发动机制造技术的提升

访上汽大众汽车有限公司高级经理张书桥先生

作者:孙彬 点击数:36 发布时间:2016-11-02
多品种、轻量化的产品战略推动了发动机制造技术的发展。发动机从结构、部件选材、制造工艺和生产管理等方面都发生了一系列的变化,催生了发动机制造技术的变革。如今,发动机的制造在以规格化、标准化和自动化为基础的同时,还被赋予了柔性化、定制化、可视化、可追溯、低碳化和绿色等新特性。
发动机制造技术的提升


上汽大众汽车有限公司高级经理张书桥先生

AI: 首先请您谈谈发动机产品的发展方向,人们对发动机的动力性、燃油经济性要求的提高,给发动机产品带来了什么影响?

张书桥先生:未来车用发动机的发展方向是高燃效、低能耗和低排放,涡轮增压、缸内直喷以及可变正时等技术将得到越来越广泛的使用。为此,发动机结构、部件选材、制造工艺和生产管理等方面都发生了一系列的变化:缸体采用铝合金材质;油底壳顶部材料改用铝合金,中间为聚氨脂材料的蜂窝内芯,底部为薄钢板;曲轴平衡扇板数量减少,主轴颈直径减小,曲轴长度变短;连杆小头孔无衬套,取消了含铅的衬套,以活塞销上的DLC涂层替代;采用平衡轴,减缓发动机整车振动;采用可变气门结构;采用缸盖集成排气冷却水路;采用电子节温器水泵总成等。

采用3缸、4缸的小排量涡轮增压发动机将成为未来的发展趋势。大众汽车的EA211系列发动机在三缸、四缸发动机上采用气缸关闭系统,能够兼顾动力性能和燃油效率。此外,EA211发动机的曲轴轻量化十分显著,扇板数量从传统的8片减少到4片;减小扇板的宽度,并进行形状优化;缩小主轴颈的尺寸;在每个连杆轴颈上加钻了去重孔。

装配式凸轮轴将取代传统的一体式凸轮轴,广泛地应用于汽车发动机。装配式凸轮轴突破了传统一体式凸轮轴设计与制造理念的局限,将空心轴体、凸轮、轴颈以及端头凸缘、内凸轮和齿轮等零部件分别进行材料优化匹配、分体精密加工,然后通过某种连接方法装配到中空轴体上形成完整的凸轮轴,装配后只需进行精加工工序。凸轮采用碳钢或粉末烧结材料,轴体则采用空心无缝钢管。与传统凸轮轴相比,装配式凸轮轴具有重量轻、加工成本低及材料利用合理等优点。

AI: 发动机技术的发展,给其制造技术带来什么影响?

张书桥先生:多品种、轻量化的产品战略推动了发动机制造技术的发展。发动机的制造以规格化、标准化和自动化为基础的同时,还被赋予了柔性化、定制化、可视化、可追溯、低碳化和绿色等新特性。

纵观几代汽车发动机生产线的工艺规划特点,可以清楚地看到,为了顺应当今多品种、轻量化的产品战略,发动机制造技术发展出现了以下趋势:高柔性的加工手段已渐渐占据主流地位,如对于箱体类零部件,广泛采用加工中心,而对于轴类零件,则越来越多地应用先进的CBN砂轮跟踪磨削技术;采用的加工工艺更加节能和环保,如微量润滑切削获得了更多的应用;现场质量控制技术日趋完善,不但零件二维码追溯系统的应用越来越普遍,质量信息联网实时监控以及先进的零件数据载体、电子芯片技术也在一些主流企业得到应用。

近年来,在发动机制造领域,呈现出如下新动向: 铝合金缸体的表面采用缸体喷涂技术,如Heller公司开发出的CBC涂层工艺,进一步地减少了活塞和发动机气缸之间的摩擦;在此工艺基础上,MAG公司推出了专用加工中心进行镗削来代替珩磨,从而取代传统的价格昂贵的珩磨机;为了实现柔性化生产,在缸盖的加工中采用零点夹具系统;将3D打印技术应用在刀具制造领域,如MAPAL公司用3D打印来生产液压刀柄,既能减轻重量,又能提高强度;长期致力于车削加工的Boehringer,目前正在研发以车代磨,曲轴的干式加工有望在不久的将来得到突破。

AI: 请以曲轴制造工艺的演变为例,介绍一下机加工生产线在柔性自动化方面的发展变化。

张书桥先生:大众汽车在中国投产的EA888、EA111和EA211发动机,呈现了当今曲轴制造技术的发展趋势。在此,我以曲轴制造工艺的演变为例来介绍机加工生产线在柔性自动化方面的发展变化。

从EA827曲轴到EA113曲轴,再到EA888曲轴,比较这三代时间跨度达三十年的曲轴加工工艺路线发展变化,可以看出曲轴加工工艺在高效、柔性和自动化程度方面的进步。

与EA827曲轴相比,EA113曲轴生产线主要发生了两方面的变化:一是自动化程度提高,从单机操作变为工序之间由机械手输送系统连接;一是轴颈粗加工由内铣变为车—车拉加工,车—车拉工艺能够使得轴颈径向跳动尺寸控制在0.10 mm以内,从而降低了后道磨削工序的加工余量。

EA888曲轴生产线的工艺路线变化与前面两者相比则进步了很多,主要有以下特点:采用几何中心孔取代质量中心孔,工序节拍缩短,但对毛坯尺寸精度的要求提高;连杆颈采用外铣,工序柔性程度提高,不同升程曲轴换型时间与车—车拉工艺相比可以缩短90%以上;斜油孔采用麻花钻加MQL工艺取代单刃钻加油冷却工艺,设备投资和占地面积大大降低;曲轴表面热处理用余温回火取代回火炉工艺,设备投资和占地面积大大降低;曲轴轴颈采用CBN砂轮跟踪磨削取代传统的刚玉砂轮加偏心卡盘工艺,工序柔性程度提高;不用升程曲轴生产换型时间缩短,砂轮修正损失时间极大降低,砂轮耐用度可以提高5~10倍;曲轴两端加工使用加工中心取代程控加工,采用高速切削提高加工效率,简化加工设备。

如上所述,EA888曲轴生产线采用较新的工艺方法,使得曲轴生产线能够采用较少的生产工序实现柔性高效生产,目前曲轴生产线的单线节拍能够达到60 s,设备有效工时利用率达到85%。

AI: 作为行业专家,请对近年来曲轴生产中出现的新工艺进行点评。

张书桥先生:在此,我重点对以下几项新工艺进行点评。

1. 几何中心孔

曲轴钻几何中心孔从加工工艺本身来看并不算新工艺,但用几何中心孔工艺取代质量中心孔工艺却是一种新趋势。与曲轴质量中心孔工艺相比,几何中心孔工艺节拍快、设备简单且工序少。几何中心孔工艺可以和曲轴两端面铣削结合在同一台设备中,一次工件装卡就能同时完成铣削端面和钻中心孔,使得加工工序减少。质量中心孔工艺则需将铣削两端面和钻质量中心孔分成两道工序,而且钻质量中心孔工序由于在钻孔前必须先对工件进行动平衡测量并作径向补偿,工序加工节拍长。由于定位和夹紧的特殊性,钻质量中心孔的工序能力也较低。

采用几何中心孔工艺则对毛坯的一致性要求较高。无论是采用几何中心孔还是质量中心孔,都要保证曲轴终平衡有较高的一次平衡率,在轴颈粗加工结束后进行不平衡量反馈,及时通过钻中心孔修正由于毛坯批次变化或加工设备变化产生的不平衡量误差都是很必要的。

2. 连杆颈外铣

连杆颈外铣工艺实现了曲轴连杆颈粗加工的柔性化。采用连杆颈车—车拉工艺时,四缸曲轴需要两道车—车拉工序来完成连杆颈的粗加工,而外铣工艺则可以用一道工序来完成,并且两者的节拍时间相当。外铣工艺还可以极大地缩短不同升程曲轴之间生产的换型时间,与车—车拉工艺相比,单工序换型时间可以缩短90%。

3. 曲轴余温回火

一般曲轴经过中频感应表面淬火后需要再经过回火炉来完成整个热处理过程,而EA888曲轴表面感应淬火后采用余温回火的热处理方式。与回火炉工艺相比,采用余温回火的好处就是节约设备投资和设备占地面积。余温回火工艺有局限性,通常用于钢件曲轴生产工艺,如果是铸件曲轴,为保证热处理质量,还是采用回火炉工艺。

与余温回火对应的是感应回火,两者的差别在于:采用余温回火工艺时,工件在一次感应加热后一直处于降温冷却状态;而采用感应回火工艺,工件有二次加热的过程。

4. 轴颈跟踪磨削

如果说连杆颈外铣解决了曲轴粗加工阶段的柔性生产问题,那么曲轴轴颈跟踪磨削则解决了曲轴精加工阶段的柔性生产问题。采用轴颈跟踪磨削后,全部连杆颈甚至主轴颈磨削可以在一台磨床上完成。不同升程的曲轴生产换型仅需要切换对应的磨削程序即可。

轴颈跟踪磨削工艺在刀具方面一般同时采用CBN砂轮,一方面CBN砂轮比刚玉砂轮能更好地满足往复磨削的刚度要求,另一方面CBN砂轮具有良好的刀具耐用度优势,结合跟踪磨削,能更加突出设备在生产效率方面的优势。

AI: 请结合实际介绍一下上汽大众曲轴生产线上的设备使用情况。

张书桥先生:上汽大众发动机厂是一个现代化的工厂,生产现场采用了大量的先进设备。

1. Boehringer加工设备

在EA888曲轴生产线中,使用Boehringer机床完成法兰、主轴颈、连杆颈和轴端的粗加工。从实际使用情况来看,该设备能够满足现代曲轴生产线高效柔性化的生产要求,并且在设备自动控制和反馈方面也考虑得比较周到,譬如法兰卡盘、中心架和尾架都配备模拟位移量监控功能,能够确保加工时工件的装夹精度。

Boehringer机床加工曲轴(尤其是钢曲轴加工)时存在着一个的切削难题,即车-车拉曲轴凸缘和主轴颈时的切屑缠绕问题。一般该工序需要两次装卡法兰外圆(先装卡第一档主轴颈毛坯外圆,再装卡精车后的法兰外圆)。精车法兰外圆时如果断屑不好,就很容易造成第二次装卡时卡爪面上卡有切屑,使得工件加工尺寸超差。解决这个问题需要从三方面着手:夹具旁边设置合适的吹屑管;选择合适的刀具断屑槽和切削参数;卡盘、托架等的布置要有利于排屑。

2. Alfing淬火设备

Alfing公司为曲轴生产线提供专业的热处理设备,包括曲轴中频感应淬火机和回火设备。钢曲轴热处理工序现在一般将曲轴淬火和回火集成在一个加工工位上,采用余温回火的方式。为了节约设备投资和设备占地面积,Alfing公司有的淬火机甚至集成了淬火前的预清洗工位(使用淬火液进行喷淋式清洗)。集成预清洗工位的淬火机在实际使用过程中会存在工件表面清洗不干净,导致淬火时设备频繁报警的问题。因为感应淬火时,感应器与工件轴颈的间隙一般只有0.8 mm,如果前道工序的切屑没有清洗干净,很容易造成淬火时感应器“接地”报警。所以,曲轴淬火前的专门预清洗工位不能被省略掉。

曲轴热处理工序集成淬火和回火以后,生产流程被缩短,这会产生工件热处理后余温温度与后道工序切削加工尺寸受工件热胀冷缩的问题。所以,在验收热处理设备时,除了保证工件淬火质量,还要规定工件流出时的温度,一般要求小于40 ℃。

3. Landis磨削设备

Landis磨床使用CBN砂轮和跟踪磨削技术以后,使得曲轴生产线在精加工阶段突破了柔性自动化生产的瓶颈。使用刚玉砂轮时,砂轮修正频次为10~15件/次,CBN砂轮的修正频次可以达到400件/次。砂轮耐用度增加以后,磨床的设备有效工时利用率得到提高,但也会产生一些新问题。譬如,对于轴颈表面有成形要求的磨削工艺,砂轮耐用度提高以后,能否在一个砂轮修正周期内保持允许的成形磨削要求需要重新做出评价。

AI: 对于大多生产企业来讲,通过加强管理、调整工业参数等措施,让现有生产线的“瓶颈产能”也能得到不断突破。对此,能否谈谈您个人的一些体会与建议?

张书桥先生:我认为突破“瓶颈产能”和规划能力不足主要有两个途径,一是技术提升,二是加强管理。从技术层面讲,需要对工艺、刀具、夹具和切削液等进行综合分析,包括新产品、新技术和新工艺的应用。对现有的生产工艺进行优化,例如:曲轴生产线两端面工序规划的节拍是62 s,而此工序的机床节拍为66 s。在此,可以进行的工艺优化是,将两端面加工中心孔的部分放在前一工序的机床上,重新设计新刀具,前一工序的机床节拍由38 s增至45 s,而两端面工序的工艺节拍节省了2 s。从管理层面,可通过分析整个工艺链,比如从生产的不均匀找到突破口,通过物流的方法解决产能的不足。

在汽车制造业,我们不能固守一成不变的生产方式。为此,只有苦练基本功,不断学习新的技术,遇事要善于开动脑筋,才能不被社会所淘汰。