发动机制造业在产品、工艺、刀具和生产管理方面新的动向

发动机制造业在产品、工艺、刀具和生产管理方面新的动向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。图1图2图3图4图51.2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：l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。l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。l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。3.3TPM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。图63.4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。