车用材料设计一致性应用实践与探讨

郑学森 王宝昆

（北京福田戴姆勒汽车有限公司研发中心，北京101400）

1 前言

零部件作为汽车工业的基础，是支撑汽车工业持续健康发展的重要因素，而材料是设计、制造汽车零部件的基础，新材料的发展可能引领汽车技术的发展。不同时期设计、制造产品的特性和质量与预期要求或标准、规范不吻合，将出现“一致性”问题。一台车通常需要由2万～3万件甚至更多的零部件组装而成，而整车一致性问题往往就出在零部件上。一个好的零部件是结构、材料、工艺最佳组合，并达成预期效果，有时还是多材料组合应用并与其结构、工艺协同达成多目标的结果。而其中的材料既是设计零部件结构、选择制造工艺的基础，实现设计和制造一体化的纽带，更是实现零部件形状外观、功能特性等最终效果的保证。因此，要做到整车一致性，就要首先做到零部件一致性，要做到零部件一致性，就要优先做到材料的一致性。设计选材是尤为关键的第一步，保证设计输出的材料始终满足零部件设计要求并符合相关技术规定，而且不同的零部件供应商对它们的理解不会产生歧义，最终实现不同设计人员、不同零部件供应商在不同时期所设计、制造的零部件具有一致性。

5M1E指的是人（Man/Manpower）、料（Material）、机（Machine）、环（Environment）、法（Method）、测（Measurement），它是在全面质量管理（TQM）理念引领下制造企业质量管理的5要素，同时也是系统性建立管控流程方法、分析问题产生根源的思路和方向。笔者认为，5M1E工作法同样可用于产品开发过程设计选材管理流程的检讨及完善，利于对设计质量及其波动的管控。

a.人：车用材料拥有庞大的族群，1个完整的车用材料标注往往是材料名称、牌号、规格、制造加工方法、辅助技术要求和标准依据等多个的集成。实际工作中，设计人员在设计选材时通常更多地关注材料名称和牌号而忽略材料规格、制造加工方法和辅助技术要求等设计选型细节，容易造成零部件供应商的理解偏差，会因为材料的误用或错用而导致所生产零部件质量的波动或差异，甚至出现不合格。基于材料设计选型过程的复杂性，需要有一支以材料研发人员为主体的专业化工作团队作支撑保障。

b.料：车用材料设计一致性管控的对象就是材料，材料应满足零部件功能特性、工艺性能和质量要求。从管控的广度来看，要实现对所有系统总成和零部件所应用工程材料的全覆盖；从管控的深度来说，针对车用材料的多技术集成特点，要实现用材技术要求的明晰化。

c.机：制造工艺（包括成型加工和后处理技术等）是生成零部件并整体体现材料特性的根本保障。针对系统总成及零部件的批量化生产制造过程，工艺技术及其装备（含设备、模具、工装等硬件）是保持或延续车用材料一致性的关键因素之一。

d.环：车用材料的应用受制于各种环境因素，如温湿度、环境介质以及应用工况条件等，而且针对不同类型的材料，关注侧重点会有显著差异：针对工程塑料和橡胶类非金属零部件，更加关注它们在光、热、紫外线、臭氧等环境条件下的抗老化性以及VOC、气味和阻燃等环保与安全特性；针对大多数金属零部件，更关注其在湿热环境及不同介质或工况条件下的耐蚀性。因为不同类型的材料在实际应用环境条件下都有自己的短板，是设计选材适用性评判的重要特性要素。

e.法：指导设计选材并保持其一致性的依据是标准和方法。基于系统总成及零部件设计的标准化、系列化、通用化要求建立适用于主机厂需要的材料标准和方法体系：针对成熟度较高、通用性较强的材料，通常以国家或行业标准为依据，促进材料供应商、零部件制造商和主机厂三者快速融合；在很多应用场景下，主机厂为体现个性化、模块化需求进行内部企业标准和方法手段的转化，在材料供应商和零部件制造商参与下实现同步协同。

f.测：衡量车用材料设计一致性，主要体现在按照IATF 16949:2016 Quality management systems—Particular requirements for the application of IATF 16949:2016 for automotive production and relevant service part organizations[1]规范要求的流程化监测。重点围绕APQP过程的前期策划、设计开发实施、设计输入输出及评审、设计验证与确认以及设计更改等过程节点，全过程参与设计选材管理和结果评价。

产品开发阶段设计过程故障模态分析（DFMEA）始于对产品功能特性与管控流程工序的识别，通过因果分析和风险评价找到影响产品功能的根本性原因或要素，并基于现行的设计与控制措施采取相应的提升与改善策略，而设计防错技术是DFMEA的重要输出之一。材料试验大纲（TSP）和产品开发验证计划（DVP）是材料开发和应用过程的纲领性文件，也是材料标准制修订及后续材料一致性管控的重要参照；材料选用与标注的规范化是防止零部件用材错误的重要防错方法，而在零部件上进行用材标识标记是实现应用实物及其用材可追溯的基本手段。

本文基于汽车零部件设计和制造一体化理念与实践，借助企业材料数据库的建设，通过车用工程材料体系架构优化和材料标准溯源分析，结合实际过程的典型问题或案例分析，较为系统地提出了材料设计一致性管控策略。

2 组建专业化、协同化的工作团队

车用材料具有涉及面广、专业化程度高、与零部件一体化设计与制造同步程度高的显著特点，需要主机厂组建独立的研发机构或组织并赋予职能职责，基于“应用一代，储备一代，开发一代”的科研理念并行开展相关基础研究、先行研究和应用研究，组织开展车用材料的重大研究课题或重点开发项目，适应技术进步和市场竞争日益激烈的现实需要。为此，组建了以材料研究部门负责、跨部门协作、供应商参与的工作团队（图1）。

图1 材料设计一致性管控团队构成

材料研究部门的职能职责如下。

a.材料基础技术平台组建，包括国内外材料标准研究、材料标准制修订、材料数据库建设；

b.新材料研究及应用推广，包括新材料及其技术动态趋势研究和对标分析，对接早期供应商参与（Early Vendor Involvement，EVI），组织新材料、新工艺预研和应用研究，指导模块化应用开发；

c.一致性管控及技术支持，包括牵头材料设计一致性管控，参与零部件设计选材和图纸工艺审查，负责材料认可备案和材料失效评判，参与供应商评价和体系优化。

材料设计一致性工作团队分为材料研究开发和设计选材效果评价2个小组，由材料研究部门负责建立协同响应的联合体。

3 构筑车用材料技术新型体系架构

1辆车往往由多达上万个零部件组成，涉及的常用材料有4 000～5 000种。对于主机厂的设计工程师来说，如何做到准确选材标注是一个难题。如355钢级低合金结构钢，它是重型载货汽车中各车型平台系统总成和零部件常用的一种基础钢材，对应标准为GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》[2]，取代了2008版标准中的345钢级。根据国标规定，其质量等级按照材料达到规定冲击性能的试验温度划分为B、C、D、E、F 5级；而根据坯料轧制方法不同，又分为热轧、正火（N）、正火轧制（+N）和热机械轧制（M）等交货状态。质量等级和轧制方法的差异，体现出材料的化学成分、力学性能要求的不同，形成了不同的材料牌号组合。该钢级基础材料还通过在不同类型的钢管、钢板或型钢（如圆钢、冷弯空心型钢）以及诸如冲焊桥壳中的转化应用而又生成了新的标准和技术要求；基于不同形态的材料及其不同的制造方法，其尺寸、外形、质量等的允许偏差要求还有其他标准和规定。从中不难看出：单一基材属下会有很多的材料牌号，还会衍生出更多的应用品种型号，技术要求也是多维度的。为此，在汽车工程材料传统分类的基础上构思建立车用材料横纵双向的“T”型体系架构。

一是以车用工程材料体系横向层级架构的广度实现对车型用材的全覆盖，基于专用化、通用化并行特点采用部分重叠展现的方式以适应不同群体需求。首先对车型用材进行了全面的识别，结合商用车平台系列模块化应用、个性化设计、集成化管理等用材特点，搭建金属材料和非金属材料的横向层级架构（图2、图3）。涵盖车型用材各类别及其衍生品种，如工程塑料管件、橡胶管件和玻璃纤维、玻璃棉等；针对大梁钢等专用/特种材料，因为在车架系统模块之外还有支架或箱体类部件等通用化应用，所以又将它作为通用材料归列于“钢板钢带”条目之下。

图2 车用金属材料体系横向层级架构

图3 车用非金属材料体系横向层级架构

二是以车用工程材料体系纵向层级架构的深度实现对用材技术要求的明晰化，便于一体化设计和制造相关数据信息的收集和查询。车用材料在整车的应用过程通常为基材、管（板或型材）、零部件、系统总成、整车应用，对材料的要求也是全方位的。组织完成了以指导材料选用为主的特性结构完善及选材用材指南、材料标准方法的梳理与补充，组建了相互交织、融合、渗透或牵制的车用材料体系纵向层级架构（图4）。

图4 车用材料体系纵向层级架构

4 材料数据库建设及材料选用标注的规范化

为方便设计选材和用材管理，组织完成了“T”型体系架构下的车用材料数据库建设。目前，该材料数据库由5个模块组成。

a.基准材料性能库：依据标准的集成化和可视化的材料选用标注和性能指标要求，“基础理化+力学性能+工艺性能+应用特性”的完整指标体系作为材料设计一致性的评判依据；

b.供应材料信息库：“材料认可牌号+供应商信息+材料特性描述+材料性能指标+材料价格信息+应用推荐”的供应信息体系作为用材体系优化的指导依据；

c.材料测试数据库和材料测试报告库：定检专检和研究试验相关的材料测试数据信息和原始数据来源报告，作为材料设计一致性和用材管理的比对依据；

d.材料标准查询库：分类标准清单和快速查询链接及所有在用材料标准收录，作为材料设计一致性和用材管理的溯源依据。

材料数据库的建成并投入运行，可以实现一键完成设计选材，不仅解决了长期困扰设计工程师的一大难题，而且为材料设计一致性提供了基础保障。

结合前期车型用材识别结果开展材料标准的适用性比对、溯源性查证和关联性分析。在“国家标准+行业标准+内部企业标准”框架下，遵循内部企业标准优先的原则，组织对各层级材料标准的适用性、合理性、规范性和时效性进行评判。针对原引用的外部企标和国外标准进行内部转化，针对原引用的已废止、失效或非法标准进行专项清理，针对个别无引用标准的材料组织补充整合，针对个性化、模块化应用的某些特定材料按内部既定规则进行统一编号管理。

材料牌号变更关联性分析及处置案例：前文提到的GB/T 1591—2018[2]中Q355钢级取代Q345钢级，该钢级所涉及的管、板或型材等钢产品很多。继续引用旧版标准GB/T 1591—2008[3]定义的Q345钢级或改为引用新版标准GB/T 1591—2018[2]定义的Q355钢级，都有可能造成了该钢级化学成分或性能要求的缺失或不明确。通过关联性梳理和排查，基于钢产品现行标准的技术规定并结合其所应用的零部件及其总成在制造、使用及市场的质量稳定性，分别做出不调整、暂缓调整和立即调整等策略方案，详见表1。

表1 不同类型Q345钢级产品适用性评价及调整处置建议

a.部分类型的Q345钢级产品，已在现行标准中明确规定了适用于钢产品制造工艺和应用效果的材料化学成分和力学性能等，且多数没有直接引用旧版标准GB/T 1591—2008的技术要求，保留原有的Q345钢级产品，不需做调整。

b.部分类型的Q345钢级产品，已在现行标准中明确规定了材料的力学性能，而其化学成分参照旧版标准GB/T 1591—2008[3]的技术要求，在持续保持使用质量的前提下，延续使用原有的Q345钢级材料化学成分规定，暂不做调整。后续跟进相应的钢产品国家标准修订再做调整。

c.还有部分类型的Q345钢级产品，并无单独的产品标准或在现行产品标准中没有材料化学成分和力学性能的规定，基本引用旧版标准GB/T 1591—2008[3]的相关规定，这部分钢产品需立即跟进调整为Q355钢级产品来进行管控。

技术条件变更集成化改进案例：钢板钢带是载货汽车用量最大、品种繁多、标准来源广且要求多变的材料类型，通过标准溯源查证发现这些材料标准升级过程中除了个别技术指标的调整，更为集中的是体现在供货状态和尺寸精度代号等方面的变化（表2），这也是当前材料选用标注容易混淆出错的地方，占到问题总量的40%左右。为此，在车身薄板钢、大梁钢及其他相关材料标准修订时，统一按新标要求重新规范；针对历史遗留的老旧图纸的问题，在同原则下设定整改期限。

表2 钢板钢带新旧标准规定的供货状态、尺寸精度代号对照表

同步修订内部标准《车用材料选用与标注》。为解决标准本身可能存在的滞后性问题，编制并提供《车用材料选用标注方法和示例》简明使用手册。

同时，通过培训宣贯及与标准审查、质量检验和采购管理等部门建立的联防联控机制，系统强化对现存的材料设计一致性问题的识别和纠正。

5 材料设计一致性管理流程再造

产品是设计出来的，设计是龙头，也是源头。在产品开发流程中强化材料研究工程师的职能和作用，明确新材料预研与开发流程，植入并细化零部件设计开发与改进时设计选材及评审、验证、确认和变更过程的要求是实现材料设计一致性问题从事后治理转向事前预防、事中控制的系统性保障措施。

5.1 新材料预研与开发

新材料开发及引入是材料研究人员的主要职责之一。它既包括全新的材料及其工艺和相关技术的预研，也包括本企业尚未实质性开发及批量应用且未在材料数据库收录的材料类型的研究，据此建立新材料开发流程并设定关键流程节点。

a.需求输入：基于企业的整车平台及特性规划开展重型载货汽车标准法规及其技术、材料等应用发展趋势研究，结合企业在环保、安全、舒适、可靠和经济等方面的模块化技术规划，配合企业现阶段的整车及系统性能提升和质量改善需求，制定新材料的研究规划；

b.调研分析：开展车型用材对标分析，EVI对接及新材料应用技术成熟度跟踪评价，组织材料供应商及零部件协作厂预选及其技术评审、实验室资质审核，提出新材料开发建议报告；

c.开发策划：组织编制材料试验大纲（TSP）、材料开发计划及跟踪表；

d.新材料试制与验证：组织新材料试制及工艺验证和性能测试（含零部件和系统总成性能测试及必要的整车性能测试）；建立工艺验证评价和台架试验验证方法手段，完成材料特性对零部件、系统总成及整车应用功能特性的影响度识别和排序；

e.新材料认可与备案：根据材料试验大纲组织新材料认可检测，并结合零部件、系统总成和整车性能测试结果作出最终的认可结论，完善新材料资源体系准入机制。对已认可的新材料进行信息备案，更新材料数据库信息，必要时编制发布新增材料标准，完成新材料引入；

f.模块开发应用建议：编制模块开发应用建议报告，转入模块开发和整车应用。

5.2 新材料应用与推广

新材料的应用主要以模块开发类项目、设计变更类项目或临时代用类项目等形式开展，主要由系统设计工程师负责并在材料研究工程师参与下完成。在开发流程中明确材料研究工程师职能作用，确保材料设计一致性的充分体现。

a.产品定义阶段：开发策划初期，由材料研究工程师编制《新材料及工艺、技术发展趋势分析报告》，并与《概念设计阶段技术需求报告》相衔接，为设计与分析人员推荐适用的材料、工艺和技术，提供所需的材料特性指标数据、设计安全系数设定[13]和标准资源信息等重要设计输入或佐证；参与开发技术方案的评审，负责材料应用方面的技术与经济指标的确认及应用风险识别和应对策略拟定；参与供应商预选，负责新材料及零部件预选体系评价及其关联的工艺装备、过程监测和检验试验等过程能力分析与比较。

b.产品开发阶段：参与结构设计与评审，针对使用特殊材料的零部件提供必要的结构设计准则或方法；参与DFMEA分析评审，参与产品开发验证计划（DVP）的编制会签，负责补充完善与材料相关的验证项目与内容；参与图纸审签，负责其中的用材确认和工艺审查；参与OTS（初始工装样件）样件认可，负责其中的材料型式试验和认可批准，所出具的材料认可结论作为后续生产件批准（PPAP）的证明文件；通过材料认可试样封存实现材料溯源管理，方便复验查证、再现比对或评定仲裁；参与零部件试制试验过程及失效分析，负责材料失效的判断及处置；负责材料及工艺信息备案，参与供应商现场的产品审核和过程审核。

c.生产爬坡及量产阶段：提供零部件批量供货和使用过程的材料及其关联、延伸技术的支持与服务，关联技术包括料（材料）、机（设备）、模（模具）、技（工艺）及其协同性，延伸技术包括连接工艺、表面处理、监测检测；跟踪产品试销过程的市场反馈，参与材料应用质量问题信息的处置；组织标准方法完善和信息数据的更新，督促材料供应商与零部件制造商的协同跟进。

d.量产后的持续改进：持续做好材料应用推广效果跟踪和支持服务；参与整车拆解对标过程的用材分析；组织车用材料的确认检验；负责失效件的材料失效评判；开展材料试验和测试数据的系统性分析。针对二次布点开发的系统总成或零部件，视同新产品开发过程进行管控，做好必要的材料认可备案、现场审核评价及信息数据录入等工作。在适用材料标准和材料数据库框架内，做到材料一致性的联防联控，促进管控效果的持续改进。

6 结束语

材料设计一致性的核心在于人，标准、规范和流程是关键。材料研究工程师的牵头负责和全程参与是实现材料设计一致性的前提保证。车用工程材料及其特性体系架构、材料标准及其技术规定以及材料数据库是实现材料设计一致性的技术保障。程序化的流程方法是实现材料一致性的必然途径。运用“人、技术、程序”的协同，为材料设计选用者和使用管理者提供行之有效的行动指南，在实际工作中构建联防联控机制，现已在材料设计一致性控制方面取得良好效果和联动效应。后续将紧跟产品和材料迭代节奏及国际化接轨的时代发展潮流，进一步加强车用材料的基础研究、先行研究和应用研究，通过技术创新和管理创新，持续有序推进材料设计一致性管理能力的提升，促进企业治理效能的改善和核心竞争力的增强。