机床大讲堂第19讲——发动机柔性制造策略及工艺探索

---

《制造技术与机床》杂志创刊于1951年，是我国机械工业科技期刊中创刊早、发行量大、影响面广的刊物之一，拥有广泛、专业的读者群体。本刊属中文核心期刊，中国科技论文统计用刊和《中国学术期刊文摘》摘录用期刊。

---

发动机柔性制造策略及工艺探索

　　1　柔性制造现状

　　随着机械制造业的飞速发展，产品的更新换代越来越快，市场对产品的需求也呈现多样化。发动机机加工生产制造也必须适应这种变化，需要具备较高柔性的生产系统。传统的柔性生产，是在同一平台，即工件大小尺寸和定位方式不发生改变，只是在个别加工尺寸上有点小的变化，最典型的做法就是改变缸孔直径和改变曲轴曲拐尺寸，来实现排量的变化，但这种方式只能在很小的范围内变化，已经不能适应当今市场的需求。传统的单一平台系列生产将逐一转换为多品种多平台系列混线生产模式。A公司发动机一厂机加工车间是某汽车品牌全球采取多平台的发动机3C件共线生产制造模式的首次尝试，在整个爬坡过程中也遇到了很多问题，并通过对问题的总结和分析，提出了机加工柔性制造的改进方案。

　　2　柔性制造策略研究

　　为适应国内外汽车市场需求，发动机生产车间必须满足不同发动机的制造要求，各大型车企分别采用了不同的制造策略，目前主要有4种不同的柔性制造策略。

　　方案一：异地配送3C件零件总成，主机厂装配发动机。这种方式一次性投资成本低，特别是在同一公司内的异地配送，在降低投资的同时，可以充分发挥现有的机加工产能。但存在零件运输、包装、防锈、配送到主机厂零件的清洁度控制、加工件质量问题分析、现场质量等问题。目前B公司轿车所配GEN3发动机，由于该公司机加工能力受限和采购整机的成本过高，采取了从匈牙利采购机加工件，在主机厂装配发动机的方式。

　　方案二：异地配送发动机总成，在整车厂进行装车。这种方式主要也是投资低，然而单台制造成本就将无形中增加很多。按每年整车需求35万台，单台运输成本为180元，则每年公司将6300万元花费在发动机运输上。如果整车要求不高，可以考虑采用这种方式，来满足不同品种平台发动机的需求。目前该方式也是主流汽车公司或集团采取的主要方式之一，如：B公司GSV的发动机均来自于A公司发动机一厂;C公司I-VTEC VCM 3.5L 、DOHCI-VTEC 2.4/2.0L发动机配送至广州本田进行装配等。

　　方案三：通过局部更改发动机缸孔直径和曲轴曲拐的方式，来实现发动机柔性生产。这种方式，实现起来相对较为容易，设计变更及设备变更相对较小，投资成本低。但只能局限于排量较小差异的柔性需求，对于差异较大的发动机无法实现。该方式是目前全球采用最为广泛的方式。如：A公司发动机二厂B12/B11/B10发动机等。

　　方案四：两种完全不同系列发动机机加工共线生产的模式。这种方式，能实现目前市场对不同发动机的需求，且不用投资另外的机加工生产线。由于该制造模式，需要从设计前期开始考虑，并在制造过程中的设备及加工工艺布置有更高的要求，同时需要频繁地进行生产线切换，具有较大的换型损失和质量风险。不过由于其具有较高的生产柔性和投资成本低的优势，近两年来各大主要的汽车集团已经开始采取这种方式。如某汽车品牌全球首次尝试，在某公司发动机一厂就采取不同系列发动机机加工共线生产;神龙汽车公司在缸盖线开始尝试，TU5JP4和EW10J4二种缸盖分属二个不同的产品系列，大小不同，加工内容差别大，加工定位基准不同。某公司本着投资省，见效快的原则，新建了一条既能生产TU5JP4又能生产EW10J4这二种缸盖的共线的柔性生产线。随着市场的不断变化，不同系列发动机机加工共线生产的柔性制造模式，被越来越多的汽车制造企业采用，也是将来发动机制造业的发展趋势。如：B公司的B/C发动机项目、A公司二厂二期、三期项目和乘用车项目、印度发动机项目、匈牙利发动机项目等。3柔性制造工艺分析及解决方案

　　3.1 加工工艺

　　对于发动机机加工生产制造而言，柔性生产的最高目标是不需要更换任何硬件，且每次换型后加工的首件都是合格的。要实现真正机加工柔性生产或共线生产，就必须使用形状尺寸大小完全不同的毛坯工件，定位夹具和定位方式也需要根据情况而重新设计，然而这样设计就势必带来工装夹具需要更换，定位变更，对于微米级的机加工而言，是很难实现的。但通过前期产品缜密的设计，和详尽的设备与工艺布局也是可以实现的。

　　如何满足不切换硬件来满足毛坯件之间和加工要素差异的巨大变化呢?

　　(1)产品工程师在设计发动机时，就必须考虑将来生产制造的柔性生产，即尽量确保两种加工件的机床加工定位孔、定位基准和夹紧点的设计一致。如图1、图2所示，如果两种产品定位销孔位置不同，导致运行后只能通过更换定位销的方式，才能实现两种不同系列发动机的柔性生产。这样不但增加了车间换型的时间损失，频繁的更换定位，对于以μ级的加工尺寸要求而言，同时增加了机加工的质量风险。

　　(2)减少基准的转换，如果方案允许全线最好只用同一基准。如果加工定位基准不一致，将会出现由于基准变更导致公差累积的尺寸问题。包括三坐标测量基准也是一样，尽量保持该尺寸的加工基准和测量基准一致，这样既可减少由于尺寸之间的转换而导致的误差，同时也更容易发现问题产生的工序，有利于质量问题的快速解决。如：缸体C14，从OP30工序加工好401/402孔后，后工序全部使用该定位孔进行相应的加工(图3)。

　　(3)重要加工部位、有相互位置关系的加工特征和尺寸加工基准应保持一致，并在两种不同发动机机型中尽量采取同样的加工工艺。典型的问题就是青岛曲轴偏磨的质量问题。如图4所示，我们通过对比一厂和二厂工艺可以发现，二厂加工OP80是根据销孔为基准，而销孔和连杆颈初加工又都是根据PAD面加工出来的，所以说柳州相对于OP30\\OP60\\OP80而言是共同的加工基准为PAD面。而一厂在OP10工序加工定位销孔，同时加工曲轴PAD定位面，而在OP30工序却以PAD面定位加工连杆颈，到OP80磨床精磨连杆颈时，却又以OP10加工的定位销孔定位，一旦销孔偏上差或下差，而连杆颈在OP30同样偏上差或下差的时候，就会出现在OP80连杆颈偏磨的问题。只有当驱动销的磨损才会出现偏磨，而偏磨件主要因为PAD面作为中间转换定位基准，就会出现因为PAD面与销孔关系不好导致的偏磨。另外，在工艺布局前期考虑到C14曲轴加工工艺，在磨床采取以机床在线测量连杆颈中心位置来加工，则在工艺上就已经完全避免了偏磨的问题(就算有偏磨的问题，也是由于设备本身故障所致)。在B12曲轴加工工艺，同样可以采取类似C14的磨床的加工工艺来解决偏磨的问题。

　　同样加工C14时，还有缸体的曲轴孔、缸孔、399面加工基准，缸盖的气门导管精加工、凸轮轴孔、缸盖F1000面加工基准等问题。

　　(4)不同发动机型号，如果功能一样则尺寸公差要求必须保证一致。如A公司一厂同一条生产线加工B15和C14，这两种类型的发动机除缸孔直径和曲轴曲拐有较大区别外，其他特征基本相同，但由于B15图纸要求与C14图纸要求有很多的不同，导致质量控制和标准不能统一造成现场运行巨大混乱，以B15与C14工序OP100为例，如钻攻丝缸盖安装孔工艺，B15钻孔直径为φ8.8±0.1mm、深度为44±0.25mm，而C14同样的安装孔要求直径为φ8.8±0.1mm、深度为48.5±0.25mm等等。这样就导致B15和C14相同的设备、刀具及加工工艺，且该加工特征用于同样的安装零件，但却由于图纸定义不一样而导致在生产时，不能使用同样的加工程序，增加了不必要的换型工作和测量时间，大大降低了生产效率的同时增加了质量风险。

　　3.2 装配工艺

　　发动机的装配主要分为内装、外装及部件分装的基本工艺，自动化设备主要有自动打号机、多轴拧紧机、气门间隙测量机以及其它专用装配设备等。根据市场产品的多样化，发动机的装配线也应具有良好的柔性及拓展空间。如发动机的托盘设计、专用及自动设备的柔性设计、工艺布局的规划对后期的拓展起到了至关重要的作用。

　　下面以A公司一厂一期装配线项目为例进行描述：

　　(1)工艺布局创新设计，如图5所示。将装配线主要分为3个环线，分别为缸盖分装线、主线1、主线2及活塞连杆、进气歧管等分装线。在生产过程中，主线1和2不受设备故障等问题互相制约而影响综合产出问题。

　　(2)托盘创新设计，如图6、图7所示。为适应1.2L/1.5L/Gen1/Gen2不同结构发动机的装配，主线1的托盘采用翻转支架，发动机固定在托盘的翻转架上，整线取消了翻转机的设计，此设计柔性高，可适应多种机型的共线生产。

　　(3)机器人拧紧、涂胶机创新设计，如图8、图9所示。因生产的机型差异性较大，如采用专机进行凸轮轴罩盖拧紧、油底壳及机油泵涂胶，则须设计多台专机，成本较高，也不利于后期改造拓展，故为适应不同结构发动机的装配，采用机器人设备。

　　3.3 测试工艺

　　3.3.1 热试

　　发动机的热试为发动机制造过程中的一项重要环节，如图10所示。主要对发动机的性能、排放、可靠性及耐久性等方面进行测试。在试验台上实现快速对接排气、燃油、进气、机油压力、节气门、点火模块等所有管路、电气线路等，然后按磨合试验规范进行发动机的各项出厂试验(各试验数据包括：转速、水温、机油压力、进气负压、点火提前角、尾气排放分析值、发电机电压及电流等，进行采集处理，最后判别发动机是否测试合格。

　　磨合试验台主要由台架本体、液压控制装置、排气装置、发动机装夹装置、冷却水供给循环装置、测量装置、燃油供给装置、试验小车、电气控制系统(含直流电供给装置、起动点火装置、电控柜)等组成。

　　目前，国内各大型发动机生产企业的零件质量控制、装配过程质量控制在国外先进的技术支持下已发展到了较高的水平，加上汽油发动机生产量不断的攀升，热试所需的节拍较长，逐渐被冷试工艺所替代，但仍有部分发动机制造企业采用热试工艺，不利于产品的柔性拓展及产能提升等。

　　3.3.2 冷试

　　冷试是一种对发动机装配质量进行综合检测的技术，如图11、图12所示。它由外界动力拖动飞轮进行旋转，在发动机不点火的情况下，通过冷试试验设备上安装的各种传感器采集相关信号，经计算机处理后，同标准模板进行数据对比和分析，进而对发动机装配质量进行判定。冷试试验设备通常安装在发动机装配线尾部，当发动机完成试验前必要的装配后，托盘载着发动机到达测试工位，试验设备自动与发动机对接并开始试验。冷试试验能提前发现发动机装配过程中的问题和缺陷，把缺陷控制在生产线内，从而达到提升发动机装配质量的目的。

　　冷试工艺的测试项目主要有：扭矩测试、进气真空度、排气压力、机油压力和温度、发动机正时、点火测试、电气测试、震动测试等，工艺节拍在80～100s间，测试精度高，能准确识别发动机存在的各类缺陷，大大缩短了测试节拍。

　　冷试设备的柔性主要体现在如下几点：

　　(1)机械结构兼容性好。因生产的机型B12&B15系列的发动机缸体差异性较大，在冷试的夹具及驱动结构设计上采用变距式机构适应不同机型的夹紧，利用夹飞轮销的驱动方案实现同一夹具兼容的设计，为后期拓展奠定了良好的基础。

　　(2)测试工艺拓展性强。测试工艺由单独的测试软件进行编制，可根据发动机的产品特性、实际的生产状况及售后质量问题预防对测试工艺进行调整，也可对新产品的测试工艺进行单独的编制，具备较强的拓展性。

　　(3)自动化控制可编。冷试设备为全自动设备，在自动化逻辑控制上采用PLC程序进行编制，程序未进行锁定，如因生产节拍过长或后期节拍提升，可对逻辑程序进行持续优化调整。4结语发动机柔性制造是未来的一个发展趋势，加工工艺策略的制定需考虑产品的寿命周期及新产品的柔性拓展，装配工艺应朝简单自动化的方向进行发展，测试技术在日新月异，在过程质量控制平台的基础上需要进行创新改进。文中对柔性制造工艺的目的进行了说明，并用实际案例进行了论证， 柔性制造是行业的一个新里程碑。

作者：刘立波