发动机制造业在产品设计、制造工艺和生产管理等方面都进行了一系列的变革,发动机制造业已经不是传统意义上的机械加工制造,而是集机械、电子、信息、材料、激光和管理等学科新兴技术于一体的新兴工业。发动机零部件及其设计与制造过程的优质、高效、低耗、清洁、灵活已成为提高产品竞争力的唯一途径,在此,我们仅从设计技术、生产工艺和加工装备等方面作一些探讨。
1 产品设计和研发
现代发动机及其零部件的设计主要围绕产品轻量化和加工简单化进行。比如,为了减轻重量,缸体零件大多采用铝合金材料替代铸铁材料,宝马公司甚至采用铝续合金材料进一步减轻重量,即用铝合金制作缸套和水套,用钱合金制造缸体泊道和结合面等,这种内铝外族的复合缸体,集铝与缕的优点于一体,既有铝的高抗腐蚀性能又有缕的减重效果。另外,为了减轻重量,并且使生产柔性化,凸轮轴设计成装配式凸轮轴,这种凸轮袖是将凸轮和轴分开制造,凸轮采用碳钢或粉末冶金,轴则采用冷拔薄壁无缝钢管,然后通过焊接的方法或者烧结的方法,或者机械的方法将凸轮和轴牢固地连接在一起,装配式凸轮轴不仅材料利用合理、重量轻,而且加工简单、生产柔性好。
发动机制造业在设计手段上也有着明显的跨越,已从而为平面设计发展成三维空间设计,Pro/E,UG等软件的使用日益普及,宝马公司生产的铝钱合金缸体的主维立体造型,这种计算机三维造型设计提高了设计精度,极大地减少了模具的成本,大大缩短了设计周期,节省了大量的资金。在产品研发上,广泛应用有限元方对发动机关键零部件进行设计,一些公司甚至采用CFD(computational fluid dynamics)软件进行研究,进一步提高发动机的性能。
2 工艺改进和优化
发动机关键零部件的生产有很多采用了先进的加工工艺,优化了工艺流程。比如,缸体珩磨中采用激光珩磨技术,加工工艺是粗珩、激光珩磨和精珩,首先通过粗珩加工出对气缸壁进行造型的原始表面,然后利用激光加工出预定的表面网纹结构,最后配精珩去除激光加工所产生的毛刺。该技术把激光技术与珩磨技术相结合,能在缸壁上形成理想的摩擦刷表面微观形貌,从而使发动机降低磨损、减少油耗、降低排放。
连杆的生产,传统的加工方法是通过锯、铣等方法将留有切断余量的连杆锻件分离成连杆盖和连杆提,再通过樘、铣、磨等多种加工方法分别加工连杆盖连杆体,最后装配而成。这种加工方法工序多而复杂,尤其是连杆盖和连杆体的结合面以及螺栓孔的装配和定位要求,使结合面和螺栓孔的精度要求非常高,需要多道工序才能完成,加工难度大。而连杆胀断工艺是连杆加工领域中先进的制造技术,该技术首先在连杆大头孔内侧用拉刀对称加工2条"V"型槽,或用激光割槽,形成初始裂纹源,然后用楔铁将连杆沿初始裂纹胀断分离成连杆体和连抨盖,最后将连忏体和连杆盖精确复位,并采用定扭矩上螺栓法使连杆体和逗杯盖紧密连接,以进行后续加工工序。这种工艺中,连杆结合面无需再进行机械加工,同时也简化了传统螺栓孔的结构设计和整体加工工艺,降低了加工精度要求。可见,连抨胀断工艺通过断裂面的精确啃合,取代了传统加工方法中连杆体和连杆盖结合回复杂的机械加工,简化了螺栓孔的结构并降低其加工精度,从而大大提高了生产效率,降低了生产成本,减少了加工工序和设备。
曲轴是发动机生产中最难加工的零件,传统的加工方法主要通过租车、精车、粗磨、半精磨和精磨等方法,这种加工方法曲轴的变形量大,工序繁多,质量稳定性差。现代加工新技术对曲轴中心孔的加工采用质量定心,而不是几何定心,这使得后续加工过程中曲轴的不平衡量大大减少。粗加工采用数控内镜或者车拉工艺,所谓数控内镜是将曲轴轴颈置于内锐刀盘内,并保持静止不动。内锐刀在CNC控制下绕工件做内切圆旋转一周,完成一个轴颈的加工。车拉工艺是曲轴高速旋转,拉刀沿垂直于曲轴轴线方向作直线运动(直线形刀具〉或旋转运动(盘形刀具),即刀具与工件以外切线或外切圆的方式加工。这种粗加工新技术能使工序质量达到原来租磨后的水平,且切削变形小、效率高,先进技术生产的曲轴精加工采用数控磨削,超精加工采用数控抛光等数控技术。另外,由于曲轴工作时的受力情况非常复杂,为了改善曲轴的工作性能,制造上常采用在轴颈圆角处滚压的方法使这些危险截面产生残余压应力,以此部分抵消工作时将产生的拉应力。由于曲轴在加工过程中会产生弯曲变形,后续工艺还要对此进行检验和校直,传统的方法是采用压力校直,先进的加工技术已经将曲轴滚压和校直2道工序综合在1台滚压校直一体化设备上实现。它首先对曲轴进行圆角滚压强化,然后通过在线检测,获得曲轴的变形规律,再针对曲轴变形的具体情况,在计算机专家系统指导下,用适当的压力在曲铀的圆角处进行滚压,使之产生与原变形方向相反的变形,从而达到校直的目的。采用这种先进的工艺方法,不仅进一步提高了生产效率,而且使工件的被校部位得到了强化,从而提高了曲铀的整体强度和可靠性。
3 装备提升和管理
以前,发动机的生产线基本上是由普通机床、组合机床和专用机床组成的刚性生产线,现在,刚性生产线向柔性生产线发展,越来越多的数控机床、加工中心被用于生产,这些高效和高性能的加工装备为快速生产高质量的发动机零部件提供了基础,如缸体、缸盖的加工引进了高速卧式加工中心组成的柔性生产线,曲铀加工设备中采用曲轴车-车拉机床、数控曲轴内镜或外镜床、数控曲轴磨床、数控砂带抛光机等。凸轮轴加工设备中使用凸轮轴数控车床,连杆加工设备中使用数控双端面磨床等。
加工装备的技术力量决定了企业的整体技术水平和发展后劲,只有高质量的设备才能制造出高质量的零部件。奇瑞汽车发动机厂的生产车间,该车间由9条国际先进的生产线和200台数控设备的加工中心(CNC)组成,这些装备均由内部工业网络联接在一起,形成生产与管理的网络监控系统,可以对生产过程进行跟踪监控,对每台设备进行程序管理和刀具管理等,并且还可以通过INTERNET进行远程诊断监控,全方位的进行发动机生产过程的控制。
4 结语
随着现代高新技术在生产中的综合利用,发动机制造业上的先进技术还有很多,如零件表面处理技术、精密成形技术、精益生产及其管理模式等。这些新技术的应用使得发动机制造业朝着生产过程柔性化、敏捷化、智能化和信息化方向发展,未来的发动机制造业必将是采用先进生产模式、先进制造系统、先进制造技术和先进组织管理方式的全新制造业。