超高強鋼熱沖壓工藝信息化管理系統(tǒng)搭建研究

賈廣斌，孫福臻，張泉達，劉持振

（1.機械科學研究總院集團有限公司 先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京 100044；2.煙臺凌云汽車工業(yè)科技有限公司，山東 煙臺 264006）

輕量化已成為世界公認的汽車發(fā)展潮流和趨勢，減輕車身自重可有效降低油耗，減少碳排放，提升整車的動力性和經(jīng)濟性[1]。超高強度鋼越來越多地被用于制造車體的安全零部件，如A 柱、B 柱、防撞梁等[2]，因其既可以實現(xiàn)汽車輕量化，同時又能保證安全性，可以賦予零部件高性價比。

超高強鋼熱沖壓工藝涉及加熱爐、壓機、模具等多臺套設備，工藝參數(shù)多且參數(shù)調整范圍大，造成熱沖壓工藝設計難度大。文中研究搭建適用于批量生產的工藝數(shù)據(jù)庫，并采用智能算法根據(jù)零件尺寸、形狀特征對工藝數(shù)據(jù)進行智能分析，縮短新產品的工藝開發(fā)周期，掌握熱沖壓零件工藝設計技術。

1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方案設計

超高強鋼熱沖壓工藝數(shù)據(jù)包括材料性能信息、零件結構信息、設備參數(shù)信息、工藝參數(shù)信息、零件質量與能耗信息等。文中依據(jù)數(shù)據(jù)分類及其在熱沖壓工藝上的典型應用建立了兩類數(shù)據(jù)庫，共6 個子庫：①技術參數(shù)類數(shù)據(jù)庫，包括零件信息庫、設計工藝庫、工藝方案庫、生產工藝庫、設備信息庫共5 項子庫；② 信息應用類數(shù)據(jù)庫，包括標準類庫1 項子庫，以及智能分析模塊。技術參數(shù)類數(shù)據(jù)庫主要負責對各類參數(shù)信息進行分類匯總，并在用戶界面上鏈接顯示相關信息項，以便對比查看；信息應用類據(jù)庫是對技術參數(shù)信息之外的其他相關文檔信息進行匯總，并在智能分析模塊中對技術參數(shù)類數(shù)據(jù)庫中的主要參數(shù)信息進行檢索和圖形化展示，便于用戶對比分析。兩類數(shù)據(jù)庫信息模塊之間通過關聯(lián)的屬性字段相互鏈接，形成超高強鋼熱沖壓工藝方案數(shù)據(jù)庫體系。6 個子庫的詳細描述如下所示。

1）零件信息庫中記錄和零件相關的全部信息，包括3 個子表：基本信息、產品要求和材料屬性?；拘畔⒈碛脕碛涗浟慵幕拘畔ⅲ慵愋?、零件名稱、外形尺寸、主機廠[4]、項目代號、零件代號、質量、料厚、總產量，其中前6 項組合作為外鍵鏈接到其他數(shù)據(jù)表，作為檢索的主鍵值。

產品客戶對熱沖壓零件的技術要求在“產品要求”表中體現(xiàn)，具體來說它由4 個子表構成，即材料牌號、力學性能、表面質量和金相組織。材料牌號[5]子表包括3 個部分：化學成分、力學性能和表面質量?；瘜W成分要求包括10 種元素的成分百分比：C，Si，Mn，P，S，Alt，B，Cr，Ti，N。材料的力學性能[6]要求包括5 項屬性：屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、硬度、彎曲角。表面質量[7]要求包括5 項屬性：涂層代碼、單面涂層平均質量、單面涂層厚度、涂層密度、表面粗糙度。

主機廠對零件產品和材料的力學性能要求包括的屬性項是一樣的，只是具體的數(shù)值或者范圍不同。產品的表面質量要求包括4 項屬性的標準數(shù)值和檢測數(shù)值：涂層厚度、脫碳層厚度、粗糙度[8]、磷化標準。另外產品要求表中還提供了金相組織的圖片和描述2 項屬性。

零件的材料屬性表包括4 個部分：基本信息、化學成分、力學性能和表面質量，其中后邊3 個部分和產品要求表中“材料牌號”所包含的3 個部分是一致的，所以在用戶訪問的網(wǎng)頁頁面上“材料牌號”是一個鏈接，用戶點擊這個鏈接以后，網(wǎng)頁就會彈出對應當前這條記錄的“材料屬性”詳情信息。材料的基本信息包括8 項屬性數(shù)據(jù)：材料類型、供應商、牌號、材質、料厚、幅寬、制造工藝和成材率。

2）設計工藝庫按照零件的板材類型不同劃分為6 個子表：普通板類、補丁板類、拼焊板類、不等厚板類、軟硬分區(qū)類和其他類。所有子表共享由5 個部分組成的統(tǒng)一數(shù)據(jù)結構：基本信息、工藝分析、冷卻分析、落料排樣和邊線預開發(fā)?；拘畔? 項屬性字段：零件名稱、主機廠、項目代號和零件代號，它們和基本信息表中的信息是對應一致的。

工藝分析包含3 類數(shù)據(jù)：工藝方法、CAE 參數(shù)設置和DL 圖信息?！肮に嚪椒ā卑? 項屬性數(shù)據(jù)：沖壓方向、上模壓料部位、下模壓料部位、料片定位方式[9]和頂料桿位置，每項都包括“圖片”和“文字描述”屬性字段?！癈AE 參數(shù)設置”包括6 項屬性數(shù)據(jù)：成形力、壓料力、保壓時間[10]、加熱時間、模具溫度和加熱溫度。

“DL 圖信息，冷卻分析，落料排樣，邊線預開發(fā)”都由“圖片”和“文字描述”屬性字段構成。

3）生產工藝庫包括3 類主系統(tǒng)的參數(shù)：壓機、加熱爐和自動化，它們共有的參數(shù)有5 項：零件代號、產品名稱、產線ID、產線名稱和備注。壓機特有的參數(shù)共10 項：滑塊上限位高度、滑塊下行轉慢高度、滑塊下限位高度、壓機下行最大速度、壓機回程最大速度[11]、保壓時間、壓機下行時間、壓機回程時間、成形壓力和模具氮氣缸數(shù)值。加熱爐特有的參數(shù)共12 項：料片爐內傳輸速度、料片加熱循環(huán)時間、料片最長加熱時間、加熱爐出料節(jié)拍、料片出爐轉移時間[12]、露點、壓縮空氣、料片加熱設定溫度、保護氣氛、溫區(qū)數(shù)量、溫區(qū)設置和極限產能。自動化特有的參數(shù)共14 項：壓縮空氣、轉移時間、機械手上料節(jié)拍、機械手下料節(jié)拍、整線節(jié)拍、送料高度、料片定中溫度[13]、成形前溫度、成形后溫度、模具溫度、上模單條管路冷卻水流量、下模單條管路冷卻水流量、上模冷卻水出口溫度和下模冷卻水出口溫度。

4）工藝方案庫包括和工藝相關的2 類數(shù)據(jù)表：工藝報價和工裝費用。“工藝報價”表包括熱沖壓工序及相關項共6 類數(shù)據(jù)：基本信息、落料工序[14]、熱成形工序、激光切割工序、拋丸工序和質量檢驗，其中“基本信息”和“零件信息庫”對應一致，其余5 類數(shù)據(jù)都包括“工裝費用”項?！肮ぱb費用”除了“基本信息”公共字段外，還包括4 項屬性字段：費用、數(shù)量、合計與備注?！盁岢尚喂ば颉钡摹肮ぱb費用”分為3 類：熱成形模具、端拾器和托盤。

除了“質量檢驗”之外的所有工序都包括“設備名稱，生產節(jié)拍”2 項屬性，只有“落料工序”和“熱成形工序”包括“總產量”項，“落料工序”還包括“材料利用率”項。

5）設備信息庫包含了和生產線及設備配置相關的8 個子表，即生產線配置、壓機配置、加熱爐配置、拆垛機器人配置、上料機械手配置、下料機械手配置、熱敏相機配置和打標設備配置?！吧a線配置”包括4 個公共屬性字段：產線名稱、產線ID、產線類型、總能耗；此外，還包括指向所有設備的鏈接字段，即設備ID，用以展示各個設備的詳細配置參數(shù)。

所有設備配置子表都包括5 個公共屬性字段：產線ID、設備ID、供應商、型號和備注?！皦簷C配置”包括7 個特殊屬性：噸位、工作臺尺寸、最大下行速度、最大回程速度、快轉慢高度、占地面積和平均能耗。“加熱爐配置”也包括7 個特殊屬性：加熱溫區(qū)數(shù)量[15]、有效加熱寬度、爐輥間距、爐長、裝機功率、占地面積和平均能耗?！安鸲鈾C器人配置”包括2 個特殊屬性：軸數(shù)和滑軌距離。

6）按照產品開發(fā)過程中涉及到的相關標準，在標準類庫中設立5 個子表，即設備開發(fā)標準、產品開發(fā)標準、非標件標準、產品檢測標準和材料標準。所有子表都包括7 項屬性字段：文件名稱、擴展名、文件大小、文件版本、更新時間、讀寫動作和備注。用戶通過訪問這些標準文件，將設計流程信息共享，提高了設計效率。

2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)搭建

基于上述熱沖壓工藝數(shù)據(jù)信息，文中以關系型數(shù)據(jù)庫Microsoft SQL Server 為平臺，通過開發(fā)工具Visual Studio C#，采用ASP.Net Core 技術進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)搭建、網(wǎng)頁界面開發(fā)，實現(xiàn)用戶登錄，數(shù)據(jù)錄入并儲存、數(shù)據(jù)關聯(lián)和檢索、數(shù)據(jù)及用戶管理等功能，建立熱沖壓工藝方案數(shù)據(jù)庫。

2.1 數(shù)據(jù)庫模型

1）數(shù)據(jù)庫概念結構模型設計。數(shù)據(jù)庫的概念結構模型設計是指對系統(tǒng)需求進行功能分析，歸納總結，采用一些屬性字段及其實體來反映相互間的關系，形成邏輯概念模型的過程。系統(tǒng)實體-關系（E-R）圖是進行概念結構模型設計的常用描述工具[3]。本系統(tǒng)的E-R 圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)E-R 圖Fig.1 E-R chart of system

2）錄入數(shù)據(jù)并儲存，導出數(shù)據(jù)。用戶登錄系統(tǒng)之后，點擊相應的菜單入口即可對數(shù)據(jù)進行“添加、刪除、編輯”操作，之后“提交”操作即可將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)以后，通過“篩選、打印、導出”功能可以將頁面上顯示的數(shù)據(jù)打印出來，或者導出成pdf 和excel 格式電子檔文件，方便使用。

熱沖壓工藝數(shù)據(jù)庫原型系統(tǒng)包含材料信息、產品規(guī)格信息、零件特征信息、設備屬性和工藝參數(shù)信息等12 類報表，每個報表中包含名稱、數(shù)字、圖片、鏈接、表格等多種類型的屬性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)后臺設計時分別采用相應類型的變量管理這些數(shù)據(jù)的類型、類別以及長度，如圖2 所示。比如零件質量、料厚、產量、幅寬、材料屈服強度、抗拉強度等整型或者浮點型數(shù)據(jù)，采用數(shù)值型變量存儲；零件類型、零件名稱、圖片保存所在的路徑等數(shù)據(jù)采用文本型變量存儲，并采用nvarchar 類型來節(jié)省存儲空間；標識材料是否可用等屬性的數(shù)據(jù)采用布爾型變量存儲；表示記錄條目的創(chuàng)建時間和修改時間的數(shù)據(jù)采用日期型變量存儲。

圖2 數(shù)據(jù)類型和操作方式Fig.2 Data type and operation method

3）用戶交互界面設計。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用 Web瀏覽器作為用戶與數(shù)據(jù)庫之間交互的界面，用于數(shù)據(jù)記錄的添加、刪除、更新和查詢操作，以及管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括“零件信息庫”、“設計工藝庫”、“生產工藝庫”、“工藝方案庫”、“設備信息庫”和“標準類庫”，每個庫中包含“添加、刪除、更新”3種功能。另外還有“智能分析”模塊，其中包括“信息查詢、信息對比、推薦方案”3 項功能，分別采用和“零件”信息相關的若干關鍵詞對子庫系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行檢索，給用戶提供對應查詢檢索信息。如表1 所示。

表1 智能分析模塊功能Tab.1 Functions of intelligent analysis module

2.2 數(shù)據(jù)庫運行

1）用戶登錄與系統(tǒng)界面。用戶登錄系統(tǒng)時需要輸入用戶名稱和密碼，如圖3 所示，系統(tǒng)服務器會搜索數(shù)據(jù)庫驗證用戶名和密碼的正確性，只有用戶名和密碼都正確才能成功登錄。登錄成功后，顯示系統(tǒng)主界面，如圖4 所示。否則，系統(tǒng)將提示“用戶不存在”或“密碼錯誤”。

圖3 系統(tǒng)登錄界面Fig.3 Login interface of system

圖4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of database system

圖5 信息對比Fig.5 Information comparison

2）數(shù)據(jù)庫信息查詢。數(shù)據(jù)檢索功能可通過數(shù)據(jù)關鍵詞實現(xiàn)全字段和部分字段的模糊檢索，顯示匹配數(shù)據(jù)記錄項的信息。以“設備信息庫”為例，在“信息對比”中輸入某零件代號后，點擊“查詢”按鈕，對應記錄的信息便可通過文本、表格和圖片等方式顯示出來，部分結果的截圖如圖5 所示。同時通過查詢結果中的“查看”按鈕，實現(xiàn)與其他子庫的鏈接，如在“零件信息庫”中點擊“查看”材料，可直接鏈接到材料屬性的詳情信息界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關聯(lián)。同理，產品要求信息、設計工藝信息、生產工藝信息、工藝報價信息和設備信息也可以通過類似方式讀取。

3 結語

熱沖壓工藝信息化管理系統(tǒng)建立了適用于批量生產的信息庫，包含普通板、補丁板、拼焊板、軟硬分區(qū)板、不等厚板、其他共6 類板材，A 柱、B 柱等15 種零件類型，以及相關的零件信息、材料屬性、產品要求、制造工藝、供應商、產線、設備等7 類數(shù)據(jù)信息，通過關鍵詞將6 個子庫相關聯(lián)，集成在統(tǒng)一的網(wǎng)絡平臺上，可實現(xiàn)獨立查詢與多條件聯(lián)合查詢，并采用智能算法根據(jù)零件尺寸、形狀特征等對工藝數(shù)據(jù)進行智能分析，縮短新產品的工藝開發(fā)周期。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過服務器存儲，瀏覽器網(wǎng)頁方式訪問，便于查閱與維護；內容上包含6 個子庫，數(shù)據(jù)信息豐富，并具有開放性，可通過添加、刪除、修改等功能，不斷完善數(shù)據(jù)庫信息。

熱沖壓工藝信息化管理系統(tǒng)有利于企業(yè)工藝設計和研究人員總體把握和快速掌握熱沖壓零件工藝設計技術，促進國內熱沖壓工藝技術研究水平提高。后續(xù)將進一步完善數(shù)據(jù)庫內容，擴充數(shù)據(jù)庫信息，加強與相關企業(yè)合作，完善模具信息，材料信息，加入模具變形速率、溫度關系曲線，材料動靜態(tài)特性、疲勞性能、熱力性能等明細數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)庫技術平臺的作用。