汽車發動機關鍵零部件加工中先進工藝的采用

廣州東風日產發動機分公司 （廣東 510800） 李林 劉昌宏

入世后，中國汽車市場空前活躍，汽車行業得到了前所未有的跨躍式發展。面對日新月異、動態變化的中國汽車市場，中國汽車業面臨著諸多挑戰，必須采取有效措施予以應對，以保證中國汽車產業實現可持續發展。

有人對世界汽車巨頭瓜分中國市場提出了自己的憂慮，認為中國汽車若不能獨立發展，而只是企圖以市場換技術，最后只能淪為世界汽車巨頭的加工廠，永遠不可能在世界市場上與其并駕齊驅。更嚴重的是，以低廉的勞動力換來的投資，必將不會長久，一旦出現勞動力成本更低的市場，跨國巨頭馬上就會進行產業轉移，那時，中國汽車業就會被抽空，拉美國家的今天就是中國的未來，這種擔憂并不是沒有道理。因此，先進工藝的采用是提升先進制造技術并擺脫目前困境的唯一選擇。

1.工藝規劃能力

國內各大乘用車公司都有國際知名汽車公司合資的背景，零部件生產線在前期規劃時，為了縮短生產準備周期，基本上會按合資方成熟的工藝方案來規劃。如發動機的缸體、缸蓋等關鍵零部件生產線的工藝規劃，從設備和工裝方面，國內裝備廠家很少能拿出整體解決方案，關鍵設備和工具還是依賴進口，這對國內乘用車制造業的自主化是不利的，對國內裝備行業的快速發展也有很大障礙。工藝規劃能力提升，達到具備提供整體解決方案的能力是當前乘用車制造業首先要提升的能力，必須真正實現自主化。

2.持續創新能力

中國乘用車客戶越來越成熟，對汽車的品質要求越來越高；各大乘用車公司為搶占市場，價格競爭越來越激烈。為滿足市場需求，乘用車制造公司既要制造出高品質的車，又要不斷降低制造成本。在勞動力成本和原材料成本不斷上漲的當前形勢下，要做到這一點并不容易，靠降低品質和減配肯定不會長久，企業只有靠持續的創新改善能力，深入制造的各個環節，挖掘課題，不斷提升生產效率，不斷降低各種浪費。不斷提升管理水平，精益生產，不斷追求與客戶同步，這樣才能滿足市場需求，立于不敗之地。

3.低成本自動化和國產設備可靠性提升

低成本自動化和國產設備可靠性提升是當前國產汽車關鍵零部件制造業尤其突出的兩個課題。中國汽車制造業前期投產的生產線，為降低投資成本，利用廉價勞動力優勢，自動化程度并不高，當前形勢下，勞動力成本越來越高，優勢逐漸喪失，導致制造成本降低的壓力巨大，只有不斷改善，導入低成本自動化裝置或設備，不斷提升人工效率，才能使人工成本不至于惡化，控制在合理的水平。各大汽車制造公司，為降低生產線投資，往往粗加工的設備和輔助設備采用國產設備，但在批量生產階段，國產設備較進口設備可靠性不高，這些設備成為整條生產的瓶頸，影響到整條生產線的OEE（設備綜合效率），這是一個突出予盾。因此要想持續提高整條線的OEE，必須不斷改善來提升這些設備的可靠性。

先進加工工藝在東風日產發動機生產線中應用

目前已具備100萬臺發動機年制造能力，生產VQ、MR、HR三大系列發動機，排量有1.6L、1.8L、2.0L、2.5L和3.5L5個級別。制造工藝包括鑄造、鍛造、機加工、熱處理和裝配，生產的主要零部件有：發動機的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿和缸套；變速箱的殼體、軸和齒輪。東風日產發動機分公司是國內乘用車發動機制造行業單一制造工廠產能最大、生產工藝最齊全的制造工廠之一。下面重點對東風日產1.6L發動機機加工缸體生產線的新工藝新設備使用情況進行總結。

1.設計理念

1.6L生產線的基本設計理念是：在保證產品品質穩定性、設備生產運行的低費用及勞動強度適中的前提下，實現投資的最小化。從Q（品質）、C（成本）、D（交貨期）、S/M（安全/士氣）及T（新技術采用）等各方面綜合考慮，建成一條綜合效益力爭達到國際先進水平的加工生產線。

Q領域：達到和超越日產愛知機械1.6L缸體加工品質質量，并針對愛知機械生產品質不具合的項目，在工藝設計階段提出解決方案。加工品質目標如附表。

時期 最初 3個月6個月12個月流出不良（%） 0.18 0.100.0250.025加工不良（%） 0.60 0.40 0.30 0.15工程能力 SOP后Cpk 1.33以上

C領域：中間清洗機以前的粗加工及半精加工，盡可能采用手動搬送結合低成本自動化裝置，以實現低勞動力成本的有效利用，但也要考慮人員動作最簡化以提高人員效率；對后半段的精加工部分，為保證精度和防止工件劃傷，采用高精度的自動搬送的加工自動線。

D領域：盡可能使用柔性設備，如：加工中心等，整線以加工中心臺數的增減來實現生產能力的變更。布局力求緊湊，保證較低的工程內在庫，盡量提升設備的綜合效率（要求90%以上）。

S/M領域：生產線設備要求操作簡便，安全聯鎖和防錯能力完備，操作人員勞動強度適中，15kg以上的工件搬送均有助力裝置協助完成。

T領域：盡可能采用最高效率低運行成本的先進加工工藝，通過在線檢測系統和防錯系統保證質量，通過對線內物流的設計和低成本自動化的設計，同國內競爭對手相比，力爭在質量保證和人員效率上取得一定優勢，建設成一條高品質、高效益及低成本的加工生產線。

2.產品特點

該1.6L發動機是日產幾十年技術積累水平的提煉，是1臺達到賽車要求水平的高性能發動機。作為這臺發動機基體的缸體，有自己的很多特點。

（1）為了提升發動機的升功率和質效比，發動機缸體在滿足強度要求的前提下，盡量降低了缸體的質量。作為鋁缸體，除非強度有特別要求的部位，缸體的一般壁厚僅2.5mm，這就要求在工藝設計階段充分考慮缸體的受力情況，合理選擇夾緊位置和輔助支撐的位置。

（2）作為一款高性能的發動機，對影響發動機性能的關鍵尺寸有很高的精度要求。如缸體缸孔直徑、圓度、圓柱度及曲軸孔直徑、圓度、分級精度的要求都是代表國內最高水平的加工精度要求之一。這些高精度的要求在工藝設計時必須充分考慮。

3.設計方案

（1）總體要求：為了建成一條綜合效益達到國際先進水平的加工生產線，在規劃設計初期，對生產線的QCTMS各項指標提出了嚴格的要求。

（2）生產線概況。平面布局：1.6L生產線總體上呈一個U字型設計，布局緊湊，占地面積小，物流順暢。含浸設備與中間試漏機并列布置，中間試漏后待含浸工件從試漏機下料滾道排出，直接放置在含浸設備的上料端，含浸完畢后的工件恰好放置于中間試漏機的再投入滾道旁，含浸工件的物流實現了最捷徑化。

設備概況。1.6L缸體加工生產共有設備31臺，其中國產設備24臺，設備國產化率達到77%。缸體粗加工和半精加工主要采用了YNC YN4H7系列高速加工中心及YNX062/063自動線，精加工采用了日本遠州曲軸孔精加工自動線、Horkos各面精加工自動線、東洋缸孔精加工線等國內外先進的加工設備，輔助機床則采取大連智云試漏設備、壓裝設備、保證工件清潔度的日本杉野清洗機、太陽鐵工的工藝缸蓋擰緊和拆解機以及對小泄漏缸體進行滲補的含浸機等設備。

工藝設計：為了避免因基準轉換及粗基準的精度不穩定性造成缸體加工精度不穩定的產生，我們在工藝設計時第一步就用毛坯粗基準定位直接完成精基準（缸體底平面和2個定位銷孔）的加工。在后續的所有加工中，除非產品有特別要求外，其他的所有加工定位全部統一為一面2銷的基準，對于產品設計有特別要求的如缸蓋安裝面與曲軸孔中心線的平行度、缸體前后端面相對曲軸孔中心線的垂直度以及與止推面的距離等，為了保證產品的精度，精加工就直接使用＃1、＃5號曲軸孔以及止推面直接定位加工。1.6L缸體是薄壁工件，毛坯生產采用了相對低壓鑄造有更高生產效率和尺寸精度的高壓鑄造工藝，高壓鑄造時快速冷卻在缸體內部形成的氣孔和砂眼，在加工生產線中間試漏后會由于微孔（0.25mm以下）泄漏而不合格。為了挽救這部分缸體，降低成本，引入了含浸工藝，對小泄漏的工件進行滲補后再次試漏。

4.工藝創新點

（1）采用高速加工中心實現柔性化生產。1.6L缸體的粗加工和半精加工，除了由于產品原因無法用加工中心加工的個別部位以及為確保精度的定位面孔的加工外，全部采用了高速加工中心等柔性化生產設備進行加工。在這些柔性加工設備上，為了保證加工質量，與其他公司相比，我們采用了許多新技術。

（2）刀柄跳動檢測裝置。隨著現代設備技術的發展，為了防止加工中心在更換刀具時在刀柄和內錐孔之間夾入鋁屑等雜質，現代加工中心采取了諸如換刀時主軸內錐孔高壓氣吹等多種對策，能有效地降低了夾屑的產生，但還是不能100%地完全避免。為了100%防止換刀時可能發生的刀柄夾屑導致加工不良品的產生，在此次工藝設計時，針對鉸刀和鏜刀等加工精度要求高的加工內容，當新刀具換入加工中心主軸后進行加工前，先對刀柄在主軸上的跳動進行檢測，若跳動合格則繼續加工，若跳動不合格，則說明在換入刀具時可能有夾屑或其他原因使得跳動超差，設備馬上報警停機，這樣就確保了加工的每一個缸體的加工品質。

（3）刀庫刀具折斷自動檢測裝置。加工中心在自動加工過程中，由于某些原因導致刀具發生折斷，若不能及時發現，則有可能造成大批量的缸體報廢或不良品流出。為了防止這種現象的產生，加工中心采用了刀具折斷自動檢測裝置。當刀具完成加工內容返回刀庫對應刀位前，刀具折斷檢測裝置對此刀具進行檢測，若檢測到刀具異常時，馬上報警停機，這樣就有效地避免了由于刀具折斷造成的批量工廢的產生。

（4）刀具ID碼裝置。加工中心刀庫裝有多把刀具，不同的刀具使用壽命一般都不一致，在更換加工中心刀庫中的刀具時，可能出現誤裝刀具、刀具在刀庫中刀號混亂和加工中心不能正常加工的現象。為了避免這種刀具更換產生的人為錯誤，引入了刀具ID技術。專用的調刀儀讀取ID編號，并調出相應刀具的參數，可以迅速準確地完成刀具的調整。

（5）自動測量補償技術。對于加工中心，設備本身的精度和穩定性都很好，對于缸體的粗加工和半精加工的質量應該是能很好的保證。但是，對于極個別的加工尺寸，由于尺寸精度要求高，且設計基準與夾具基準不一致時，我們在加工中心上引入了工件重定位系統，根據測定的數值重新修正工件坐標系，保證加工精度。如缸體上的缸蓋的定位環孔，這是整個發動機的設計基準，也是發動機的裝配基準，位置和間距等尺寸精度都要求高。對這樣的加工內容，隨著環境溫度等外部條件的變化，夾具和設備滾珠絲桿由于熱脹冷縮變形會對加工精度產生影響。工件重定位系統就是在設備的夾具體上有固定的標準塊，設備在加工前對標準塊的位置進行測量，將測量的位置與設備設定值相比較，如果不一致則進行修正。根據修正后的位置才開始加工，這樣就確保了缸體的加工精度。

（6）通過搬送托盤實現缸體的不規則面搬送。1.6L缸體上下前后面都是在一個平面上，可以作為輸送面。其中下平面是定位基準面，又是精加工面，為了防止工件搬送過程中對工件造成磕碰傷，我們不選擇使用下平面搬送。在臥式加工中心上要實現上下前后面的加工，如果采用上面、前面和后端面進行輸送，工件一般至少要有幾次的姿勢變更才能完成加工。而缸體的左右面是一個不規則面，如果用左右面直接進行搬送，則設備之間的輸送滾道和設備夾具都會變得復雜起來。針對這個問題，我們采用了搬送托盤結構，實現用缸體的左面來實現輸送。

缸體下面支架及底板部分就是搬送托盤，托盤通過支撐銷和限位塊將缸體固定住，托盤底板帶著缸體在設備和滾道間進行輸送。托盤只作為缸體的搬送使用，當缸體送入設備進行加工夾緊時，缸體會脫離托盤，直接使用缸體下平面和定位銷基準定位，保證了缸體的加工精度；也免除了用托盤定位造成的基準轉換及托盤循環使用變形造成的加工精度惡化的傾向，在國內發動機箱類零件的加工中是一種首創。再次，缸體用托盤搬送時，設備的夾具采用了立式結構，這樣能有效地避免切屑在夾具上和定面銷上的堆積，不僅有效地保證了工件的良好定位和穩定的加工品質，而且也降低了操作工對切屑的清理時間，有效地提高了設備的開動率。另外，缸體采用這種姿勢加工，加工中心上下行程較小，減少了加工中心立柱導軌熱變形的誤差對加工精度的影響。

（7）為保證產品質量在精加工部分引進了曲軸孔精加工的自動測量自動刀具補償技術和前后面、缸蓋接合面精加工夾具用曲軸孔和止推面定位的技術。為了保證加工精度，引進了有著豐富的曲軸孔加工經驗設備制造技術的日本遠州機床有限公司的曲軸孔精加工專用設備。設備帶有自動測量裝置，對精加工后的曲軸孔各檔的孔徑和圓度進行測量，根據測量數據對曲軸孔各檔進行分級和刻印；若測量數據不合格則報警停機。而且，自動測量裝置系統還帶有補正功能，自動測量裝置將測量的數據進行分析，若某檔曲軸孔的加工精度超過1/2公差時，則將差值計算出來并作為補償值自動反饋。設備的精鏜刀具就會根據補償值的要求，自動對對應檔曲軸孔加工的刀具進行調整，自動調整的最小值可達1μm。

根據1.6L產品設計的要求，缸體的前后端面與曲軸孔中心線的垂直度及曲軸止推面的距離都有嚴格的要求，而缸蓋安裝面與曲軸孔中心線的平行度也有很高的要求。為了確保加工品質，并防止工件加工時進行基準轉換對加工品質可能帶來的影響，對缸體的前后端面、上平面進行精加工的工位，直接采用了＃1、＃5檔曲軸孔以及止推面進行定位加工，從加工工藝上確保了加工質量。

（8）采用了具有更好的含浸品質的二次真空加壓含浸工藝。日產含浸采用了常壓真空含浸，一次含浸成功率98%左右，部分工件需要進行2次，最多3次含浸。在對日本、歐洲和北美的含浸工藝進行調查以后，采用了德國二次真空加壓含浸工藝。

（9）為了達成環境友好目的，體現良好的社會公民責任，采用了水基珩磨技術、合成切削液集中冷卻系統和集中油霧處理系統。 缸孔珩磨加工時，珩磨條和缸孔之間有很大的磨削力，珩磨加工后缸孔加工質量的好壞，珩磨液的潤滑效果有很大影響，基于以上考慮，一直以來珩磨加工都采用有更好的潤滑效果的油性珩磨液。使用油性珩磨液的許多缺點特別是環境破壞一直為人們所詬病。首先，油性珩磨液都具有一定的揮發性，對設備操作人員的身體健康是一種威脅，同時也影響整個車間及周圍的環境。其次，油性珩磨液的粘性相對一般水性切削液要高，珩磨后產生的大量鐵屑和磨粒油泥的分離很困難，過濾效果不好，珩磨液的更換頻繁，不僅使得使用成本較高，而且廢珩磨液的處理也是一道難題。再次，油性珩磨液一般不僅易揮發，而且都具有可燃性，為了防止潛在發生的火災安全事故，珩磨設備投入的同時會配套相關消防設備，增大了投資成本。近年來，隨著材料科學和化學合成技術的發展，水性珩磨技術也得到了很大的發展，水性珩磨液不僅具有跟油性珩磨液相近的潤滑性能，而且有更好的冷卻作用和沖洗性，水性珩磨技術在歐洲和日本等國家和地區都得到了更廣泛地認可和更多地采用。調查了解了國外水性珩磨的現狀以后，我們于國內率先家引進了缸孔生產的水性珩磨技術。此加工工藝從運行一年多生產了近20萬臺發動機缸體的實績來看，不僅保證了良好的加工精度，而且具有更低的使用成本和更好的環保性能，實現了經濟效益和社會效益的雙豐收。

對于加工生產中使用的切削液，考慮到環境保護的要求，我們采用了切削液的集中處理系統。切削液經過集中處理后輸送到各加工工位，對缸體的加工進行潤滑和冷卻，并通過專用的地溝將加工中產生的切屑、廢油等雜質帶回集中處理系統，集中處理系統再對返回的切削液進行油水分離、過濾等處理后再循環使用，處理過程中產生的大量切屑和廢油則集中排放后及時處理。

（10）1.6L發動機的低摩擦力低油耗主要是缸孔與活塞之間有更好的配合。1.6L發動機活塞的加工采用了賽車加工工藝，缸孔的精加工采用了工藝缸蓋加工技術，確保安裝上發動機部件以后的缸孔還具有良好的圓度和圓柱度。

（11）為了響應國家實施的《汽車產品召回實施辦法》，缸體生產線全線重要工位全部使用2D碼管理技術，將工件加工的信息在電腦中保存起來，以便于跟蹤和追溯。

（12）試漏、裝配及工程間搬送等設備與國內廠家進行了多項聯合開發，實現了低成本全功能自動化，生產工時降低。

5.生產線實績

1.6L缸體加工生產線在設備安裝調試期間，對設備的加工精度和工程能力進行了確認。所有加工設備要求的工程能力都達到要求的1.33以上，精加工設備的加工精度基本都達到1.67以上。工程能力的計算全數OK。生產準備按照節點計劃順利完成，生產線各項設計指標都已經達成，生產12個月后OEE達到90%以上，無論是投資額、生產運行費用、單人產值，還是加工品質，都處在國內外本行業較高水平，實現了良好的社會效益和經濟效益。

與國內其他競爭對手比較，因缸體的設計不一，不一定有可比性。現與建線方式相近的一個中日合資企業為例比較我們的優缺點。我們都是以國內設備為主、輔以部分關鍵進口設備自行設計建線的，但兩家建線的側重點和理念是不同的。從兩條線的結果比較，我們的優勢如下：

（1）生產線人員較少，自動化程度較高，約為競爭企業的50%。這是因為我們全線輔機采用了低成本自動化、精加工設備，為避免缸體磕碰采用了全自動化設備。

（2）加工不良率低，若為競爭企業生產線的1/10，這表明生產線的質量穩定性較好。這是我們在設備式樣上采用了多項防錯新技術有關；另外，串聯工藝設計保證了加工條件的唯一性，每個項次都能呈標準的正態分布。

（3）生產線物流合理，缸體按設計順序流動，沒有中途下線，杜絕了漏序加工和重復投入；含浸設備也在線內，含浸后能盡快投入，含浸品的物流費用低；固定的物流方式也保證了在制品不會過大。

（4）員工勞動強度低。夾具及設備的設計使人的動作最少化，操作者無須進行夾具的清掃、缸體姿勢的變換、倒鐵屑等繁重的工作。

（5）運行成本低，刀具、直材、輔材消耗處于較低水平。缸體加工成本比競爭對手低25%。

當然，我們的生產線也有需要改進的地方，柔性不足：對同系列發動機有充分的柔性，但對不同系列發動機柔性較低。

本次工藝設計在我公司1.6L的生產中獲得成功，隨后MR的工藝開發中拷貝了該工藝方案。該生產線的工藝設計也引起了日產其他據點的矚目，今后日產在新興市場建設生產線時將，以該線作為標準。國內多個廠家建設新生產線時對我們的方案表示出極大興趣，紛紛表示要借鑒。