現(xiàn)代汽車發(fā)動機最新制造技術(shù)

　　近年來，中國汽車發(fā)動機制造工藝和技術(shù)，尤其是機加 工技術(shù)取得了長足的進步與發(fā)展。為促進其進一步提高，由中國汽車工業(yè)咨詢委員會和《汽車與配件》雜志主辦、上海市汽車工程學(xué)會和同濟大學(xué)汽車工程學(xué)院協(xié)辦的“2005年汽車伙發(fā)動機工藝與裝備（第十二屆）國際研討會”于2005年12月7-8日在上海綠洲大廈舉行。研討會內(nèi)容涉及現(xiàn)代發(fā)動機技術(shù)發(fā)展趨勢、發(fā)動機及其關(guān)鍵零部件最新制造技術(shù)和應(yīng)用、發(fā)動機工廠精益設(shè)計3方面。主要報告內(nèi)容如下�，F(xiàn)代汽車發(fā)動機產(chǎn)品技術(shù)動向 節(jié)能和環(huán)保是現(xiàn)代汽車發(fā)動機產(chǎn)品技術(shù)動向的主旋律。同濟大學(xué)汽車工程學(xué)院錢人一教授在報告中論述了節(jié)能與環(huán)保的途徑，在此基礎(chǔ)上對發(fā)動機整機技術(shù)進行了掃描；重點論述了汽油機三大核心技術(shù)（可變氣門、汽油直噴和縮小排量）以及柴油機核心技術(shù)（高壓噴射、尾氣后處理及增壓）；簡要介紹了兼汽油機和柴油機優(yōu)點的燃燒方法HCCI;最后，以鋁合金氣缸體、組合式凸輪軸和連桿工藝為代表，簡述了現(xiàn)代發(fā)動機零部件技術(shù)的發(fā)展動向。

　　現(xiàn)代汽車發(fā)動機裝備線的發(fā)展動向

　　柯馬（COMAU）公司動力總成事業(yè)部裝配線技術(shù)方案經(jīng)理Maurizio Sciamanda先生在報告中通過大量成功案例的介紹，從以下5個方面闡述了裝配線的發(fā)展方向。 

a.裝配線最合理的平面布置。

b.裝配線的質(zhì)量保證。 

c.多品種混流生產(chǎn)線。

d.裝配線的自動化程度。

e.裝配線上的防錯裝置。生產(chǎn)線上的發(fā)動機測試技術(shù)

　　柯馬公司動力總成事業(yè)部發(fā)動機／變速器試驗技術(shù)經(jīng)理Michael Christie在報告中講到，許多發(fā)動機制造缺陷只能通過在線測試或在線驗證技術(shù)檢查出來。雖然下線測試也很重要，但通過在線測試可增強其質(zhì)量控制水平。故障發(fā)現(xiàn)得越早，它所造成的損失就越小。采用在線測試技術(shù)可以實現(xiàn)對制造缺陷的最大限度的追溯能力。

發(fā)動機冷試驗的目的是在裝配線的最后對發(fā)動機的制造和裝配質(zhì)量進行驗證測試。冷試時，發(fā)動機在不點火燃燒 的情況下在電機的拖動下進行測試，此時發(fā)動機并不按照實際使用的方式進行工作。冷試是用在發(fā)動機生產(chǎn)制造工程中的質(zhì)量控制手段，具有對發(fā)動機產(chǎn)品的相關(guān)性和發(fā)動機缺陷故障檢查功能。

　　發(fā)動機熱試驗重點介紹了測試項目、典型的發(fā)動機測試間規(guī)劃、控制和數(shù)據(jù)采集等。最后，還講了發(fā)動機測試的發(fā)展趨勢。汽油機和小型柴油機測試將向著消除和大幅度減少熱試的方向發(fā)展，更加強調(diào)生產(chǎn)過程中的在線測試，使用冷試技術(shù)來提高發(fā)動機產(chǎn)品在熱試中的一次通過率。

　　連桿激光裂解工藝

　　德國克勞斯-毛瑟（KRAUSE&MAUSER）公司高級銷售經(jīng)理M.B.Schauerte先生就連桿激光裂解工藝作了專題演講。無法精確地加工零件分離后的表面并組合一直是人們難以克服的問題，直到發(fā)明了裂解這種工藝方法，使得精確吻合及螺栓擰緊兩裂解面成為可能。德國克勞斯-毛瑟集團長期以來始終堅持不懈地研究裂解技術(shù)。1995年，應(yīng)用于連桿加工的革命性的激光裂解技術(shù)開始應(yīng)用于歐洲市場。精確的激光刻痕及裂解力，使得精細(xì)的裂解面能夠完美的組裝到一起。漲斷技術(shù)極大地降低了成本并減少了50%的加工工序。與傳統(tǒng)方法相比，機床投資低，材料成本低（僅1個毛坯），整個工藝的加工準(zhǔn)備時間短。激光最大的優(yōu)點在于不需接觸材料表面即可進行加工。與拉削相比，激光不必接觸工件就能為裂解工藝刻出所需的裂解線，因此沒有任何道具的磨損，生產(chǎn)工藝的重復(fù)性和穩(wěn)定性非常高。另外，激光非常靈活，使用同一個激光器即能對各種各樣的連桿進行最佳的切口加工。拉刀的壽命大約為400件，而激光光學(xué)透鏡的壽命可高達100萬件。

　　創(chuàng)新的曲軸磨削技術(shù)

　　德國埃爾溫勇克機器制造有限公司（JUNKER）執(zhí)行總裁努義士先生在報告中介紹到，傳統(tǒng)曲軸軸頸的磨削往往是先磨削主軸頸（連桿頸），再磨削連桿頸（主軸頸），最后磨削大小頭等。而勇克機床的理念是“一次裝夾，全部加工”。其優(yōu)點如下：工藝可靠性高；工件搬運次數(shù)少；節(jié)拍縮短；無需多次裝夾，因此可以獲得更高的加工質(zhì)量；停機時間短（如果某一單元出現(xiàn)故障，所有加工不會由此中斷）。勇克高速磨削中砂輪的安裝采用的是專利技術(shù)—三點固定系統(tǒng)（如圖1)。

圖1 三點固定系統(tǒng)

　　勇克公司JUCRANK系列機型的擺動跟蹤磨床為曲軸的整體加工提供了全面的解決方案。各種型號的磨床適用于從單氣缸發(fā)動機到12氣缸發(fā)動機的所有型號的曲軸加工。根據(jù)加工方式和要求的產(chǎn)量，每一種型號的JUCRANK磨床都設(shè)計并安裝有各具特色的平臺和砂輪架。JUCRANK擺動跟蹤磨床幾乎可以完成曲軸加工過程中的所有磨削工序，主軸頸（圓柱形、凹面、凸面）和連桿軸頸（圓柱形、球面、凹面、凸面）只需一次裝夾就可以磨削完畢（如圖2)。對硬化處理過的圓角也可以進行磨削加工。此外，在工藝上，勇克公司的供貨范圍還包括了與其他磨削加工方式的任意組合。不同的機型與其他勇克機床組合，可以加工定位軸頸、法蘭及齒輪軸頸。

圖2 擺動跟蹤磨削原理和可磨削的軸頸形狀

　　勇克公司的曲軸磨床在技術(shù)上的主要優(yōu)勢：在加工過程中檢測并修正軸頸圓度和尺寸；帶有“學(xué)習(xí)功能”的控制系統(tǒng)，附加對圓度偏差和干擾量的自動補償，可進行補償?shù)母蓴_量是溫度、機械及動力影響，磨削余量的變化，材料以及金相結(jié)構(gòu)的變化，砂輪的可切削性，機床的磨損狀況；由于磨削主軸頸和連桿軸頸一次裝夾，理論上的偏差為零；切人式磨削及擺動式磨削；對“敏感工件”的支撐，在主軸上采用自動對中心的三點式中心架CNC控制的冷卻劑供給保障了磨削區(qū)域的持久用量；采用靜壓圓型導(dǎo)軌，無爬行效應(yīng)，確保持久的高精確度（X軸導(dǎo)軌、進給絲杠、止推軸承）；減振抗扭轉(zhuǎn)床身，使用礦物鑄鐵澆注而成，具有良好的吸振抗彎功能；砂輪軸適用于高達140 m/s的磨削。

　　圖3是JUCRANK 6000/50-50型數(shù)控曲軸磨床。該磨床具有4片CBN砂輪，每片均可獨立磨削，一次裝夾可磨削全部主軸頸和連桿頸（擺動跟蹤磨削）。

　　實現(xiàn)柔性加工和工藝的替代方法

　　德國BOEHRINGER公司代表梁敏女士講解了通過曲軸加工線的交鑰匙工程實現(xiàn)柔性加工和工藝的替代方法。以四拐曲軸為例，設(shè)計生產(chǎn)綱領(lǐng)為15萬件／年，生產(chǎn)線布置如圖4。典型工序的技術(shù)特點如下。

　　OP10序：柔性加工—車長度并鉆中心孔。該工序預(yù)車下道工序的裝夾直徑，備有適應(yīng)不同工件的柔性夾具，具有效率高、機床維護成本低等特點。

　　OP20序：柔性加工—軸頸的車-車?yán)�加工（如圖5）。該工序一次設(shè)定完成所有同心圓的車削，具有在同一臺機床上完成車-車?yán)�（車�?cè)端面）加工、效率高、通過使用特殊卡盤和刀具系統(tǒng)實現(xiàn)柔性加工、機床保養(yǎng)簡便，維護成本低等特點。其中，拉削工藝逐步可用高效的梳刀代替。

　　OP30序：柔性加工-連桿頸的高速外銑（如圖6）。本工序使用設(shè)備是德國BOEHRINGER公司專為汽車發(fā)動機曲軸設(shè)計制造的柔性數(shù)控銑床。該設(shè)備應(yīng)用工件回轉(zhuǎn)和銑刀進給伺服連動控制技術(shù)，可以一次裝夾不改變曲軸回轉(zhuǎn)中心隨動跟蹤銑削曲軸的連桿軸頸，銑削效率相當(dāng)高。

連桿頸的高速外銑

　　OP50序：柔性加工＋工藝替代（曲軸止推面精車滾壓工藝）。該工序具有滾壓拋光止推面并在線測量、滾壓拋光代替磨削加工、可同時進行車削加工、在刀盤上裝有滾壓拋光裝置等特點，因而可獲得更高精度。該工序使用的設(shè)備是德國赫根塞特（HEGENSCHEID）的曲軸止推面車滾專機。

　　曲軸平衡技術(shù)和質(zhì)量定心技術(shù)

德國申克公司北京代表處郭衛(wèi)建先生通過對曲軸動平衡技術(shù)和平衡設(shè)備的講解闡述了以下問題。

曲車由平衡的新趨勢

a.減少曲軸的初始不平衡量，充分考慮曲軸的內(nèi)部質(zhì)量補償（采取質(zhì)量定心等）。

b.采用不平衡量優(yōu)化分解方法，盡可能減少校正不平衡量．時的材料去除量。

c.平衡機采用模塊化設(shè)計，提高柔性。

d.鉆削采用高速鉆削。

e.潤滑采用MOL（微量油潤滑方式）技術(shù)。

　　曲軸內(nèi)部質(zhì)量補償對發(fā)動機運行的影響

a.曲軸不平衡量與質(zhì)量定心工藝及加工程度的關(guān)系。

　　鉆質(zhì)量中心孔的曲軸，隨著加工程度的深人，曲軸的不平衡量呈上升趨勢，上升程度的大小與毛坯質(zhì)量有主要關(guān)系，毛坯質(zhì)量越差（彎曲），上升趨勢越大，甚至報廢。

鉆幾何中心孔的曲軸，隨著加工程度的深人，曲軸的不平衡量呈下降趨勢，如果毛坯質(zhì)量很差（彎曲），經(jīng)粗加工后大部分曲軸被淘汰。

b.曲軸質(zhì)量中心孔和幾何中心孔的選用。

　　毛坯質(zhì)量好，加工余量小且加工余量分布均勻。這時，曲軸的質(zhì)量中心孔與幾何中心孔基本重合，不必花費較高的經(jīng)費購置質(zhì)量定心設(shè)備。

　　毛坯質(zhì)量較差，加工余量大且分布不均勻，擇優(yōu)先選用質(zhì)量中心孔。因初始不平衡量較大，如果鉆幾何中心孔，質(zhì)量分布不均勻，轉(zhuǎn)動慣量較大，損壞后續(xù)加工設(shè)備精度。再者，采用幾何中心孔，在進行動平衡時，初始不平衡量可能超出平衡機要求而無法平衡。在這種情況下，應(yīng)優(yōu)先選用質(zhì)量定心機。

　　毛坯質(zhì)量如果再差，則無論是鉆質(zhì)量中心孔還是鉆幾何中心孔都不會起到多大的作用，通過銑曲臂等措施達到整體平衡實際是不合格的（單拐不平衡），是一種假象。這種曲軸裝機后會重新產(chǎn)生扭曲變形，引起振動和噪聲，也影響整機的壽命。

　　由此可知，提高產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵是提高毛坯的質(zhì)量。

　　全自動曲軸質(zhì)量定心機的工作原理

　　曲軸放置在兩端滑動單元法蘭盤的支撐上并被夾緊，法蘭盤回轉(zhuǎn)中心形成測量中心線�；剞D(zhuǎn)過程中，支撐的位置，即曲軸的位置不斷調(diào)整，使質(zhì)量中心線靠近回轉(zhuǎn)中心線。當(dāng)曲軸毛坯不平衡量很小接近設(shè)定值時，鉆削單元鉆中心孔。此中心孔作為后續(xù)加工步驟的定位基準(zhǔn)。

　　裝配式凸輪軸制造工藝

　　上海通用制造工程師祁欣先生在報告中介紹到，裝配式凸輪軸制造越來越廣泛地應(yīng)用在凸輪軸加工中，它的顯著特點是凸輪軸總質(zhì)量較輕、強度高、工藝流程短、工件報廢率較低和柔性化生產(chǎn)。

　　裝配式凸輪軸制造加工有以下工藝特點。

a．省略了毛坯件的粗加工，工藝流程簡單。裝配式凸輪軸的各個裝配部件余量小，精度高，不必像傳統(tǒng)凸輪軸那樣要從毛坯件（鑄件或鍛件）開始進行大量的毛坯粗加工，只需在裝配后進行半精加工和精加工，從而縮短了整個工藝流程。

b.加工余量小，便于高效率生產(chǎn)。各精鑄部件使得加工余量小，設(shè)備加工單件時間短，產(chǎn)能大，有利于規(guī)�；�生產(chǎn)。比如，凸輪塊按最終形狀精鑄減少了磨削余量，從而縮短了磨削時間。

c.不同部件可以使用不同材料以提高產(chǎn)品性能和加工性能。產(chǎn)品對于不同部件（軸頸、凸輪塊、齒輪）有著不同的性能要求，裝配式凸輪軸可以在不同部件上采用不同材料，比如凸輪使用粉末冶金，齒坯使用鑄鐵，這將有利于優(yōu)化產(chǎn)品性能要求，也可以根據(jù)情況改善凸輪軸加工性能和優(yōu)化成本。

d.適應(yīng)產(chǎn)品多品種柔性化的要求。通過更換不同的主軸頸和磨削不同的凸輪型線，即可生產(chǎn)出多品種的曲軸。

　　曲軸在線質(zhì)量控制

　　上海通用制造工程師Scott Hacker博士在報告中介紹了上海通用汽車公司曲軸生產(chǎn)線加工工藝流程。曲軸是保證發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)的核心部件，產(chǎn)品設(shè)計對軸頸的外徑及圓度有很高的要求，公差通�？刂圃�0.002~0.005 mm以內(nèi)，止推面寬度公差要求通常在0.005 mm以內(nèi)，并且這些尺寸是曲軸整體加工中最關(guān)鍵的因素，要一求不斷改進。

Scott Hacker,博士在講到加工質(zhì)量，的控制時介紹了以下幾種常用質(zhì)量控制方法。

a.加工后的在線測量。用于驗證零件加工后的質(zhì)量，通常串聯(lián)于生產(chǎn)線中，100％檢測工件并發(fā)現(xiàn)不合格品。

b.加工過程中的在線測量。實現(xiàn)對加工尺寸的實時控制，可防止制造出不合格品。

c.離抽樣檢測。由操作工完成檢測工作，但一般不用此類方式對設(shè)備進行補償。適用于按照控制計劃進行抽檢，確保加工質(zhì)量的穩(wěn)定。

　　Scott Hacker博士還介紹了精車在線測量儀主要特點及對產(chǎn)品產(chǎn)量的影響：可利用短期設(shè)備能力分析的方法完成設(shè)備能力的驗收工作，在設(shè)備調(diào)試初期，并不一定需要使用在線反饋系統(tǒng)來制造合格工件。使用檢測數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)，可以解決一些統(tǒng)計學(xué)無法解決的問題，例如換刀所造成的誤差、斷刀情況等。精車在線測量儀是單獨的工位串聯(lián)在生產(chǎn)線中，測量時間短于加工節(jié)拍，所以對生產(chǎn)能力沒有影響。根據(jù)產(chǎn)量的需求，生產(chǎn)線可能需要設(shè)置兩臺或以上的機床，但1臺在線測量儀足以滿足生產(chǎn)節(jié)拍的需要。精車在線測量儀還有在換刀和刀具磨損狀態(tài)下的自動反饋系統(tǒng)，對加工誤差自動補償。

　　磨削在線測量的作用主要是精密控制曲軸軸頸的磨削尺寸，是有效的防錯裝置。在精磨時測頭進給，跟蹤記錄外徑尺寸的變化。主軸頸多砂輪磨床通常同時使用兩套測量儀，分別控制曲軸前后兩端的兩個主軸頸，連桿頸磨床測量儀控制每檔連桿頸的磨削尺寸。拋光在線測量的主要特點：第一道工序粗拋，適用在線測量儀控制拋光尺寸；第二道工序精拋，目的是降低表面粗糙度。