發(fā)動機缸體加工工藝的新發(fā)展

袁　華，沈　健

(1.德國中歐工業(yè)技術(shù)咨詢公司，Lauffen　74348；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥　230009)

?

發(fā)動機缸體加工工藝的新發(fā)展

袁華1，沈健2

(1.德國中歐工業(yè)技術(shù)咨詢公司，Lauffen74348；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，合肥230009)

摘要：文章以發(fā)動機缸體加工為例，介紹代表當(dāng)今國際先進(jìn)水平的發(fā)動機制造技術(shù)。首先，從發(fā)動機生產(chǎn)線的經(jīng)濟技術(shù)構(gòu)思準(zhǔn)則出發(fā)，總結(jié)出現(xiàn)代發(fā)動機生產(chǎn)線的技術(shù)特征要素及其實現(xiàn)方案。接著探討了作為發(fā)動機生產(chǎn)線主要加工單元——加工中心所應(yīng)具備的技術(shù)性能。文中對當(dāng)前發(fā)動機生產(chǎn)新工藝，如汽缸熱噴涂及珩磨技術(shù)等做了介紹。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機缸體；生產(chǎn)線；工藝靈活性；產(chǎn)能靈活性

0引言

汽車制造業(yè)作為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，多年來為我國經(jīng)濟發(fā)展做出了非常突出的貢獻(xiàn)。然而，在經(jīng)歷了突飛猛進(jìn)的高增長之后，我國汽車工業(yè)面臨著越來越多的問題和壓力。如何在我國人口紅利逐漸消失、企業(yè)競爭力日益下降的今天，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，同時不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量；如何真正做到節(jié)能減排；如何實現(xiàn)綠色制造；如何應(yīng)對市場對產(chǎn)品提出的日新月異的需求；如何走向工業(yè)4.0等，都是擺在我們面前的重要課題。我國汽車制造業(yè)正處在一個由“量”到“質(zhì)”的變化的轉(zhuǎn)折點，緊迫地面臨著技術(shù)轉(zhuǎn)型升級的抉擇。

作為世界機械制造強國和汽車工業(yè)的先驅(qū)，德國的汽車制造業(yè)在其發(fā)展進(jìn)程中積累了豐富的成功經(jīng)驗，這些經(jīng)驗對我們解決目前的問題提供了良好的借鑒。德國汽車制造強，基于機床制造強這一基礎(chǔ)。正是德國強大的機床設(shè)備制造業(yè)為德國汽車工業(yè)不斷提供先進(jìn)的裝備，才使其引領(lǐng)世界汽車先進(jìn)制造技術(shù)；也正是德國汽車制造業(yè)不斷革新進(jìn)取，對德國機床制造業(yè)不斷提出新的要求，才使德國機床制造業(yè)不斷技術(shù)創(chuàng)新，始終躋身世界汽車制造設(shè)備技術(shù)最前沿。本文試圖通過分析德國一家具有代表性的汽車發(fā)動機生產(chǎn)設(shè)備制造企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，來了解代表世界先進(jìn)水平的德國發(fā)動機生產(chǎn)工藝的最新發(fā)展。

德國MAG為一世界著名的機床設(shè)備制造企業(yè)，其汽車制造設(shè)備板塊占據(jù)該公司的主要業(yè)務(wù)份額，屬于德國汽車制造設(shè)備傳統(tǒng)供應(yīng)商。其旗下聚集了在德國機床制造業(yè)發(fā)展歷史上占有重要地位的知名企業(yè)，如HüLLER, HILLE, EX-CELL-O, LAMB, HONSBERG, BOEHRINGER，CROSS等，它們都是歷史悠久經(jīng)驗豐富且各具特長的機床設(shè)備制造專家。可以說，德國MAG凝聚了汽車發(fā)動機加工生產(chǎn)線制造的各類專長，是一家頗有技術(shù)代表性的企業(yè)。以下我們從其產(chǎn)品的技術(shù)理念和特點入手，探討發(fā)動機生產(chǎn)最新工藝技術(shù)的發(fā)展。

1現(xiàn)代發(fā)動機生產(chǎn)線的特征要素

發(fā)動機是汽車的核心部件，其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響整車性能；其制造水平高低也反應(yīng)出汽車制造廠的技術(shù)水平高低。所以，汽車主機廠都極為重視發(fā)動機的生產(chǎn)。由于汽車發(fā)動機生產(chǎn)線的投資巨大，人們對投資生產(chǎn)線一貫持審慎態(tài)度。一方面希望一次性的巨額投資能夠得到高效和長期的回報，這就要求設(shè)備具有高效率高精度且生命周期長的特征；另一方面，技術(shù)在不斷發(fā)展，市場在不斷變化，新產(chǎn)品在不斷涌現(xiàn)，如何使一條發(fā)動機生產(chǎn)線能夠不斷地適應(yīng)這些情況的變化，長期使用下去？這又是企業(yè)必須關(guān)心問題。顯然，上述兩個方面的期待是一對矛盾。如何解決這個矛盾，是每個生產(chǎn)線設(shè)備供應(yīng)商要考慮的問題。而解決這個問題的思路和方法往往反應(yīng)出設(shè)備制造商的經(jīng)驗和技術(shù)水平。分析MAG發(fā)動機生產(chǎn)線，我們不難發(fā)現(xiàn)其重要技術(shù)特征要素。

1.1“高生產(chǎn)率和低能耗”策略

節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的大趨勢。MAG生產(chǎn)線追求以綠色、高能效、低成本的方式實現(xiàn)高產(chǎn)能。例如通過針對具體工件開發(fā)的最優(yōu)化加工工藝最大限度地縮短加工節(jié)拍時間；通過微量冷卻減少環(huán)境污染，降低運行費用等。據(jù)統(tǒng)計，通過這些行之有效的措施，可以將設(shè)備投資費用減少15%，單件加工成本降低7%。此外，通過將機床“無液壓化”，即取消所有的液壓驅(qū)動，代之以電動驅(qū)動，還可以節(jié)省4%的運行成本。在“無液壓化”機床中，以基于機電一體化技術(shù)的電驅(qū)動取代液壓驅(qū)動，如刀柄在主軸中的拉緊、刀庫工位的動作、工裝夾具的驅(qū)動等等都可以采用電驅(qū)動的方式實現(xiàn)。采用電驅(qū)動可以提高設(shè)備運行的可靠性、節(jié)約能量，并且可以大幅降低設(shè)備的維護(hù)費用。電動驅(qū)動較之于液壓驅(qū)動還有一個及其重要的特征，就是更易于控制。可以說，“無液壓化”機床代表著機床發(fā)展的未來，是實現(xiàn)智能制造的必由之路。

為了實現(xiàn)低能耗，MAG生產(chǎn)線上的各加工單元除了配置高能效的功能部件外，還配置了“能效軟件包”用于能量的優(yōu)化使用。通過這種方法，可以將機床的能耗降低31%。

1.2“工藝/工件靈活性”策略

現(xiàn)代發(fā)動機生產(chǎn)線通常為柔性生產(chǎn)線，其主要加工單元由數(shù)控加工中心構(gòu)成。柔性生產(chǎn)線的最大優(yōu)越性體現(xiàn)在對加工工藝及被加工產(chǎn)品的靈活性上。所以，在規(guī)劃生產(chǎn)線時，即應(yīng)考慮同一條生產(chǎn)線至少可以對兩種不同型號的工件進(jìn)行批量加工，同時保留擴展第三個不同型號工件加工的可能性。這就是MAG著名的“2+1”策略(見圖1)。

要實現(xiàn)加工工藝的靈活性，難點在于夾具。因為數(shù)控加工中心可以通過運行不同的程序非常靈活地實現(xiàn)不同類型和不同工序的加工；而通過大容量刀庫的使用，也比較容易實現(xiàn)刀具的靈活使用。然而，夾具則不同，夾具與工件具有極強的相關(guān)性，不同的工件往往要求有不同的夾持方案。MAG專利“工裝過渡板”技術(shù)，為解決這個問題提供了一種行之有效的方法。這一技術(shù)基于隨行工裝的理念，工裝過渡板由工件夾具(即工裝，通常根據(jù)被加工工件的特點設(shè)計)和一塊過渡板組成。過渡板既是“工裝+工件”的載體，同時又具備統(tǒng)一的接口，可以實現(xiàn)與機床工作臺的快速接合和快速脫離。生產(chǎn)線上每一臺機床的工作臺上都安裝有與工裝過渡板接口相適應(yīng)的快換機構(gòu)，這樣，工件就可以帶著過渡板在不同的機床加工單元間運行，以完成不同工序的加工。此外，工裝過渡板上設(shè)有數(shù)據(jù)芯片，存儲描述工件特征和各工序的加工內(nèi)容等數(shù)據(jù)，通過與各工序加工機床的數(shù)據(jù)交換，使得工件的自動加工甚至某種程度上的智能加工得以順利進(jìn)行，并使系統(tǒng)時刻掌握每個工件在生產(chǎn)線上所處的位置以及加工狀況。顯而易見，采用“工裝過渡板”技術(shù)之后，就可以方便地實現(xiàn)“工件靈活性”了。對于一條現(xiàn)有的生產(chǎn)線，要改變被加工工件，只需更換工裝過渡板即可。

圖1　工裝過渡板在缸體生產(chǎn)線上 SPECHT 500 DUO

1.3“產(chǎn)能靈活性”策略

采用“并行加工生產(chǎn)模式”是實現(xiàn)產(chǎn)能靈活性的有效方法。其做法是對每道工序安置兩臺或兩臺以上的機床，實行并行加工，而不同工序之間則采用串聯(lián)的模式。例如：工序OP10由兩臺加工中心并行加工，工序OP20由三臺加工中心并行加工，工序OP30由三臺加工中心并行加工等，而工序OP10，OP20，OP30…之間則通過桁架機器人形成物流的串聯(lián)。圖2示例一條并行加工模式的生產(chǎn)線。

圖2　并行加工模式生產(chǎn)線示例

當(dāng)產(chǎn)能需要擴充時，可以方便地通過增加每道工序機器的臺數(shù)加以實現(xiàn)，而并不影響整條生產(chǎn)線的基本結(jié)構(gòu)。采用這種對單個工序使用多臺機床并行加工的模式非常有利于企業(yè)的投資決策：當(dāng)企業(yè)資金不足或初期產(chǎn)量較少時，可以先以較少的機器臺數(shù)構(gòu)成一較小產(chǎn)能的生產(chǎn)線；當(dāng)需要并有能力擴產(chǎn)時，只需相應(yīng)地增加每道工序的機床即可。“并行加工生產(chǎn)模式”與生產(chǎn)線的“工藝靈活性”相輔相成，當(dāng)改變工藝或產(chǎn)品時，每道工序的節(jié)拍通常會發(fā)生變化，這時可以通過增減各工序的機床臺數(shù)加以適應(yīng)。并行加工生產(chǎn)模式還有一個突出的優(yōu)點，就是當(dāng)某道或某幾道工序的單臺機床發(fā)生故障時，不致于引發(fā)整條生產(chǎn)線的停產(chǎn)。

1.4“可重新設(shè)置”策略

由于產(chǎn)品的更新周期通常大大短于機床的使用壽命，所以在生產(chǎn)線規(guī)劃階段，就應(yīng)當(dāng)考慮到今后更換產(chǎn)品時，如何繼續(xù)使用現(xiàn)有的生產(chǎn)線。這對用戶來說，至關(guān)重要，因為它能夠大大提高企業(yè)生產(chǎn)對市場所需新產(chǎn)品的響應(yīng)速度，節(jié)約投資成本?！爸匦略O(shè)置”策略就是通過對現(xiàn)有生產(chǎn)線的重新設(shè)置，使其快速實現(xiàn)對新產(chǎn)品的批量加工。它建立在“工藝靈活性”基礎(chǔ)之上，又與“產(chǎn)能靈活性”相呼應(yīng)。

2缸體生產(chǎn)線的主力加工設(shè)備

SPECHT加工中心為MAG缸體生產(chǎn)線的主力機型，其主軸臥式布置，具有高生產(chǎn)效率、高精度、長使用壽命和模塊化結(jié)構(gòu)的特征(見圖3)。

圖3　模塊化結(jié)構(gòu)衍生出一系列SPECHT加工中心

(1)運動軸合理布局提高機床剛性

在SPECHT加工中心上，電主軸實現(xiàn)X和Y軸兩個方向的運動，并置于一框型結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而保證主軸系統(tǒng)的高剛性。Z軸運動由工件實現(xiàn)。在汽車發(fā)動機零部件的加工中，常需要使用尺寸很長的刀具，如缸體和缸蓋中的軸承座孔以及一些深油孔的加工，這就要求機床主軸與工件間能夠?qū)崿F(xiàn)較大的軸向相對運動。如果這個運動由主軸來實現(xiàn)，則會大大削弱主軸系統(tǒng)的橫向剛度，而由工作臺的運動來實現(xiàn)，則保證了機床在加工時的整體剛度，從而為加工精度提供了基本保障。

為了極大限度地縮短換刀時間，以提高機床的有效使用率，在SPECHT加工中心中設(shè)有“后方刀庫”和“前方刀庫”這兩個刀庫(見圖4)。后方刀庫為主刀庫，用于儲備所有備用刀具，通常設(shè)有104個刀位，并可根據(jù)需要擴容；前方刀庫直接置于主軸上方，設(shè)有10個刀位，用于臨時儲備即將需要使用的刀具，并以最短的距離和最快的速度與主軸進(jìn)行刀具交換。而前方刀庫與后方刀庫的刀具交換以及后方刀庫中刀具的優(yōu)化排列則根據(jù)加工程序動態(tài)進(jìn)行，其交換過程不影響機床的主切削時間。

(3)單/雙主軸兩種結(jié)構(gòu)形式并存

SPECHT加工中心分單主軸和雙主軸兩種形式。在雙主軸加工中心中，兩個主軸同步運動，同時加工兩個工件，具有高產(chǎn)能的特性?？紤]到兩把刀具很難預(yù)調(diào)到完全一致的狀態(tài)，兩個工件夾持位置也存在誤差，因此SPECHT 雙主軸加工中心的所有數(shù)控軸都具備位置補償功能。使用這一功能，并借助機床的測量系統(tǒng)，即可自動實現(xiàn)精確調(diào)整兩把刀具與它們所對應(yīng)的工件之間的相對位置。通過這種方法，克服了普通雙主軸加工中心難以實現(xiàn)工件高精度加工的缺陷。SPECHT 雙主軸加工中心既適合生產(chǎn)線也適合單機生產(chǎn)。從圖4可以看到一臺SPECHT雙主軸臥式加工中心的構(gòu)造。

圖4　SPECHT雙主軸臥式加工中心

SPECHT加工中心具有極強的加工性能。例如：發(fā)動機缸體汽缸端面加工后要求達(dá)到尺寸精度0.05 mm，波紋度0.01 mm，平面度0.025 mm。在鋁質(zhì)缸體鑲嵌鑄鐵缸套的結(jié)構(gòu)中，由于鋁和鑄鐵這兩種材料的機械性能和切削性能相差很大，給實現(xiàn)上述加工要求造成了很大的困難。使用SPECHT加工中心就可以很好地實現(xiàn)這種加工要求。

3缸體加工的新工藝

轎車發(fā)動機越來越多地采用鋁質(zhì)缸體。但是，由于鋁的材料特性所決定，它不能適應(yīng)汽缸工作時的特定環(huán)境，所以在發(fā)動機鋁質(zhì)缸體的傳統(tǒng)設(shè)計中，通常采用鑲嵌鑄鐵缸套的結(jié)構(gòu)作為解決方案。然而，這種解決方法存在很多問題。隨著發(fā)動機加工工藝的不斷發(fā)展，這種做法目前正在被一種新的方法所取代：這就是汽缸熱噴涂工藝。汽缸熱噴涂工藝是將熔化的金屬合金噴涂到汽缸內(nèi)壁上，從而形成一層適應(yīng)氣缸工作環(huán)境的表面構(gòu)造。采用汽缸熱涂層結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：

①顯著提高汽缸內(nèi)壁的強度；

②減少汽缸內(nèi)壁與活塞的摩擦；

與其耗費大量精力和財力研發(fā)新的低GWP與低ODP的制冷劑，不如將部分精力投入到回收制冷劑并對其進(jìn)行循環(huán)使用上面。這樣不僅可以減少制冷劑的生產(chǎn)，又可以減少對大氣環(huán)境的破壞，基于這些想法文中提出了一種環(huán)保加濕型空調(diào)。

③提高汽缸的使用壽命；

④抵抗劣質(zhì)燃料引起的汽缸銹蝕；

⑤使缸體具有更好的導(dǎo)熱性能(這一點對于高功率小體積的發(fā)動機尤為重要)；

⑥縮小缸體體積，減輕發(fā)動機重量。

為了在缸體生產(chǎn)線上實現(xiàn)這一工藝方法，可以將熱噴涂工藝所需的設(shè)備集成到發(fā)動機缸體生產(chǎn)線中，如圖5所示。熱噴涂工序前的汽缸內(nèi)壁表面處理，以及之后汽缸孔的機加工都由SPECHT加工中心來完成。圖中，OP10 由兩臺SPECHT 500加工中心并行加工，采用特制刀具以切削加工方式使汽缸內(nèi)壁形成幾何形狀規(guī)則的粗糙表面；OP30 由熱噴涂設(shè)備進(jìn)行汽缸內(nèi)壁熱噴涂，其中包括熱噴涂前和熱噴涂后的檢測；OP50由三臺SPECHT 500加工中心并行加工，對熱噴涂后的汽缸表面進(jìn)行精鏜或粗珩，并進(jìn)行最終的精珩加工。如前所述，這里仍然采用了并行加工生產(chǎn)模式，即OP10和OP50都可以根據(jù)擴產(chǎn)需要增加機床。

圖5　集成于缸體生產(chǎn)線中的熱噴涂工藝

這里值得注意的是，熱噴涂后的汽缸孔珩磨加工仍然由SPECHT加工中心完成(見圖6)。為此，人們給SPECHT加工中心的主軸內(nèi)部增加了基于機電一體化技術(shù)的電控拉桿，電控拉桿由機床控制系統(tǒng)控制，借助實時測量系統(tǒng)獲取的工件尺寸信息，對刀具實施加工過程中的精確調(diào)控。這個功能不僅在珩磨過程中發(fā)揮重要作用，同時也大大簡化了一些在加工中需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的復(fù)雜刀具的使用。

圖6　使用SPECHT 600 DUO做珩磨加工

在加工中心上實現(xiàn)珩磨加工，以此取代傳統(tǒng)的珩磨機床，具有一系列的優(yōu)越性：

①珩磨前的精鏜工序在同一臺加工中心上進(jìn)行，這就能夠很好地控制下道珩磨工序的加工余量，從而大幅度減少珩磨的時間；

②與采用傳統(tǒng)珩磨機床完成珩磨加工的缸體生產(chǎn)線相比，采用加工中心完成珩磨加工可以節(jié)省機床數(shù)量。將投資和運行成本一并計入考慮，后者最高可以節(jié)省20%的資金；

③有利于保持生產(chǎn)線的并行加工模式，提高設(shè)備使用率；

④當(dāng)生產(chǎn)線的加工產(chǎn)品發(fā)生改變，而不再需要珩磨工序時，該機床仍可以作為加工中心繼續(xù)使用；

⑤由于在珩磨和此道工序前的精鏜加工中，工件是在一次夾緊狀態(tài)下且在同一臺高剛性SPECHT加工中心上進(jìn)行的，所以能夠保證珩磨后達(dá)到極高的形位公差精度。例如，汽缸的圓柱度可以很有把握地控制在0.005mm內(nèi)。

除此之外，發(fā)動機缸體加工新工藝還反映在“低溫冷卻加工”和“五面及六面加工”這兩個方面。限于篇幅，這里不再展開討論。

4結(jié)束語

發(fā)動機生產(chǎn)線作為汽車制造企業(yè)的重要生產(chǎn)資料從投資規(guī)劃到正式批量加工生產(chǎn)，其購置成本和運營成本都會對企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生舉足輕重的影響，因此，深入了解現(xiàn)代發(fā)動機生產(chǎn)線所應(yīng)當(dāng)具備的經(jīng)濟技術(shù)特征、當(dāng)前發(fā)動機主要零部件加工的先進(jìn)工藝及其發(fā)展趨勢，對我國汽車制造企業(yè)實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)型升級、保持或獲得強勁的市場競爭力至關(guān)重要。本文介紹的內(nèi)容是代表德國先進(jìn)制造技術(shù)的一個縮影，希望能夠?qū)I(yè)內(nèi)同行有所裨益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] Manfred Berger.Dare to step forward[EB/OL].http://new. thomasnet. company story/dare-to-step-forward-20043561,2015-04-21.

[2] Gerhard Maier,Engine technology of the future,NC Fertigung [J].Industry News,2015(3): 46-47.

[3] Manfred Berger, Jan Kotschenreuther, Oliver Kull.Layer sequences on blocks[J].wb werkstatt + betrieb,2015(3):38-42.

[4] Jan Kotschenreuther.Industrie 4.0 bei MAG [J]. Produktion，2015(51-52):28.

[5]殷洋武,鄒恒琪,劉昌宏,等.HR發(fā)動機缸體生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2009(2)：88-95.

[6]劉德棟，劉任，張樹禮.汽車發(fā)動機缸體柔性生產(chǎn)線的研制[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2006(8):82-83,85.

(編輯李秀敏)

New Developments of Manufacturing Technology for Engine Cylinder Blocks

YUAN Hua1，SHEN Jian2

(1.Sino-Europe Industry Technology Consulting，Lauffen 74348,Gemany; 2.School of Mechanical Engineering and Automobile,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Abstract：This paper addresses the state-of-the-art technologies of engine manufacturing exemplified by the manufacturing process of the engine cylinder block. Firstly, starting from the economic and technological rationale of the engine production line, this paper draws conclusions on the specific technological characteristics of today’s engine production line and its practical implementation. Secondly, the technological specifications which each machining center must fulfill as being the major unit of the engine production line will be discussed. Furthermore, the paper elaborates on current engine production technologies such as, cylinder thermal coating and honing.

Key words：engine block; production line; process flexibility; volume flexibility; machining center

中圖分類號：TH165;TG659

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：袁華(1957—)，男，杭州人，德國中歐工業(yè)技術(shù)咨詢公司顧問，合肥工業(yè)大學(xué)客座教授，研究方向為金屬切削加工機床及工裝夾具，(E-mail)dr.yuan@seitc.de。

收稿日期：2015-01-20

文章編號：1001-2265(2016)03-0001-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.001