發(fā)動機平衡軸無換型混合生產(chǎn)模式設(shè)計分析

徐曄

（大眾一汽發(fā)動機（大連）有限公司，遼寧 大連 116600）

平衡軸是發(fā)動機的組成零件。某款四缸汽車發(fā)動機為了更好地減少由二階慣性力產(chǎn)生的振動，通常搭載2根正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)軸，雙倍發(fā)動機轉(zhuǎn)速的進氣、排氣平衡軸來消除這部分振動，從而提高汽車的舒適性。

由于該款汽車發(fā)動機的產(chǎn)能需求不斷提升，需要在現(xiàn)有平衡軸進氣和排氣2條生產(chǎn)線旁規(guī)劃1條全新的平衡軸生產(chǎn)線來彌補產(chǎn)能缺口。新平衡軸線在設(shè)計上要具有很高的經(jīng)濟性和靈活性，必須能夠具備加工進氣和排氣2種型號平衡軸的能力，產(chǎn)能要求為1600根進氣或排氣軸/天，即800套/天。由于在發(fā)動機的裝配過程中，需要進、排氣平衡軸成對組裝，所以該平衡軸新生產(chǎn)線在批量生產(chǎn)后必須要每3天進行1次進、排氣產(chǎn)品相互換型生產(chǎn)，才能匹配生產(chǎn)計劃，而每次換型時間損失為4h，造成了嚴重地產(chǎn)能浪費。而在傳統(tǒng)的加工方式中，產(chǎn)品的切換需要換型也是不可避免的。如何解決換型難題，成為了新建生產(chǎn)線的重點和難點。

1 無換型混合生產(chǎn)可行性分析

1.1 平衡軸加工工藝分析

現(xiàn)有的進、排氣平衡軸2條生產(chǎn)線加工工藝為：毛坯-＞車削-＞預(yù)清洗-＞淬火-＞預(yù)清洗-＞校直-＞磨削-＞拋光-＞終清洗-＞終測量-＞壓裝（進氣齒輪/排氣鏈輪）-＞成品。

如果將一條生產(chǎn)線設(shè)計成無需產(chǎn)品換型就能夠同時混合生產(chǎn)進、排氣平衡軸2種產(chǎn)品，那么既能滿足了產(chǎn)能的設(shè)計要求800套/天，同時還避免了由于產(chǎn)品的頻繁換型造成的嚴重產(chǎn)能損失。這也就意味著機床必須具備能夠準確識別出上料工件型號并自動調(diào)取正確加工程序，完成加工的能力。由于該款發(fā)動機的各自制件生產(chǎn)線在國內(nèi)外還沒有過可以借鑒的無換型混合生產(chǎn)先例，因此在生產(chǎn)線的設(shè)計過程中要綜合考慮各個技術(shù)難點。

1.2 產(chǎn)品對比與技術(shù)難點分析

1.2.1 產(chǎn)品對比

如圖1所示，從外觀上看進、排氣平衡軸結(jié)構(gòu)對比基本相似，均由3個主軸頸組成，中間的第二主軸頸為了產(chǎn)生離心力都是半圓設(shè)計，而在具體區(qū)別上主要有以下幾點。

圖1 進氣（長）、排氣（短）平衡軸

（1）進氣平衡軸的旋轉(zhuǎn)方向與發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)方向相反，所以需要在進氣平衡軸上壓裝用于反向驅(qū)動的斜齒輪，而排氣平衡軸壓裝的是鏈輪。

（2）進氣平衡軸在結(jié)構(gòu)上尾端多一段軸頭用來驅(qū)動水泵，所以在軸頭內(nèi)有加工螺紋，用于安裝水泵驅(qū)動輪。所以進氣平衡軸要比排氣平衡軸長13mm。

1.2.2 技術(shù)難點

從進、排氣2種平衡軸產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上分析，機床在設(shè)計結(jié)構(gòu)上應(yīng)該可以滿足刀具、夾具上對于2種產(chǎn)品的兼容性。理論上具備無需換型同時生產(chǎn)進、排氣平衡軸的能力，但需要解決下面幾個難點：

（1）在整個工藝加工過程中，物料管理，機床工件類型識別的設(shè)計，傳送系統(tǒng)的設(shè)計要準確地區(qū)分開進、排氣2種不同類型的產(chǎn)品。

（2）由于2種型號的軸頸長度不同，磨床在加工2種不同類型工件時需要修整砂輪的輪廓來匹配工件軸頸的寬度，而每件修整砂輪會嚴重降低機床的OEE（設(shè)備綜合利用率），從而影響產(chǎn)能。

（3）對于產(chǎn)品的混料要有預(yù)防措施，需要避免由于混料、工件不識別等原因造成的機床運轉(zhuǎn)故障。

2 平衡軸新線的布局設(shè)計

2.1 新線工藝優(yōu)化

結(jié)合新線產(chǎn)能需求、投資預(yù)算、面積、節(jié)拍及現(xiàn)有平衡軸生產(chǎn)線的優(yōu)缺點，對新線加工工藝和布局進行了進一步優(yōu)化。

2.1.1 節(jié)拍優(yōu)化

車床和磨床是整條平衡軸生產(chǎn)線的加工瓶頸，需要安裝多臺復(fù)制機床來平衡加工節(jié)拍才能完成設(shè)計產(chǎn)能。

車床主要加工內(nèi)容為切兩端、粗車各個主軸頸和鉆兩端的定位中心孔。將原來車床的銑刀加工打標(biāo)標(biāo)記，優(yōu)化為車刀加工完軸頸后直接車環(huán)痕，這樣減少了換刀環(huán)節(jié)，節(jié)拍由原來的84s降到了74s。

磨床加工內(nèi)容為精磨各個主軸徑。在工藝上通過車床留給磨床加工余量上的重新分配，使各個主軸頸磨削量最多減少了0.05mm，從而將整個磨床節(jié)拍從87s降到了74s。

通過節(jié)拍優(yōu)化，新線只需采購2臺車床和2臺磨床就能滿足設(shè)計產(chǎn)能要求。

2.1.2 清洗過程優(yōu)化

在現(xiàn)有平衡軸生產(chǎn)線中淬火工序前、后2道序各有1臺預(yù)清洗機，是為了解決車床加工后工件表面會有乳化液和鐵屑殘留的問題，避免工件會在下一道序淬火時感應(yīng)器與工件上的鐵屑接觸，形成短路。而在新線的車床內(nèi)部增加了定點噴淋裝置，能夠確保加工過程中不會再有鐵屑殘留在定位部件或夾緊部件上，另外在車床里還額外增加了吹風(fēng)工位，風(fēng)刀能夠去除工件表面殘留物質(zhì)。為了確保清洗效果，在淬火機床里還增加了淬火液噴淋沖洗工位。通過這幾步優(yōu)化措施可有效地將工件表面的鐵屑和乳化液清洗干凈，替代了之前的預(yù)清洗機的功能，所以在新線的工藝規(guī)劃設(shè)計中將,2臺預(yù)清洗機取消掉，節(jié)省了2臺清洗機的投資和占地面積，同時縮短了整條生產(chǎn)線的通過性。

通過上述的重組、取消、合并等優(yōu)化措施，實現(xiàn)了工序的平衡，提高了生產(chǎn)線布局的精益程度。優(yōu)化后的平衡軸新線加工工藝和機床數(shù)量如表1所示。

表1 生產(chǎn)線加工內(nèi)容和機床數(shù)量

表中的AF是德語Arbeitsfolge的縮寫，是工序的意思；后面的數(shù)字代表工序號。平衡軸的加工從AF200到AF50經(jīng)過了8道工序加工。

2.2 核心機床的選擇

由于平衡軸在發(fā)動機里高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，因此其加工精度要求很高，同時平衡軸還應(yīng)具備比較高的強度和硬度，所以整條線在設(shè)計上采用了專機來提高加工穩(wěn)定性。

在熱處理工藝的選擇上采用了感應(yīng)淬火，目的是在增加平衡軸表面硬度、耐磨性的同時還要兼顧工件的韌性，而感應(yīng)淬火是利用中、高頻率的感應(yīng)電流，形成集膚效應(yīng)，使工件表面迅速加熱達到很高的溫度，同時工件的芯部由于溫度不高會保持很好的韌性。由于在加工工藝上對淬火層深度的要求較淺，所以采用了德國艾爾戴克公司生產(chǎn)的8工位轉(zhuǎn)臺式高頻感應(yīng)淬火機床。

在磨床的選擇上針對平衡軸在工藝上對軸頸粗糙度和圓度等幾何尺寸的高質(zhì)量要求，采用了德國勇克公司生產(chǎn)的JUMAT系列的數(shù)控高速CBN砂輪外圓磨床，JUMAT磨床是一種可以磨削大部分軸類零件的圓周磨床，一次定位裝夾完成整個磨削過程。對于平衡軸細長、結(jié)構(gòu)剛性差的特點通過高速磨削來有效降低砂輪的磨削力，提高生產(chǎn)效率。

2.3 無換型混合生產(chǎn)設(shè)計

2.3.1 進、排氣平衡軸產(chǎn)能均衡設(shè)計

在生產(chǎn)線的布局中將1臺車床和1臺磨床在程序上設(shè)定為只加工進氣平衡軸，而另外1臺車床和磨床只加工排氣平衡軸，確保2種產(chǎn)品型號的生產(chǎn)能力和加工節(jié)拍是相同的，按照此布局設(shè)計，磨床將不再需要換型和修整砂輪的輪廓，解決了磨床對于進、排氣工件混合加工切換時由于軸頸的寬度不同及進、排氣產(chǎn)能不均衡的難題。作為應(yīng)急策略，如果進、排氣某種型號實際的需求差距比較大時，整條生產(chǎn)線也可以切換成只生產(chǎn)其中1種單一型號的模式。

2.3.2 工件型號識別設(shè)計

整條生產(chǎn)線的設(shè)計是以軸2端的雙頂尖中心孔為基準對工件進行定位和裝夾，由于進氣平衡軸比排氣平衡軸要長，所以可以根據(jù)各個機床頂尖在夾緊工件時的不同伸長行程來判斷進、排氣平衡軸的類型，以此為平衡軸布局的設(shè)計核心。具體機床類型識別控制如下。

（1）車床和磨床設(shè)計。

龍門機械手夾緊工件在進入車床或磨床加工室前首先通過類型傳感器進行工件型號判斷，如果工件型號與機床的加工型號不符，機床將發(fā)出報警，停止加工，機械手將工件放置到不合格抽屜里。

（2）其他機床的設(shè)計。

清洗機在設(shè)計上結(jié)合了進、排氣產(chǎn)品的共同結(jié)構(gòu)特點采用了通用于2種型號的清洗腔室和噴嘴布局設(shè)計，在清洗工件時進、排氣平衡軸料筐可4層混合疊垛在一起進行整體清洗。

淬火機、校直機、拋光機、測量機和壓裝機在設(shè)計上均采用了根據(jù)頂尖夾緊工件時的伸長距離來判斷工件型號，這樣能直接自動調(diào)用各個機床相對應(yīng)的加工程序來實現(xiàn)工件無換型的混料生產(chǎn)模式。

2.4 平衡軸生產(chǎn)線的布局

生產(chǎn)線布局的合理性對生產(chǎn)線節(jié)拍、設(shè)備利用率、物流時間、空間利用率、勞動強度、可靠性等都會產(chǎn)生很大的影響。如圖2所示，平衡軸生產(chǎn)線的布局是按照工藝加工順序來設(shè)計的，采用了緊湊的布局形式，減少了占地面積。

圖2 平衡軸生產(chǎn)線布局

粗加工（從毛坯到AF240校直）一共包括4臺機床（2臺一樣的車床，1臺淬火機床，1臺校直機床），采用了手動上、下料來降低投資成本，進、排氣毛坯在車床加工后操作工將工件放置到料筐里，每個料框能擺放9根進氣或排氣平衡軸，工序之間工件的傳輸通過料筐來實現(xiàn)。為了更好的增加器具的流動性和通用性，工件料筐設(shè)計為進、排氣平衡軸均可通用結(jié)構(gòu)，方便流轉(zhuǎn)管理。

精加工從磨削到壓裝前采用自動上、下料的機械手桁架傳輸系統(tǒng)。為了更好地發(fā)揮桁架機械手自動化的傳輸效果，從磨削到拋光的3臺機床采用了直線型布局方式，降低了操作人員的勞動負荷。由于磨床和拋光機床具備很好的加工穩(wěn)定性，采用了一個流的生產(chǎn)方式，避免了由于在制品的堆積而造成的浪費。

平衡軸從清洗機下線后，經(jīng)目視、測量、壓裝、終檢、包裝幾道工序，采用了精益化的U型布局，確保了最小化走動距離，實現(xiàn)了1人多崗，提高了生產(chǎn)的平衡性。

2.5 防混設(shè)計

如上所述，即使操作工誤將進、排氣工件混合放到同一料筐中，各機床也能“將錯就錯”的調(diào)取正確的加工程序完成加工。除此之外在以下這些方面也做了特殊的設(shè)計。

2.5.1 傳輸料道設(shè)計

在精加工時，進、排氣工件的料筐交替放到自動摩擦滾動料道上，料道兩側(cè)安裝多個光柵傳感器，在傳輸料筐通過傳感器時不僅能夠有效地識別工件型號，還能對料框中的工件放反、放偏以及料筐中無工件等特殊情況進行監(jiān)控。區(qū)分型號后的工件料筐將通過旋轉(zhuǎn)臺自動進入相對應(yīng)的進、排氣待加工通道。

2.5.2 通訊設(shè)計

AF40的終測量機同AF50壓裝機床是數(shù)據(jù)互聯(lián)的，測量機在完成工件測量后，將工件的測量信息同步傳輸給壓裝機床，如果要被壓裝的工件信息與測量機傳輸?shù)墓ぜ畔⒉环麜r，壓裝機床將會發(fā)出報警，停止加工，能夠有效防止由于工件混料造成的錯誤壓裝。

2.5.3 壓裝小件料架的設(shè)計

在壓裝機床旁的壓裝小件（齒輪/鏈輪/軸套/墊片）料架上帶有亮燈揀件系統(tǒng)。平衡軸工件在壓裝機的上料工位被識別出進、排氣具體型號后第一時間將信息傳輸給料架亮燈系統(tǒng)，操作工可根據(jù)料架亮燈指引進行揀件上料，同時壓裝機床也會通過傳感器對上料小件的正確性進行再次確認，避免了由于進、排氣平衡軸型號的頻繁切換所造成的操作工誤操作，從而引起機床故障。

2.5.4 成品料箱的設(shè)計

為了防止終檢操作工誤將進、排氣平衡軸成品擺錯相對應(yīng)的料箱，料箱在設(shè)計結(jié)構(gòu)上匹配了進、排氣平衡軸成品的輪廓。同時在料箱的底部帶有明顯的黃色提醒條紋。

3 電子化現(xiàn)場管理體系

為了打造精益生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)效率，在平衡軸生產(chǎn)線現(xiàn)場設(shè)有電子目視生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理信息系統(tǒng)，該管理系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)和生產(chǎn)進度進行有效的管理。對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，比如設(shè)備故障和產(chǎn)能的實時完成情況等信息。

電子看板能夠?qū)⑸a(chǎn)線的相關(guān)信息，以圖表形式直觀形象地展現(xiàn)出來，比如人員組織、工作任務(wù)、產(chǎn)品質(zhì)量、維修計劃、設(shè)備利用率等信息，實現(xiàn)生產(chǎn)線目視化信息管理系統(tǒng)。車間管理人員可通過電子看板或智能手機了解生產(chǎn)線實時信息并迅速地做出反應(yīng)。實現(xiàn)了生產(chǎn)過程透明化，生產(chǎn)區(qū)域無紙化，生產(chǎn)現(xiàn)場目視化，打造數(shù)字化工廠。

4 結(jié)語

平衡軸生產(chǎn)線是1條經(jīng)濟、靈活、高效、精益的生產(chǎn)線，機床無需換型就能夠?qū)崿F(xiàn)平衡軸進、排氣2種類型的工件同時在線混合生產(chǎn)。從生產(chǎn)線的工藝設(shè)計到布局充分考慮了混合生產(chǎn)時會面臨的風(fēng)險，通過在工件類型識別、防錯、防混等方面的特殊設(shè)計成功的規(guī)避了風(fēng)險。在平衡軸生產(chǎn)線投產(chǎn)后設(shè)備運行穩(wěn)定，故障率低，產(chǎn)能從800套/天逐步提高到960套/天,產(chǎn)品的質(zhì)量合格率為99.6%，無混料故障發(fā)生，成功地解決了由于產(chǎn)品換型造成的產(chǎn)能損失難題。對其他廠家生產(chǎn)線的混合生產(chǎn)設(shè)計有一定的借鑒意義。