基于全要素的發(fā)動機樣機試制過程質(zhì)量控制方法

(上海汽車集團股份有限公司，上海市汽車動力總成重點實驗室，上海 201804)

0 引言

發(fā)動機是汽車整車中的核心部件，決定了汽車的動力性、經(jīng)濟性等重要指標。發(fā)動機研發(fā)、設(shè)計、制造有一系列完整的流程，周期較長，一般為3～5年，主要階段包括設(shè)計、虛擬裝配、樣機試制、試驗驗證、量產(chǎn)等階段。其中，樣機試制是一個重要階段，實現(xiàn)了發(fā)動機開發(fā)從理論到實物的落地，不僅能夠起到驗證設(shè)計及工藝的作用，還能為后續(xù)發(fā)動機動力性能和機械性能開發(fā)試驗提供產(chǎn)品[1]。

發(fā)動機是由數(shù)百個零件組成，各個零件之間存在著各種非線性的互相約束關(guān)系。倘若樣機試制過程中任何零件出現(xiàn)問題，都會牽一發(fā)而動全身。因此，發(fā)動機樣機試制質(zhì)量控制和管理至關(guān)重要，否則會產(chǎn)生不必要的研發(fā)成本投入，且無法順利開展后續(xù)的開發(fā)試驗工作，延長發(fā)動機項目開發(fā)周期。從發(fā)動機樣機試制過程來看，樣機試制不是簡單地將發(fā)動機裝配起來，而是一項多輸入、多要素的復(fù)雜系統(tǒng)工程，包括工藝、人員、流程、工具、工裝、樣件等多要素綜合作用的結(jié)果。這些要素一直貫穿整個試制工作流程，其中任何一個因素把控不好，都會一直傳遞并耦合下去，對樣機試制質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，對樣機試制必須進行全要素的過程質(zhì)量控制。

1 發(fā)動機試制工作特點

發(fā)動機試制工作具有項目多樣性、工藝多樣性、工作類型多樣性的特點。

項目多樣性：為滿足市場需求，多個發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)同時進行，因而發(fā)動機試制需要面向多個發(fā)動機開發(fā)項目，且新開發(fā)項目的設(shè)計、工藝都不成熟，給發(fā)動機的試制質(zhì)量控制帶來挑戰(zhàn)，而且各個零部件都是小批量制造的，成本較高。

工藝多樣性：由于發(fā)動機的組成零件數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同零件的工藝要求不同，同一零件不同項目的工藝要求也不盡相同，導(dǎo)致發(fā)動機試制裝配的工藝工序多樣，也給試制工作開展帶來了更大挑戰(zhàn)。

工作類型多樣性：一方面，發(fā)動機試制工作主要包括新產(chǎn)品新項目的樣機試制，以驗證新設(shè)計能否實現(xiàn)正確合理裝配，并提前發(fā)現(xiàn)零件設(shè)計、制造等問題，排除不合理因素，及時改進設(shè)計，使發(fā)動機試制樣機滿足后續(xù)試驗驗證開發(fā)的技術(shù)要求。另一方面，發(fā)動機試制還需要根據(jù)項目要求負責(zé)不同用途發(fā)動機的改制返修工作；改制工作的每一項任務(wù)都具有其特殊要求，難以標準化。

2 樣機試制過程質(zhì)量控制方法

本文以某公司2014-2019年這5年中發(fā)生的試制問題為原始數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)該公司5年中共完成試制任務(wù)4 000余項，其中發(fā)生試制質(zhì)量問題26次。對這26次質(zhì)量問題進行了分類研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)問題為零件的錯裝、漏裝、緊固件松脫、涂膠不合格、缸內(nèi)異物、清潔度不達標等。這些問題造成發(fā)動機在試驗驗證開發(fā)過程中出現(xiàn)故障，阻礙了項目進展。例如，某發(fā)動機樣機氣缸蓋有2個螺栓漏裝，導(dǎo)致缸體與缸蓋之間的結(jié)合面漏油。這些缺陷在試制過程中沒有及時得到控制，從而傳遞到了下一環(huán)節(jié)，造成了公司的更大損失。

影響發(fā)動機試制質(zhì)量的因素如圖1所示。為避免再度發(fā)生類似問題，本文根據(jù)試制工作經(jīng)驗及工作特點，總結(jié)了一系列包括零件、工藝、流程、人員、工具工裝的適合發(fā)動機樣機試制的過程質(zhì)量控制方法。

2.1 樣件質(zhì)量控制

一般而言，根據(jù)發(fā)動機開發(fā)不同階段，樣件的試制工藝方法也不同。在發(fā)動機開發(fā)之初，需要采用手工樣件，隨著開發(fā)的成熟，也漸漸變?yōu)檐浤＜陀材＜?。在樣件大批量穩(wěn)定制造之前，樣件的制造質(zhì)量和設(shè)計方案是不穩(wěn)定的，是影響發(fā)動機試制質(zhì)量的一大因素，因此要做好樣件質(zhì)量控制。要做好樣件質(zhì)量控制需要從以下幾方面入手。

2.1.1 樣件檢測機制

對于一個發(fā)動機新項目而言，通常采用全新的設(shè)計零件尺寸，樣件制造是否與設(shè)計圖紙相符則是重要的驗證措施之一。在樣件入庫之初需要提供樣件合格檢測報告并由質(zhì)量管理部審核，如果檢測不合格將會通知供應(yīng)商進行返修整改等。

發(fā)動機零部件眾多，對于缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、增壓器、高壓燃油共軌管等高價值樣件，入庫之后還會對其關(guān)鍵尺寸進行測量，并出具測量報告。

2.1.2 樣件清潔度保障機制

零部件的清潔度不僅影響發(fā)動機樣機的裝配質(zhì)量，還會影響樣機的安全運行。在樣機裝配之前，需要檢查所有零件的清潔度，尤其是缸體、缸蓋、曲軸這些零部件，會存鑄造型砂或者加工鐵屑殘留及運輸過程中可能引入一些其他雜質(zhì)的風(fēng)險。對表面受污染的零部件需要使用防銹的清潔劑進行清洗，對零部件的安裝面、密封面，需使用無塵布擦拭，對于表面有雜質(zhì)的零部件需用專用無塵紙擦拭，對于有孔、油道和水道的零部件使用壓縮空氣吹凈孔、油道和水道。

2.1.3 樣件裝配驗證

在新狀態(tài)的樣件交樣后，為避免試制裝配過程中才發(fā)現(xiàn)問題，需要提前進行試裝，以便于驗證樣件裝配工藝，及時發(fā)現(xiàn)問題，不影響項目進度。

2.1.4 樣件改制控制

發(fā)動機試制不同于生產(chǎn)線制造產(chǎn)品，每臺發(fā)動機因開發(fā)試驗需求不同而導(dǎo)致裝配要求不同，需要根據(jù)不同的要求做不同的裝配改制。因此，對樣件也要按照不同試驗裝配需求進行改制。如果不能正確理解或傳達樣件改制要求，也會帶來試制質(zhì)量問題。因此，既要傳遞好改制信息，也要從樣件改制需求角度做好分類要求。表1列出部分樣件改制質(zhì)量控制要求。

表1 樣件改制質(zhì)量控制表

2.2 工藝質(zhì)量控制

發(fā)動機試制工藝中包含一些通用性工藝，主要包括擰緊、涂膠、壓裝、間隙檢查。這些工藝穿插在整個發(fā)動機裝配流程中，如果出錯，裝配完成之后是很難發(fā)現(xiàn)的，必須在過程中人為加以控制。例如，曲軸后油封涂膠軌跡不正確，導(dǎo)致發(fā)動機臺架試驗時出現(xiàn)漏油，需要重新裝配，浪費人力物力。因此，要嚴格實施裝配工藝質(zhì)量控制措施。

2.2.1 擰緊工藝

緊固發(fā)動機各個零部件螺栓和螺母時，容易出現(xiàn)漏擰或者擰緊不到位現(xiàn)象。裝配時應(yīng)注意擰緊方法與順序，注意采用工藝要求的扭矩及工具。遇到有擰緊困難的情況，應(yīng)分析原因，禁止使用蠻力擰緊，否則會損壞螺紋。主要控制方法如下。

1)防錯標記。螺栓和螺母擰緊之后需要用油漆筆做擰緊標記，以免漏擰，造成漏水漏油等問題。每臺發(fā)動機試制之后可能會根據(jù)試驗要求做多次改制，要做好顏色區(qū)分，新裝機使用綠色標記，第1次改裝使用黃色標記，第2次改制使用橙色標記。

2)關(guān)鍵螺栓監(jiān)控。對于采用轉(zhuǎn)角法擰緊的關(guān)鍵螺栓，包括連桿螺栓、缸蓋螺栓、缸體螺栓、曲軸減振器螺栓等，需要將擰緊后的扭矩數(shù)據(jù)記錄在報告中；對于沒有采用轉(zhuǎn)角法擰緊的關(guān)鍵螺栓，包括增壓器螺栓和高壓油泵螺栓采用第2人復(fù)檢機制，以免出現(xiàn)漏擰問題。

2.2.2 涂膠工藝

主要用于一些有密封要求的關(guān)鍵零件裝配中，如凸輪軸罩蓋、油底殼、油氣分離器等。一旦密封不好，會造成漏水、漏油、漏氣等問題。因此，涂膠工藝的質(zhì)量控制就顯得尤為重要[2]。

涂膠軌跡、粗細、有無斷點均會直接影響發(fā)動機樣機的后續(xù)使用。人工涂膠很難保證均勻性，因此目前主要采用涂膠機涂膠，可以調(diào)整預(yù)設(shè)軌跡和涂膠速度，以保證工藝要求。機器涂膠后，人工再檢查下有無斷點等，進行再次確認。

2.2.3 壓裝工藝

主要是用于發(fā)動機前油封和后油封及曲軸信號盤、球軸承的裝配。樣機試制的小批量特點及樣機裝配場地空間受限決定了無法使用自動化壓裝設(shè)備。在壓裝時，主要采用專用的工裝進行壓裝。例如后油封壓裝工裝，如圖2所示。前后油封對清潔度要求很高，密封唇口不可有雜質(zhì)，否則會導(dǎo)致密封效果不好。

為避免由于壓裝不到位導(dǎo)致漏油問題，在樣機裝配工藝設(shè)計時對壓裝位置進行設(shè)計。為了保證壓裝尺寸，可以設(shè)計相應(yīng)的壓裝限位工裝。如前油封壓裝工裝，如圖3所示。

2.2.4 間隙檢查

主要是用于檢查一些重要零件的間隙配合，間隙過大或過小都不符合設(shè)計要求，會對樣機的性能產(chǎn)生影響。主要包括曲軸軸向竄動量、連桿軸向間隙、氣門間隙、凸輪軸位置傳感器與凸輪軸間的間隙等檢查。

除了以上通用性工藝要求外，考慮到發(fā)動機樣機試制所涉及的項目具有多樣性，試制技師們還要滿足不同試制項目對相同工藝的特殊要求。發(fā)動機試制可借鑒生產(chǎn)線混線裝配，為了避免由于人工記混而導(dǎo)致的工藝失誤，可設(shè)計相同工藝的不同項目的目視化工藝矩陣。例如，連桿螺栓擰緊工藝矩陣，如表2所示。

表2 連桿螺栓擰緊工藝矩陣

2.3 過程質(zhì)量控制點

在樣機試制裝配過程中，影響發(fā)動機裝配質(zhì)量的要素類別名目多樣、數(shù)量眾多，且裝配完成后的質(zhì)量檢查無法全面進行。因此，在裝配過程中，需優(yōu)化裝配流程，在流程中做主動干預(yù)，設(shè)置貫穿裝配全過程的關(guān)鍵質(zhì)量控制點，做好斷點檢查。關(guān)鍵質(zhì)量控制點依次為“裙架裝配前—凸輪軸罩蓋裝配前—鏈條室罩蓋裝配前—裝機完成—發(fā)交檢查”，層層遞進，實現(xiàn)過程質(zhì)量控制。每個關(guān)鍵質(zhì)量控制點都制定了相應(yīng)的檢查項目。如，裙架裝配前檢查點：需要檢查活塞冷卻噴嘴是否擰緊及擰緊標記是否缺失，曲軸軸向止推片裝配位置是否正確，活塞表面箭頭及連桿瓦蓋凸起圓柱是否按照設(shè)計的朝向安裝。又如，凸輪軸罩蓋裝配前：需要檢查進排氣門油封和進排氣彈簧是否裝反；氣門鎖夾是否安裝到氣門桿鎖夾槽中，兩片氣門鎖夾是否在同一平面，且與氣門彈簧座底面平行；搖臂總成相對于滾子是否出現(xiàn)偏置；進排氣調(diào)相器是否裝反。還有發(fā)交檢查：需要檢查發(fā)動機樣機是否滿足交付要求，按照編制好的發(fā)交檢查清單進行發(fā)交前的質(zhì)量檢查。檢查內(nèi)容有零件狀態(tài)、記號標識、管口封堵、外觀檢查等事項。檢查零件狀態(tài)時需確認曲軸信號輪、懸置支架、發(fā)動機飛輪、變速箱定位銷是否缺失，以及對放油螺栓和油壓開關(guān)扭矩的確認。檢查記號標識時，主要檢查各螺栓擰緊標識及有否樣機鋼印號。檢查管口封堵時，主要檢查各個開放接口，如節(jié)氣門、增壓器、高壓油泵、冷卻水管等接口是否有封堵，以避免灰塵進入發(fā)動機。檢查外觀時需注意檢查無損傷、油漬及機油加注是否到位等。在檢查過程中，拍攝相應(yīng)照片并存檔。

在實施各過程質(zhì)量控制點檢查時，為避免單人實施導(dǎo)致的因人而異的裝配質(zhì)量，需要選拔經(jīng)驗豐富的試制技師作為第2復(fù)檢人。依照“自檢-復(fù)檢”機制實施，即在各個質(zhì)量控制點，列出檢查項，先由負責(zé)裝配的技師自檢，再由第2人復(fù)檢，建立雙保險，以避免試制質(zhì)量問題的發(fā)生。

通過上述過程質(zhì)量控制點的主動設(shè)立，能有效阻隔發(fā)動機樣機試制質(zhì)量問題的傳遞，及時發(fā)現(xiàn)、及時整改，提高試制裝機質(zhì)量。例如，某試制技師在裝配連桿時，由于不熟悉工藝導(dǎo)致連桿凸臺朝向弄錯，在第2人復(fù)檢時檢查出來，并及時更改，避免了更大程度的失誤。

2.4 人員質(zhì)量控制能力提升

2.4.1 人員發(fā)展全體系

在發(fā)動機樣機試制工作中，技師一崗多能現(xiàn)象比較常見，對技師的技能要求比較高。樣機試制質(zhì)量控制措施實施效果的好壞離不開人員的素質(zhì)，必須著力于提升人員技能，以適應(yīng)如此復(fù)雜多變的工作環(huán)境。必須制定完善的員工發(fā)展培訓(xùn)體系，采用自主學(xué)習(xí)和集體培訓(xùn)、理論學(xué)習(xí)和實際操作相結(jié)合的培訓(xùn)方式開展人員技能培訓(xùn)。在人員上崗操作之前，需接受從文本到實操的全面培訓(xùn)，并制定嚴格的考核標準，通過考核方可開展工作。

2.4.2 工藝培訓(xùn)常態(tài)化

發(fā)動機開發(fā)流程包含從Mule(騾子車)到SOP(批量生產(chǎn)啟動，start of production)多個階段，項目在開發(fā)階段切換的時候，許多工藝也常常發(fā)生變化，為適應(yīng)這種變化，必須及時將更新的工藝培訓(xùn)到位，避免用老工藝裝配新狀態(tài)的零件，將工藝培訓(xùn)作為一個常態(tài)化工作。

2.4.3 通用工藝標準化

樣機試制中不同機型之間有一些通用的基礎(chǔ)工藝，會使用到相同的操作設(shè)備。為了提高試制標準化程度，可編寫通用的操作指導(dǎo)手冊，將其標準化作業(yè)，并集體培訓(xùn)，提高標準化作業(yè)的覆蓋率。例如涂膠機使用操作指導(dǎo)書和缸蓋裝配操作指導(dǎo)書，可有效提高試制工作效率。

2.4.4 試制問題常回顧

對于各發(fā)動機開發(fā)項目已發(fā)生的試制質(zhì)量問題及時總結(jié)和回顧，深入分析發(fā)生問題的原因，并編制形成試制問題匯編手冊，定期宣貫培訓(xùn)。

2.5 工具工裝質(zhì)量控制

工具工裝的質(zhì)量一定程度上也會影響樣機裝配質(zhì)量。例如，在發(fā)動機項目階段切換時，由于工裝管理不當，使用了上一階段的工裝安裝活塞，對活塞造成壓痕。因此，必須針對工具工裝的使用管理、增補或改進及損耗做好管控，形成工具工裝質(zhì)量的規(guī)范管理體系。

針對現(xiàn)有工裝工具的使用狀態(tài)，建立工裝工具的點檢明細表。內(nèi)容有工裝工具名稱、詳細型號、數(shù)量、狀態(tài))備注(完好或缺失、點檢日期等。定期進行盤點和維護，如果發(fā)生缺失丟失及時記錄。為避免工具工裝丟失或破損，對于工裝工具的外借應(yīng)編制工裝工具借用跟蹤表。內(nèi)容有工裝工具名稱、借用時間、借用人(為非試制車間人員)、聯(lián)系方式、借用原因、歸回時間、工裝工具歸回時的狀態(tài)是否完好無損，這部分內(nèi)容由借用人在歸回時填寫，然后由試制方人員進行確認并簽字。這樣可以做到工裝工具的去向心中有數(shù)。

工裝工具的關(guān)鍵尺寸參數(shù)會在使用過程中有損耗。如果長期磨損可能會造成零件的裝配不符合技術(shù)要求，造成損失，必須確定使用周期，及時修復(fù)或更換。例如，塞尺在反復(fù)使用后會有磨損，造成檢測不準，必須及時更換[3]。

隨著項目開發(fā)階段的變更或者開發(fā)經(jīng)驗的成熟，裝配工藝也將不斷改善和優(yōu)化，工裝必然要進行相應(yīng)改進，以適應(yīng)新的技術(shù)要求。例如，裝配氣門油封的工裝原先是采用強磁孔吸住油封頂部，再將油封和工裝一起放置于氣門導(dǎo)管上，輕輕敲擊裝入油封，但此工裝會導(dǎo)致氣門油封存在壓偏現(xiàn)象。改進工裝后，采用芯軸式氣門油封安裝工具，利用中心定位，有效防止了氣門油封壓偏現(xiàn)象。改進前后氣門桿油封工裝情況如圖4所示。

3 結(jié)論

樣機試制是發(fā)動機開發(fā)過程中從理論設(shè)計到實際裝配的落地，是項目開發(fā)的重要一環(huán)。樣機試制的質(zhì)量會影響后續(xù)開發(fā)階段的順利進行，做好樣機試制質(zhì)量控制是一項十分重要的工作。必須從零件、工藝、人員、工具、工裝等要素出發(fā)實現(xiàn)全過程控制，并將這項工作一直強化和完善下去。只有按照已制定的樣機試制質(zhì)量控制方法將工作做細做實，才能為項目開發(fā)提供強有力的保障，把好質(zhì)量關(guān)。

今后，為適應(yīng)智能制造，將引入更多現(xiàn)代化的質(zhì)量控制方法，例如智能實時傳輸擰緊工具、涂膠機視覺檢測系統(tǒng)等，優(yōu)化工藝，可進一步提升試制質(zhì)量，提高試制效率。