進人21世紀以來,發(fā)動機制造業(yè)在產(chǎn)品、制造工藝、刀具、生產(chǎn)管理方面都進行了一系列變化,與過去的發(fā)動機制造企業(yè)有很多不同。
在產(chǎn)品方面輕量化的趨勢比較明顯,缸體零件用鋁合金替代鑄鐵。缸蓋產(chǎn)品簡單化,不采用以前的頂置凸輪軸的形式,使得缸蓋加工更加容易。工藝上不斷優(yōu)化,曲 軸除了車一車拉技術以外,還開發(fā)了新的高速外銑工藝,使得更加柔性。凸輪軸采用套裝式的,而不是整體式,使得加工簡單,柔性好。連桿的脹斷工藝應用的企業(yè) 越來越多,而且成熟。
高速化在發(fā)動機企業(yè)也表現(xiàn)的比較明顯,大量采用涂層硬質合金刀具PCD和CBN,且切削速度大大提高。HSK夾頭使用也較普遍。采用復合型加工工藝和刀 具、來節(jié)省設備投資和減少加工時間。如采用鉆銑螺紋一把刀,完成鉆孔、倒角、銑螺紋一次成形的多功能刀具。總之,在產(chǎn)品方面,在獲得滿意的性能下,使得加 工工藝簡單,盡量在鑄造中解決一些加工,使得在機械加工時,加工余量少。
在工藝技術方面,采用新工藝,使得刀具和設備適應高速化和柔性化的需要。在生產(chǎn)組織和管理方面也有很多不同的地方,企業(yè)的結構簡單,很多服務性的部門,如 油品、切削液、刀具和設備備件都由專業(yè)公司來負責。人員通過小組以及輪崗的方式來激勵。物流和設備管理方面也是重點,發(fā)動機制造企業(yè)TPM是很重要的一 環(huán)。在質量方面,德國企業(yè)非常重視過程質量。
產(chǎn)品方面
(1)輕量化研究表明,一輛轎車的質量若能減少10%,則其燃油經(jīng)濟性可提高3%~4%,同時汽車的排放也會降低。為此,各國的汽車制造廠家為了使發(fā)動機 輕量化、高速化、高功率化,并且有較高的耐久性,最好的辦法是使用鋁缸體。它的優(yōu)點:①鋁的導熱性好,提高發(fā)動機的壓縮比,對提高功率也十分有利。②缸體 和缸蓋的膨脹率相同,減少熱應力,同時提高缸體和缸蓋結合面的剛性。③重量輕。
?。?)缸蓋結構缸蓋的結構,一般是凸輪軸軸承孔一體的整體式鋁缸蓋,為了工藝加工方便,將整體缸蓋一分為二或分成三個部分。凸輪軸不放置在缸蓋上,而裝在罩殼內。
?。?)凸輪軸凸輪軸的作用就是控制氣閥的開啟和關閉。第一個變化是,四氣門和五氣門的凸輪軸為了去重,采用輕量化中空凸輪軸。第二個變化,按常規(guī)而言,凸 輪軸的毛坯一般是一根鑄件或鍛件,再進行粗加工、熱處理,最后磨削而成。而新的凸輪軸制造方法,就是用了裝配式毛坯件,將預制凸輪和相關部件裝配到一根鋼 管上,焊接固定其軸向和角向位置,增加了柔性、缺點是成本高。
?。?)平衡軸體(Ausgleiehswellenmodul)在三缸機中為了減少震動,使得發(fā)動機運行更加平穩(wěn),產(chǎn)品中增加了一個平衡軸體。目前,VW 集團用于PoLo的1.2L四氣門發(fā)動機裝有平衡軸體。由于這個零件能明顯平衡發(fā)動機震動,同時改善發(fā)動機運轉,將來ZL的四缸機配有平衡軸體。
工藝刀具方面
?。?)產(chǎn)品變化引起工藝的變化有缸套的鋁缸體,國外有的工廠缸孔是先將表面有鋸齒形的缸套放好,然后進行澆鑄,鑄鐵部分離上平面2~4mm,為了有利于缸 體上平面加工。鑄鐵缸套粗加工在毛坯廠完成,留lmm余量。在工藝安排時,缸孔、主軸承孔放在后面加工,而上、下平面,四個側面前面加工完成。同以前的工 藝安排不同,使加工工藝較以前簡單。缸蓋變成一個長方體以后,使得缸蓋加工比以前容易。因為沒有凸輪軸軸承孔的加工,可以用專用的簡易加工中心機床,實現(xiàn) 高速和柔性變化。用裝配式凸輪軸以后,凸輪的熱處理、裝配都在供貨廠家進行,提供半成品給制造廠家,工藝如下:車主軸頸—主軸頸磨—粗、精磨凸輪—拋光— 清洗。
?。?)三個重要趨勢。國外的發(fā)動機廠在三個重要領域表現(xiàn)比較明顯,主要如下:
一是高速化。高速加工可以提高生產(chǎn)率,縮短交貨時間。要實現(xiàn)高速加工,主要步驟:①機床要能實現(xiàn)高速的主軸。②HSK液壓夾頭,定位精度高,同時剛性 也較好。③大量采用涂層硬質合金刀具,金屬陶瓷、陶瓷、CBN、PCD刀具。比如,在缸蓋線上大量采用高速加工中心二是硬質件加工??梢院喕に嚪椒ā⒐?藝環(huán)節(jié)、節(jié)約成本、具有柔性。例如,凸輪軸加工,德國在匈牙利的柴油發(fā)動機,過去在加工軸頸時,用車削加磨削,現(xiàn)在改用CBN刀具一次完成,達到要求的表 面粗糙度,不要磨削,可減少大量投資。三是干式加工。優(yōu)點是可以滿足環(huán)保的要求,降低總成本。例如缸體缸孔粗加工,采用陶瓷刀片不加乳化液。目前國外很重 視在干式加工采用噴霧——準干式加工。
?。?)柔性化發(fā)動機制造業(yè)生產(chǎn)性柔性化是走向之一,在傳統(tǒng)的自動線局部工位用CNC或加工中心,來實現(xiàn)柔性加工的生產(chǎn)線叫柔性自動線FTL,日本工廠使用較多,主要適合家族類的產(chǎn)品,從嚴格意義上來說,這還是自動線的設計概念。
用專用加工中心構成的柔性制造系統(tǒng),主要用在缸蓋和缸體,從產(chǎn)量角度分析,可以達到,從傳統(tǒng)的FMS系統(tǒng)起步產(chǎn)量5萬件/年到傳統(tǒng)自動線的產(chǎn)量20萬件 /年。假如要規(guī)劃一條全柔性的適合大批量生產(chǎn)的柔性生產(chǎn)線,以適合采購的不確定性,由于開發(fā)新品種而不斷更新設計,環(huán)保要求和生產(chǎn)要求等。在柔性生產(chǎn)線考 慮這些因素可以使得年產(chǎn)量超過50萬件的投資更合理,在今后10年可以節(jié)省大概10~20億美元。
由于缸體需要較少的工件裝夾次數(shù),而多為鑄件。材料和尺寸決定了采用自動線更經(jīng)濟。目前采用混合生產(chǎn)線成為一種新趨勢。工藝上將大余量切削在傳統(tǒng)自動線上完成,缸體前后端面和側面的加工,用柔性生產(chǎn)單元。
(4)高效率從日本汽車制造業(yè)的情況來看,平均每五年切削效率要提高28%,其中切削速度平均提高19%,進給量平均提高8%,而最近幾年切削效率提 高的幅度在30%以上。目前制造發(fā)動機主要零件的生產(chǎn)節(jié)拍已經(jīng)縮短到了30~40s。比十幾年前縮短了50%。例如在灰鑄鐵材料缸體的銑削加工,用高速加 工中心機床,切削速度可達到700~1500m/min。刀具采用CBN刀片。( auto1950 )在缸體、缸蓋鋁合金材料銑削加工時,廣泛采用PCD刀具,考慮到高速回轉時將會產(chǎn)生很大的離心力,故刀體采用高強度鋁合金材料制作。凸輪軸和曲軸用 CBN砂輪進行高速磨削。曲軸和凸輪軸的孔加工,為了提高效率,采用內冷的硬質合金鉆頭,代替過去的高速鋼鉆頭。攻螺紋也采用硬質合金絲錐來提高速度,甚 至曲軸攻螺紋也采用無切削絲錐。高速加工中心有一個趨勢采用熱裝式工具系統(tǒng)??傊?,在發(fā)動機制造業(yè)有一個明顯的走向,采用高速加工提高效率。
?。?)脹斷工藝應用較普遍自從連桿大頭孔切斷采用脹斷工藝以來,大部分工廠都采用脹斷工藝。國內工廠應用此項技術還存在些問題,主要是工廢率和裝配時 產(chǎn)生的連桿爆口。而國外工廠已很好掌握了此項工藝,它們的工廢率0.8%,裝配的爆口幾乎為零。問題是脹斷時支承塊的間隙控制。
(6)在曲軸車拉的基礎上結合采用高速外銑近幾年,曲軸主軸頸和連桿頸的加工,一般都是采用車拉工藝來完成。但連桿頸軸線不在一條中心線上,如三 缸、六缸發(fā)動機,加工就有一些麻煩。目前,有一種加工工藝方案為:主軸頸用車拉,連桿頸用高速外銑。這樣加工連桿頸時更好柔性。
(7)曲軸平衡機新的改進是不平衡量校正采用極坐標優(yōu)化高速鉆削校正方法。過去用的是高速鋼,新的方法是曲軸的鉆削采用整體硬質合金鉆頭。鉆頭心部有冷卻液孔。這種鉆頭能進行大進給量鉆削。
?。?)缸孔的激光珩磨。近年來表面激光造型珩磨加工正在漸漸使用,為了同時達到缸孔表面粗糙度和儲油性能,需 要通過特殊的加工技術,也就是用激光造型珩磨才能達到加工要求,同時還不會影響缸孔表面的加工質量。采用激光珩磨后,汽車發(fā)動機可以降低油耗量,降低排 放,減少磨損。另外,目前柴油機廣泛用于轎車上,柴油發(fā)動機體積小,功率大,缸體鑄造時加人了TiC,為了將缸孔表面的TiC沖掉,去除產(chǎn)生的毛刺,同時 達到表面儲油量,開發(fā)了高壓液體珩磨,工藝為:粗珩 精珩十高壓液體衍磨十拋光。
(9)曲軸磨床凸輪軸采用CBN砂輪高速磨削,已經(jīng)非常普遍。目前曲軸的加工也漸漸開始使用CBN砂輪加工。一般來講,四缸曲軸只要是升程的變化,工 藝路線還是過去的較好:主軸頸用多砂輪,連桿頸分別用雙砂輪。如果要加工四缸、五缸和六缸曲軸,就要采用CBN單砂輪或雙砂輪磨曲軸,這樣柔性好,而且砂 輪每修整一次,可加工600~800件。
組織機構和生產(chǎn)管理
(1)結構簡單發(fā)動機廠的組織結構相比以前,特別是在海外的工廠,只是一個生產(chǎn)性的工廠。服務性的工作都交給專業(yè)部門負責。比如, 刀具管理(Tool-Management)是20世紀90年代在美國企業(yè)提出的,開始于16年前的美國通用土星項目。當時的刀具管理主要是物流,刀具比 較簡單,沒有精加工刀具,后來漸漸完善發(fā)展成為一個完整的系統(tǒng),甚至在新項目開始階段刀具管理就參與項目支持。90年代后期在德國和歐洲推行,雖然應用較 少,是一個有潛力的管理模式,從范圍來說,將會有越來越多的企業(yè)特別是汽車工業(yè)采用。目前匈牙利的OPel工廠,德國大眾在波蘭的工廠,美國通用在上海工 廠都在進行刀具管理。減少了刃磨、倉庫管理、采購、技術管理人員,使得機構簡單。
?。?)成本中心汽車工業(yè)日趨激烈的競爭中,降低產(chǎn)品的成本已成為各汽車廠競爭的重要策略。把降低成本作為一個硬指標來推行,是全球汽車工業(yè)發(fā)展的趨 勢。發(fā)動機廠也不例外,把降低成本作為一個重要目標來實施。一般來說,各車間成立成本中心,主要指標是工廢、料廢、人員費用、刀具輔料費用、設備折舊等。
?。?)TPM和人員激勵發(fā)動機廠的設備都是比較復雜、精度高,有一定技術含量,新的生產(chǎn)線規(guī)劃完成以后,重要的一項工作是TPM。首先,提出具體的實 施方案,每條線都規(guī)定了負責人,加強點檢和專業(yè)點檢。針對具體的機床提出合適的解決方案。不是做一些表面文章,就是根據(jù)簡單清晰的思路,其次是腳踏實地執(zhí) 行。使用一些合適的人員,而不是高學歷的員工,重點放在崗位上的培訓。為了鼓勵員工,積極采用休假制度,整個生產(chǎn)線一年的休假計劃張貼在生產(chǎn)線。將維修、 操作工等組成小組,為了解決單調生產(chǎn)產(chǎn)生新的問題,一段時間以后進行崗位輪換。
?。?)質量管理任何發(fā)動機廠都將質量置于公司戰(zhàn)略的核心地位,質量管理乃是發(fā)展的最為重要的“內功”之一。質量方面的讓步絕非一種選擇,任何讓步都可 能威脅企業(yè)的生存,只有那些致力于質量改善的公司,才能成功,才能獲利。發(fā)動機廠提高質量的關鍵手段,確定質量目標,最高層的參與。采用零次品生產(chǎn)作為核 心流程,加強質量過程控制。動員全體員工參與,由車間工人自己解決問題,成立Qc小組來改善質量。