长安汽车对未来汽车制造平台化技术的探索与思考
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2022-11-23
近几年以来，国内外汽车企业都在持续加码自身模块化平台化的打造，以求在未来全球化竞争中争得先机。中国品牌车企在平台化方面的研究，也已有不少成果，吉利汽车推出模块化平台“CMA 超级母体”架构，在吉利体系内沃尔沃、极 星、领克、吉利 4 个品牌的多个车型上推广应用。长城汽车发布“柠檬平台”，不仅可以完成从 A0、 A、B、C、到 D 五种车型级别的开发，还能够覆盖运动型汽车（Sport Utility Vehicle，SUV）、轿车、多用途汽车（Multi-Purpose Vehicle，MPV）3 种类型，同时还可以满足燃油动力、多种混合动力、纯电动、氢燃料电池 4 种动力方案，可谓将平台应用到了极致。这些平台化战略，从设计源头提高了零部件通用化率，加快了产品开发周期，降低了设计成本和零部件采购成本。从结果来看，取得了相当大的成功。然而，在从产品转化为商品的过程中，制造领域的平台化也影响着产品的成本和竞争力，如制造质量的一致性、制造成本的降低、制造周期的缩短、交付周期的进一步提升。长安汽车在追求设计平台化的同时，对于制造领域的平台化技术开展方案进行了如下研究。将具有相近外型尺寸、相近单车制造工时、高零件通用化率、高模块化率、相同工艺流程、相同制造技术、相同传输定位尺寸的车型集中在一条生产线上生产，实现投资最优化、生产成本最低化、生产资源利用最大化的生产模式。如图1所示。制造平台能有效地消化产品间设计差异，但差异超出制造平台消化极限时，制造平台将失去意义，生产资源将大量浪费。为保证生产资源最大化利用，充分发挥制造平台优势，需要建立制造平台约束条件，如表1所示。通过统一零部件结构设计、搭接方式、车身分块、焊接成型工艺、喷涂工艺（如3C1B）、装配方法、检测通讯协议，来建立标准化的汽车制造工艺流程与工艺方法，有助于生产线柔性提升和制造过程质量控制。涂装标准工艺流程如下：白车身检查→大流量喷淋→预脱脂（喷淋）→第一水洗（喷淋）→第二水洗（浸洗）→全浸表面调整→磷化→第一纯水洗（喷淋）→第二纯水洗（浸洗）→第三纯水洗（喷淋）→第四纯水洗（浸洗）→第一新鲜纯水洗（喷淋）→润湿喷淋→电泳→槽上喷淋→第一超滤水洗（喷淋）→第二超滤水洗（浸洗）→第三超滤水洗（喷淋）→新鲜超滤水洗（喷淋）→第五纯水洗（浸洗）→第六纯水洗（喷淋）→第二新鲜纯水洗（喷淋）→空槽沥水→自动吹水→电泳固化→电泳强冷→工装切换→遮蔽→底部密封→安装隔音垫→宽胶密封→上罩→挤底部密封胶→喷涂底部抗石击涂料→除罩→喷裙边抗石击涂料→裙边 PVC 检查→密封胶固化→密封胶强冷→电泳打磨→涂装车型颜色确定→中面涂人工擦净→中面涂静电除尘。平台化的质量管控标准，如模夹检具质量验收标准、外观标准、防腐标准、过程质量门设定等，有助于保障制造过程的稳定性，减少制造资源偏差发生率，避免质量要求过高造成成本浪费（图2）。为快速实现不同车型在同基地共线生产或同一车型在不同基地切换生产，建立传输定位的平台设计标准是先决条件。通过约束产品结构尺寸设计，实现不同级别车型共用一套定位系统，提升生产线柔性，减少设计工时、改造工作量和对量产车扰动（图3）。车身零部件通用化对制造模具开发投入、生产排产灵活性、库存量、采购成本和物流成本优化贡献重大，也是所有主机厂努力的方向。优化车身设计，统一车身分块，结合不同级别车身结构特征，基于“通用件-衍生件-专用件”原则，最大化提升同平台车型通用件和衍生件比例达90%以上。装配零部件模块化可简化主线复杂度，提升装配通用化率，减少生产线主线工位，最终提升生产效率。根据零部件装配层级，将总装零部件分成5类模块，即主线基础模块（MainlineBasicModule，MBM）、分装大模块（AssemblyBigModule，ABM）、分装小模块（AssemblySmallModule，ASM）、供货大模块（SupplyBigModule，SBM）、供货小模块（SupplySmallModule，SSM），建立零部件接口标准化，推动模块成本优化（图4）。汽车制造生产线分为冲压、焊接、涂装、总装与检测5大线体，其中冲压、涂装、总装设备通用化可达到 90%以上。在产品设计端，通过设计优化，保证车身同区域结构相当，提升焊接涂胶与焊接设备通用化率。在生产线端，通过统一设备接口和提升设备兼容性，提升冲压与总装设备通用化率。在规划端，通过颜色规划，最大化利用现有基地喷涂设备，提升涂装设备通用化率。提升零部件通用化，实现模检具共用；提前做好零部件衍生规划，在模检具开发中做好预留，减少模检具多次开发。如燃油与 PHEV 车型同时规划，在侧围模具开发中，可预留充电口成型模块，实现模具共用，可减少1个冲次模具。通过提升零部件设计通用化率、托盘与盛具兼容性，做好同平台车型布局规划，将产品开发中传统的“开发-报废”模式转变为一个产品项目开发多个项目重复使用模式（图5）。焊接生产线通过使用伺服模组等柔性组件，消化各车型间工作量及定位的差异，提升生产线适应能力，实现平台车型基地间互换生产（图 6）。通过建立传输定位的平台设计标准，改造现有非平台传输工装，实现下车体工装全面共用，减少车型工装切换，提升生产效率。在绿色低碳国家战略和汽车轻量化设计趋势下，汽车外覆盖件用材由钢制路线转向钢铝混合制、全铝制等多条技术路线。设计满足不同材质车身的生产制造工艺，提升生产线柔性和利用率是制造平台研究的核心课题之一，重点涉及冲压、焊接、涂装生产线。a.冲压生产线。为应对外覆盖件不同材质，将其冲压工艺路线设计一致，以消除已工艺不同带来设备的新投，如图7所示。钢板因具有导磁性，在同性相斥的原理下可通过磁铁可实现堆垛的分张，而铝板不具有导磁性，无法采用磁性分张器。通过在拆垛环节对磁性分张器加装气刀设计（图8），同时预留预分张装置安装空间，以满足不同材质车身的技术路线。传输皮带机对钢材采用永磁皮带进行吸附并带动钢板运动。对铝板则通过增加皮带与铝板间的摩擦，通过摩擦力带动零件运输，即高摩擦皮带。为实现钢铝共线，皮带机上采用真空组合皮带。皮带具有磁性，同时皮带中间有圆形掏空位置，与板料接触有实现抽真空并带动铝板运输（图9）。不同材质板材混线生产时，为提高废料回收利用率，废料需分开收集。通过在废料主线上设置切换装置，实现不同材质废料收集，以减少废料主线的再投入（图10）。b.焊接生产线。为应对板件与构件、板件与功能件混合材质连接，根据材料特性分别开发钢-铝铆接、铝-铝铆接工艺、铝-铝点焊工艺，并在同一区域连接设备上集成以实现不同混合材质的连接。c.涂装生产线。为应对不同材质车身件，调整涂装前处理和烘烤工艺。前处理段通过调整磷化处理工艺，减少对铝锌基材的刻蚀，同时增加钝化工序，钝化过程中生成锆系钝化膜替代传统工艺下的磷化膜。烘烤段通过延长烘炉的升温时间段和强冷时间段，避免由于升温和降温时过于急剧造成铝合金变形问题发生。a.统一产品工艺方法与工艺路线，提升产品模块化设计，建立平台化设计语言，降低产品设计偏差，提升产品设计质量。b.规避前期造成质量问题的设计方式，选择经充分验证的设计语言进行平台化，提升作业过程质量。c.通过优化焊接参数、保证工件表面清洁度和电极帽表面光滑度、优化标定电流压力、检查上下电极对中度、调整焊钳对中度等措施，攻克铝合金点焊过程常见的焊点压痕过深、电极与工件粘连、裂纹与缩孔、焊接飞溅缺陷。a.建立产品结构、搭接方式、工艺方法及分块平台标准，大幅减少了项目开发中 CAE 和 SE 分析工作，优化产品设计工时。b.推动基地平台化，生产线通用性和柔性提升，新品导入后生产线改造、调试周期可缩短几个月。a.工装、模具、检具成本优化。零部件通用化提升，工装、模具、检具可最大化利用，直接节约千万级固定资产投资。b.生产线新增、改造及调试费用优化。平台化提升生产线柔性，多车型共线生产，消除刚性建线模式，提升设备工装通用化率，减少设备新增、改造量及对应的调试工作，可节约千万级固定资产投资。c.工具品类和成本优化。统一设备接口和车身同区域装配扭矩参数，可优化工具品类和采购成本。d.人工成本优化。车型平台化布局，工作量差异控制在一定范围，提升工位间作业平衡率，可减少工作量差异带来的新增人员数量，同时多车型共线生产，提升作业人员的共用性，降低人工成本约10%。e.辅料成本优化。产品结构、搭接方式平台设计，可实现同区域辅料种类统一，降低辅料用量。f.资源（厂房、生产线等）利用率提升。生产线柔性设计，多车型共线生产，消除新品投入相匹配的生产线建设，最大化的利用现有制造资源。a.人力资源管理精益化。生产线柔性提升，刚性用工减少，人员共用性提升，推动作业排班精益化。b.零部件物流精益化。零部件制造分工统一和模块化提升，助推零部件盛具工装的标准设计，部分零部件的物流方式与库存得到优化。c.对生产扰动性降低。工艺路线与工艺方法的统一，生产线共用率提升，减少改造量，降低新品投入对量产车型的扰动。在过去的 10 年，汽车行业在设计领域的平台化已经取得了丰硕的成果，技术也取得了长足的进步。未来 10 年，平台化技术仍将是值得继续研究的工艺技术方向，推进过程中融入新型关键技术的应用，比如模拟仿真、多种材料的连接技术等。基于制造领域平台化技术的发展，将进一步加剧汽车企业间的竞争，掌握低成本制造平台化技术的企业将在未来竞争中占得头筹。而整个汽车行业的商业模式及盈利模式，也可能因此发生进一步的质变。
