发动机制造业生产方面新的动向
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张书桥先生在第一届先进切削技术高层论坛发表演讲
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。
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


图1

图2

图3

图4

图5
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:
  1. 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。
  2. 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。
  3. 重量轻。

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。

二、工艺刀具方面

2.1 产品变化引起工艺的变化
  1. 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。
  2. 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。
  3. 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:
    1. 机床要能实现高速的主轴。
    2. HSK液压夹头,定位精度高,同时刚性也较好。
    3. 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。

图6

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:
  1. 采用轻量化的缸体。
  2. 缸盖和凸轮轴产品结构的变化,来优化工艺。
  3. 高效率和柔性化趋势在发动机制造业较明显。
  4. 以往的工艺、车拉、珩磨、磨削都有了新的内涵。
  5. 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。
  6. 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。

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本文作者:上海大众汽车有限公司 张书桥
原载:中国刀协第一届先进切削技术高层论坛演讲稿
上载于:2004-3-9 15:03:02

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