如图1所示。

图1 新能源汽车热成型钢制车轮制造需求分析

根据企业的管理模式和自动控制水平，将各种自动设备和自控系统联网，自动采集生产过程中的数据，实现企业生产信息集成，建立整个企业范围的实时和历史数据库，这是企业实现新能源汽车热成型应用最关键、最核心、最基础的任务。

1.2 二维码方案

要实现对所有钢轮的精确追溯，需要给每个钢轮打码，即为每个钢轮提供“身份证号码”。但钢制车轮无法通过激光或喷墨打码，这是由轮辋和轮辐的特殊工艺决定的。一般轮辋通过滚型加工，会导致在加工前打上去的二维码变得面目全非；轮辐通过冲压加工，其表面形成复杂曲面，导致二维码变形，影响读码的准确率；热成型加工会加剧其变形，表面的氧化物使二维码模糊；最后涂装焊接合成的钢轮，表面电泳漆会覆盖二维码。因此，如何在产品上打码是决定项目能否成功的关键点之一。

经大量试验研究，制定了新的二维码方案。在热成型加工完成并抛丸后，将二维码打在轮辐螺栓孔之间的位置；考虑到轮辐空白位置较小，设置二维码尺寸为6 mm×6 mm，打码深度为0.3～0.4 mm；为提高打码效率，设置二维码内容为6位字符串(64位进制数字)。盐雾试验(ASTM B117—64标准)验证30 天，读码器(康耐视8050)能正常读取点阵二维码；潮湿试验(ASTM D1735标准)及浸水试验(ASTM D870—54标准)后，读码器(康耐视8050)仍能正常读取点阵二维码。照片读码验证(模拟车轮售出后拍照片即可完成数据追溯)，利用手机对二维码拍照，再用打印机打印出来，读码校验，读码器(康耐视8050)可顺利读码。

该二维码方案具有如下优点：不影响轮毂整体美观性；后期定位方便，容易实现流水线识别；二维码位置与铝轮一致；容易装夹、定位，可提高打码质量。

1.3 特殊特性设备

特殊特性一般是指由客户指定的产品和过程特性，包括政府法规和安全特性，由供应商通过产品和过程的了解，以及制造经验选出的特性。产品特殊特性主要有以下2个来源：① 用户的明确要求，如在图纸尺寸上进行特殊标记(汽车零部件上多采用)；② 通过失效模式和影响分析 (FMEA)分析发现其重要度和风险系数 (RPN)值较高，但无法改善的产品固有性能。

钢制车轮的特殊特性可以理解为产品满足客户要求所具有的属性，如装配尺寸、强度、硬度、焊接、可靠性、涂层等，通常特指客户关注的内容。针对与钢制车轮相关的精整机、反拉延压机、合成焊机等特殊特性设备，需要采集其特性过程的数据，包括转速、分时扩张距离、气垫压力、电流、电压、送丝速度、气体流量等。

1.4 生产过程控制

针对钢制车轮生产，应先完成来料质量控制 (IQC)来料检验，将检验结果录入系统并判定是否发行。对各个岗位的操作人员实行上岗管理，符合资质要求的员工可上岗，并系统记录员工的工作时间及对应岗位，便于后期追溯。

针对轮辐生产，应从上料开始。上料生产线节拍为6 s，打码节拍不超过3 s；轮辐冲床在冲压前有预压动作，之后有短暂停顿，该停顿时间可调，不少于2 s；现场轮辐落料冲床预压后给出信号，触发激光打码机按照设定规则开始打码；打码结束后，为冲床预留反馈接口。

针对轮辋生产，其上料生产线节拍同样为6 s，打码节拍不超过3 s；现场轮辋定位传感器触发给出信号，触发激光打码机按照设定规则开始打码；打码结束后，为生产线预留反馈接口。

轮辐、轮辋制好之后进行合成，生产线节拍为12 s；合成之后在最终产品上打码，单个车轮打点阵码，节拍不超过12 s；同时点阵码绑定采集到的焊接数据。在自动检测工位读码器读取轮辐码、轮辋码和点阵码，并将3码绑定，以完整记录产品生产过程。

最后1道工序为涂装。车轮等车下部件使用条件苛刻，要求具有较高的防腐蚀性，因此涂装对产品表面质量的影响较大，关系到产品上的二维码能否被读取，是项目成功的关键因素。涂装流程可分为以下9个步骤。

(1)热水洗。调整喷淋压力在0.10～0.20 MPa之间，保证产品及二维码区域清洁。

(2)预脱脂。可使用脱脂液和热水洗补给的水，脱脂液由硅酸钠、磷酸钠、表面活性剂等配制，去除产品及二维码区域的油污。

(3)第2遍水洗。去除脱脂清洗剂，冷却工件。

(4)表面调整。使用钛酸盐表调剂，配槽浓度3‰，调整钢板表面呈微碱性pH值为8.0～9.5。

(5)磷化。磷化液总酸度18～24 PT；二维码区域的磷化膜结晶均匀细致、牢固，呈浅色至深灰色，允许局部有少量彩膜，但以不影响涂膜的均匀性为基础，无严重挂灰，允许有轻微水迹及挂灰现象，保证二维码涂装后的可读性。

(6)泳前纯水洗。要求滴水电导率小于等于30 μs/cm，如大于50 μs/cm必须清洗槽体，立即更换纯水保证电泳后质量。

(7)阴极电泳。电泳槽液固体份NV为13±2%，pH值为5.0～6.2，电导率为1 000±400 μs/cm，溶剂含量为1.0%～2.0%，灰分为10±4%；电泳后，目测车轮及二维码处漆膜是否均匀，表面无鼓泡、桔皮等不良现象。

(8)超滤水(UF)浸洗。超滤液pH值为4.8～5.8，电导率为800±400 μs/cm。

(9)电泳烘干。温度为175～205 ℃，保温时间为25～35 min。二维码区域附着力等级0级，电泳表面硬度等级大于等于H级。

成品检验工位锁定检验读码器，并在这一工序校验特殊特性设备首件是否通过，如不通过，在此处进行卡控。对于不良产品需进行二次判定，合格成品方可包装入库。

在上述生产过程管控下，钢制车轮一轮一码，可单件追溯，满足智能制造的基本要求。

2 新能源汽车热成型钢制车轮智能制造效益

目前，热成型材料仅被用于汽车防撞钢梁、加强立柱等，未被大批量用于车轮生产。该项目采用新材料、新工艺和新的生产方式，在国内外钢轮制造行业均为首创。通过融入互联网技术，生产管理者可以监控从原材料进厂到产品的入库的整个生产过程，记录产品所使用的材料、设备、产品检测的数据和结果，以及产品在每个工序上的生产时间、人员信息等。通过系统分析信息并制作报表，可实时了解生产现场的生产进度、目标完成情况、产品品质，以及人、机、料的利用状况，使整个生产现场完全透明化。

2.1 完全透明的生产系统

通过报表、电子看板显示等方式，以二维码和设备数据接口技术为手段，实时了解订单生产进度、待产订单情况、在制品状态、生产效率、不良品情况等，掌握并控制所有物料的流动和状态，提高按期完工率，缩短生产周期，减少跟单、统计、物料清点核对等工作。工厂相关管理人员可以全面了解整个工厂的生产进度、任务达成度和产品品质。

2.2 物流的正向和反向追溯

可根据物料批号，在系统中正向追溯产品各个生产站点、设备、成品、检测等相关信息；可根据产品编号，反向追溯关键物料供应商、批次、生产记录、检验记录等信息，如图2所示。

图2 正反向追溯

2.3 设备集成信息管理

通过设备连线采集检测设备信息，可减少人工录入，提高检测效率，同时能管理设备并分析设备效率。

2.4 品质实时监控、分析和改善

关键控制点质量数据的采集与实时报表，使管理人员及质量人员实时掌控现场质量情况，可通过设置质量水平门限自动触发告警，启动改善程序，智能生成专业的质量分析报表，作为质量管理的高效工具和决策依据。

2.5 数据分析与决策支持

基于数据库，提供菜单式、智能化的绩效数据统计与分析，数据来源统一、客观，并通过模板预设，智能完成各项专业分析图表，为管理决策和精益生产提供有力支撑。

2.6 扁平化、人机协作和信息交互

传统制造业和互联网相结合，同时结合新材料、新工艺，可以发挥优势互补，特别是在汽车及零部件制造行业，这种创新具有典型的示范意义。在钢制车轮行业应用互联网技术为首创，对本行业转型升级具有重要的标杆意义，可以在整个钢轮行业，甚至车轮行业推广。

3 结语

项目上线运行半年后，达到项目总体目标：建设了能够与系统应用和产品(SAP)无缝集成的生产信息平台，以提高工厂运行效率、降低成本、提高竞争力，并协调集团内部软件平台的统一性，以降低实施、维护和系统集成的成本。各部门以生产为服务对象，以计划为核心，生产计划完成率达到100%；可全面掌握生产过程中人、机、料、法、环、测等环节，使生产过程更加稳定可控，产品总体合格率提升5%；设备管理由以故障维修为主逐步转型为以例行保养为主，增强主动维护意识，减少设备的意外停机时间，加快生产运行速度，提高产品的一次合格率；使得设备综合效率(OEE)提高到80%，产量提高了10%以上，1条生产线的单班产量由3 000件增加至3 500件左右；极大地改善了现场过程管理，提升了产品产量与质量，减少了不合格品数量和返工返修数量，取得了良好的经济效益。初步估算1条生产线的合格率每提升1个百分点，每年就可以创造至少100万元的效益。公司计划后期将该项目推广到其他生产线、类似产品的生产车间，以及国内其余的生产基地。

“新能源汽车热成型钢制车轮智能制造”发挥了互联网优势，使其与传统产业深入融合，在提升效益的同时更方便管理，生产管理者无论何时身处何地，只要透过互联网就能了解和掌握生产现场的状况，亦能通过互联网获取信息，远程关注订单进度、产品品质、库存等情况。