沖壓量產(chǎn)階段預(yù)防性質(zhì)量控制的數(shù)字化探索實(shí)踐

文/寧海濤，汪建余，密思斌，連杰，劉明昊·一汽大眾汽車有限公司天津分公司

針對(duì)沖壓件縮頸、開裂缺陷在生產(chǎn)過(guò)程中不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，易導(dǎo)致沖壓件甚至總成報(bào)廢的難題，提出了通過(guò)拉延材料流入量變化提前預(yù)知縮頸、開裂缺陷的思路，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)收集和分析，提出了預(yù)防性控制沖壓件缺陷的新思路并進(jìn)行了實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了部分零件拉延材料流入量的閉環(huán)控制。

沖壓最嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷是縮頸、開裂。在沖壓批量生產(chǎn)中，各主機(jī)廠除每批次的首、末件全檢外，普遍以抽檢形式對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的沖壓件進(jìn)行全檢，而抽檢時(shí)間間隔內(nèi)的其他零件，則通過(guò)在出料皮帶上進(jìn)行分區(qū)檢查，以及裝箱人員在裝箱過(guò)程中簡(jiǎn)單的目視確認(rèn)來(lái)控制。但隨著自動(dòng)化沖壓線生產(chǎn)節(jié)拍越來(lái)越高，可用于每個(gè)零件分區(qū)檢查和裝箱目視確認(rèn)的時(shí)間越來(lái)越少，使得本就隱蔽的縮頸缺陷更加難以被發(fā)現(xiàn)。

沖壓件的縮頸、開裂缺陷主要發(fā)生在拉延和翻整工序，其中拉延工序又占到了90%以上，而全封閉的自動(dòng)化沖壓線只能在線尾皮帶上對(duì)零件進(jìn)行目視檢查，這又導(dǎo)致了產(chǎn)生缺陷和發(fā)現(xiàn)缺陷的工位之間始終存在“時(shí)空錯(cuò)位”。

如圖1 所示，主要產(chǎn)生縮頸、開裂缺陷的拉延工位和最早能發(fā)現(xiàn)缺陷的線尾皮帶之間存在著多個(gè)中間工位，即使縮頸、開裂缺陷件在到達(dá)線尾皮帶后第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，在中間工位中也已經(jīng)產(chǎn)生了一定數(shù)量的缺陷零件，廢、返品損失無(wú)法完全避免。

圖1 缺陷產(chǎn)生和最早能被發(fā)現(xiàn)的工位位置

上述痛點(diǎn)的產(chǎn)生根源可以歸結(jié)為，“被動(dòng)的質(zhì)量控制模式”。即當(dāng)發(fā)現(xiàn)零件質(zhì)量缺陷已經(jīng)發(fā)生后，再去停線調(diào)整模具或設(shè)備參數(shù)。這種模式?jīng)Q定了以縮頸、開裂為代表的零件質(zhì)量缺陷和廢、返品損失無(wú)法被徹底消除。

縮頸、開裂缺陷的影響因素

以汽車覆蓋件為代表的大型沖壓件，產(chǎn)品造型復(fù)雜，零件內(nèi)部形狀常涉及拉延—脹形復(fù)合成形，導(dǎo)致產(chǎn)生縮頸、開裂的原因也非常多樣化。如果按沖壓件成形工序分，縮頸、開裂多發(fā)生在拉延和翻邊整形工序。本文重點(diǎn)從產(chǎn)生縮頸、開裂占比較大的拉延工序進(jìn)行分析。

在拉延工藝規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，通過(guò)合理選擇并設(shè)置材料機(jī)械性能參數(shù)、模具型面參數(shù)、以及壓邊力、進(jìn)料阻力、潤(rùn)滑條件等工藝過(guò)程參數(shù),并結(jié)合Autoform 等軟件模擬，可對(duì)破裂風(fēng)險(xiǎn)、減薄率、起皺趨勢(shì)以及FLD 成形極限、理論材料流入量等進(jìn)行分析，識(shí)別縮頸、開裂風(fēng)險(xiǎn)并得出成形到底時(shí)材料的理論流入量。在工藝設(shè)計(jì)、模面設(shè)計(jì)階段和模具調(diào)試前期，均會(huì)以上述模擬結(jié)果作為工藝修正和模具調(diào)試的參考。

但批量生產(chǎn)階段，影響縮頸、開裂缺陷實(shí)際發(fā)生的不再僅僅是軟件中的理想?yún)?shù)，而是板料、模具、設(shè)備、溫度、油膜等多種因素綜合作用的結(jié)果，詳見(jiàn)表1。

表1 批量生產(chǎn)中拉延縮頸、開裂的影響因素

通過(guò)模具的調(diào)整優(yōu)化提升模具適應(yīng)性和成形安全裕度，可增加對(duì)上述因素的容錯(cuò)空間，但模具裕度的提升不是無(wú)限的，比如放大R 角會(huì)導(dǎo)致零件的尺寸變化，過(guò)度增加材料流入會(huì)導(dǎo)致零件波浪、滑移線以及回彈變化等。即使表1 中每個(gè)因素都在允許的范圍內(nèi)波動(dòng)，不利影響互相疊加也能導(dǎo)致偶發(fā)縮頸、開裂。這就導(dǎo)致很難定量地準(zhǔn)確預(yù)測(cè)縮頸、開裂缺陷的發(fā)生。這也是“被動(dòng)的質(zhì)量控制模式”長(zhǎng)期未能改變的原因。

生產(chǎn)過(guò)程中預(yù)測(cè)縮頸、開裂標(biāo)志物的選擇

前文已闡明無(wú)法通過(guò)表1 中所述因素的定量變化準(zhǔn)確預(yù)測(cè)批量生產(chǎn)過(guò)程中縮頸、開裂的發(fā)生，那能否通過(guò)某些過(guò)程或者結(jié)果參數(shù)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)呢？

分析發(fā)現(xiàn)，除沖壓件內(nèi)部脹形的情況外，表1 中大部分參數(shù)的變化最后均導(dǎo)致了拉延材料流入量的變化，料邊停留的最終位置俗稱收料線。而材料流入量和大部分縮頸、開裂缺陷直接相關(guān)(脹形開裂除外)。我們最終選擇了拉延收料線(即材料流入量的結(jié)果)作為預(yù)測(cè)縮頸、開裂缺陷的“標(biāo)志物”，如圖2 所示。

圖2 某門內(nèi)板拉延理論材料流入量(收料線)

基于拉延收料線的預(yù)防性質(zhì)量控制

以拉延收料線作為標(biāo)志物，我們依托天津大學(xué)和菲特(天津)檢測(cè)技術(shù)有限公司領(lǐng)先的視覺(jué)技術(shù)，合作開發(fā)了沖壓預(yù)防性質(zhì)量控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近2 年的探索與實(shí)踐，已初步實(shí)現(xiàn)了以下三方面的功能。

⑴拉延收料線在線采集與縮頸、開裂(波浪、褶皺)缺陷預(yù)警。借助視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)過(guò)程中拉延收料線的實(shí)時(shí)采集與記錄。通過(guò)對(duì)大量收料線數(shù)據(jù)的分析并與對(duì)應(yīng)部位縮頸開裂發(fā)生記錄對(duì)照，得出了重點(diǎn)零件成形敏感部位正常的收料線范圍與成形異常(發(fā)生縮頸、開裂、波浪、褶皺)時(shí)收料線范圍，當(dāng)在線監(jiān)測(cè)到的收料線超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警提示，提醒生產(chǎn)線和上線模修人員重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的質(zhì)量狀態(tài)，如圖3 所示。

圖3 收料線異常報(bào)警提示功能

⑵通過(guò)收料線閉環(huán)控制，主動(dòng)消除縮頸、開裂隱患。即通過(guò)軟件、PLC 程序打通了收料線控制系統(tǒng)、壓機(jī)、模具之間的控制邏輯，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)零件收料線變化連續(xù)超出正常范圍時(shí)，自動(dòng)給PLC發(fā)出調(diào)整指令，根據(jù)壓機(jī)滑塊角度，控制模具平衡塊自動(dòng)定量調(diào)整高度(每次0.06mm)。即通過(guò)不停線智能調(diào)整，使收料線保持在正常區(qū)間，如圖4 所示。

圖4 收料線閉環(huán)控制邏輯及執(zhí)行元件

⑶通過(guò)收料線數(shù)據(jù)分析，輔助確定線下優(yōu)化方向。首先通過(guò)大量收料線數(shù)據(jù)的分析，運(yùn)用正態(tài)分布理論，分析出每個(gè)零件縮頸、開裂重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)部位收料線的波動(dòng)量3σ 范圍 以及正常成形的收料線區(qū)間，再通過(guò)影響因素的優(yōu)化使模具收料線3σ 范圍變小，最終完全進(jìn)入正常成形范圍內(nèi)。

實(shí)際采集的同批次連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中收料線波動(dòng)曲線，也直接為線下模具優(yōu)化提供了參考信息。如圖5所示，當(dāng)收料線持續(xù)穩(wěn)定，中間偶發(fā)一次突然變化，此時(shí)產(chǎn)生缺陷的成因需要綜合分析，暫不需要優(yōu)化模具。但當(dāng)連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中，收料線有持續(xù)變長(zhǎng)趨勢(shì)時(shí)，說(shuō)明壓料面熱膨脹對(duì)成形造成了影響，此時(shí)需重點(diǎn)查看并優(yōu)化壓料面“硬點(diǎn)”。

圖5 兩種收料線典型情況對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)將新興的數(shù)字化技術(shù)和先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)引入傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，為解決行業(yè)歷史難題提供了新的手段和新思路；現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題的解決，需要結(jié)合現(xiàn)地現(xiàn)物具體問(wèn)題具體分析，任何軟件和先進(jìn)技術(shù)只有結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際才能發(fā)揮最大效能。