紐扣焊技術(shù)在柔性化生產(chǎn)線的應(yīng)用

一汽-大眾汽車有限公司，廣東佛山 528000

一汽-大眾汽車有限公司引用世界領(lǐng)先的大眾集團(tuán)MQB平臺(tái)，該平臺(tái)擁有極高的柔性化生產(chǎn)能力。我們始終秉承工匠精神，鉆研技術(shù)，采用KVP2（質(zhì)量改進(jìn)）方法，即基于現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析而進(jìn)行的解決問(wèn)題方法，去解決工作中遇到的重難點(diǎn)問(wèn)題。

課題團(tuán)隊(duì)對(duì)2018年的TOP10質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)有63%的問(wèn)題集中在前蓋上。經(jīng)過(guò)分析得出，造成此問(wèn)題的原因主要是前蓋在經(jīng)過(guò)電泳和烘干后發(fā)生較大的變形，給總裝ZP7增加了大量的返修工作，需要耗費(fèi)大量的人員調(diào)整返修來(lái)解決問(wèn)題。面對(duì)當(dāng)下嚴(yán)峻的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和成本考驗(yàn)，解決此問(wèn)題迫在眉睫。

如果能夠解決前蓋電泳變形問(wèn)題，預(yù)計(jì)前蓋匹配返修工作量可以得到較大幅度的降低，提升生產(chǎn)線的效率。為此，課題團(tuán)隊(duì)將解決前蓋電泳變形問(wèn)題作為關(guān)鍵措施，以此實(shí)現(xiàn)減少返修、提高效率的目標(biāo)。

面對(duì)前蓋電泳變形帶來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題和效率損失，如何解決電泳變形成為最關(guān)鍵的因素。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于前蓋電泳變形的影響，前蓋的尺寸變化量為：－2.71～4.85mm，而需要的匹配精度為：

因此前蓋的變形量和楔形量都必須控制在2mm以內(nèi)。預(yù)計(jì)如果前蓋電泳變形問(wèn)題消除，ZP7匹配調(diào)整工作量將減少。

紐扣焊技術(shù)開(kāi)發(fā)

前蓋電泳變形問(wèn)題是ZP7工段最嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，因此按照KVP2的方法開(kāi)展工作，旨在解決前蓋電泳變形問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析，常規(guī)的技術(shù)手段以及工藝優(yōu)化已無(wú)法解決該類問(wèn)題，因此本課題團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)尋求技術(shù)的突破，以技術(shù)手段去解決電泳變形的問(wèn)題。

1.建立理論模型

以V車型前蓋總成為例，其主要工藝生產(chǎn)過(guò)程分為模具沖壓、涂膠、壓合、單邊焊、電泳、烘干及裝配，前蓋的尺寸變形量是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，評(píng)價(jià)指標(biāo)具體可換算成前蓋與翼子板、前蓋與大燈、前蓋與格柵以及前蓋與徽標(biāo)的平度與間隙。對(duì)于尺寸變化量可依據(jù)胡克定律進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合匹配標(biāo)準(zhǔn)，以前蓋邊緣處某點(diǎn)j為基準(zhǔn)，建立模型。

胡克定律變形量公式為

式中，F(xiàn)Ni主要受電泳液的作用力影響；li及Ai為產(chǎn)品設(shè)計(jì)值；E為彈性模量與材料本身及生產(chǎn)工藝相關(guān)；ε為工藝綜合影響經(jīng)驗(yàn)參數(shù)值。

塑性變形所需能量W計(jì)算公式為

式中，F(xiàn)i為受力，li為力距。

工裝彈簧積蓄能量U計(jì)算公式為

式中，P為載荷力；k為彈簧阻尼系數(shù)；d為變位量。

能量守恒公式為

匹配標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)式（1）。

波動(dòng)量計(jì)算公式為

式中，m為波動(dòng)中心位置；s為波動(dòng)分布的曲線形狀。

經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)公式為

分析與計(jì)算：由理論模型可知，為滿足匹配標(biāo)準(zhǔn)，需要控制變形量Dj，即Dj越小匹配狀態(tài)越好。

1）式（1）～（5），受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，l及Ai無(wú)法改變，在柔性化智能制造過(guò)程中，尤其在60件/h產(chǎn)能下，F(xiàn)Ni減小空間小，最佳解決途徑是優(yōu)化生產(chǎn)工藝，加大彈性模量E，實(shí)現(xiàn)變形量Dj減小的目標(biāo)。

2）分析式（3）～（5），在外力Fi以及外部對(duì)前蓋做功W一定的前提下，減小工裝彈簧阻尼k會(huì)增大行程d，從而使W額外增大，得出前蓋的塑性變形能量W降低，可推導(dǎo)出變形量Dj減小。但是，基于生產(chǎn)工藝的經(jīng)驗(yàn)，其d→0，即U=0，減小工裝彈簧阻尼k無(wú)法改變變形量Dj。

3）觀察式（4）和式（6），結(jié)合生產(chǎn)工藝的經(jīng)驗(yàn)，提出設(shè)想，改變彈簧阻尼會(huì)影響尺寸的穩(wěn)定性，即k值與s值成線性關(guān)系，推導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式（7）。

經(jīng)以上分析得出，從阻尼系數(shù)k以及彈性模量E兩方面著手，去制定生產(chǎn)工藝方案，可能實(shí)現(xiàn)V車型的前蓋電泳變形量小于2mm這個(gè)目標(biāo)。

2.試驗(yàn)方案

結(jié)合整車裝配，需要測(cè)量以下位置點(diǎn)，如圖1所示，用于評(píng)價(jià)前蓋尺寸的變化情況。

圖1 測(cè)量點(diǎn)分布

（1）焊接方案 前蓋內(nèi)外板通過(guò)滾邊壓合工藝后，為了防止內(nèi)外板的竄動(dòng)，一般還會(huì)采取焊接工藝，例如單邊焊?？梢圆捎靡韵路桨父淖儚椥阅Ａ縀：基于車身結(jié)構(gòu)建立前蓋力學(xué)模型，進(jìn)行變形量仿真分析，尋求最佳焊接位置；根據(jù)仿真結(jié)果，驗(yàn)證表1中的工藝，評(píng)估前蓋尺寸變化情況。

表1 工藝對(duì)尺寸的影響

（2）涂膠方案 前蓋內(nèi)外板結(jié)合后，其剛度除了焊接本身起作用外，涂膠同樣起到增加強(qiáng)度的作用。根據(jù)壓合狀態(tài)下膠的固化強(qiáng)度特性，可從以下方面進(jìn)行試驗(yàn)改變彈性模量E：改變固化時(shí)間，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，設(shè)置前蓋總成靜置不同的時(shí)間，觀察其尺寸變化情況，考察延長(zhǎng)靜置時(shí)間是否能增大整體剛度指標(biāo)。

改變膠的性能，尋找與原有壓合膠性能相近但在強(qiáng)度性能指標(biāo)上更優(yōu)的壓合膠。

（3）工裝方案 工裝的作用是連接前蓋與車身。更換彈簧，即改變阻尼系數(shù)k，可能會(huì)影響σ值，觀察不同阻尼系數(shù)下的變形量及波動(dòng)量。

3.方案實(shí)施

基于試驗(yàn)方案，采取小批量試裝的工作方法，得出試裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

在商務(wù)英語(yǔ)研究的實(shí)際中，交叉發(fā)展是開(kāi)展商務(wù)英語(yǔ)學(xué)科建設(shè)的必然途徑。通過(guò)學(xué)科建設(shè)的實(shí)際反映，把學(xué)科發(fā)展和提高學(xué)科教學(xué)水平的積極的因素和有力措施運(yùn)用起來(lái)作為主線，其實(shí)踐過(guò)程統(tǒng)稱為學(xué)科建設(shè)。學(xué)科的發(fā)展永無(wú)止境，但是在每個(gè)階段，學(xué)科研究的能力是受到一定的限制的，這也造成了學(xué)科建設(shè)存在一定的矛盾，而認(rèn)識(shí)和把握科學(xué)的學(xué)科發(fā)展特定規(guī)律及順應(yīng)時(shí)代形勢(shì)發(fā)展需要，做到順勢(shì)而為是解決該矛盾的出發(fā)點(diǎn)和立足點(diǎn)。所以必須要全面、科學(xué)、客觀地認(rèn)識(shí)到開(kāi)展學(xué)科建設(shè)的意義。

（1）焊接試驗(yàn) 根據(jù)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示。紅色及黃色區(qū)域變形量最大，因此紅色及黃色區(qū)域是最佳焊接位置。

圖2 變形仿真分析

基于智能制造，綜合生產(chǎn)節(jié)拍、表面、人員可操作性、強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)型及可優(yōu)化潛力等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，再四個(gè)角增加焊點(diǎn)，如圖2中的紅點(diǎn)所示，其變形效果最佳，評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 增加四角焊點(diǎn)后的變形效果評(píng)估

從表2可看出，MIG為最優(yōu)焊接方式，但是其表面狀態(tài)及可操作性上會(huì)存在不足，后續(xù)如無(wú)更優(yōu)方案，可從如何去優(yōu)化并改進(jìn)MIG焊工藝的角度嘗試提出解決方案。

（2）涂膠試驗(yàn) 將總成靜置在干燥室溫下，尺寸變化量見(jiàn)表3。

表3 靜置時(shí)間與尺寸變化量

結(jié)果顯示，靜置時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)尺寸變化量影響不大。

改變膠的性能，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同膠對(duì)變形量的影響

結(jié)果表明，2K膠性能最佳，滿足變形量質(zhì)量要求小于2.0mm。但是單車成本增加約30元，投入產(chǎn)出比太低，不適合批量生產(chǎn)。

表5 不同彈簧對(duì)前蓋尺寸波動(dòng)量和變化量的影響

試驗(yàn)論證了經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)公式（7）是成立的，波動(dòng)量得到有效的控制，進(jìn)而選擇阻尼系數(shù)10.9的彈簧最為合適。但是其變形量沒(méi)有得到控制，因此該方案對(duì)于解決前蓋電泳變形意義不大。

4.改進(jìn)與創(chuàng)新

綜合評(píng)估，決定采取MIG焊接方式，但是需要從技術(shù)上解決焊接熱變形的問(wèn)題。因此，嘗試?yán)美^電器原理對(duì)原有的MIG焊接設(shè)備進(jìn)行改造，如圖3所示。

圖3 設(shè)備改造示意

改造后的MIG焊接設(shè)備在每次動(dòng)作的時(shí)候僅在固定的焊接時(shí)間輸出，同時(shí)選擇合適的焊絲并對(duì)焊槍槍頭進(jìn)行優(yōu)化，從而形成“紐扣”形態(tài)的MIG焊，如圖4所示。

圖4 “紐扣”焊實(shí)物

紐扣焊的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、對(duì)表面影響小，特別適合像前蓋這樣的表面件。按照表6調(diào)試其相關(guān)焊接性能，實(shí)現(xiàn)表面狀態(tài)及可操作性上的提升。

表6 焊接調(diào)試參數(shù)表

5.效果驗(yàn)證

用三坐標(biāo)測(cè)量同一個(gè)前蓋總成在漆前與漆后的狀態(tài)，樣本量n=58，如圖5所示，藍(lán)色表示優(yōu)化前的尺寸曲線，紅色表示優(yōu)化后的尺寸曲線。結(jié)果顯示，優(yōu)化后尺寸變化量為－1.73～0.21mm，滿足式（1）的匹配標(biāo)準(zhǔn)，可預(yù)見(jiàn)能夠解決前蓋電泳變形的問(wèn)題。

圖5 三坐標(biāo)測(cè)量結(jié)果

6.流程鞏固

編制新技術(shù)紐扣焊的操作指導(dǎo)書(shū)、設(shè)備參數(shù)記錄表以及設(shè)備故障處理方法。由此，紐扣焊技術(shù)正式投入量產(chǎn)。

在柔性化生產(chǎn)線中的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn)，通常會(huì)在一個(gè)車型平臺(tái)上共線生產(chǎn)多種車型。由于不同車型的工藝差別，對(duì)某個(gè)工位來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)不同車型時(shí)，可能執(zhí)行不同的工藝要求，完成不同的工作流程，導(dǎo)致在不同車型下工人的負(fù)荷率不同，所以采取平均負(fù)荷率來(lái)衡量員工的負(fù)荷情況和生產(chǎn)線的能力。

1.建立模型

假定某生產(chǎn)線節(jié)拍為T(mén)（單位為秒），同時(shí)生產(chǎn)A、B、C、D四種車型，四種車型的比例為a∶b∶c∶d。工人甲在本工位執(zhí)行4種車型工藝，A車型工作時(shí)間為t1，B車型工作時(shí)間為t2，C車型工作時(shí)間為t3，D車型工作時(shí)間為t4，則工人甲的平均工作時(shí)間見(jiàn)式（8），員工甲的平均負(fù)荷率見(jiàn)式（9）。

通常工人的平均符合率要求為90%～100%，由于車型比例的差異，則意味著可能某一車型下的員工負(fù)荷率會(huì)超過(guò)100%。只要平均負(fù)荷率沒(méi)有超過(guò)節(jié)拍也是可以接受的，但是同時(shí)對(duì)車序會(huì)有較高要求，不能連續(xù)出現(xiàn)超節(jié)拍的車型，即。

通過(guò)此種方式可以最大限度地利用不同車型的空余時(shí)間，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷率的提高和產(chǎn)能的提升。

設(shè)該生產(chǎn)線的設(shè)備開(kāi)動(dòng)率為k，則該生產(chǎn)線的能力為

通過(guò)以上分析可以得出，如果要提升JPH，就必須要降低員工的平均工作時(shí)間，可以通過(guò)降低任意一種或幾種車型的工作時(shí)間來(lái)達(dá)到。通常選取工作時(shí)間最長(zhǎng)的瓶頸車型。

假設(shè)車型D的工作時(shí)間最長(zhǎng)，通過(guò)工作流程優(yōu)化，使該工位車型D的工作時(shí)間從t4降低到t5，則員工甲新的平均工作時(shí)間為式（12）。保持設(shè)備開(kāi)動(dòng)率不變的情況下，則該生產(chǎn)線的JPH能力可以提升至式（13），JPH能力提升的比率為式（14），說(shuō)明在原有人員和設(shè)備的情況下，該工位的效率提升了y。

2.方案應(yīng)用

（1）改進(jìn)前 由于車身經(jīng)過(guò)涂裝電泳及烘干程序后會(huì)發(fā)生變形，以及總裝的影響，前蓋與翼子板或與徽標(biāo)的匹配有錯(cuò)位，需要在下線前進(jìn)行調(diào)整。目前在總裝BA7線上174－177工位有4名員工進(jìn)行前蓋調(diào)整工作，生產(chǎn)線節(jié)拍為59s。該4名員工分為4組，每人調(diào)整工作占4個(gè)工位和4個(gè)節(jié)拍時(shí)間，往復(fù)循環(huán)工作。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的觀察和統(tǒng)計(jì)，目前調(diào)整耗時(shí)較多的點(diǎn)主要為：前蓋與翼子板的匹配，前蓋與徽標(biāo)的匹配，以及前蓋與大燈的匹配，造成該問(wèn)題的主要原因是前蓋電泳變形。其中V車型前蓋變形量最大，為－4.85～2.71mm。重點(diǎn)考察V車型的工作，其改進(jìn)前工作描述見(jiàn)表7。

表7 優(yōu)化前工作描述

V車型前蓋調(diào)整的時(shí)間為243s，工作節(jié)拍為236s，為超節(jié)拍的狀態(tài)。由于其他三種車型的前蓋調(diào)整時(shí)間并沒(méi)有超節(jié)拍，根據(jù)式（8）計(jì)算出前蓋調(diào)整工位的平均工作時(shí)間為202s，平均負(fù)荷率為85%，見(jiàn)表8。

表8 優(yōu)化前各車型工作節(jié)拍

（2）改進(jìn)后 V車型實(shí)施紐扣焊技術(shù)后，前蓋匹配調(diào)整工作量大大降低，其前蓋的變形量為－1.73～0.21mm，改進(jìn)后工作描述見(jiàn)表9。

表9 優(yōu)化后工作描述

根據(jù)平均符合率公式計(jì)算出，如果要優(yōu)化1人，各個(gè)車型需要優(yōu)化節(jié)拍見(jiàn)表10。

表10 節(jié)拍優(yōu)化目標(biāo)

為此，有針對(duì)性的開(kāi)展其他車型的質(zhì)量?jī)?yōu)化工作。其中A車型通過(guò)對(duì)翼子板單件的型面優(yōu)化，解決了翼子板與A柱的縮頭匹配缺陷；B車型優(yōu)化了骨架翼子板的定位孔尺寸，解決了翼子板與前蓋的匹配缺陷；由于前蓋鉸鏈的尺寸得到了有效的控制，C車型前蓋穩(wěn)定性得到了提升。根據(jù)式（8）計(jì)算出各工位的平均工時(shí)見(jiàn)表11。

表11 優(yōu)化后各車型工作節(jié)拍

工作量減少后，原4人的平均負(fù)荷率均為74%，存在較多的等待時(shí)間。進(jìn)一步分析可得，原有工作可以減少至3人完成，即優(yōu)化1人。根據(jù)式（9）計(jì)算出3人工作的平均負(fù)荷率為98%。

綜上所述，各車型的質(zhì)量?jī)?yōu)化使得ZP7調(diào)整工作量降低，其中V車型由于新技術(shù)的投入使用，貢獻(xiàn)量最大。優(yōu)化前后ZP7工段工作變化見(jiàn)表12。

表12 優(yōu)化前后對(duì)比表

結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目報(bào)告是基于解決2018年的一個(gè)TOP質(zhì)量問(wèn)題開(kāi)展起來(lái)的。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)前蓋匹配問(wèn)題最多，而前蓋電泳變形是導(dǎo)致前蓋匹配狀態(tài)差的根本原因。經(jīng)過(guò)理論分析以及試驗(yàn)分析，得出前蓋電泳變形的根本原因是內(nèi)外板之間的竄動(dòng)造成，可從優(yōu)化工裝的阻尼系數(shù)以及前蓋的彈性模量嘗試解決問(wèn)題，因此提出多套試驗(yàn)方案進(jìn)行評(píng)估，終究因?yàn)槌杀净蛘哔|(zhì)量瓶頸而無(wú)法解決。

為了攻克技術(shù)難點(diǎn)，本課題團(tuán)隊(duì)深入思考并開(kāi)展了大量的試驗(yàn)，發(fā)明了“紐扣焊”技術(shù)，從技術(shù)上解決了問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了將前蓋的變形量控制在2mm以內(nèi)的目標(biāo)。對(duì)ZP7前蓋調(diào)整相關(guān)工位的符合率以及柔性化進(jìn)行了分析，并將紐扣焊技術(shù)運(yùn)用到V車型上解決了前蓋電泳變形的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)其他相關(guān)質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化1人的目標(biāo)。