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发动机制造业生产方面新的动向 |
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作者：上海大众汽车有限公司 张书桥 |
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21世纪以后，发动机制造业在产品、制造工艺、刀具、生产管理方面都进行了一系列变化，与过去的发动机制造企业有很多不同。在产品方面轻量化的趋势比较明显，缸体零件用铝合金替代铸铁。缸盖产品简单化，不采用以前的顶置凸轮轴的形式，使得缸盖加工更加容易。工艺上不断优化，曲轴除了车－车拉技术以外，还开发了新的高速外铣工艺，使得更加柔性。凸轮轴采用套装式的，而不是整体式，使得加工简单，柔性好。连杆的涨断的工艺应用的企业越来越多，而且成熟。高速化在发动机企业也表现的比较明显，大量采用涂层硬质合金刀具PCD和CBN，且切削速度大大提高。HSK夹头使用也较普遍。采用复合型加工工艺和刀具来节省设备投资和减少加工时间。如采用钻铣螺纹一把刀，完成钻孔、倒角、铣螺纹一次成型的多功能刀具。 
张书桥先生在第一届先进切削技术高层论坛发表演讲
总之，在产品方面，在获得满意的性能下，使得加工工艺简单，尽量在铸造中解决一些加工，使得在机械加工时，加工余量少。在工艺技术方面，采用新工艺，使得刀具和设备适应高速化和柔性化的需要。
在生产组织和管理方面也有很多不同的地方，企业的结构简单，很多服务性的部门，如食堂、保洁，采用社会化，甚至有些专业性很强的油品、切削液、刀具和设备备件都有专业公司来负责，一些专业的维修也有专业厂来服务。这些变化在海外的独资企业.较显著，只是一个生产性的单位。人员通过小组以及轮岗的方式来激励。物流和设备管理方面也是重点，发动机制造企业TPM是很重要的一环。在质量方面，德国企业非常重视过程质量。
一、产品方面
1.1 轻量化
研究表明，一辆轿车的质量若能减少10%，则其燃油经济性可提高3%～4%，同时汽车的排放也会降低。为此，各国的汽车制造厂家为了使发动机轻量化、高速化、高功率化，并且有较高的耐久性，最好的办法是使用铝缸体(见图1)。它的优点：
铝的导热性好，提高发动机的压缩比，对提高功率也十分有利。
缸体和缸盖的膨胀率相同，减少热应力，同时提高缸体和缸盖结合面的刚性。
重量轻。
图1
图2
1.2 缸盖结构
缸盖的结构一般是凸轮轴轴承孔一体的整体式铝缸盖，为了工艺加工方便，将整体缸盖一分为二或分成三个部分(见图2)。凸轮轴不放置在缸盖上，而装在罩壳内。
1.3 凸轮轴
凸轮轴的作用就是控制气阀的开启和关闭。第一个变化是，四气门和五气门的凸轮轴为了去重，采用轻量化中空凸轮轴(见图3)。
第二个变化，按常规而言，凸轮轴的毛坯一般是一根铸件或锻件，再进行粗加工、热处理，最后磨削而成。而新的凸轮轴制造方法，就是用了装配式毛坯件，将预制凸轮和相关部件装配到一根钢管上，焊接固定其轴向和角向位置(见图4)，增加了柔性、缺点是成本高。
1.4 平衡轴体(Ausgleichswellenmodul)
在三缸机中为了减少震动，使得发动机运行更加平稳，产品中增加了一个平衡轴体(见图5)。目前，VW集团用于POLO的1.2升4气门发动机装有平衡轴体。由于这个零件能明显平衡发动机震动，同时改善发动机运转，将来2L的四缸机配有平衡轴体。
图4
图5
二、工艺刀具方面
2.1 产品变化引起工艺的变化
有缸套的铝缸体，国外有的工厂缸孔是先将表面有锯齿形的缸套放好，然后进行浇铸，铸铁部分离上平面2~4mm，为了有利于缸体上平面加工。铸铁缸套粗加工在毛坯厂完成，留1mm余量。在工艺安排时，缸孔、主轴承孔放在后面加工，而上、下平面，四个侧面前面加工完成。同以前的工艺安排不同，使加工工艺较以前简单。
缸盖变成一个长方体以后，使得缸盖加工比以前容易。因为没有凸轮轴轴承孔的加工，可以用专用的简易加工中心机床，实现高速和柔性变化。
用装配式凸轮轴以后，凸轮的热处理，装配都在供货厂家进行，提供半成品给制造厂家，工艺如下：
1.车主轴颈==>2.主轴颈磨==>3.粗、精磨凸轮==>4.抛光==>5.清洗
2.2 三个重要趋势
国外的发动机厂在三个重要领域表现比较明显，主要如下：
一是高速化。
高速加工可以提高生产率，缩短交货时间。要实现高速加工，主要步骤：
机床要能实现高速的主轴。
HSK液压夹头，定位精度高，同时刚性也较好。
大量采用涂层硬制合金刀具，金属陶瓷，陶瓷CBN、PCD刀具，比如缸盖线，大量采用高速加工中心。
二是硬质件加工。
可以简化工艺方法、工艺环节、节约成本、具有柔性。例如，凸轮轴加工，德国在匈牙利的柴油发动机，过去在加工轴颈时，用车削→磨削，现在改用CBN刀具一次完成，达到要求的表面光洁度，不要磨削，可减少大量投资。
三是干式加工。
优点是可以满足环保的要求，降低总成本。例如缸体缸孔粗加工，采用陶瓷刀片不加乳化液。目前国外很重视在干式加工采用喷雾──准干式加工。
2.3 柔性化
发动机制造业生产性柔性化是走向之一，在传统的自动线局部工位用CNC或加工中心，来实现柔性加工的生产线叫柔性自动线FTL，日本工厂使用的较多，主要适合家族类的产品，从严格意义上来说，这还是自动线的设计概念。
用专用加工中心构成的柔性制造系统，主要用在缸盖和缸体，从产量角度分析，可以达到，从传统的FMS系统起步产量年产量5万件到传统自动线的产年产量20万件。
假如要规划一条全柔性的适合大批量生产的柔性生产性，以适合采购的不确定性，由于开发新品种而不断更新设计，环保要求和生产要求等。在柔性生产线考虑这些因素可以使得年产量超过50万件的投资更合理，在今后10年可以节省大概10～20亿美元。
由于缸体需要较少的工件装夹次数，而多为铸件。材料和尺寸决定了采用自动线更经济。目前采用混合生产线成为一种新趋势。工艺上将大余量切削在传统自动线上完成，缸体前后端面和侧面的加工，用柔性生产单元。
2.4 高效率
从日本汽车制造业的情况来看，平均每五年切削效率要提高28%，其中切削速度平均提高19%，进给量平均提高8%，而最近几年切削效率提高的幅度在30%以上。目前制造发动机主要零件的生产节拍已经缩短到了30～40秒，比十几年前缩短50%以上。
例如在灰铸铁材料缸体的铣削加工，用高速加工中心机床，切削速度可达到V=700~1500m/min。刀具采用CBN刀片。在缸体、缸盖铝合金材料铣削加工时，广泛采用PCD刀具，考虑到高速回转时将会产生很大的离心，故刀体采用高强度铝合金材料制作。凸轮轴和曲轴的用CBN砂轮进行高速磨削。
曲轴和凸轮轴的孔加工，为了提高效率，采用内冷的硬制合金钻头，代替过去的高速钢钻头。攻丝也采用硬制合金丝锥来提高速度，甚至曲轴攻丝也采用无切削丝锥。高速加工中心有一个趋势采用热装式工具系统。总之，在发动机制造业一个明显的走向，采用高速加工提高效率。
2.5 涨断工艺应用较普遍
自从连杆大头孔切断采用涨断工艺以来，大部分工厂都采用涨断工艺。国内工厂在应用此项技术还存在些问题。主要是工废率和装配时产生的连杆爆口。而国外工厂已很好掌握了此项工艺，它们的工废0.8%，装配的爆口几乎为零。问题是涨断时支承块的间隙控制。
2.6 在曲轴车拉的基础上结合采用高速外铣
近几年，曲轴主轴颈和连杆颈的加工，一般都是采用车拉工艺来完成。但连杆颈轴线不在一条中心线上，如三缸、六缸发动机，加工就有一些麻烦。目前，有一种加工工艺方案为：主轴颈用车拉，连杆颈用高速外铣。这样加工连杆颈时更好柔性。
2.7 曲轴平衡机
新的改进是不平衡量校正采用极坐标优化高速钻削校正方法。过去用的是高速钢，新的方法是曲轴的钻削采用整体硬质合金钻头。钻头芯部有冷却孔液。这种钻头能进行大进给量钻削。
2.8 缸孔的激光珩磨
近年来表面激光造型珩磨加工正在渐渐使用，为了同时达到缸孔表面的粗糙度和储油性能，需要通过特殊的加工技术，也就是用激光造型珩磨才能达到加工要求，同时还不会影响缸孔表面的加工质量。采用激光珩磨后，汽车发动机可以降低油耗量，延长三元催化器的寿命，降低排放，减少磨损。另外，目前柴油机广泛用于轿车上，柴油发动机体积小，功率大，缸体铸造时加入了TiC，为了将缸孔表面的TiC冲掉，去除产生的毛刺，同时达到表面储油量，开发了高压液体珩磨，工艺为 ：粗珩+精珩+高压液体珩磨+抛光。
2.9 曲轴磨床
凸轮轴采用CBN砂轮高速磨削，已经非常普遍。目前曲轴的加工也渐渐开始使用CBN砂轮加工。一般来讲，四缸曲轴，只要是升程的变化。工艺路线还是过去的较好：主轴颈用多砂轮，连杆颈分别用双砂轮。如果要加工四缸、五缸和六缸曲轴，就就要采用CBN单砂轮或双砂轮磨曲轴，这样柔性好，而且砂轮每修整一次，可加工600～800件。
三、组织机构和生产管理
3.1 结构简单
发动机厂的组织结构相比以前，特别是在海外的工厂，只是一个生产性的工厂。服务性的部门，如食堂、保洁等采用社会化，甚至一些专业性很强的油品、切削液、刀具和设备备件都交给专业部门负责。
比如，刀具管理(Tool-Management)是八十年代在美国企业提出的，开始于16年前的美国通用土星项目。当时的刀具管理主要是物流，刀具比较简单，没有精加工刀具，后来渐渐完善发展成为一个完整的系统，甚至在新项目开始阶段刀具管理就参与项目支持。九十年代后期在德国和欧洲推行，虽然应用较少，是一个有潜力的管理模式，从范围来说，将会有越来越多的企业特别是汽车工业采用。目前匈牙利的Opel 工厂，德国大众在波兰的工厂，美国通用在上海工厂都在进行刀具管理(见图6)。减少了刃磨、仓库管理、采购、技术管理人员，使得机构苗条和简单。
3.2 成本中心
汽车工业日趋激烈的竞争中，降低产品的成本已成为各汽车厂竞争的重要策略。把降低成本作为一个硬指标来推行，是全球汽车工业发展的趋势。发动机厂也不例外，把降低成本作为一个重要目标来实施。一般来说，各车间成立成本中心，主要指标是工废、料废人员费用，刀具辅料费用、设备折旧等。
3.3 TPM和人员激励
发动机厂的设备都是比较复杂、精度高，有一定技术含量，新的生产线规划完成以后，重要的一项工作是TPM。首先，提出具体的实施方案，每条线都规定了负责人，加强点检和专业点检。针对具体的机床提出合适的解决方案。不是做一些表面文章，就是根据简单清晰的思路，其次是脚踏实地执行。
使用一些合适的人员，而不是高学历的员工，重点放在岗位上的培训。为了鼓励员工，积极采用休假制度，整个生产线一年的休假计划张贴在生产线。将维修、操作工等组成小组，为了解决单调生产产生新的问题，一段时间以后进行岗位轮换。
3.4 质量管理
任何发动机厂都将质量置于公司战略的核心地位，质量管理乃是发展的最为重要的“内功”之一。质量方面的让步绝非一种选择，任何让步都可能威胁企业的生存，只有那些致力于质量改善的公司，才能成功，才能获利。
发动机厂提高质量的关键手段，确定质量目标，最高层的参与。采用零次品生产作为核心流程，加强质量过程控制。动员全体员工参与，由车间工人自己解决问题，成立QC小组来改善质量。
四、结束语
本文着重点是从发动机厂加工方面来谈产品，工艺刀具和生产管理的新趋势，主要的结论如下：
采用轻量化的缸体。
缸盖和凸轮轴产品结构的变化，来优化工艺。
高效率和柔性化趋势在发动机制造业较明显。
以往的工艺、车拉、珩磨、磨削都有了新的内涵。
刀具技术改进较活跃，涂层硬质合金，陶瓷、金属陶瓷、PCD、CBN刀具，CBN砂轮使用广泛，还有复合刀具。
生产组织精简，成本、质量、TPM和人员激励始终是核心地位，这些工作不是玩些概念，做表面文章，而是落在实处。
(end)
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(10/12/2004) |
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