新材料与工艺手册

[动力系统轻量化] 多元化、轻量化战略提升发动机零部件制造工艺水平

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发表于 2013-11-5 04:23:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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执行多品种、轻量化的产品战略已是现代汽车制造业的一个趋势,而为了顺应这一潮流,企业就必须不断提升相应的零部件制造技术水平。文章以发动机这一整车中最重要的大总成为例,通过对对其关键零件曲轴工艺方案所做的分析,较深入地就此进行了阐明。

多品种、轻量化的产品战略

轿车是商品化程度很高的一种工业产品,为应对激烈的市场竞争和迎合众多消费者日益个性化的需求,以及现今社会提出,并必须得适应和满足的环保、节能、安全方面的要求,越来越多的企业正在执行多品种、轻量化的产品战略,事实上这已成为一种趋势。

研究表明,汽车自重减轻10%,其燃油效率一般可提高15%,而燃油效率的提高意味着汽车的耗油量和排污(放)量降低,由此可知减轻车辆自重是实现环保、节能等目标最有效的方法。在一辆整车中,发动机作为其中最重要的大总成,减轻其重量无疑有着很大的意义。
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发动机的轻量化主要通过选用铝合金镁合金、工程塑料等轻质材料作为结构材料,和对组成发动机的零件进行结构优化,以及功能相近部件的集成化、模块化这样一些途径来实现。上世纪末,本世纪初,德国大众和奥迪推出了EA111和EA888两个系列的汽油发动机,前者包括了1.4MPI、1.6MPI和1.4TSI等三款小排量发动机。由于在经济性、动力性等方面的优异表现,很快就赢得了相当好的口碑,尤其是1.4TSI,有时还被称为是一款里程碑式的产品。大众动力总成(上海)有限公司自2006年春建成了“一期项目”,开始批量生产EA111系列的发动机后,迄止2010年累计产量已超过了100万台。而2010年的当年产量就达到了40万台,超过了一期项目规划时30万台的生产纲领30%以上。面对产品在市场上供不应求的形势,企业自2009年起开始了二期项目,生产纲领为45万台。该项目被分成了二个阶段,前一个阶段为EA111系列的扩产,后一阶段则建立起大众集团不久前才推出的新一代EA211系列小排量发动机的生产能力。迄止2010年第三季度,企业已达到了第一阶段的生产目标,又经过一年的努力,自今年的第三季度起,EA211系列发动机也将陆续批量投产。EA211系列包括1.0、1.2、1.4、1.6四种MPI和1.2TSI、1.4TSI共6种小排量发动机,因此二期项目将真正采取适应多品种的柔性生产方式,共线生产除了EA211中 1.0L的三缸机以外的8种产品。

典型轻量化发动机关键零件的结构优化示例及其效果

大众汽车的“蓝色驱动技术”项目是一系列节能、环保、面向未来的先进汽车技术的集合,而EA211小排量汽油发动机系列就是上述“蓝驱”项目的一个重要组成部分。由于采用了诸多新颖的发动机技术和结构上的轻量化和优化措施,EA211较之EA111在综合性能上、包括能耗、减排上都有了明显的提升,图1所示是这两款系列产品中的1.4L TSI发动机的比较。

相比EA111,全新的EA211系列发动机更多地采用了如铝合金一类的轻质材料,在零部件的结构优化上也有了很大的突破,以上图所示的1.4TSI为例,后者的重量整整减轻了22公斤,即达到18%左右,而燃油消耗也相应地下降了8~10%。再从两者的碳排放水平来看,EA211的减排效果也很明显,以有可比性的1.6L MPI发动机为例,每公里CO2的排放量可减少10克左右。

图2、图3是新系列的EA211发动机中两种典型零件:曲轴、连杆经结构优化后的状况,从与之对应的EA11工件的对比,即可清楚地看出两者之间的鲜明差异。
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剖析一下EA211曲轴的结构优化,可以这样讲,设计开发部门已经在技术允许的情况下把工件的减重、轻量化做到了极致。所采取的主要措施有以下一些:

◆减少扇板数量,从传统的8片减少到4片;
◆减小扇板的宽度,并进行形状优化;
◆缩小主轴颈的尺寸,平均缩小10%,如对两款系列产品中的一同类型发动机(1.6L MPI),EA111机型的主轴颈外径为50 mm,EA211则减为 45 mm;
◆在每个连杆轴颈上加钻了去重孔。

其他细节上的结构优化就更多了,如改变过渡部位的形状,采取圆角优化,增加多处凹坑等等。如此,两者在自重上相比,新一代EA211的曲轴重量较之EA111平均要减轻15~20%。
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多品种、轻量化的产品战略推动了发动机制造技术的发展

纵观几代汽车发动机生产线的工艺规划特点,可清楚地看出,为了顺应当今多品种、轻量化的产品战略,发动机制造技术发展已出现以下趋势:

1)物流布置是决定生产线工艺方案的一项重要考虑,现今,不少主流发动机厂的新建生产线都选择了能够扩充产能的鱼骨形。线内还布置了储料单元或滚道,使其拥有约数百件的储料能力,可用于弥补换刀或换型损失。此外,相比传统的直线形(包括“L”形和”U”形等)工艺布置,鱼骨型物流布置还提高了生产线的柔性化程度。

2)高柔性度加工手段已渐渐占据主流地位,如对于箱体类等零部件,广泛采用了加工中心,而对于轴类零件,则越来越多地应用了先进的CBN砂轮跟踪磨削技术。

3)采用的加工工艺更加节能和环保,典型的代表就是微量润滑切削获得了更多的应用。

4)现场质量控制技术日趋完善,不但零件二维码追溯系统的应用越来越普遍,质量信息联网实时监控,以及先进的零件数据载体、即电子芯片技术也在一些主流企业得到了应用。
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3.1 轴类零件代表——曲轴制造工艺的演变

那么,具体到曲轴这一发动机中的关键零件,其制造工艺又有哪些变化呢?图4是建于上世纪九十年代中后期的上海大众发动机二厂的一条曲轴线,而大众动力总成(上海)一期项目建成于2005年的一条生产线与其相似。很显然,相比这二个工厂几年后,即分别建成于2009年和2011年的两条曲轴线(见图5),有着很多明显的变化。一般情况下,曲轴生产工序可分为粗加工、热处理和精加工等三个阶段,虽然后二条线中的上海大众EA888(图5所示)和上海大众动力总成的EA111/EA211线在某些工序上有不同,但还是有诸多共性,且在很大程度上代表了当今曲轴制造技术的发展趋势。
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自上世纪九十年代至本世纪前十年,曲轴轴颈磨削的主流方式为CNC高速专用曲轴磨床,主轴颈一般采取多砂轮切入式磨削,连杆颈则配置数台,象中小型的四缸汽油机就配有二台,分别用于加工1、4档和2、3档。在多数情况下,粗磨和精磨这两道工序是在一台机床上同时完成的,以大众动力总成(上海)一期项目中的曲轴一线为例,磨削工序是由一台主轴颈、二台连杆轴颈等三台磨床加上专用于轴头和法兰磨削的二台设备组成的。但自本世纪初起,加工效率更高、柔性又好的摆动跟踪系列磨床逐渐取代了曲轴线的精加工工序的主导地位。在上海大众EA888线上所装备的(英)Landis公司和大众动力总成(上海)新建成的二期项目EA111/EA211线上所装备的(德)Junker公司的相应产品,就是它们的典型代表,参见图6所示的Jucrank 6L曲轴磨床系列。
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磨削工艺采用具有砂轮随动、跟踪功能的CNC磨床,乃是曲轴精加工技术一次很大的提升。一方面通过对CNC控制程序的调整,可以灵活地应用于不同类型工件的加工,即具有很好的柔性,而由于执行一次装夹即能完成全部主轴颈、连杆颈的磨削,大大降低了由此引起的制造误差,提高了精度。另外,因为采用了CBN砂轮及与冷却液,极大地增加了砂轮的耐用度,提升了生产率,并结合先进的随机测量和数据处理系统进一步改进了工件的尺寸和形状精度。如藉助由精测室的Adcole1200仪器对工件轴颈的圆度测得的数据,在输出磨床的控制系统之后(见图7),通过修正、补偿,即得以有效地改善轴颈的制造质量,最有代表性的例子就是轴颈的圆度由原来的磨削工艺只能控制在4~4.5祄,提高到可以控制在2祄以内。也正因为如此,随着现代企业生产模式的趋于多元化及制造技术和相应工艺装备的不断发展,配置于生产线傍的工序间在线检具出现了简约化和柔性化的趋势。
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3.2 在线检具的简约化和柔性化趋势

也正因为如此,随着现代企业生产模式的趋于多元化,及制造技术和相应工艺装备的不断发展,配置于生产线傍的工序间在线检具出现了简约化和柔性化的趋势。依然通过配置在曲轴生产线磨削工位傍的在线检具予以说明,图8中的两台检具就是很有代表性的例子。它们虽然都是智能化的检测工位,但左边那台为用于五档主轴颈的半自动多参数综合检具,它与另两台形似的,用于1、4档和2、3档连杆颈精磨工序的检具构成了相似的检测手段,利用动态(回转)测量方式,不但能测出尺寸参数,还能检查圆度、凸度、锥度、跳动等形位公差。而右边的一台则适合在采用新的磨削工艺后的情况下,这是一台充分体现了简约化和柔性化趋势的、由多个手持式单参数测量装置组成的综合检具,它将原来的动态测量改为静态,当然,这样一来,其他所有形位公差都不再检测,对于轴颈也只需要测量一个截面,而不再是原来的三个。
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