車用材料設計一致性應用實踐與探討

鄭學森 王寶昆

（北京福田戴姆勒汽車有限公司研發(fā)中心，北京101400）

1 前言

零部件作為汽車工業(yè)的基礎，是支撐汽車工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的重要因素，而材料是設計、制造汽車零部件的基礎，新材料的發(fā)展可能引領汽車技術的發(fā)展。不同時期設計、制造產品的特性和質量與預期要求或標準、規(guī)范不吻合，將出現(xiàn)“一致性”問題。一臺車通常需要由2萬～3萬件甚至更多的零部件組裝而成，而整車一致性問題往往就出在零部件上。一個好的零部件是結構、材料、工藝最佳組合，并達成預期效果，有時還是多材料組合應用并與其結構、工藝協(xié)同達成多目標的結果。而其中的材料既是設計零部件結構、選擇制造工藝的基礎，實現(xiàn)設計和制造一體化的紐帶，更是實現(xiàn)零部件形狀外觀、功能特性等最終效果的保證。因此，要做到整車一致性，就要首先做到零部件一致性，要做到零部件一致性，就要優(yōu)先做到材料的一致性。設計選材是尤為關鍵的第一步，保證設計輸出的材料始終滿足零部件設計要求并符合相關技術規(guī)定，而且不同的零部件供應商對它們的理解不會產生歧義，最終實現(xiàn)不同設計人員、不同零部件供應商在不同時期所設計、制造的零部件具有一致性。

5M1E指的是人（Man/Manpower）、料（Material）、機（Machine）、環(huán)（Environment）、法（Method）、測（Measurement），它是在全面質量管理（TQM）理念引領下制造企業(yè)質量管理的5要素，同時也是系統(tǒng)性建立管控流程方法、分析問題產生根源的思路和方向。筆者認為，5M1E工作法同樣可用于產品開發(fā)過程設計選材管理流程的檢討及完善，利于對設計質量及其波動的管控。

a.人：車用材料擁有龐大的族群，1個完整的車用材料標注往往是材料名稱、牌號、規(guī)格、制造加工方法、輔助技術要求和標準依據(jù)等多個的集成。實際工作中，設計人員在設計選材時通常更多地關注材料名稱和牌號而忽略材料規(guī)格、制造加工方法和輔助技術要求等設計選型細節(jié)，容易造成零部件供應商的理解偏差，會因為材料的誤用或錯用而導致所生產零部件質量的波動或差異，甚至出現(xiàn)不合格。基于材料設計選型過程的復雜性，需要有一支以材料研發(fā)人員為主體的專業(yè)化工作團隊作支撐保障。

b.料：車用材料設計一致性管控的對象就是材料，材料應滿足零部件功能特性、工藝性能和質量要求。從管控的廣度來看，要實現(xiàn)對所有系統(tǒng)總成和零部件所應用工程材料的全覆蓋；從管控的深度來說，針對車用材料的多技術集成特點，要實現(xiàn)用材技術要求的明晰化。

c.機：制造工藝（包括成型加工和后處理技術等）是生成零部件并整體體現(xiàn)材料特性的根本保障。針對系統(tǒng)總成及零部件的批量化生產制造過程，工藝技術及其裝備（含設備、模具、工裝等硬件）是保持或延續(xù)車用材料一致性的關鍵因素之一。

d.環(huán)：車用材料的應用受制于各種環(huán)境因素，如溫濕度、環(huán)境介質以及應用工況條件等，而且針對不同類型的材料，關注側重點會有顯著差異：針對工程塑料和橡膠類非金屬零部件，更加關注它們在光、熱、紫外線、臭氧等環(huán)境條件下的抗老化性以及VOC、氣味和阻燃等環(huán)保與安全特性；針對大多數(shù)金屬零部件，更關注其在濕熱環(huán)境及不同介質或工況條件下的耐蝕性。因為不同類型的材料在實際應用環(huán)境條件下都有自己的短板，是設計選材適用性評判的重要特性要素。

e.法：指導設計選材并保持其一致性的依據(jù)是標準和方法?；谙到y(tǒng)總成及零部件設計的標準化、系列化、通用化要求建立適用于主機廠需要的材料標準和方法體系：針對成熟度較高、通用性較強的材料，通常以國家或行業(yè)標準為依據(jù)，促進材料供應商、零部件制造商和主機廠三者快速融合；在很多應用場景下，主機廠為體現(xiàn)個性化、模塊化需求進行內部企業(yè)標準和方法手段的轉化，在材料供應商和零部件制造商參與下實現(xiàn)同步協(xié)同。

f.測：衡量車用材料設計一致性，主要體現(xiàn)在按照IATF 16949:2016 Quality management systems—Particular requirements for the application of IATF 16949:2016 for automotive production and relevant service part organizations[1]規(guī)范要求的流程化監(jiān)測。重點圍繞APQP過程的前期策劃、設計開發(fā)實施、設計輸入輸出及評審、設計驗證與確認以及設計更改等過程節(jié)點，全過程參與設計選材管理和結果評價。

產品開發(fā)階段設計過程故障模態(tài)分析（DFMEA）始于對產品功能特性與管控流程工序的識別，通過因果分析和風險評價找到影響產品功能的根本性原因或要素，并基于現(xiàn)行的設計與控制措施采取相應的提升與改善策略，而設計防錯技術是DFMEA的重要輸出之一。材料試驗大綱（TSP）和產品開發(fā)驗證計劃（DVP）是材料開發(fā)和應用過程的綱領性文件，也是材料標準制修訂及后續(xù)材料一致性管控的重要參照；材料選用與標注的規(guī)范化是防止零部件用材錯誤的重要防錯方法，而在零部件上進行用材標識標記是實現(xiàn)應用實物及其用材可追溯的基本手段。

本文基于汽車零部件設計和制造一體化理念與實踐，借助企業(yè)材料數(shù)據(jù)庫的建設，通過車用工程材料體系架構優(yōu)化和材料標準溯源分析，結合實際過程的典型問題或案例分析，較為系統(tǒng)地提出了材料設計一致性管控策略。

2 組建專業(yè)化、協(xié)同化的工作團隊

車用材料具有涉及面廣、專業(yè)化程度高、與零部件一體化設計與制造同步程度高的顯著特點，需要主機廠組建獨立的研發(fā)機構或組織并賦予職能職責，基于“應用一代，儲備一代，開發(fā)一代”的科研理念并行開展相關基礎研究、先行研究和應用研究，組織開展車用材料的重大研究課題或重點開發(fā)項目，適應技術進步和市場競爭日益激烈的現(xiàn)實需要。為此，組建了以材料研究部門負責、跨部門協(xié)作、供應商參與的工作團隊（圖1）。

圖1 材料設計一致性管控團隊構成

材料研究部門的職能職責如下。

a.材料基礎技術平臺組建，包括國內外材料標準研究、材料標準制修訂、材料數(shù)據(jù)庫建設；

b.新材料研究及應用推廣，包括新材料及其技術動態(tài)趨勢研究和對標分析，對接早期供應商參與（Early Vendor Involvement，EVI），組織新材料、新工藝預研和應用研究，指導模塊化應用開發(fā)；

c.一致性管控及技術支持，包括牽頭材料設計一致性管控，參與零部件設計選材和圖紙工藝審查，負責材料認可備案和材料失效評判，參與供應商評價和體系優(yōu)化。

材料設計一致性工作團隊分為材料研究開發(fā)和設計選材效果評價2個小組，由材料研究部門負責建立協(xié)同響應的聯(lián)合體。

3 構筑車用材料技術新型體系架構

1輛車往往由多達上萬個零部件組成，涉及的常用材料有4 000～5 000種。對于主機廠的設計工程師來說，如何做到準確選材標注是一個難題。如355鋼級低合金結構鋼，它是重型載貨汽車中各車型平臺系統(tǒng)總成和零部件常用的一種基礎鋼材，對應標準為GB/T 1591—2018《低合金高強度結構鋼》[2]，取代了2008版標準中的345鋼級。根據(jù)國標規(guī)定，其質量等級按照材料達到規(guī)定沖擊性能的試驗溫度劃分為B、C、D、E、F 5級；而根據(jù)坯料軋制方法不同，又分為熱軋、正火（N）、正火軋制（+N）和熱機械軋制（M）等交貨狀態(tài)。質量等級和軋制方法的差異，體現(xiàn)出材料的化學成分、力學性能要求的不同，形成了不同的材料牌號組合。該鋼級基礎材料還通過在不同類型的鋼管、鋼板或型鋼（如圓鋼、冷彎空心型鋼）以及諸如沖焊橋殼中的轉化應用而又生成了新的標準和技術要求；基于不同形態(tài)的材料及其不同的制造方法，其尺寸、外形、質量等的允許偏差要求還有其他標準和規(guī)定。從中不難看出：單一基材屬下會有很多的材料牌號，還會衍生出更多的應用品種型號，技術要求也是多維度的。為此，在汽車工程材料傳統(tǒng)分類的基礎上構思建立車用材料橫縱雙向的“T”型體系架構。

一是以車用工程材料體系橫向層級架構的廣度實現(xiàn)對車型用材的全覆蓋，基于專用化、通用化并行特點采用部分重疊展現(xiàn)的方式以適應不同群體需求。首先對車型用材進行了全面的識別，結合商用車平臺系列模塊化應用、個性化設計、集成化管理等用材特點，搭建金屬材料和非金屬材料的橫向層級架構（圖2、圖3）。涵蓋車型用材各類別及其衍生品種，如工程塑料管件、橡膠管件和玻璃纖維、玻璃棉等；針對大梁鋼等專用/特種材料，因為在車架系統(tǒng)模塊之外還有支架或箱體類部件等通用化應用，所以又將它作為通用材料歸列于“鋼板鋼帶”條目之下。

圖2 車用金屬材料體系橫向層級架構

圖3 車用非金屬材料體系橫向層級架構

二是以車用工程材料體系縱向層級架構的深度實現(xiàn)對用材技術要求的明晰化，便于一體化設計和制造相關數(shù)據(jù)信息的收集和查詢。車用材料在整車的應用過程通常為基材、管（板或型材）、零部件、系統(tǒng)總成、整車應用，對材料的要求也是全方位的。組織完成了以指導材料選用為主的特性結構完善及選材用材指南、材料標準方法的梳理與補充，組建了相互交織、融合、滲透或牽制的車用材料體系縱向層級架構（圖4）。

圖4 車用材料體系縱向層級架構

4 材料數(shù)據(jù)庫建設及材料選用標注的規(guī)范化

為方便設計選材和用材管理，組織完成了“T”型體系架構下的車用材料數(shù)據(jù)庫建設。目前，該材料數(shù)據(jù)庫由5個模塊組成。

a.基準材料性能庫：依據(jù)標準的集成化和可視化的材料選用標注和性能指標要求，“基礎理化+力學性能+工藝性能+應用特性”的完整指標體系作為材料設計一致性的評判依據(jù)；

b.供應材料信息庫：“材料認可牌號+供應商信息+材料特性描述+材料性能指標+材料價格信息+應用推薦”的供應信息體系作為用材體系優(yōu)化的指導依據(jù)；

c.材料測試數(shù)據(jù)庫和材料測試報告庫：定檢專檢和研究試驗相關的材料測試數(shù)據(jù)信息和原始數(shù)據(jù)來源報告，作為材料設計一致性和用材管理的比對依據(jù)；

d.材料標準查詢庫：分類標準清單和快速查詢鏈接及所有在用材料標準收錄，作為材料設計一致性和用材管理的溯源依據(jù)。

材料數(shù)據(jù)庫的建成并投入運行，可以實現(xiàn)一鍵完成設計選材，不僅解決了長期困擾設計工程師的一大難題，而且為材料設計一致性提供了基礎保障。

結合前期車型用材識別結果開展材料標準的適用性比對、溯源性查證和關聯(lián)性分析。在“國家標準+行業(yè)標準+內部企業(yè)標準”框架下，遵循內部企業(yè)標準優(yōu)先的原則，組織對各層級材料標準的適用性、合理性、規(guī)范性和時效性進行評判。針對原引用的外部企標和國外標準進行內部轉化，針對原引用的已廢止、失效或非法標準進行專項清理，針對個別無引用標準的材料組織補充整合，針對個性化、模塊化應用的某些特定材料按內部既定規(guī)則進行統(tǒng)一編號管理。

材料牌號變更關聯(lián)性分析及處置案例：前文提到的GB/T 1591—2018[2]中Q355鋼級取代Q345鋼級，該鋼級所涉及的管、板或型材等鋼產品很多。繼續(xù)引用舊版標準GB/T 1591—2008[3]定義的Q345鋼級或改為引用新版標準GB/T 1591—2018[2]定義的Q355鋼級，都有可能造成了該鋼級化學成分或性能要求的缺失或不明確。通過關聯(lián)性梳理和排查，基于鋼產品現(xiàn)行標準的技術規(guī)定并結合其所應用的零部件及其總成在制造、使用及市場的質量穩(wěn)定性，分別做出不調整、暫緩調整和立即調整等策略方案，詳見表1。

表1 不同類型Q345鋼級產品適用性評價及調整處置建議

a.部分類型的Q345鋼級產品，已在現(xiàn)行標準中明確規(guī)定了適用于鋼產品制造工藝和應用效果的材料化學成分和力學性能等，且多數(shù)沒有直接引用舊版標準GB/T 1591—2008的技術要求，保留原有的Q345鋼級產品，不需做調整。

b.部分類型的Q345鋼級產品，已在現(xiàn)行標準中明確規(guī)定了材料的力學性能，而其化學成分參照舊版標準GB/T 1591—2008[3]的技術要求，在持續(xù)保持使用質量的前提下，延續(xù)使用原有的Q345鋼級材料化學成分規(guī)定，暫不做調整。后續(xù)跟進相應的鋼產品國家標準修訂再做調整。

c.還有部分類型的Q345鋼級產品，并無單獨的產品標準或在現(xiàn)行產品標準中沒有材料化學成分和力學性能的規(guī)定，基本引用舊版標準GB/T 1591—2008[3]的相關規(guī)定，這部分鋼產品需立即跟進調整為Q355鋼級產品來進行管控。

技術條件變更集成化改進案例：鋼板鋼帶是載貨汽車用量最大、品種繁多、標準來源廣且要求多變的材料類型，通過標準溯源查證發(fā)現(xiàn)這些材料標準升級過程中除了個別技術指標的調整，更為集中的是體現(xiàn)在供貨狀態(tài)和尺寸精度代號等方面的變化（表2），這也是當前材料選用標注容易混淆出錯的地方，占到問題總量的40%左右。為此，在車身薄板鋼、大梁鋼及其他相關材料標準修訂時，統(tǒng)一按新標要求重新規(guī)范；針對歷史遺留的老舊圖紙的問題，在同原則下設定整改期限。

表2 鋼板鋼帶新舊標準規(guī)定的供貨狀態(tài)、尺寸精度代號對照表

同步修訂內部標準《車用材料選用與標注》。為解決標準本身可能存在的滯后性問題，編制并提供《車用材料選用標注方法和示例》簡明使用手冊。

同時，通過培訓宣貫及與標準審查、質量檢驗和采購管理等部門建立的聯(lián)防聯(lián)控機制，系統(tǒng)強化對現(xiàn)存的材料設計一致性問題的識別和糾正。

5 材料設計一致性管理流程再造

產品是設計出來的，設計是龍頭，也是源頭。在產品開發(fā)流程中強化材料研究工程師的職能和作用，明確新材料預研與開發(fā)流程，植入并細化零部件設計開發(fā)與改進時設計選材及評審、驗證、確認和變更過程的要求是實現(xiàn)材料設計一致性問題從事后治理轉向事前預防、事中控制的系統(tǒng)性保障措施。

5.1 新材料預研與開發(fā)

新材料開發(fā)及引入是材料研究人員的主要職責之一。它既包括全新的材料及其工藝和相關技術的預研，也包括本企業(yè)尚未實質性開發(fā)及批量應用且未在材料數(shù)據(jù)庫收錄的材料類型的研究，據(jù)此建立新材料開發(fā)流程并設定關鍵流程節(jié)點。

a.需求輸入：基于企業(yè)的整車平臺及特性規(guī)劃開展重型載貨汽車標準法規(guī)及其技術、材料等應用發(fā)展趨勢研究，結合企業(yè)在環(huán)保、安全、舒適、可靠和經濟等方面的模塊化技術規(guī)劃，配合企業(yè)現(xiàn)階段的整車及系統(tǒng)性能提升和質量改善需求，制定新材料的研究規(guī)劃；

b.調研分析：開展車型用材對標分析，EVI對接及新材料應用技術成熟度跟蹤評價，組織材料供應商及零部件協(xié)作廠預選及其技術評審、實驗室資質審核，提出新材料開發(fā)建議報告；

c.開發(fā)策劃：組織編制材料試驗大綱（TSP）、材料開發(fā)計劃及跟蹤表；

d.新材料試制與驗證：組織新材料試制及工藝驗證和性能測試（含零部件和系統(tǒng)總成性能測試及必要的整車性能測試）；建立工藝驗證評價和臺架試驗驗證方法手段，完成材料特性對零部件、系統(tǒng)總成及整車應用功能特性的影響度識別和排序；

e.新材料認可與備案：根據(jù)材料試驗大綱組織新材料認可檢測，并結合零部件、系統(tǒng)總成和整車性能測試結果作出最終的認可結論，完善新材料資源體系準入機制。對已認可的新材料進行信息備案，更新材料數(shù)據(jù)庫信息，必要時編制發(fā)布新增材料標準，完成新材料引入；

f.模塊開發(fā)應用建議：編制模塊開發(fā)應用建議報告，轉入模塊開發(fā)和整車應用。

5.2 新材料應用與推廣

新材料的應用主要以模塊開發(fā)類項目、設計變更類項目或臨時代用類項目等形式開展，主要由系統(tǒng)設計工程師負責并在材料研究工程師參與下完成。在開發(fā)流程中明確材料研究工程師職能作用，確保材料設計一致性的充分體現(xiàn)。

a.產品定義階段：開發(fā)策劃初期，由材料研究工程師編制《新材料及工藝、技術發(fā)展趨勢分析報告》，并與《概念設計階段技術需求報告》相銜接，為設計與分析人員推薦適用的材料、工藝和技術，提供所需的材料特性指標數(shù)據(jù)、設計安全系數(shù)設定[13]和標準資源信息等重要設計輸入或佐證；參與開發(fā)技術方案的評審，負責材料應用方面的技術與經濟指標的確認及應用風險識別和應對策略擬定；參與供應商預選，負責新材料及零部件預選體系評價及其關聯(lián)的工藝裝備、過程監(jiān)測和檢驗試驗等過程能力分析與比較。

b.產品開發(fā)階段：參與結構設計與評審，針對使用特殊材料的零部件提供必要的結構設計準則或方法；參與DFMEA分析評審，參與產品開發(fā)驗證計劃（DVP）的編制會簽，負責補充完善與材料相關的驗證項目與內容；參與圖紙審簽，負責其中的用材確認和工藝審查；參與OTS（初始工裝樣件）樣件認可，負責其中的材料型式試驗和認可批準，所出具的材料認可結論作為后續(xù)生產件批準（PPAP）的證明文件；通過材料認可試樣封存實現(xiàn)材料溯源管理，方便復驗查證、再現(xiàn)比對或評定仲裁；參與零部件試制試驗過程及失效分析，負責材料失效的判斷及處置；負責材料及工藝信息備案，參與供應商現(xiàn)場的產品審核和過程審核。

c.生產爬坡及量產階段：提供零部件批量供貨和使用過程的材料及其關聯(lián)、延伸技術的支持與服務，關聯(lián)技術包括料（材料）、機（設備）、模（模具）、技（工藝）及其協(xié)同性，延伸技術包括連接工藝、表面處理、監(jiān)測檢測；跟蹤產品試銷過程的市場反饋，參與材料應用質量問題信息的處置；組織標準方法完善和信息數(shù)據(jù)的更新，督促材料供應商與零部件制造商的協(xié)同跟進。

d.量產后的持續(xù)改進：持續(xù)做好材料應用推廣效果跟蹤和支持服務；參與整車拆解對標過程的用材分析；組織車用材料的確認檢驗；負責失效件的材料失效評判；開展材料試驗和測試數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析。針對二次布點開發(fā)的系統(tǒng)總成或零部件，視同新產品開發(fā)過程進行管控，做好必要的材料認可備案、現(xiàn)場審核評價及信息數(shù)據(jù)錄入等工作。在適用材料標準和材料數(shù)據(jù)庫框架內，做到材料一致性的聯(lián)防聯(lián)控，促進管控效果的持續(xù)改進。

6 結束語

材料設計一致性的核心在于人，標準、規(guī)范和流程是關鍵。材料研究工程師的牽頭負責和全程參與是實現(xiàn)材料設計一致性的前提保證。車用工程材料及其特性體系架構、材料標準及其技術規(guī)定以及材料數(shù)據(jù)庫是實現(xiàn)材料設計一致性的技術保障。程序化的流程方法是實現(xiàn)材料一致性的必然途徑。運用“人、技術、程序”的協(xié)同，為材料設計選用者和使用管理者提供行之有效的行動指南，在實際工作中構建聯(lián)防聯(lián)控機制，現(xiàn)已在材料設計一致性控制方面取得良好效果和聯(lián)動效應。后續(xù)將緊跟產品和材料迭代節(jié)奏及國際化接軌的時代發(fā)展潮流，進一步加強車用材料的基礎研究、先行研究和應用研究，通過技術創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，持續(xù)有序推進材料設計一致性管理能力的提升，促進企業(yè)治理效能的改善和核心競爭力的增強。