现代汽车发动机及其关键零部件最新制造技术和应用

现代汽车发动机及其关键零部件最新制造技术和应用

 

 

汽车的节能、环保、安全是全球研究的重点，而汽车节能和排放与发动机密切相关。发动机是汽车的心脏，是汽车重要关键部件。它的制造质量、制造工艺和装备直接影响汽车的性能和可靠性。汽车发动机发展趋势向高转速、高功率、高耐久性、高环保性，以及电子化方向发展。

近年来，中国汽车发动机制造工艺和技术，尤其是机加工技术取得了长足的进步与发展。为促进其进一步的提高，由中国汽车工业咨询委员会和《汽车与配件》杂志主办、上海市汽车工程学会和同济大学汽车工程学院协办的“2005年汽车发动机工艺与装备（第十二届）国际研讨会”于2005年12月7-8日在上海绿洲大厦举行（图1）。研讨会内容涉及：现代发动机技术发展趋势、发动机及其关键零部件最新制造技术和应用、发动机工厂精益设计三方面。下面就研讨会具体内容作以下概述。

研讨会于12月7日上午开始，参会人员包括汽车行业专家唐伯宁、顾永生、钱人一、陈光祖、汽车发动机及零部件企业国内外代表等100多人出席了研讨会。

在《汽车与配件》杂志总编辑罗锦陵先生（图2）作了简短的开幕词后，中国汽车工业协会专家委员会委员陈光祖教授作了题为《“十一.五” 汽车产业的思路》的报告（图3）。该报告指出即将开始的我国国民经济第十一个五年规划是汽车产业极为重要的五个年头，他将决定着我国汽车产业能否在过去巨大成就的基础上，真正的由一个汽车大国向汽车强国迈进，打下坚实的基础，未来五年将是决定我国汽车产业能否在全球化道路上站稳脚跟，冲出重围，在全球汽车产业分工体系中进一步提升自己应有地位的关键时期。报告从十二各方面通过详实的数据和国家产业政策等方面阐述了十一.五汽车产业的思路。

同济大学汽车工程学院钱人一教授作了题为《现代汽车发动机产品技术动向》的主题报告（图4）。节能和环保是现代汽车发动机产品技术动向的主旋律。钱教授在报告中论述了节能与环保的途径，在此基础上对发动机整机技术进行了扫描；重点论述了汽油机三大核心技术（可变气门、汽油直喷和缩小排量）以及柴油机核心技术（高压喷射、尾气后处理及增压）；简要介绍了兼蓄油机和柴油机优点的燃烧方法HCCI；最后，以铝合金气缸体、组合式凸轮轴和连杆工艺为代表，简述了现代发动机零部件技术的发展动向。

柯马(COMAU)公司动力总成事业部装配线技术方案经理Maurizio Sciamanda先生演讲的题目是《现代汽车发动机装配线的发展动向》（图5）。通过大量成功案例的介绍，从以下五个方面阐述了装配线的发展方向：

1、  装配线最合理的平面布置；

2、  装配线的质量保证；

3、  多品种混流生产线；

4、  装配线的自动化程度；

5、  装配线上的防错装置。

柯马公司动力总成事业部发动机/变速箱试验技

术经理Michael Christie演讲的题目是《生产线上的发动机测试技术》（图6）。许多发动机制造缺陷只能通过在线测试或在线验证技术检查出来。虽然下线测试也很重要，但通过在线测试增强其质量控制水平。故障发现得越早，它所造成的损失就越小。采用在线测试技术可以实现对制造缺陷的最大限度的追溯能力。

    发动机冷试验的目的是在装配线的最后对发动机的制造和装配质量进行验证测试。冷试时，发动机在不点火燃烧的情况下在电机的拖动下进行测试，此时发动机并不按照实际使用的方式进行工作。冷试是用在发动机生产制造工程中的质量控制手段，它具有发动机产品的相关性和发动机缺陷故障检查功能。

发动机热试验重点介绍了测试项目、典型的发动机测试间规划、控制和数据采集等。最后还讲了发动机测试的发展趋势：汽油机和小型柴油机测试将向着消除和大幅度减少热试的方向发展，更加强调生产过程中的在线测试，使用冷试技术来提高发动机产品在热试中的一次通过率。

12月7日下午，德国克劳斯-毛瑟(KRAUSE&MAUSER)公司高级销售经理M.B.Schauerte先生就连杆激光涨断工艺作了专题演讲（图7）。无法精确地加工零件分离后的表面并组合一直是人们难以克服的问题，直到发明了涨断这种工艺方法，使得精确吻合及螺栓拧紧两断裂面成为可能。德国克劳斯-毛瑟集团长期以来始终坚持不懈的研究涨断技术。1995年，应用于连杆加工的革命性的激光涨断技术开始应用于欧洲市场。精确的激光刻痕及涨断力，使得精细的断裂面能够完美的组装到一起。涨断技术极大的降低了成本并减少了50%的加工工序，与传统方法相比：机床投资低，材料成本低（仅1个毛坯），整个工艺的加工准备时间短。激光最大的优点在于不需接触材料表面即可进行加工，与拉削相比，激光不必接触工件就能为涨断工艺刻出所需的断裂线，因此没有任何道具的磨损。生产工艺的重复性和稳定性非常高。另外，激光非常灵活，从而使用同一个激光器即能对各种各样的连杆进行最佳的切口加工。拉刀的寿命大约为400件，而激光光学透镜的寿命可高达1000000件。

德国埃尔温勇克机器制造有限公司（JUNKER）执行总裁努义士先生报告的题目是《创新的曲轴磨削技术》（图8）。传统曲轴轴颈的磨削，往往是先磨削主轴颈（连杆颈），再磨削连杆颈（主轴颈），最后磨削大小头等。而勇克机床的理念是“一次装夹，全部加工”，其优点是：工艺可靠性高；工件搬运次数少；节拍时间缩短；无需多次装夹，因此可以获得更高地加工质量；停机时间短（如果某一单元出现故障，所有地加工不会由此中断）。勇克的高速磨削中砂轮的安装采用的是专利技术——三点安装系统（图9）。

勇克公司JUCRANK系列机型的摆动跟踪磨床为曲轴的整体加工提供了全面的解决方案。各种型号的磨床适用于从单汽缸发动机到十二汽缸发动机的所有型号的曲轴加工。根据加工方式和要求的产量，每一种型号的JUCRANK磨床都设计并安装有各具特色的平台和砂轮架。JUCRANK摆动跟踪磨床几乎可以完成曲轴加工过程中的所有磨削工序，主轴颈（圆柱形、凹面、凸面）和连杆轴颈（圆柱形、球面、凹面、凸面）只需一次装夹就可以磨削完毕（图10）。对硬化处理过的圆角也可以进行磨削加工。此外，在工艺上，勇克公司的供货范围还包括了与其它磨削加工方式的任意组合。不同的机型与其它勇克机床组合，可以加工定位轴颈，法兰及齿轮轴颈。

勇克公司很早就采用了用于高速加工的CBN砂轮和使用油冷却曲轴的组合。长期积累的经验和知识适用于加工汽车发动机曲轴，质量可靠。勇克公司的曲轴磨床在技术上的优势主要有：在加工过程中检测并修正轴颈圆度和尺寸；带有“学习功能”的控制系统，附加对圆度偏差和干扰量的自动补偿，可进行补偿的干扰量是：温度，机械及动力影响，磨削余量的变化，材料以及金相结构的变化，砂轮的可切削性，机床的磨损状况；由于磨削主轴颈和连杆轴颈一次装夹，理论上的偏差为零；切入式磨削及摆动式磨削；对 “敏感工件”的支撑，在主轴上采用自动对中心的三点式中心架；CNC控制的冷却剂供给保障了磨削区域的持久用量；采用静压圆型导轨，无爬行效应，确保持久的高精确度（X轴导轨，进给丝杠，止推轴承）；减震抗扭转床身，使用矿物铸铁浇注而成，具有良好的吸震抗弯功能；砂轮轴适用于高达140m/s的磨削。

图11是型号为“JUCRANK 6000/50-50”的数控曲轴磨床。该磨床具有四片CBN砂轮，每片均可独立磨削，一次装夹可磨削全部主轴颈和连杆颈（摆动跟踪磨削）。

德国BOEHRINGER公司代表梁敏女士（图12）讲解了通过曲轴加工线的交钥匙工程实现柔性加工和工艺替代方法。以一四拐曲轴曲轴为例，设计生产纲领为150000件/年，图13是生产线布置图（包括设备生产厂家）。下面介绍一下几个典型工序的技术特点：

OP10序：柔性加工——车长度并钻中心孔。该工序预车下道工序的装夹直径，具有适应不同工件的柔性夹具、高效率、机床维护成本低等特点。

OP20序：柔性加工——轴颈的车车拉加工（图14）。该工序一次设定完成所有同心圆的车削，具有在同一台机床上完成车——车拉（车侧端面）加工、高效率、通过使用特殊卡盘和刀具系统实现柔性加工、机床保养简便维护成本低等特点。其中拉削工艺逐步可用高效的梳刀代替。

OP30序：柔性加工——连杆颈的高速外铣（图15）。本工序使用设备是德国BOEHRINGER公司专为汽车发动机曲轴设计制造的柔性数控铣床，该设备应用工件回转和铣刀进给伺服连动控制技术，可以一次装夹不改变曲轴回转中心随动跟踪铣削曲轴的连杆轴颈，铣削效率相当高。

OP50序：柔性加工+工艺替代（曲轴止推面精车滚压工艺）。该工序具有以下技术特点：滚压抛光止推面并在线测量、滚压抛光代替磨削加工、可同时进行车削加工、在刀盘上装有滚压抛光装置，可获得更高精度。该工序使用的是设备是德国赫根塞特（HEGENSCHEID）的曲轴止推面车滚专机。

12月8日上午，德国申克公司北京代表处代表郭卫建先生就曲轴平衡技术和质量定心技术作了详细的介绍（图16）。郭卫建先生通过对曲轴动平衡技术和平衡设备的讲解阐述了以下问题：

一、曲轴平衡的新趋势：

1、  减少曲轴的初始不平衡量，充分考虑曲轴的内部质量补偿（采取质量定心等）。

2、  采用不平衡量优化分解方法，尽可能减少校正不平衡量时的材料去除量。

3、  平衡机采用模块化设计，提高柔性。

4、  钻削采用高速钻削。

5、  润滑采用MOL（微量油润滑方式）技术。

二、曲轴内部质量补偿对发动机运行的影响：

1、  曲轴不平衡量与质量定心工艺及加工程度的关

系。

曲轴的质量中心孔和几何中心孔一般存在以下关系：

钻质量中心孔的曲轴，随着加工程度的深入，曲轴的

不平衡量呈上升趋势，上升程度的大小跟毛坯质量有主要关系，毛坯质量越差（弯曲），上升趋势越大，甚至报废。

钻几何中心孔的曲轴，随着加工程度的深入，曲轴的不平衡量呈下降趋势，如果毛坯质量很差（弯曲），经粗加工后大部分曲轴被淘汰。

2、  曲轴质量中心孔和几何中心孔的选用。

1）毛坯质量好，加工余量小且加工余量分布均匀。这时曲轴的质量中心孔与几何中心孔基本重合，则

不必花费较高的经费购置质量定心设备。

    2）毛坯质量较差，加工余量大且加工余量分布不均匀，择优先选用质量中心孔。因初始不平衡量较大，如果钻几何中心孔，质量分布不均匀，转动惯量较大，损坏后续加工设备精度。再者，采用几何中心孔，在进行动平衡时，初始不平衡量可能超出平衡机要求而无法平衡。在这种情况下应优先选用质量定心机。

3）毛坯质量如果再差，则无论是钻质量中心孔还是钻几何中心孔都不会起到多大的作用，通过铣曲臂等措施达到整体平衡实际是不合格的（单拐不平衡），是一种假象。这种曲轴装机后会重新产生扭曲变形，引起震动和噪声，也影响整机的寿命。

由此可知，提高产品质量关键是提高毛坯的质量。

三、全自动曲轴质量定心机的工作原理：

曲轴放置在两端滑动单元法兰盘的支撑上并被夹紧，法兰盘回转中心形成测量中心线。回转过程中，支撑的位置，即曲轴的位置不断调整，使质量中心线靠近回转中心线。当曲轴毛坯不平衡量很小，接近设定值时，钻削单元钻中心孔。此中心孔作为后续加工步骤的定位基准。

上海通用制造工程师祁欣先生（图17）演讲的题目是《装配式凸轮轴制造工艺介绍》。装配式凸轮轴制造越来越广泛的应用在凸轮轴加工中，它的显著特点是：凸轮轴总质量较轻；高强度；工艺流程短；较低的工件报废率；柔性化生产。

装配式凸轮轴制造加工有以下工艺特点：

1、省略了毛坯件的粗加工，工艺流程简单。装配式凸轮轴的各个装配部件余量小，精度高，不必象传统凸轮轴那样要从毛坯件（铸件火锻件）开始进行大量的毛坯粗加工，只要在装配后进行半精加工和精加工，从而缩短了整个工艺流程。

2、加工余量小，便于高效率生产。各精铸部件使得加工余量小，设备加工单件时间短，产能大，有利于规模化生产。比如凸轮块按最终形状精铸，减少了磨削余量从而缩短了磨削时间。

3、不同的部件可以使用不同的材料以提高产品性能和加工性能。产品对于不同部件（轴颈、凸轮块、齿轮）有着不同的性能要求，装配式凸轮轴可以在不同部件上采用不同材料，比如凸轮使用粉末冶金，齿坯使用铸铁，这将有利于优化产品性能要求，也可以根据情况改善凸轮轴加工性能和优化成本。

4、适应产品多品种柔性化的要求。通过更换不同的主轴颈和磨削不同的凸轮型线，即可生产出多品种的曲轴。

上海通用制造工程师Scott Hacker博士（图18）演讲的题目是《曲轴在线质量控制》。Scott Hacker博士介绍了上海通用汽车公司曲轴生产线加工工艺流程。曲轴是保证发动机的正常运转的核心部件，产品设计对轴颈的外径及圆度有很高的要求，公差通常控制在0.002-0.005mm以内，止推面宽度公差要求通常在0.005mm以内，并且这些尺寸是曲轴整体加工中最关键的因素，要求不断改进。

Scott Hacker博士在讲到加工质量的控制时介绍了几种常用质量控制方法：

1、加工后的在线测量。用于验证零件加工后的质量，通常串联于生产线中，100%检测工件并发现不合格品。

2、加工过程中的在线测量。实现对加工尺寸的实时控制，可防止制造出不合格品。

3、离线抽样检测。由操作工完成检测工作，但一般不用此类方式对设备进行补偿。适用于按照控制计划进行抽检，确保加工质量的稳定。

Scott Hacker博士还介绍了精车在线测量仪主要特点及对产品产量的影响：可利用短期设备能力分析的方法完成设备能力的验收工作，在设备调试初期，并不一定需要使用在线反馈系统来制造合格工件。使用检测数据反馈系统，可以解决一些统计学无法解决的问题，例如换刀所造成的误差，断刀情况等。精车在线测量仪是单独的工位串联在生产线中，测量时间短于加工节拍，所以对生产能力没有影响。根据产量的需求，生产线可能需要设置两台或以上的机床，但一台在线测量仪足以满足生产节拍的需要。精车在线测量仪还有在换刀和刀具磨损的状态下自动反馈系统，对加工误差自动补偿。

磨削在线测量的作用主要是精密控制曲轴轴颈的磨削尺寸，是有效的防错装置。在精磨时测头进给，跟踪纪录外径尺寸的变化：主轴颈多砂轮磨床通常同时使用两套测量仪，分别控制曲轴前后两端的两个主轴颈，连杆颈磨床测量仪控制每档连杆颈的磨削尺寸。抛光在线测量的主要特点是：第一道工序粗抛，适用在线测量仪控制抛光尺寸，第二道工序精抛，目的是降低表面粗糙度。

12月8日下午，研讨会进入自由讨论阶段。在有关公司提出对研讨会的一些建议后，上海交通大学汽车科学与工程研究院高级顾问，原上海大众发动机厂厂长、教授级高级工程师顾永生先生（图18）作了总结发言。顾教授充分肯定此次研讨会的积极作用，初步探讨了下一届研讨会的中心议题。指出此次研讨会演讲者都是国外汽车装备制造商和应用商，下一届将聘请一些国内优秀装备制造商，以及发动机及零部件制造商介绍一些成功的经验，共同促进我国发动机及零部件制造水平的提升。