汽车发动机零部件的柔性化生产

汽车发动机零部件的柔性化生产 作者：李如松 在十多年前，要用加工中心来替代自动线还是难于办到的事，然而在今天，这种替代已成了现实。在上世纪80年代末和90年代初，像轿车发动机这样的大批量生产领域，采用的加工设备主要还是自动线和组合机床。例如德国大众汽车厂在Salzgitter的发动机生产厂里，生产包括样机在内的（1~2.8）升排量的四缸、五缸和六缸发动机，采用的加工设备，自动线就占了60%，组合机床和加工中心各占了20%。然而就在这几年中，众多机床厂充分利用在刀具技术和驱动技术等方面取得的巨大进步，在90年代初兴起高速加工和开发出高速加工中心，显著提高了加工中心的生产效率。与此同时，由于经济的全球化和需求的个性化，促使产品品种日益增多，设备的柔性成了决择加工设备的重要因素。在这样的技术和市场情况下，于是高速加工中心在90年代中期就开始进入大批量生产领域，打破了自动线和组合机床在这些领域里的垄断地位。

目前，在汽车发动机的缸盖、缸体、变速箱体和离合器壳等箱体件的加工中，由高速加工中心组成的柔性生产线已大部分替代了自动线、高速加工中心已成为汽车发动机箱体件加工的主要设备。

加工中心和自动线是两种不同类型的机床，最初，它们有着不同的应用领域，它们之间并不存在着竞争。技术的进步和市场的变化，推动了自动线的柔性化和加工中心的高速化发展。致使这两种不同类型机床的应用领域彼此接近和相互重叠，生产率和柔性这两个特征参数之间的矛盾渐渐在消失。

目前，在中、大批量生产领域有些工件的加工完全可以采用高速加工中心来实现。而对于一些需采用复杂刀具又需机床配合的工件加工，则愈来愈多地转向采用模块化的生产系统，在这样的生产系统中，可以根据具体的加工任务来集成加工中心和自动线及组合机床，以便充分地利用自动线和加工中心各自的优点。

自动线的柔性化及其特点 为适应不断增加的变型品种的生产，在70年代末和80年代初，众多组合机床制造厂家相继利用NC技术开发出了柔性自动线用的各种不同类型的数控加工模块。这些加工模块按其运动坐标数，有单坐标、双坐标和三坐标模块；按其主轴数，有单主轴和多主轴模块（转塔式多轴加工模块）。由于这些模块是数控的，因此，当柔性自动线由加工变型品种中的一种工件转向加工另一种工件时，可通过改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多轴箱和自动改变加工行程以及自动改变工作循环、切削用量和加工位置等，以适应变型多品种加工。

图1所示是一条加工载重卡车八种变速箱体的柔性自动线。该线采用了四台双坐标数控铣削模块，六台数控转塔式多轴加工模块和六台立柱移动式三坐标加工模块，辅助工位有清洗工位和采用机器人进行操作的装夹工作站。当由一种工件的加工转换为另一种工件的加工时，只须通过夹具上的编码来调用所要加工工件的数控程序、所需的刀具和加工参数，而无需进行机械等方面的手动调整。

图1：加工变速箱体的柔性自动线 （德国Chemnitz机械研究所）

柔性自动线与刚性自动线一样，也是一种刚性连接的多工位自动化加工设备，柔性自动线所加工的变型品种在工件的几何形状和加工工艺上必须高度相似，并且这些工件在自动线设计时应该是确定了的，因此，柔性自动线的柔性还是有限的。由于柔性自动线上所有的加工工位之间是互补关系，所以当自动线上某一台机床发生故障时，就会造成全线停顿，致使设备利用率下降，即使在最好情况下，自动线的利用率也仅为70%。

目前，例如在汽车工业中，像发动机的缸体、缸盖和变速箱体不仅品种多，而且在6年左右的时间里，往往会被新的产品所替代，这就要求加工设备不仅要适应已确定的变型品种的加工，而且还要求能适应尚未确定，而今后有待发展的工件的加工。显然，柔性自动线由于其结构上的特点，就难于满足这样的要求了。

加工中心的高速化 在80年代初，加工中心主轴的最高转速还仅为4000r/min，最高轴移动速度约为20 m/min。但在随后的（7～8）年中，由于驱动、主轴轴承和控制等技术的长足进步，促使高速加工中心问世。目前，高速加工中心的主轴转速已普遍达到（15000 ～24000）r/min，轴加速度达（1～2）g，轴移动速度达到（80～120）m/min，两次切削间的间隔时间（切屑到切屑的时间）达（2.6～4.6）秒。这样，使得这类加工中心可以采用高效刀具以很高的切削速度和进给速度进行高效加工，大大缩短了基本时间。如粗镗直径为86mm、深度135mm的灰铸铁缸体的缸孔，加工时间仅1.8秒（进给速度达4500mm/min）；钻铣铝合金离合器壳上M16 ×1.5深22mm的螺纹孔也只需1.2秒。

由于高速加工中心轴加速度和移动速度的提高，同样也缩短了辅助时间，然而，目前对于大多数加工任务来说，辅助时间占加工流程时间的份额可达（50～70）%，这样高份额的辅助时间主要是由换刀过程（刀具退出加工部位——主轴停在规定的角度位置——主轴移到换刀位置——换刀(或许进行刀具的自动检验)——刀库移动（直接换刀）或机械手进行换刀运动——吹净刀柄——拉紧刀柄——主轴启动到工作转速——主轴刀具重新进行切削加工）产生的，由此可见，减少换刀次数是缩短辅助时间的重要途径。特别是在中、大批量的生产中，高速加工中心通常可以采用多工件夹具（在多面体夹具上装夹多个相同的工件）、复合刀具（将多个不同的加工工序集中在一把刀具上）和多功能刀具（用一把刀具实现多种工序的加工）来减少换刀次数，从而缩短辅助时间。基本时间和辅助时间的显著缩短使高速加工中心在生产效率方面达到了组合机床和自动线那样的高水平，为高速加工中心进入大批量生产领域创造了条件。

柔性生产线和混合生产系统 目前，汽车发动机的缸体、缸盖和离合器壳的加工已普遍采用柔性生产线（由高速加工中心组成）和混合生产系统（由高速加工中心和自动线组成），按目前的技术水平，采用混合生产系统加工缸盖年最佳加工件数可达（30～35）万件，采用柔性生产线加工离合器壳的年最佳加工件数达（35～40）万件（图2和图3）。

图2：用柔性生产线（XHC241高速加工中心）和自动线加工离合器壳的单件费用比较。 （绿色区表示采用高速加工中心是合适的；红色区表示采用自动线是合适的）

图3：加工离合器壳的高速加工中心和自动线在投资费用方面的比较 柔性生产线是由若干台高速加工中心通过按一定方向传递工件的输送系统连接而成，输送系统往往采用滚动输送带实现工件的连续输送，输送带同时起到工件的中间贮存作用，这有利于提高机床的利用率。在生产线上高速加工中心按预定的生产工艺流程依次进行排列，在每个加工单元上至少安排两台可实现互替的同一规格和型号的高速加工中心进行平行加工，这样，当某一台加工中心出现故障而停机时，另一台加工中心仍可继续进行加工，由此避免造成整个生产线的停顿。因此，这种柔性生产线的利用率可高达（90～95）%。

柔性生产线的模块化结构和成倍的加工设备配置，使生产线可实现分阶段投建。因为对新产品年销售量的预测往往不一定正确，因此对于首次投产的系统用户可以不急于进行大量设备投资，今后还可以根据市场对产品需求的增加而相应扩充生产线的规模，这无疑有利于提高投资的经济效益。然而，自动线则与此相反，在项目确定时，其设备的规模和其总投资就确定了。

工件的加工，无疑要选择最合适的机床型式，根据具体的加工任务，通过柔性生产线和自动线的组合就能充分发挥高速加工中心和组合机床各自的优点，以最合理的加工工艺确保工件的加工精度和加工效率。这种由高速加工中心和自动线组成的混合生产系统主要用于加工发动机的缸体（曲轴箱）和缸盖。缸体上的主轴承孔、缸盖上的气门阀座和导管孔以及凸轮轴孔不仅孔本身的精度要求很高（H6），而且相邻孔的位置精度要求也很高（如凸轮轴孔相临孔同轴度＜0.02mm，气门阀座和导管孔的同轴度，汽油发动机＜0.025mm，柴油发动机＜0.015mm），所以加工主轴孔和凸轮轴孔，通常要采用具有导向的专用长镗杆，而气门阀座和导管孔则要采用致动受控刀具进行加工。很显然，组合机床要比高速加工中心更适合于采用这样的工艺和刀具来进行加工。

加工气门阀座和导管孔以及凸轮轴孔均采用了自动线进行加工，而加工中心用来加工缸盖的其它部位。加工中心的数量可根据市场对产品的需求量的增加而进行扩充，采用的高速加工中心都是一种型号和规格的XHC241。这样做，有利于提高使用的经济性，因为，这些加工中心具有类似的操作、保养和修理，减少了备件，从而简化了组织管理。

前些年，我国一汽集团（FAW）无锡柴油机厂从德国Grob机床制造厂引进的缸体和缸盖（载重汽厂发动机）两条生产线，就是属于加工中心和组合机床混合配置的生产系统，从这里可以看出，在载重汽车的柴油机行业，过去传统由组合机床承担的一些加工任务，也愈来愈多地由加工中心来完成了。

高速加工中心有很好的应用前景 对于汽车的中、大批量生产，在生产技术的目标和任务方面主要体现在高的生产率、高的柔性、高的质量和低的单件费用四个基本要求上。在目前，在满足这几项要求方面，自动线和高速加工中心的主要差异是在柔性上，而在生产中对于柔性的要求主要基于下列不同的理由：

◆ 适应产量（如产量提高某一数量级） ◆ 对已知工件变型品种的适应能力 ◆ 对将来未知的而今后要加工的工件变型品种的适应能力

显然，高速加工中心和由它组成的柔性生产线能很好满足这些方面的要求。在目前，组合机床在实现某些加工工艺方面还具有优势，但是，在工件的综合加工上由高速加工中心完全来替代组合机床的发展趋向仍将继续下去。例如，像德国Makino机床制造厂在其最近开发的配备有提升换刀系统和专用刀库的J4M高速加工中心上，通过采用静压导向的镗杆加工主轴孔和凸轮轴孔和通过采用CNC-U轴控制的专用刀具加工气门座圈和导管孔，取得了良好效果。从而用加工中心替代组合机床对缸体和缸盖的加工无疑是一个良好的开端。由此可以预测，随着刀具和加工工艺的进一步开发以及加工中心结构的完善，用高速加工中心在更大范围内替代自动线还将有进一步的发展。