材料在線檢測助力沖壓智能生產(chǎn)

文/徐興智，羅龍飛·北京奔馳汽車有限公司

沖壓生產(chǎn)過程伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、甚至相變過程，以及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移和傳遞，是一個復(fù)雜的工業(yè)過程，其本身就存在大量的不確定性和非線性因素；強調(diào)生產(chǎn)過程的實時性、整體性，各生產(chǎn)裝置間存在復(fù)雜的耦合、制約關(guān)系，要求從全局協(xié)調(diào)，以求整個沖壓生產(chǎn)裝置運行平穩(wěn)、高效。這種復(fù)雜特性使得在沖壓生產(chǎn)過程中很難建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)在技術(shù)上無論如何進步，運行邏輯始終是：發(fā)生問題→人根據(jù)經(jīng)驗分析問題→人根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整五個要素→解決問題→人積累經(jīng)驗。

而智能制造系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)制造系統(tǒng)最重要的是在于建立新的智能模型，解決數(shù)據(jù)和知識的產(chǎn)生與傳承過程，包括監(jiān)測、預(yù)測、優(yōu)化和防范等，從而驅(qū)動其他五個要素，解決和避免制造系統(tǒng)的問題。智能制造運行的邏輯是：發(fā)生問題→模型（或在人的幫助下）分析問題→模型調(diào)整五個要素→解決問題→模型積累經(jīng)驗，并分析問題的根源→模型調(diào)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(chǎn)生與傳承過程。

要實現(xiàn)沖壓智能化生產(chǎn)，首要任務(wù)就是建立生產(chǎn)信息的連通，通過對以材料為載體的生產(chǎn)過程信息實時監(jiān)控與處理，可以建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的沖壓智能生產(chǎn)。實現(xiàn)先進先出的物料管理，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的精益?zhèn)}儲，實現(xiàn)質(zhì)量Q卡的電子化管理，實現(xiàn)材料質(zhì)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(xiàn)，越來越多的材料質(zhì)量信息實現(xiàn)智能感知，助力實現(xiàn)BBAC沖壓智能生產(chǎn)的未來。

技術(shù)路線

目前沖壓生產(chǎn)過程中，多采用離線檢測分析的方法，即當(dāng)沖壓生產(chǎn)出現(xiàn)質(zhì)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(jù)分析結(jié)果來指導(dǎo)生產(chǎn)，保證零件的質(zhì)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(chǎn)的要求。

在線檢測是通過直接安裝在生產(chǎn)線上的設(shè)備，利用各種軟測量技術(shù)實時檢測、實時反饋。如果在沖壓材料成形的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測，實時地檢測材料的狀態(tài)信息，并根據(jù)實時檢測到的材料狀態(tài)信息及早的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程誤差，為后續(xù)加工過程提供依據(jù)和參考，盡快地做出修正。實現(xiàn)質(zhì)量在線監(jiān)測、在線控制，提高產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯能力；實現(xiàn)沖壓工藝優(yōu)化，提升關(guān)鍵工藝過程的控制水平；從而降低生產(chǎn)廢品率和節(jié)約成本，將有助于打造出真正智能化的生產(chǎn)制造體系。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和市場競爭的日益激烈，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟效益，越來越多的在線檢測技術(shù)被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)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(fù)雜零件需求的不斷增加，對生產(chǎn)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(guān)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(zhì)量；冷卻保護模具，提高模具的使用壽命。潤滑油在沖壓生產(chǎn)中發(fā)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(xiàn)條痕缺陷；沖壓件潤滑油量過大，還將影響后續(xù)焊接及涂膠生產(chǎn)，帶來焊接煙氣污染，以及清潔等問題。在汽車行業(yè)中，已經(jīng)有統(tǒng)一規(guī)定的油膜厚度標(biāo)準(zhǔn)。其涉及范圍廣泛，從大量使用防銹油的材料生產(chǎn)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(huán)節(jié)，油膜厚度測量已是必不可少，至關(guān)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(shù)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)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(shù)據(jù)。該系統(tǒng)利用紅外光譜測量板帶表面油層的重量，并且實現(xiàn)板料全部表面測量結(jié)果的可視化顯示。該新增設(shè)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(xiàn)板料表面油膜的在線監(jiān)控，及時調(diào)整工藝參數(shù)及設(shè)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(shè)備，以斷續(xù)板料作為測量目標(biāo)，方案采用橫向穿梭雙測頭，滿足左右件及整個板料區(qū)域的測量，單料片和雙料片均可滿足，并且對測量結(jié)果進行升級，以適應(yīng)汽車沖壓領(lǐng)域的需求。在線油膜設(shè)備系統(tǒng)可顯示實時值、平均值，并可按照時間和板料形狀進行統(tǒng)計。非接觸、運動中的測量精度保證是一大難題，為適應(yīng)伺服線的高速生產(chǎn)，測量頭在傳感器、運動機構(gòu)等硬件方面均進行了優(yōu)化升級。

圖1 北京奔馳沖壓伺服E線在線油膜設(shè)備

測量得到的油膜數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品，批次，時間進行歸檔，雙料垛時，可實現(xiàn)左右板料分別歸檔，以更好的支持工藝和質(zhì)量追蹤。系統(tǒng)可顯示雙測量頭的實時測量結(jié)果。測量結(jié)果可按照X軸方向（測量頭移動方向）顯示一段時間內(nèi)的平均值，以便于監(jiān)測清洗涂油設(shè)備狀態(tài)。

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

油膜厚度在線檢測的相關(guān)經(jīng)濟收益十分顯著，可大量避免沖壓件報廢返修損失，預(yù)警設(shè)備故障減少停機，同時在精確控制油膜的基礎(chǔ)上可節(jié)約油品的使用量，經(jīng)濟效益預(yù)計到達每年百萬元以上。油膜厚度在線檢測融入沖壓生產(chǎn)控制流程后，將建立完善的油膜記錄數(shù)據(jù)庫，基于大數(shù)據(jù)支持工藝分析、設(shè)備維護，以及質(zhì)量追查。

圖2 測量結(jié)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(yīng)自動測量系統(tǒng)（IMPOC系統(tǒng)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(tǒng)的使用簡化了沖壓材料質(zhì)量的評價，實現(xiàn)了對整個板帶長度和寬度機械性能的連續(xù)評估。如果一個或多個機械性能參數(shù)超差，相應(yīng)板帶區(qū)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(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備，我們可以結(jié)合北京奔馳沖壓生產(chǎn)過程中的實際問題，以及鋼廠材料強度在線檢測設(shè)備的分析案例，說明IMPOC系統(tǒng)的應(yīng)用實例。

沖壓發(fā)現(xiàn)橘皮

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

圖4 門內(nèi)板橘皮缺陷

鋼廠IMPOC曲線調(diào)查

2017年12月4日生產(chǎn)的卷料，在反查IMPOC曲線過程中發(fā)現(xiàn)卷號426128_1的IMPOC曲線異常，對應(yīng)的屈服強度和抗拉強度均表現(xiàn)出異常，實時檢測數(shù)據(jù)接近下限，如圖5所示。

IMPOC曲線異常原因調(diào)查

調(diào)取SAP系統(tǒng)中的生產(chǎn)工藝參數(shù)數(shù)據(jù)（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(dǎo)致IMPOC-value值降低，卷料部分位置存在機械性能不符合的風(fēng)險。

圖5 IMPOC曲線和強度異常

圖6 工藝參數(shù)曲線

材料復(fù)檢性能及微觀金相

經(jīng)沖壓現(xiàn)場在橘皮位置取樣分析，復(fù)檢的力學(xué)性能顯示屈服強度偏低，接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。沖盆復(fù)檢，表面開裂，在變形較大區(qū)域出現(xiàn)橘皮如圖7所示。沖壓后復(fù)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(jié)論

此次沖壓出現(xiàn)橘皮缺陷是由于鋼廠退火生產(chǎn)過程導(dǎo)致的材料晶粒不均勻。材料強度在線檢測設(shè)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(jié)束語

為了促進“工業(yè)4.0”與“中國制造2025”戰(zhàn)略在制造行業(yè)的實施，需要在智能制造體系中構(gòu)建有效的設(shè)備與控制系統(tǒng)，促進車間狀態(tài)數(shù)據(jù)與工藝流程的結(jié)合。本文提出了通過智能儀器與智能檢測技術(shù)實現(xiàn)車間狀態(tài)智能感知與工藝質(zhì)量控制的方法，并探討了智能儀器與智能檢測技術(shù)在智能制造系統(tǒng)中新的應(yīng)用模式，還結(jié)合實際項目進行數(shù)字化生產(chǎn)線改造與建設(shè)的創(chuàng)新實踐。經(jīng)項目實踐驗證，智能儀器與檢測技術(shù)是滿足智能制造要求的發(fā)展方向。通過智能檢測設(shè)備與智能儀器的應(yīng)用，可有效促進智能制造系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、智能感知的實現(xiàn)，并為整體工藝流程的智能決策提供有效的數(shù)據(jù)資源，是智能制造系統(tǒng)建立與完善的關(guān)鍵基礎(chǔ)。