汽車產(chǎn)品開發(fā)階段材料技術應用及管理

徐明琦 王學雙 李劍釗 王浩然 謝文才

（一汽解放汽車有限公司，長春 130010）

1 前言

材料技術是汽車的核心技術之一。在發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》2.0 中，節(jié)能汽車、純電動與插電式混合動力汽車、燃料電池汽車、動力電池技術、輕量化技術、汽車制造技術方面，材料技術都扮演重要角色[1]。材料在汽車上的應用品種多、規(guī)格多、技術條件復雜；材料又是一項基礎科學，是推動汽車技術競爭力提升的關鍵點之一，汽車企業(yè)也越來越認識到材料技術的重要性。

同時，在汽車的新產(chǎn)品開發(fā)階段，材料技術也作用顯著，在質(zhì)量提升、成本降低、周期縮短等方面為項目提供材料技術支撐。

本文總結(jié)材料技術在新產(chǎn)品開發(fā)階段的主要應用情況，為材料技術人員相關業(yè)務開展提供指導。

2 材料技術應用

2.1 材料數(shù)據(jù)庫建設與應用

材料數(shù)據(jù)庫是材料開發(fā)到應用的關鍵載體和重要環(huán)節(jié)[2]。過去材料數(shù)據(jù)庫的建設以材料生產(chǎn)廠家為主，近年來各大汽車廠也意識到材料數(shù)據(jù)庫的重要性，紛紛建立本公司的材料數(shù)據(jù)庫，以更貼近制造現(xiàn)場，實現(xiàn)材料數(shù)據(jù)的快速、準確應用[3-4]。

材料技術人員通過試驗并聯(lián)合各種材料廠家，建立材料數(shù)據(jù)庫。材料數(shù)據(jù)庫的建設是長期的過程，需要有大量的樣本數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、參數(shù)對比、擬合、分析等，并形成最終可應用的數(shù)據(jù)值。

材料數(shù)據(jù)庫在產(chǎn)品開發(fā)階段的應用，通常是設計師根據(jù)功能、性能需求從材料數(shù)據(jù)庫中選用合適的材料；CAE 仿真人員從材料數(shù)據(jù)庫中調(diào)用材料參數(shù)，用于軟件模擬；工藝員利用材料參數(shù)更好的指導零部件調(diào)試；質(zhì)量員對比材料實物與數(shù)據(jù)庫參數(shù)，保證材料質(zhì)量。材料技術人員根據(jù)不同階段的使用情況在產(chǎn)品開發(fā)結(jié)束后更新材料數(shù)據(jù)庫。材料數(shù)據(jù)庫應用情況見圖1。

圖1 材料數(shù)據(jù)庫在新產(chǎn)品開發(fā)階段應用

為便于設計師對材料數(shù)據(jù)庫的應用，有的企業(yè)將材料數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)化。系統(tǒng)邏輯為：汽車材料物理與力學性能分析；零部件可制造性分析；給出材料初選結(jié)論；附加指標因子賦值；智能化選材模型，整體結(jié)構(gòu)CAE 計算；輸出選材結(jié)論[5]。

2.2 新材料應用研究

新材料的應用可以提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本，提高產(chǎn)品核心競爭力。新材料在產(chǎn)品開發(fā)過程中通常有2 種應用方式：技術遷移和同步開發(fā)。

技術遷移是在產(chǎn)品開發(fā)前期完成技術儲備，材料技術人員整理新材料的樣本，通過試驗、驗證等得到新材料的基本性能及可應用范圍。在產(chǎn)品開發(fā)中針對目標零部件提出新材料應用方案。因前期已開展樣本級試驗和驗證，在此過程中只需材料技術人員在生產(chǎn)準備時配合完成試生產(chǎn)、批量生產(chǎn)驗證。

同步開發(fā)是指材料技術人員將新材料應用方案提出、新材料基礎性能試驗、零部件試驗、工藝性試驗、批量性驗證、材料問題處理等與產(chǎn)品開發(fā)同時開展。工作與階段對應情況如圖2 所示。這種新材料應用方式對材料技術人員要求較高，一旦發(fā)生反復，可能對開發(fā)周期帶來一定風險。

圖2 新材料應用與產(chǎn)品同步開發(fā)

2.3 材料評審

材料評審集中在概念設計、工程設計驗證階段。在此過程中，材料技術人員必須緊密同設計師聯(lián)動，完成BOM（物料清單）中材料設計。BOM設計過程中，材料牌號、材料規(guī)格及相關標準都是需重點關注的內(nèi)容。評審維度包括成本、成熟度、標準化等。此外，在設計師輸出圖紙時，材料技術人員應同步完成圖紙會簽。

材料評審過程中材料標準化是關鍵內(nèi)容之一，標準化對產(chǎn)品的成本有著重要影響。材料的標準化也是難點之一。材料技術人員除必須了解設計師所用材料性能、規(guī)格，還要掌握公司現(xiàn)用材料情況以及材料廠家的材料情況?；诔杀究紤]，材料評審中材料選用的優(yōu)先級應為現(xiàn)生產(chǎn)應用材料、本企業(yè)推薦、材料廠家推薦、國標推薦、新產(chǎn)品。而基于產(chǎn)品競爭力考慮，材料評審中材料選用的優(yōu)先級可能相反。

基于以上分析，需要材料技術人員在評審過程中掌握成本目標、產(chǎn)品技術趨勢等信息，能夠從中給出最合理的評審建議，提出更改建議表。

節(jié)能減排重要途徑之一是整車輕量化，各企業(yè)也越來越重視[6]。材料評審過程中，可以結(jié)合新材料應用，提出輕質(zhì)材料應用建議，助力設計師質(zhì)量目標達成。

2.4 材料成本目標設計及達成

材料成本目標設計及達成過程中任務包括材料成本目標制定、材料成本目標分解、材料成本設計及控制、材料成本跟蹤、材料成本評價。

在材料成本目標制定過程中，材料技術人員應提供歷代產(chǎn)品或競爭產(chǎn)品的材料使用情況或材料利用率、材料定額，項目組基于這些內(nèi)容核算材料成本，并制定本產(chǎn)品的成本目標。

成本目標分解指由整車分解至總成、再到零部件的過程，凍結(jié)零部件成本目標后，設計師按此設計零部件，過程中材料技術人員開展材料評審活動，評審重點考慮成本維度、優(yōu)先級，已在材料評審時提及。

材料成本設計及控制，通常通過材料定額設計及優(yōu)化手段實現(xiàn)。材料定額是一定生產(chǎn)技術條件下，生產(chǎn)單位零部件所需的材料數(shù)量和質(zhì)量。制定材料定額是產(chǎn)品開發(fā)過程中材料技術人員的重點工作之一。材料定額制定的科學性、合理性，將對材料成本目標達成起到關鍵性的作用。常用材料定額表如表1 所示。

表1 材料定額明細表（示例）

材料成本跟蹤中由材料技術人員跟蹤零部件及整車實物生產(chǎn)中的材料實際消耗與材料定額差異，分析生產(chǎn)原因，并優(yōu)化實際消耗至與定額偏差在標準值范圍內(nèi)；同時結(jié)合工藝的技術改進，進一步優(yōu)化材料定額，提升成本競爭力。

材料成本評價可以在跟蹤過程中開展，也可以在項目結(jié)束前一次性開展。由材料技術人員對材料成本的達成率進行分析、評價，并作為下代車型制定成本目標的指導依據(jù)。

2.5 材料試驗

材料試驗是材料技術人員需要掌握的基本技能之一。整個產(chǎn)品開發(fā)過程中圍繞材料開展的試驗，都是材料技術人員負責，包括材料本身的試驗、材料的工藝性試驗。此外還需配合設計師、工藝員跟蹤樣件試驗、樣車試驗、零部件復驗、生產(chǎn)穩(wěn)定性驗證過程，做好材料試驗配合。

2.6 材料認可

材料認可包括商務認可和技術認可，材料技術人員主要負責的是技術認可的部分。技術認可可分為供應商綜合能力認可和材料本身的認可。通過認可的材料，可視為本公司設計、制造、生產(chǎn)可用的原材料。

供應商綜合能力認可包括公司概況、研發(fā)能力、人員水平、設備設施情況、材料供應能力、工藝規(guī)程、環(huán)保水準、品質(zhì)保障、實驗室能力、供貨水平或規(guī)格、包裝運輸及存儲能力、抽樣水平及生產(chǎn)穩(wěn)定性跟蹤等。生產(chǎn)穩(wěn)定性跟蹤，通常會跟蹤半年至1 年內(nèi)的50～100 個生產(chǎn)批次。材料本身認可是借助材料試驗，完成材料參數(shù)的檢驗。

一些跨國性大的車型，材料認可是很長的過程，除了考察當批次材料生產(chǎn)水平，還會評價一定時間內(nèi)的生產(chǎn)穩(wěn)定性。根據(jù)質(zhì)量體系要求，要達到5 Sigma 以上才能認可通過。

通過材料認可的供應商，由材料技術人員與供應商簽訂供貨技術協(xié)議。材料技術協(xié)議規(guī)定材料的范圍、適用國家標準、化學成本、力學能力、交貨狀態(tài)、規(guī)格、外形、試驗結(jié)果等。此外，考慮到技術升級、工藝改進，簽訂的技術協(xié)議往往會有一定的時效性，通常為3～5 年。

針對通過材料認可已供應的供應商，材料技術人員還有一項重點工作：對供應商日常供貨情況進行跟蹤評價，給出評價結(jié)論，供采購人員在供應商選擇中參考。

2.7 材料技術問題處理

材料技術問題出現(xiàn)在工程設計驗證、生產(chǎn)準備、試生產(chǎn)及生產(chǎn)階段。工程設計驗證階段，由于材料用量不大，在零部件的問題體現(xiàn)不顯著。在生產(chǎn)準備階段，工藝員會發(fā)現(xiàn)一部分材料問題，但由于前期材料技術人員已開展過材料的工藝性試驗，且本階段以制造可行性為主，材料問題相對工程設計驗證階段有一定增多。試生產(chǎn)和生產(chǎn)階段是材料技術問題頻發(fā)的階段，尤其中試生產(chǎn)階段，隨著材料使用量的快速增長，材料技術問題也會暴露的更多，要求材料技術人員能夠快速深入現(xiàn)場，解決質(zhì)量問題。另外，材料技術人員對于新材料的跟蹤要優(yōu)先于現(xiàn)有材料，根據(jù)作者的工作經(jīng)驗，新材料在全部階段的問題數(shù)量均較高。

問題處理階段，材料技術人員要掌握材料的性能、零部件的要求、材料廠家的生產(chǎn)情況與參數(shù)規(guī)格以及必要的材料試驗手段。包括如拉伸的機械性能試驗、化學成分分析試驗、金相測試、腐蝕試驗等。通過試驗找到失效原因。這也是解決材料技術問題的關鍵。

2.8 材料技術改進

材料技術改進也是長期的過程，往往在成本優(yōu)化、質(zhì)量問題改善過程中進行。規(guī)格方面的材料技術改進通常由材料技術人員完成，但性能參數(shù)方面的技術改進需同材料廠家合作，確定需求的材料參數(shù)后，通過大量的試驗完成。

3 結(jié)論

本文總結(jié)材料技術人員在新產(chǎn)品開發(fā)階段主要工作內(nèi)容及注意事項，不同階段主要工作內(nèi)容如下：

a.項目確認階段：新材料應用、材料成本目標、材料認可；

b.概念設計階段：材料數(shù)據(jù)庫、新材料應用、材料評審、材料成本目標、材料認可；

c.工程設計驗證階段：材料數(shù)據(jù)庫、新材料應用、材料評審、材料成本目標、材料試驗、材料認可、技術問題解決；

d.生產(chǎn)準備階段：材料數(shù)據(jù)庫、新材料應用、材料成本目標、材料試驗、技術問題解決；

e.試生產(chǎn)階段：材料成本目標、材料試驗、技術問題解決、材料技術改進；

f.生產(chǎn)階段：材料試驗、技術問題解決、材料技術改進；

g.生命周期階段：新材料應用、材料試驗、材料認可、技術問題解決、材料技術改進。

在具體工作開展中，材料技術人員應做好同產(chǎn)品的互動，快速支持新材料開發(fā)及應用；貼近工藝，快速實現(xiàn)材料試驗；深入生產(chǎn)，快速解決生產(chǎn)質(zhì)量問題。

隨著國家對自主核心技術提出的要求及車企對材料技術重視程度的加大，材料技術人員將在企業(yè)，尤其是產(chǎn)品開發(fā)過程中發(fā)揮更大作用。