發(fā)動機(jī)柔性制造策略及工藝探索

劉立波

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007)

1 柔性制造現(xiàn)狀

隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，市場對產(chǎn)品的需求也呈現(xiàn)多樣化。發(fā)動機(jī)機(jī)加工生產(chǎn)制造也必須適應(yīng)這種變化，需要具備較高柔性的生產(chǎn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的柔性生產(chǎn)，是在同一平臺，即工件大小尺寸和定位方式不發(fā)生改變，只是在個別加工尺寸上有點(diǎn)小的變化，最典型的做法就是改變缸孔直徑和改變曲軸曲拐尺寸，來實(shí)現(xiàn)排量的變化，但這種方式只能在很小的范圍內(nèi)變化，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今市場的需求。傳統(tǒng)的單一平臺系列生產(chǎn)將逐一轉(zhuǎn)換為多品種多平臺系列混線生產(chǎn)模式。A 公司發(fā)動機(jī)一廠機(jī)加工車間是某汽車品牌全球采取多平臺的發(fā)動機(jī)3C 件共線生產(chǎn)制造模式的首次嘗試，在整個爬坡過程中也遇到了很多問題，并通過對問題的總結(jié)和分析，提出了機(jī)加工柔性制造的改進(jìn)方案。

2 柔性制造策略研究

為適應(yīng)國內(nèi)外汽車市場需求，發(fā)動機(jī)生產(chǎn)車間必須滿足不同發(fā)動機(jī)的制造要求，各大型車企分別采用了不同的制造策略，目前主要有4 種不同的柔性制造策略。

方案一:異地配送3C 件零件總成，主機(jī)廠裝配發(fā)動機(jī)。這種方式一次性投資成本低，特別是在同一公司內(nèi)的異地配送，在降低投資的同時，可以充分發(fā)揮現(xiàn)有的機(jī)加工產(chǎn)能。但存在零件運(yùn)輸、包裝、防銹、配送到主機(jī)廠零件的清潔度控制、加工件質(zhì)量問題分析、現(xiàn)場質(zhì)量等問題。目前B 公司轎車所配GEN3 發(fā)動機(jī)，由于該公司機(jī)加工能力受限和采購整機(jī)的成本過高，采取了從匈牙利采購機(jī)加工件，在主機(jī)廠裝配發(fā)動機(jī)的方式。

方案二:異地配送發(fā)動機(jī)總成，在整車廠進(jìn)行裝車。這種方式主要也是投資低，然而單臺制造成本就將無形中增加很多。按每年整車需求35 萬臺，單臺運(yùn)輸成本為180 元，則每年公司將6 300 萬元花費(fèi)在發(fā)動機(jī)運(yùn)輸上。如果整車要求不高，可以考慮采用這種方式，來滿足不同品種平臺發(fā)動機(jī)的需求。目前該方式也是主流汽車公司或集團(tuán)采取的主要方式之一，如:B 公司GSV 的發(fā)動機(jī)均來自于A 公司發(fā)動機(jī)一廠;C公司I -VTEC VCM 3.5L、DOHCI -VTEC 2.4/2.0L發(fā)動機(jī)配送至廣州本田進(jìn)行裝配等。

方案三:通過局部更改發(fā)動機(jī)缸孔直徑和曲軸曲拐的方式，來實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)柔性生產(chǎn)。這種方式，實(shí)現(xiàn)起來相對較為容易，設(shè)計變更及設(shè)備變更相對較小，投資成本低。但只能局限于排量較小差異的柔性需求，對于差異較大的發(fā)動機(jī)無法實(shí)現(xiàn)。該方式是目前全球采用最為廣泛的方式。如:A 公司發(fā)動機(jī)二廠B12/B11/B10 發(fā)動機(jī)等。

方案四:兩種完全不同系列發(fā)動機(jī)機(jī)加工共線生產(chǎn)的模式。這種方式，能實(shí)現(xiàn)目前市場對不同發(fā)動機(jī)的需求，且不用投資另外的機(jī)加工生產(chǎn)線。由于該制造模式，需要從設(shè)計前期開始考慮，并在制造過程中的設(shè)備及加工工藝布置有更高的要求，同時需要頻繁地進(jìn)行生產(chǎn)線切換，具有較大的換型損失和質(zhì)量風(fēng)險。不過由于其具有較高的生產(chǎn)柔性和投資成本低的優(yōu)勢，近兩年來各大主要的汽車集團(tuán)已經(jīng)開始采取這種方式。如某汽車品牌全球首次嘗試，在某公司發(fā)動機(jī)一廠就采取不同系列發(fā)動機(jī)機(jī)加工共線生產(chǎn);神龍汽車公司在缸蓋線開始嘗試，TU5JP4 和EW10J4 二種缸蓋分屬二個不同的產(chǎn)品系列，大小不同，加工內(nèi)容差別大，加工定位基準(zhǔn)不同。某公司本著投資省，見效快的原則，新建了一條既能生產(chǎn)TU5JP4 又能生產(chǎn)EW10J4這二種缸蓋的共線的柔性生產(chǎn)線。隨著市場的不斷變化，不同系列發(fā)動機(jī)機(jī)加工共線生產(chǎn)的柔性制造模式，被越來越多的汽車制造企業(yè)采用，也是將來發(fā)動機(jī)制造業(yè)的發(fā)展趨勢。如:B 公司的B/C 發(fā)動機(jī)項(xiàng)目、A公司二廠二期、三期項(xiàng)目和乘用車項(xiàng)目、印度發(fā)動機(jī)項(xiàng)目、匈牙利發(fā)動機(jī)項(xiàng)目等。

3 柔性制造工藝分析及解決方案

3.1 加工工藝

對于發(fā)動機(jī)機(jī)加工生產(chǎn)制造而言，柔性生產(chǎn)的最高目標(biāo)是不需要更換任何硬件，且每次換型后加工的首件都是合格的。要實(shí)現(xiàn)真正機(jī)加工柔性生產(chǎn)或共線生產(chǎn)，就必須使用形狀尺寸大小完全不同的毛坯工件，定位夾具和定位方式也需要根據(jù)情況而重新設(shè)計，然而這樣設(shè)計就勢必帶來工裝夾具需要更換，定位變更，對于微米級的機(jī)加工而言，是很難實(shí)現(xiàn)的。但通過前期產(chǎn)品縝密的設(shè)計，和詳盡的設(shè)備與工藝布局也是可以實(shí)現(xiàn)的。

如何滿足不切換硬件來滿足毛坯件之間和加工要素差異的巨大變化呢?

(1)產(chǎn)品工程師在設(shè)計發(fā)動機(jī)時，就必須考慮將來生產(chǎn)制造的柔性生產(chǎn)，即盡量確保兩種加工件的機(jī)床加工定位孔、定位基準(zhǔn)和夾緊點(diǎn)的設(shè)計一致。如圖1、圖2 所示，如果兩種產(chǎn)品定位銷孔位置不同，導(dǎo)致運(yùn)行后只能通過更換定位銷的方式，才能實(shí)現(xiàn)兩種不同系列發(fā)動機(jī)的柔性生產(chǎn)。這樣不但增加了車間換型的時間損失，頻繁的更換定位，對于以μ 級的加工尺寸要求而言，同時增加了機(jī)加工的質(zhì)量風(fēng)險。

(2)減少基準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換，如果方案允許全線最好只用同一基準(zhǔn)。如果加工定位基準(zhǔn)不一致，將會出現(xiàn)由于基準(zhǔn)變更導(dǎo)致公差累積的尺寸問題。包括三坐標(biāo)測量基準(zhǔn)也是一樣，盡量保持該尺寸的加工基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)一致，這樣既可減少由于尺寸之間的轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的誤差，同時也更容易發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的工序，有利于質(zhì)量問題的快速解決。如:缸體C14，從OP30 工序加工好401/402 孔后，后工序全部使用該定位孔進(jìn)行相應(yīng)的加工(圖3)。

(3)重要加工部位、有相互位置關(guān)系的加工特征和尺寸加工基準(zhǔn)應(yīng)保持一致，并在兩種不同發(fā)動機(jī)機(jī)型中盡量采取同樣的加工工藝。典型的問題就是青島曲軸偏磨的質(zhì)量問題。如圖4 所示，我們通過對比一廠和二廠工藝可以發(fā)現(xiàn)，二廠加工OP80 是根據(jù)銷孔為基準(zhǔn)，而銷孔和連桿頸初加工又都是根據(jù)PAD 面加工出來的，所以說柳州相對于OP30OP60OP80 而言是共同的加工基準(zhǔn)為PAD 面。而一廠在OP10 工序加工定位銷孔，同時加工曲軸PAD 定位面，而在OP30 工序卻以PAD 面定位加工連桿頸，到OP80 磨床精磨連桿頸時，卻又以O(shè)P10 加工的定位銷孔定位，一旦銷孔偏上差或下差，而連桿頸在OP30 同樣偏上差或下差的時候，就會出現(xiàn)在OP80 連桿頸偏磨的問題。只有當(dāng)驅(qū)動銷的磨損才會出現(xiàn)偏磨，而偏磨件主要因?yàn)镻AD 面作為中間轉(zhuǎn)換定位基準(zhǔn)，就會出現(xiàn)因?yàn)镻AD 面與銷孔關(guān)系不好導(dǎo)致的偏磨。另外，在工藝布局前期考慮到C14 曲軸加工工藝，在磨床采取以機(jī)床在線測量連桿頸中心位置來加工，則在工藝上就已經(jīng)完全避免了偏磨的問題(就算有偏磨的問題，也是由于設(shè)備本身故障所致)。在B12 曲軸加工工藝，同樣可以采取類似C14 的磨床的加工工藝來解決偏磨的問題。

同樣加工C14 時，還有缸體的曲軸孔、缸孔、399面加工基準(zhǔn)，缸蓋的氣門導(dǎo)管精加工、凸輪軸孔、缸蓋F1000 面加工基準(zhǔn)等問題。

(4)不同發(fā)動機(jī)型號，如果功能一樣則尺寸公差要求必須保證一致。如A 公司一廠同一條生產(chǎn)線加工B15 和C14，這兩種類型的發(fā)動機(jī)除缸孔直徑和曲軸曲拐有較大區(qū)別外，其他特征基本相同，但由于B15圖紙要求與C14 圖紙要求有很多的不同，導(dǎo)致質(zhì)量控制和標(biāo)準(zhǔn)不能統(tǒng)一造成現(xiàn)場運(yùn)行巨大混亂，以B15 與C14 工序OP100 為例，如鉆攻絲缸蓋安裝孔工藝，B15鉆孔直徑為φ8.8 ±0.1 mm、深度為44 ±0.25 mm，而C14 同樣的安裝孔要求直徑為φ8.8 ±0.1 mm、深度為48.5 ±0.25 mm 等等。這樣就導(dǎo)致B15 和C14 相同的設(shè)備、刀具及加工工藝，且該加工特征用于同樣的安裝零件，但卻由于圖紙定義不一樣而導(dǎo)致在生產(chǎn)時，不能使用同樣的加工程序，增加了不必要的換型工作和測量時間，大大降低了生產(chǎn)效率的同時增加了質(zhì)量風(fēng)險。

3.2 裝配工藝

發(fā)動機(jī)的裝配主要分為內(nèi)裝、外裝及部件分裝的基本工藝，自動化設(shè)備主要有自動打號機(jī)、多軸擰緊機(jī)、氣門間隙測量機(jī)以及其它專用裝配設(shè)備等。根據(jù)市場產(chǎn)品的多樣化，發(fā)動機(jī)的裝配線也應(yīng)具有良好的柔性及拓展空間。如發(fā)動機(jī)的托盤設(shè)計、專用及自動設(shè)備的柔性設(shè)計、工藝布局的規(guī)劃對后期的拓展起到了至關(guān)重要的作用。

下面以A 公司一廠一期裝配線項(xiàng)目為例進(jìn)行描述:

(1)工藝布局創(chuàng)新設(shè)計，如圖5 所示。將裝配線主要分為3 個環(huán)線，分別為缸蓋分裝線、主線1、主線2及活塞連桿、進(jìn)氣歧管等分裝線。在生產(chǎn)過程中，主線1 和2 不受設(shè)備故障等問題互相制約而影響綜合產(chǎn)出問題。

(2)托盤創(chuàng)新設(shè)計，如圖6、圖7 所示。為適應(yīng)1.2L/1.5L/Gen1/Gen2 不同結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的裝配，主線1 的托盤采用翻轉(zhuǎn)支架，發(fā)動機(jī)固定在托盤的翻轉(zhuǎn)架上，整線取消了翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計，此設(shè)計柔性高，可適應(yīng)多種機(jī)型的共線生產(chǎn)。

(3)機(jī)器人擰緊、涂膠機(jī)創(chuàng)新設(shè)計，如圖8、圖9 所示。因生產(chǎn)的機(jī)型差異性較大，如采用專機(jī)進(jìn)行凸輪軸罩蓋擰緊、油底殼及機(jī)油泵涂膠，則須設(shè)計多臺專機(jī)，成本較高，也不利于后期改造拓展，故為適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的裝配，采用機(jī)器人設(shè)備。

3.3 測試工藝

3.3.1 熱試

發(fā)動機(jī)的熱試為發(fā)動機(jī)制造過程中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，如圖10 所示。主要對發(fā)動機(jī)的性能、排放、可靠性及耐久性等方面進(jìn)行測試。在試驗(yàn)臺上實(shí)現(xiàn)快速對接排氣、燃油、進(jìn)氣、機(jī)油壓力、節(jié)氣門、點(diǎn)火模塊等所有管路、電氣線路等，然后按磨合試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)出廠試驗(yàn)(各試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括:轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、進(jìn)氣負(fù)壓、點(diǎn)火提前角、尾氣排放分析值、發(fā)電機(jī)電壓及電流等，進(jìn)行采集處理，最后判別發(fā)動機(jī)是否測試合格。

磨合試驗(yàn)臺主要由臺架本體、液壓控制裝置、排氣裝置、發(fā)動機(jī)裝夾裝置、冷卻水供給循環(huán)裝置、測量裝置、燃油供給裝置、試驗(yàn)小車、電氣控制系統(tǒng)(含直流電供給裝置、起動點(diǎn)火裝置、電控柜)等組成。

目前，國內(nèi)各大型發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的零件質(zhì)量控制、裝配過程質(zhì)量控制在國外先進(jìn)的技術(shù)支持下已發(fā)展到了較高的水平，加上汽油發(fā)動機(jī)生產(chǎn)量不斷的攀升，熱試所需的節(jié)拍較長，逐漸被冷試工藝所替代，但仍有部分發(fā)動機(jī)制造企業(yè)采用熱試工藝，不利于產(chǎn)品的柔性拓展及產(chǎn)能提升等。

3.3.2 冷試

冷試是一種對發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量進(jìn)行綜合檢測的技術(shù)，如圖11、圖12 所示。它由外界動力拖動飛輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在發(fā)動機(jī)不點(diǎn)火的情況下，通過冷試試驗(yàn)設(shè)備上安裝的各種傳感器采集相關(guān)信號，經(jīng)計算機(jī)處理后，同標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行數(shù)據(jù)對比和分析，進(jìn)而對發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量進(jìn)行判定。冷試試驗(yàn)設(shè)備通常安裝在發(fā)動機(jī)裝配線尾部，當(dāng)發(fā)動機(jī)完成試驗(yàn)前必要的裝配后，托盤載著發(fā)動機(jī)到達(dá)測試工位，試驗(yàn)設(shè)備自動與發(fā)動機(jī)對接并開始試驗(yàn)。冷試試驗(yàn)?zāi)芴崆鞍l(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)裝配過程中的問題和缺陷，把缺陷控制在生產(chǎn)線內(nèi)，從而達(dá)到提升發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量的目的。

冷試工藝的測試項(xiàng)目主要有:扭矩測試、進(jìn)氣真空度、排氣壓力、機(jī)油壓力和溫度、發(fā)動機(jī)正時、點(diǎn)火測試、電氣測試、震動測試等，工藝節(jié)拍在80～100 s 間，測試精度高，能準(zhǔn)確識別發(fā)動機(jī)存在的各類缺陷，大大縮短了測試節(jié)拍。

冷試設(shè)備的柔性主要體現(xiàn)在如下幾點(diǎn):

(1)機(jī)械結(jié)構(gòu)兼容性好。因生產(chǎn)的機(jī)型B12＆B15系列的發(fā)動機(jī)缸體差異性較大，在冷試的夾具及驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用變距式機(jī)構(gòu)適應(yīng)不同機(jī)型的夾緊，利用夾飛輪銷的驅(qū)動方案實(shí)現(xiàn)同一夾具兼容的設(shè)計，為后期拓展奠定了良好的基礎(chǔ)。

(2)測試工藝拓展性強(qiáng)。測試工藝由單獨(dú)的測試軟件進(jìn)行編制，可根據(jù)發(fā)動機(jī)的產(chǎn)品特性、實(shí)際的生產(chǎn)狀況及售后質(zhì)量問題預(yù)防對測試工藝進(jìn)行調(diào)整，也可對新產(chǎn)品的測試工藝進(jìn)行單獨(dú)的編制，具備較強(qiáng)的拓展性。

(3)自動化控制可編。冷試設(shè)備為全自動設(shè)備，在自動化邏輯控制上采用PLC 程序進(jìn)行編制，程序未進(jìn)行鎖定，如因生產(chǎn)節(jié)拍過長或后期節(jié)拍提升，可對邏輯程序進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化調(diào)整。

4 結(jié)語

發(fā)動機(jī)柔性制造是未來的一個發(fā)展趨勢，加工工藝策略的制定需考慮產(chǎn)品的壽命周期及新產(chǎn)品的柔性拓展，裝配工藝應(yīng)朝簡單自動化的方向進(jìn)行發(fā)展，測試技術(shù)在日新月異，在過程質(zhì)量控制平臺的基礎(chǔ)上需要進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。文中對柔性制造工藝的目的進(jìn)行了說明，并用實(shí)際案例進(jìn)行了論證，柔性制造是行業(yè)的一個新里程碑。

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