材料在線檢測(cè)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(guò)程伴隨著物理化學(xué)反應(yīng)、甚至相變過(guò)程，以及物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)移和傳遞，是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，其本身就存在大量的不確定性和非線性因素；強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)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(gè)沖壓生產(chǎn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)、高效。這種復(fù)雜特性使得在沖壓生產(chǎn)過(guò)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(wú)論如何進(jìn)步，運(yùn)行邏輯始終是：發(fā)生問(wèn)題→人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析問(wèn)題→人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整五個(gè)要素→解決問(wèn)題→人積累經(jīng)驗(yàn)。

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(shí)的產(chǎn)生與傳承過(guò)程，包括監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和防范等，從而驅(qū)動(dòng)其他五個(gè)要素，解決和避免制造系統(tǒng)的問(wèn)題。智能制造運(yùn)行的邏輯是：發(fā)生問(wèn)題→模型（或在人的幫助下）分析問(wèn)題→模型調(diào)整五個(gè)要素→解決問(wèn)題→模型積累經(jīng)驗(yàn)，并分析問(wèn)題的根源→模型調(diào)整五個(gè)要素→避免問(wèn)題。因此，智能制造所要解決的核心問(wèn)題是知識(shí)的產(chǎn)生與傳承過(guò)程。

要實(shí)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(guò)對(duì)以材料為載體的生產(chǎn)過(guò)程信息實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出的物料管理，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的精益?zhèn)}儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量Q卡的電子化管理，實(shí)現(xiàn)材料質(zhì)量信息可追溯。隨著今年在線油膜檢測(cè)在BBAC沖壓工廠的實(shí)現(xiàn)，越來(lái)越多的材料質(zhì)量信息實(shí)現(xiàn)智能感知，助力實(shí)現(xiàn)BBAC沖壓智能生產(chǎn)的未來(lái)。

技術(shù)路線

目前沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，多采用離線檢測(cè)分析的方法，即當(dāng)沖壓生產(chǎn)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)或每隔一段時(shí)間對(duì)材料進(jìn)行抽樣，送試驗(yàn)室進(jìn)行樣品的分析，然后根據(jù)分析結(jié)果來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)，保證零件的質(zhì)量。由于抽樣代表性和時(shí)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(cè)是通過(guò)直接安裝在生產(chǎn)線上的設(shè)備，利用各種軟測(cè)量技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)、實(shí)時(shí)反饋。如果在沖壓材料成形的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)地檢測(cè)材料的狀態(tài)信息，并根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的材料狀態(tài)信息及早的發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程誤差，為后續(xù)加工過(guò)程提供依據(jù)和參考，盡快地做出修正。實(shí)現(xiàn)質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)、在線控制，提高產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量追溯能力；實(shí)現(xiàn)沖壓工藝優(yōu)化，提升關(guān)鍵工藝過(guò)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(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，越來(lái)越多的在線檢測(cè)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(cè)、沖壓材料強(qiáng)度在線檢測(cè)等等。

沖壓油膜在線檢測(cè)

隨著市場(chǎng)對(duì)新材料和更加復(fù)雜零件需求的不斷增加，對(duì)生產(chǎn)工序可靠性的要求也在與日俱增。因此，油膜對(duì)于鋼板和鋁板的沖壓成形工序來(lái)說(shuō)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(dòng)，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(hù)模具，提高模具的使用壽命。潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油量過(guò)大，還將影響后續(xù)焊接及涂膠生產(chǎn)，帶來(lái)焊接煙氣污染，以及清潔等問(wèn)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(guò)程，到需要清洗涂油的開(kāi)卷落料，以及足夠潤(rùn)滑油的沖壓環(huán)節(jié)，油膜厚度測(cè)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(cè)技術(shù)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)沖壓自動(dòng)線上板料運(yùn)行過(guò)程中對(duì)油層厚度進(jìn)行在線測(cè)量，可在板帶運(yùn)行中得到整個(gè)長(zhǎng)寬方向上的油膜厚度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)利用紅外光譜測(cè)量板帶表面油層的重量，并且實(shí)現(xiàn)板料全部表面測(cè)量結(jié)果的可視化顯示。該新增設(shè)備單元安裝在涂油機(jī)與對(duì)中站之間，如圖1所示。用于實(shí)時(shí)檢測(cè)板料殘余油膜，在板料送入模具沖壓前，實(shí)現(xiàn)板料表面油膜的在線監(jiān)控，及時(shí)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(cè)設(shè)備，以斷續(xù)板料作為測(cè)量目標(biāo)，方案采用橫向穿梭雙測(cè)頭，滿足左右件及整個(gè)板料區(qū)域的測(cè)量，單料片和雙料片均可滿足，并且對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行升級(jí)，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(shí)時(shí)值、平均值，并可按照時(shí)間和板料形狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。非接觸、運(yùn)動(dòng)中的測(cè)量精度保證是一大難題，為適應(yīng)伺服線的高速生產(chǎn)，測(cè)量頭在傳感器、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等硬件方面均進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。

圖1 北京奔馳沖壓伺服E線在線油膜設(shè)備

測(cè)量得到的油膜數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品，批次，時(shí)間進(jìn)行歸檔，雙料垛時(shí)，可實(shí)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(cè)量頭的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果可按照X軸方向（測(cè)量頭移動(dòng)方向）顯示一段時(shí)間內(nèi)的平均值，以便于監(jiān)測(cè)清洗涂油設(shè)備狀態(tài)。

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

油膜厚度在線檢測(cè)的相關(guān)經(jīng)濟(jì)收益十分顯著，可大量避免沖壓件報(bào)廢返修損失，預(yù)警設(shè)備故障減少停機(jī)，同時(shí)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(jì)效益預(yù)計(jì)到達(dá)每年百萬(wàn)元以上。油膜厚度在線檢測(cè)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(kù)，基于大數(shù)據(jù)支持工藝分析、設(shè)備維護(hù)，以及質(zhì)量追查。

圖2 測(cè)量結(jié)果3D顯示

沖壓材料強(qiáng)度在線檢測(cè)

沖壓材料強(qiáng)度在線檢測(cè)是將電磁感應(yīng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（IMPOC系統(tǒng)如圖3所示），用于自動(dòng)無(wú)損在線檢測(cè)鐵磁性板帶材料的機(jī)械性能（抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度）。EMG IMPOC系統(tǒng)的使用簡(jiǎn)化了沖壓材料質(zhì)量的評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)板帶長(zhǎng)度和寬度機(jī)械性能的連續(xù)評(píng)估。如果一個(gè)或多個(gè)機(jī)械性能參數(shù)超差，相應(yīng)板帶區(qū)域得到警報(bào)后，將進(jìn)行可選的額外測(cè)試。保證了每一個(gè)沖壓件的強(qiáng)度都符合標(biāo)準(zhǔn)，最終滿足整車安全對(duì)沖壓件的要求。

圖3 在線性能測(cè)量原理示意圖

北京奔馳的沖壓工廠還沒(méi)有材料強(qiáng)度在線檢測(cè)的設(shè)備，我們可以結(jié)合北京奔馳沖壓生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題，以及鋼廠材料強(qiáng)度在線檢測(cè)設(shè)備的分析案例，說(shuō)明IMPOC系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)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(hào)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)卷號(hào)426128_1的IMPOC曲線異常，對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均表現(xiàn)出異常，實(shí)時(shí)檢測(cè)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(jī)械性能不符合的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 IMPOC曲線和強(qiáng)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(chǎng)在橘皮位置取樣分析，復(fù)檢的力學(xué)性能顯示屈服強(qiáng)度偏低，接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限。沖盆復(fù)檢，表面開(kāi)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(jí)別為6～8級(jí)，如圖8所示。

圖7 沖盆測(cè)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(guò)程導(dǎo)致的材料晶粒不均勻。材料強(qiáng)度在線檢測(cè)設(shè)備可以檢測(cè)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的波動(dòng)，以及晶粒度不均勻的混晶缺陷。

結(jié)束語(yǔ)

為了促進(jìn)“工業(yè)4.0”與“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略在制造行業(yè)的實(shí)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(jìn)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(guò)智能儀器與智能檢測(cè)技術(shù)實(shí)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(cè)技術(shù)在智能制造系統(tǒng)中新的應(yīng)用模式，還結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)字化生產(chǎn)線改造與建設(shè)的創(chuàng)新實(shí)踐。經(jīng)項(xiàng)目實(shí)踐驗(yàn)證，智能儀器與檢測(cè)技術(shù)是滿足智能制造要求的發(fā)展方向。通過(guò)智能檢測(cè)設(shè)備與智能儀器的應(yīng)用，可有效促進(jìn)智能制造系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、智能感知的實(shí)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)。