发动机机加工生产线工艺规划浅谈

发动机机械加工生产线工艺规划浅谈作者：杜文工作单位：吉利控股集团【摘要】随着国内汽车行业的迅猛发展，本文简单阐述了发动机机加线前期规划各种考虑因素，结合国内发动机机加线的发展趋势，简单介绍了刚性线和柔性线两种类型及各自优缺点，着重介绍各类柔性线的布置及特点，并对部分柔性机加线所存在的问题进行分析并提出相关解决措施。【关键词】发动机，机械加工，工艺规划，刚性线，柔性线，，，1前言发动机是汽车的核心，“得发动机者得天下”，发动机制造技术也是汽车制造技术的集中体现。一般所说的发动机加工主要是针对发动机箱体（缸体、缸盖）、曲轴、凸轮轴、连杆等5大件进行加工，其余部件外购，然后进行组装。然而对于一些中小型汽车厂家来说，受投资限制，加工5大件所需的投资费用实在太高，结合自身实力和市场销售情况，基本采用两种供应方式：一、放弃“核心”，不建发动机厂，所有发动机外购，减少投资；二、抓住“核心”，建立自己研发团队，自建发动机厂，自制关键部件，主要完成对发动机箱体的机械加工（曲轴、凸轮轴、连杆等委托相关专业厂家加工）及发动机总成的装配、磨合试验等任务。根据国内各发动机厂家现状，下面简单介绍一下国内发动机机加线前期规划及发展趋势。2发动机机械加工生产线前期规划发动机机械加工生产线（简称机加线）规划是一项系统性很强的工作，同时也是一门基于经验的学问，在实际操作中需要注意的问题很多。发动机制造技术的先进性并不是发动机项目实施和运作成功的必要条件。回顾身边的例子我们不难发现，发动机项目的成功很少是取决于它是否采用了某项新技术；而在实际生产过程中，也不会因为某把刀具的选择错误而导致整条生产线的失败。与之相反，很多失败的例子却是由于生产线选型失误、设备选择错误而造成的。由此可见，发动机机加线前期规划才是项目成功与否的关键。就在几年前，发动机机加线的选型主要是在刚性自动线和柔性CNC加工线之间的选择。选择刚性线或柔性线的主要考虑依据还是产量和产品的变化。通常大批量（一般年产量30万以上）且较成熟的产品采用刚性线，中小批量或产品潜在变化较大的选择柔性线。随着规划经验的丰富、规划水平的不断提高以及国际间合作的深入开展，许多汽车公司在选择发动机生产线类型时将更多的因素纳入到了需要考虑或权衡的范围内，并且渐渐地成为了比产量更为重要的决策依据。这些因素主要包括：今后产品及其品种发展规划；公司对生产线的柔性要求；生产线被改造的可能性；投资的限制以及公司人员对现有系统的熟悉程度等。刚柔生产线对比如下：柔性生产线（加工中心）刚性生产线（专机）生产批量适用于中等批量加工适用于大批量加工投资形式一次规划、分步实施基本一次投资到位投资风险相对较小相对较大适应品种变化能力较好较差生产线被改造可能性较灵活较困难设备维修简单困难运行成本较大较小设备开动率较低较高劳动生产率较低较高加工精度整体精度高关键尺寸专机精度高计划管理工作比较复杂比较简单对工人技术水平的能力较高可低生产线布置较短较长当前，随着我国汽车工业的迅猛发展和相关环境保护要求的提高，为适应市场需求，各企业都在加速发动机新技术的研发并对老产品进行改进，间接加快了产品的更新换代，同时也加大了对原有生产线技术改造的力度，以实现发动机机体等主要零件的多品种共线生产。如何实现发动机机体、缸盖等主要零件的多品种共线生产一直是发动机生产企业技术人员研究的一个课题。生产线被改造的可能性与产品的生命周期、市场预期发生变化和产品本身发生变化等决定了选择柔性线有着明显优势，并在业界内得到广泛的推广和应用，下面仅就柔性CNC加工中心生产线进行简单介绍。3柔性生产线类型目前，各汽车厂家广泛应用的柔性（CNC加工中心）生产线主要分为三种：规模相对较小的串行柔性线、规模相对较大的并行柔性线及最近几年新出现的专机式柔性线。3.1串行柔性线图1-1为年产10万缸盖生产线示意图，可以看到，CNC加工线分为A线和B线，分别由红色和粉红色两色圈示，所有加工中心的节拍是一致的。两线并联后再同中间的辅机串联成整条生产线。图1-1串行柔性线串行柔性线的每台CNC加工中心的加工内容是由整条生产线的节拍所确定的，如果没有复线的话，每台CNC设备的设计节拍都是一致的，加工内容必须安排在节拍内完成。为了提高加工中心的利用率，通常在串行柔性线中的CNC加工中心的节拍规划得比系统中的辅机慢一半，而使用CNC设备的复线来补足生产能力。串行柔性线是比较成熟的工艺规划模式，在国内应用较多，其主要特点是：1.零件在生产线中的流向相对比较简单，通常只有A线和B线的区别；零件的差异性较小，便于质量管理和跟踪；2.由于节拍的延长，CNC加工中心的利用率较高；3.便于实现手动上下料；4.在单台CNC加工中心发生故障时还能维持部分生产；5.如要实现零件追溯，则追溯系统的投入相对较少，追溯方法简单。现在许多中小汽车厂家倾向于投资自动线和柔性CNC加工中心组合的刚柔生产线。关键工序采用自动线，以保证加工精度和稳定性，而其它工序则采用CNC加工中心。这种方式也是属于柔性串行生产线的一种，在保证满足精度要求的前提下，最大程度地增加了柔性。在资金投入上，自动线一般是根据产量纲领一次投资到位，而CNC加工中心则根据产量的爬坡计划进行分期投入，降低了初期项目投资过大的风险。刚柔生产线可以充分发挥组合机床和加工中心的各自优势，实现了组合机床的高效率与加工中心柔性化的统一，主要特点如下：1.突出加工中心机床工序集中的优势，对同一平面上的所有孔都可以在刀库容量允许的范围内完成加工，不受工件孔距限制，每道工序可以选择最佳的切削参数，由于孔的坐标由计算机控制，孔的位置加工精度高于刚性自动线；2.增加数控回转台后，同一夹具可实现工件多方向加工，减少了夹具品种和夹具费用；3.应对产品改进的周期短，如增加加工工序可通过编程来实现，同样取消某个工序也可从加工程序中取消，十分方便；4.这种混线柔性生产线，突出了组合机床在加工气缸孔、主油道长孔、主轴承孔等特殊工序时的高精度、高效率的优势。随着高速、准高速加工中心和先进刀具的不断发展及其在大批量生产线中的广泛应用，刚柔结合的生产线以其适应能力强、生产效率高而成为工艺设计的发展方向，成为了新建生产线和对老生产线进行技术改造的主流思想。吉利发动机厂机加线除宁波发动机一厂为完全刚性线外，其余的都是采用刚柔结合的生产线（规模相对较小的串行半柔性线），因设计纲领都为10万台/年，基本都是采用“一次规划，分两次实施”（自动线根据产量纲领一次投资到位）。3.2并行柔性线如图1-2所示，整条线上大部分机床为CNC加工中心，A工位是5台加工中心，B工位是3台，C工位是5台，D工位是4台；整条线的节拍是一定的，同工位的加工中心加工内容一样，节拍也是相同的，但不同工位的加工中心的节拍不一定相同。为了尽可能多的安排加工内容，提高加工中心的利用率，其节拍应较长。图1-2并行柔性线组成单元组成并行柔性线的每台CNC加工中心的加工内容是由实际理想的加工步骤、定位夹紧方式等确定的，组成每道工序的加工中心的节拍并不完全相同。在确定每道工序的加工内容和节拍后，再根据整条生产线节拍的要求确定每道工序需要的CNC加工中心的数量。并行柔性线的主要特点是：1.单台CNC设备的故障对系统的开动率影响很小；2.由于单台设备的节拍不受限制，故加工工艺过程设计相对完美，CNC加工中心的利用率很高，投资相对较少；3.生产时如果对某机床进行调试，对产量的影响较小；4.与串行柔性线相比，可以通过增加单台CNC加工中心实现扩能，生产线分期投入的灵活性更大；5.便于随行托板的使用，进一步增加了生产的柔性，但手动上下料很难实现；6.零件在生产线中的流向十分复杂，排列组合的可能性很多，零件追溯系统十分复杂，增加了质量管理和跟踪的难度；近年来，随着微电子芯片和计算机技术的快速发展，扫除了零件追溯困难的障碍，使得并行柔性线越来越受到各汽车厂的青睐，特别是欧洲的厂商应用极多。值得一提的是这种并行柔性线特别适合一些加工工艺较简单，工序较少的工件，如变速器壳体、阀体等。3.3专机式柔性线专机式柔性线同加工中心与专机组合而成的刚柔生产线并不是一个概念，专机式柔性线最主要特点是采用的加工中心是专机式加工中心，其构造结合了自动线和加工中心的特点，将机床转化为一个独立的加工单元。消除了专机与加工中心之间的对立，弥补了专机和加工中心之间的鸿沟，是以加工中心和专机的组合形式来加工工件的一种新工艺。专机式加工中心用一个旋转的C轴来装夹工件，夹具与专机线或加工中心的类似。在夹具上的工件可以在X、Y、Z轴间作轴向移动，也可以作旋转。刀具主轴在夹具周围以U型布置，切削时工件向刀具运动。专机式加工中心的轴数比专机要少，使得它更简单、可靠。因为减少了换刀时间，生产能力要比加工中心高。它的初期投资和运转周期都要低一些。其它优点还包括占地面积小，减少库存、安装和公用设施费用和零件输送费用等。4目前发动机柔性生产线前期规划存在的问题由于受产品更新换代加速的压力，自2000年后，中国国内建设的发动机厂基本上都采用柔性或半柔性的加工方案，尤其最近建立的发动机厂柔性化水平高达80%。下面着重就国内发动机柔性生产线的建设及水平等方面进行分析。4.1投资时间难以把握一个发动机项目从规划到投产至少需要一年半到两年时间，随着目前发动机新技术的不断推广，各企业研发进程普遍加快，何时投资建厂成了最初研究讨论的重要话题。为减少投资风险，部分企业在新产品定型后，根据目前市场需求及相关预测信息，结合自身实力一切考虑周全后才正式启动建厂项目；有些企业为抢占先机，尽早赢得市场，采取提前建厂与研发保持同步的措施。两者各有优缺点，前者投资风险较小，前期规划工作相对来说较容易，但是由于发动机新技术更新普及较快，市场需求也时刻在变化，等新产品定型后再投资建厂则可能跟不上市场需求的步伐，很有可能在新产品刚投产没多长时间，便面临着淘汰的危机。后者抢占市场的几率较高，但是风险也相对较大。由于新产品还未完全定型，后期市场需求也并不明确，研发和建厂也很难做到真正同步，这就给早期的规划工作带来很多困难。身边也有过建厂与研发同步，最后产品虽然研发成功，但与新车型不匹配，造成巨大的投资浪费的案例。不管何时下手，公司在经营上都要求生产线具有相当的柔性，以便在市场突变时能够以最快的速度响应这种变