現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)

陳長(zhǎng)年

(機(jī)械科學(xué)研究總院，北京100044)

霧霾及節(jié)能雙重壓力下，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)是小排量和高功率密度。由于采用緊湊型和輕量化設(shè)計(jì)，在保持動(dòng)力澎湃的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保目標(biāo)。寶馬、大眾等都推出了這種先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。而英國(guó)Cosworth 公司的小排量高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)更是引領(lǐng)世界發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展潮流，1.6 L 雙增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，功率達(dá)到驚人的500 馬力!而大排量的高端乘用車(高級(jí)轎車、SUV、轎跑車)發(fā)動(dòng)機(jī)，最重要的性能是馬力/質(zhì)量比。他們的核心技術(shù)主要是TDI 技術(shù)和輕量化技術(shù)。

1 TDI 技術(shù)及其關(guān)鍵零部件先進(jìn)制造技術(shù)

歐洲許多乘用車后背注明TDI 字母，即采用渦輪增壓(turbo)+缸內(nèi)直噴(direct injection)發(fā)動(dòng)機(jī)。

渦輪增壓技術(shù)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣的能量，帶動(dòng)渦輪葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將新鮮空氣壓縮后，送入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，提高發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的空氣密度和充氣量，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，改善了燃油的燃燒條件。可使發(fā)動(dòng)機(jī)功率增加20% ～50% ;減少燃油消耗10%以上;滿足國(guó)Ⅳ以上排放法規(guī)要求。

汽油機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)是指將燃油直接噴入汽缸燃燒室內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，可減少?gòu)U氣排放，提升動(dòng)力性能，同排量下，最大功率可提高15%。

國(guó)際級(jí)汽車企業(yè)正在掀起TDI 風(fēng)暴。歐洲國(guó)家轎車增壓率高達(dá)55%以上，卡車增壓率為100%。HONEYWELL 公司預(yù)測(cè)，2020 年中國(guó)增壓車型的比例將由9%增加到60%，增壓器需求量突破2 700 萬(wàn)臺(tái)。

目前在采用TDI 技術(shù)的3 款車型中，奧迪A42.0TTSI 最大功率提升了37.5%，寶馬335i 提高40%，新君威2.0T 則提升了50%。

上海通用的“綠動(dòng)未來(lái)”五年戰(zhàn)略提出，未來(lái)5 年將推出12 款新發(fā)動(dòng)機(jī)，全部集中在1.4 ～2.5 L 區(qū)間。先進(jìn)的缸內(nèi)直噴、渦輪增壓技術(shù)和六速變速箱將進(jìn)一步普及。

現(xiàn)代汽車集團(tuán)以2010 年為起點(diǎn)，10 年將內(nèi)燃機(jī)的燃油效率提高30%;寶馬3 系列2012 年動(dòng)力將配備雙渦輪增壓直噴4 缸汽油機(jī)。

但由于核心渦輪增壓及其制造技術(shù)落后等原因，目前，我國(guó)轎車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器仍然主要由HONEYWELL 等國(guó)外公司控制。

2 渦輪增壓器關(guān)鍵制造技術(shù)與裝備

2.1 粉末成形技術(shù)

粉末成形技術(shù)結(jié)合了注塑工藝和粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是新興的凈成形制造技術(shù)，可以大批量經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)三維復(fù)雜形狀的零部件。圖1 為金屬注射成形的渦輪增壓器轉(zhuǎn)子。

現(xiàn)代變幾何渦輪增壓器(VGT)的關(guān)鍵零部件渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向葉片、噴嘴環(huán)等高溫結(jié)構(gòu)件的形狀越來(lái)越復(fù)雜，尺寸精度要求和表面質(zhì)量越來(lái)越嚴(yán)，工作溫度越來(lái)越高。精密鑄造技術(shù)難以滿足以上要求。

金屬或陶瓷粉末注射成形(MIM)是新興的凈成形制造技術(shù)，與機(jī)加工、鍛造、鑄造相比，更加適合大批量經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)小尺寸的三維復(fù)雜形狀零部件。歐美已經(jīng)廣泛開(kāi)始采用該技術(shù)生產(chǎn)渦輪增壓器的渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向葉片、噴嘴環(huán)等。對(duì)于目前渦輪增壓器高溫關(guān)鍵部件廣泛采用的鎳基高溫合金，粉末注射成形的產(chǎn)品的高溫耐久疲勞強(qiáng)度比精密鑄造的要高得多，同時(shí)可以使得葉片設(shè)計(jì)得更薄，尺寸精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率更高。另一方面，一些新開(kāi)發(fā)的高溫合金由于鑄造過(guò)程中易產(chǎn)生偏析等缺陷，只能采用粉末注射成形;而對(duì)于新開(kāi)發(fā)的渦輪轉(zhuǎn)子材料如TiAl 金屬間化合物、Si3N4陶瓷等則只能通過(guò)粉末冶金方法成形。在工藝的經(jīng)濟(jì)性方面，以轎車用渦輪增壓器轉(zhuǎn)子為例，粉末注射成形生產(chǎn)方法比傳統(tǒng)采用的精密鑄造方法要節(jié)約成本40%，而且力學(xué)性能大幅提高。

中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院利用航空技術(shù)開(kāi)發(fā)了電控可變幾何廢氣渦輪增壓器(VGT)，是節(jié)能、環(huán)保、高效內(nèi)燃機(jī)的首選技術(shù)之一，榮獲2004 年國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。其電子控制器可自動(dòng)跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化，提供較佳匹配。與普通渦輪增壓器相比，它具有以下特點(diǎn):(1)發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭矩提高20%左右。(2)發(fā)動(dòng)機(jī)全程功率提高5% ～6%。(3)耗油率降低2%;排放煙度更低。

高端先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)用結(jié)構(gòu)陶瓷代替高強(qiáng)度合金制造渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒溫度從700 ～800℃提高到1 000 ℃以上，熱效率提高1 倍以上。結(jié)構(gòu)陶瓷密度為鐵的一半，節(jié)能效果非常顯著，同時(shí)還能減少環(huán)境污染，節(jié)約鋼材等金屬材料。

2009 年全球粉末注射成形喂料消耗超過(guò)6 000 t，產(chǎn)品銷售額突破10 億美元，2004 -2008 年的平均年增長(zhǎng)率約10%。粉末注射成形汽車零部件約占總市場(chǎng)的20% ～25%。粉末注射成形柔性化程度高，可應(yīng)用于鐵基、不銹鋼、各類合金、陶瓷和碳化物等材料，適合大批量生產(chǎn)精密的復(fù)雜零件，符合綠色制造的趨勢(shì)。

2.2 增壓器轉(zhuǎn)子細(xì)長(zhǎng)軸高精度高剛度數(shù)控車削/磨削技術(shù)

滿足長(zhǎng)徑比達(dá)15 以上的增壓器轉(zhuǎn)子高精度高剛度高速度數(shù)控車削技術(shù)，42HRC 硬度工件切削效率≥50 mm3/s，應(yīng)用雙刀架進(jìn)給一致性、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)核心技術(shù)，主軸反頂、尾架夾持拉伸及雙刀架技術(shù)。工件加工節(jié)拍≤60 s，CPk≥1.67。實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)軸工件的高效穩(wěn)定加工。需要采用CBN 高速磨削技術(shù)、直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)、在線測(cè)量和溫度/精度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。這些技術(shù)目前主要由瑞士Studer、德國(guó)Schaudt、Junker、瑞士Kellenberger、日本豐田工機(jī)等企業(yè)控制，我國(guó)上海機(jī)床公司正在開(kāi)發(fā)這種高端磨床。

3 輕量化技術(shù)

3.1 鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)鑄造技術(shù)

近年鋁合金在汽車上應(yīng)用日益增加，首推發(fā)動(dòng)機(jī)中最重、最大的鋁汽缸體。日美分別有100%、85%的轎車缸體已經(jīng)采用鋁合金。預(yù)計(jì)到十二五末，我國(guó)也將有60%的轎車采用鋁合金壓鑄缸體。

目前，我國(guó)全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用鑲缸套或壓入缸套的辦法來(lái)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性。但鑄鐵缸套增加了重量，減小了熱導(dǎo)率、加劇了由于兩種材料熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的潛在問(wèn)題。因此新一代全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)將為無(wú)缸套結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步降低了缸體重量，緊湊了尺寸。適于小排量和高功率密度發(fā)動(dòng)機(jī)要求。同時(shí)，還具有加工工藝簡(jiǎn)化和更短的暖機(jī)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的前沿技術(shù)，是材料輕量化及結(jié)構(gòu)輕量化的典型代表。

(1)真空壓力鑄造

真空壓力鑄造是國(guó)際上普遍采用的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)鑄造技術(shù)。與普通壓鑄相比，增加了抽真空技術(shù)，可將型腔中的氣體抽出，金屬液在真空狀態(tài)下充填型腔，減少了卷入的氣體，力學(xué)性能高于普通壓鑄件。真空壓力鑄造推動(dòng)了汽車輕合金鑄件向大型、復(fù)雜、薄壁方向快速發(fā)展，使鑄件結(jié)構(gòu)減重明顯。圖2 為美國(guó)藍(lán)石公司的鋁合金超高真空薄璧壓鑄件。其鑄件精度高，壁厚2 ～4 mm，氣孔含量很少，具有高強(qiáng)、高延展、可熱處理、可焊接和可鉚接等特點(diǎn)。

先進(jìn)的真空壓鑄技術(shù)屬于近凈成形技術(shù)，鑄件表面質(zhì)量非常好。

其關(guān)鍵技術(shù)包括:穩(wěn)定高效的高致密真空壓鑄工藝、高排氣能力真空壓鑄系統(tǒng)、高真空壓鑄實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、真空壓鑄中型腔-壓室系統(tǒng)的密封工藝、模具溫度精確控制工藝。

由于壓鑄件大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，模具溫度不斷上升，影響鑄件毛坯的合格率。目前，我國(guó)壓鑄企業(yè)大部分采用模溫機(jī)控制模具溫度，但該裝置只能對(duì)進(jìn)口及出口加熱油溫進(jìn)行控制，無(wú)法精確控制模具具體位置的溫度。國(guó)外已開(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)模具具體位置溫度精確控制裝置，并與壓鑄控制系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)了智能控制，顯著的提高了壓鑄件的生產(chǎn)節(jié)拍和鑄件合格率。

(2)大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的Cosworth 鑄造技術(shù)

Cosworth 工藝是國(guó)際上生產(chǎn)大馬力全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)常用的先進(jìn)成形技術(shù)，由英國(guó)Cosworth 公司于上世紀(jì)70年代末發(fā)明。該公司正是依靠這項(xiàng)技術(shù)，使其發(fā)動(dòng)機(jī)全球領(lǐng)先。Cosworth 工藝是一種精確鋯英樹(shù)脂自硬砂的組芯造型，在可控氣氛、壓力下充型的鑄造工藝。采用Cosworth 工藝生產(chǎn)的缸體鑄件，強(qiáng)度可提高30%左右，鑄件重量減輕約10% ～15%，金屬液的利用率高達(dá)80% ～90%，是大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化制造技術(shù)。

目前，福特、奔馳、通用等汽車廠商均采用此工藝技術(shù)或改進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)大馬力全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)高性能缸體鑄件，并在自動(dòng)化設(shè)備配合下，大幅度提高了鑄件的生產(chǎn)效率。如福特公司已建成批量生產(chǎn)線，具備了55件/h，年產(chǎn)90 萬(wàn)件全鋁發(fā)動(dòng)機(jī)缸體能力。

3.2 鎂合金在先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

鎂合金具有減重、減振、降噪效果，并可100%回收。國(guó)外近幾年在汽車上的應(yīng)用以年平均25%的速度快速增長(zhǎng)。已經(jīng)有鎂合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、汽缸蓋罩、發(fā)動(dòng)機(jī)支架(圖3)等產(chǎn)品。

鎂合金加工性能優(yōu)勢(shì):

(1)溶化成本只有鋁的2/3。

(2)壓鑄成型性優(yōu)良:鎂合金可壓鑄制造復(fù)雜的零部件和超薄外殼件，最薄可達(dá)0.45 mm(ABS 塑料為1.2 ～2 mm，鋁合金為1.5 ～2 mm)，鎂鑄件的表面質(zhì)量和外觀明顯比鋁好;鎂壓鑄件與模具的親和力遠(yuǎn)低于鋁，模具壽命是鋁的2 倍以上。

(3)壓鑄生產(chǎn)效率比鋁高25%。

(4)切削加工性能好:鎂合金的硬度低、具有較好的切削加工性能，切削阻力僅為鋁合金的56%、黃銅的43%。加工時(shí)可采用較高的切削速度和廉價(jià)的切削刀具，工具消耗低。而且不需要磨削和拋光，用切削液就可以得到十分光潔的表面。

鎂合金在電動(dòng)汽車上應(yīng)用更具經(jīng)濟(jì)性。目前電動(dòng)汽車面臨的一大問(wèn)題就是笨重的電池增加了汽車重量。鎂合金電池殼體用于電動(dòng)汽車的極板，高能電池的殼體，預(yù)計(jì)近年國(guó)內(nèi)需求200 t/年，國(guó)際上需求3 000 t/年。研究成果表示，如果電池成本在5 000 美元，節(jié)省的電池和用電成本能夠完全抵消增加的材料成本。

3.3 鈦合金連桿

鈦是一種重量很輕，強(qiáng)度很高的材料，價(jià)格非常昂貴，一般只在航空領(lǐng)域采用。但是，這種航空材料最終還是被應(yīng)用在了汽車上，不過(guò)僅限于高性能的運(yùn)動(dòng)轎車，因?yàn)橹挥羞@些汽車才會(huì)為了提高性能而不計(jì)成本地采用盡可能適合的材料。蘭博基尼的Diablo，法拉力F355 / 360、550 M，保時(shí)捷的911 GT3 等，都采用鈦合金連桿，以減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量和提高轉(zhuǎn)速。

鈦合金連桿傳統(tǒng)制造工藝是:等溫鍛造—熱處理—機(jī)械加工。由于等溫鍛造模具成本比鈦合金還高，鈦合金難切削等原因，制造成本高。

鈦合金零部件的加工具有材料去除量大、難切削、加工效率低等特點(diǎn)，熱氫處理技術(shù)是提高鈦合金切削性能的重要方法。即，利用氫致塑性、氫致相變和氫的可逆合金化作用，實(shí)現(xiàn)鈦氫系統(tǒng)最佳組織結(jié)構(gòu)，促使其工藝性能和力學(xué)性能得到改善，從而改善鈦合金的切削加工性，提高鈦合金加工效率，降低鈦合金構(gòu)件制造成本。

為降低制造成本，這種小批量生產(chǎn)的轎跑車可以采用3D 打印的方法制造鈦合金連桿。我國(guó)研發(fā)的飛機(jī)鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)是“3D 打印技術(shù)”的高端發(fā)展，是一項(xiàng)“變革性”的短周期、低成本、數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)。節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造昂貴的模具，原本相當(dāng)于材料成本1 ～2 倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來(lái)的10%。

4 多品種，變批量的新型發(fā)動(dòng)機(jī)制造模式

新型發(fā)動(dòng)機(jī)在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，無(wú)法達(dá)到少品種大批量采用的敏捷柔性自動(dòng)生產(chǎn)線(AFTL)模式。需要應(yīng)對(duì)多用戶的多品種、變批量制造模式的挑戰(zhàn)。面對(duì)兼顧高柔性、高效率、低投資的要求和市場(chǎng)快速反應(yīng)能力的挑戰(zhàn)，多品種、變批量制造模式核心技術(shù)是可重構(gòu)制造系統(tǒng)RMS(reconfigurable manufacturing systems)。1998 年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)將RMS 列為未來(lái)20 年制造業(yè)必須優(yōu)先解決的10 大關(guān)鍵技術(shù)之首。我國(guó)國(guó)家自然基金和“863”計(jì)劃也支持了“可重構(gòu)制造技術(shù)”的研究課題。

德國(guó)斯圖加特舒爾茨教授調(diào)研歐、美、亞洲25 個(gè)國(guó)家300 余家批量生產(chǎn)的企業(yè)得出在批量生產(chǎn)條件下，80%的數(shù)控機(jī)床只應(yīng)用了20%的功能，存在著功能冗余是導(dǎo)致組成生產(chǎn)線的成本過(guò)高的主要原因。

1992 年美國(guó)密歇根大學(xué)Y. Koren 教授在美國(guó)科學(xué)基金(NSF)資助下，首先系統(tǒng)地提出發(fā)展可重構(gòu)制造系統(tǒng)的方案。1996 年建成了可重構(gòu)制造系統(tǒng)工程研究中心(ERC/RMS)，該工程中心擁有了企業(yè)界、科學(xué)界和政府部門的60 位專家。并已集結(jié)了機(jī)床制造企業(yè)(如Cincinnati、Cross Huller、Lamb Technicon 等)、汽車制造企業(yè)(通用、福特、克萊斯勒等)及測(cè)量、切削刀具、控制系統(tǒng)企業(yè)等30 家合作企業(yè)。迄今已有一些研究成果在生產(chǎn)上應(yīng)用，為新一代可重構(gòu)生產(chǎn)線發(fā)展提供實(shí)踐基礎(chǔ)。例如德國(guó)Ex -cell -O 公司聯(lián)合10余家公司共同開(kāi)發(fā)出采用復(fù)合刀具的高效可重構(gòu)機(jī)床，美國(guó)哈挺公司研發(fā)的模塊重構(gòu)的精益制造單元，美國(guó)密歇根大學(xué)ERC/RMS 于2002 年研制出用于加工發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的可重構(gòu)機(jī)床，以及可重構(gòu)在線測(cè)量機(jī)在工廠應(yīng)用等。

目前國(guó)內(nèi)可重構(gòu)生產(chǎn)線正沿著生產(chǎn)系統(tǒng)的重構(gòu)規(guī)劃、體系布局以及加工設(shè)備的結(jié)構(gòu)與控制重構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行研究和驗(yàn)證，并在一些局部應(yīng)用中取得了效果。從1998 年起已在國(guó)家自然基金、“863”計(jì)劃和國(guó)家科技攻關(guān)等資助下取得較好的研究成果。

上世紀(jì)90 年代，我國(guó)個(gè)別企業(yè)引入國(guó)外企業(yè)使用的可重構(gòu)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，從1996 年至今成功地實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線和CNC 加工中心生產(chǎn)線的重構(gòu)，為企業(yè)帶來(lái)了良好的效益。如，江蘇某計(jì)算機(jī)零部件制造廠利用RMS 和其他先進(jìn)技術(shù)與管理使企業(yè)利用可重構(gòu)的RMS 線，而不用傳統(tǒng)的按不同類型零件分別建立9 種產(chǎn)品制造線的方法，可以按每周訂單要求實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，在4 年中發(fā)展成為計(jì)算機(jī)硬盤錄放零件的世界第一大供應(yīng)商，其產(chǎn)量占該類零件世界年總需求的40%以上(1999 年)，為企業(yè)帶來(lái)年千萬(wàn)級(jí)美元的利潤(rùn)，而4 年來(lái)在產(chǎn)品不斷變換中設(shè)備投資并未新增。

RMS 著眼于制造系統(tǒng)的快速調(diào)整能力，原理是通過(guò)對(duì)機(jī)床配置的調(diào)整和機(jī)床功能模塊的增減，迅速構(gòu)成適應(yīng)新品生產(chǎn)或批量變化的市場(chǎng)環(huán)境。其主要技術(shù)為:(1)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋等加工并具有可重構(gòu)性的高效精密多軸臥式加工中心;(2)基于可重構(gòu)技術(shù)的多品種加工柔性?shī)A具;(3)優(yōu)化工藝和工藝裝備與物流系統(tǒng)的配置方案，可重構(gòu)的二維物流布局模式;(4)實(shí)現(xiàn)適應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)?？焖僬{(diào)整的布局模式;(5)實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)的控制策略和管理技術(shù);(6)基于網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)的制造過(guò)程信息集成管理系統(tǒng)。