张书桥:发动机厂生产线的柔性自动化

随着发动机产品更新换代周期缩短和发动机生产品种的不断丰富，以及生产管理对劳动生产率要求的不断提高，发动机机加工生产线工艺规划也在不断向柔性自动化方向发展。

下面以某发动机厂三代曲轴生产线的工艺变化来介绍机加工生产线在柔性自动化方面的发展变化。

曲轴加工工艺路线的发展变化

从EA827曲轴到EA113曲轴，再到EA888曲轴，比较这三代时间跨度达三十年的曲轴加工工艺路线发展变化，可以看出曲轴加工工艺在高效、柔性和自动化程度方面的进步。

EA113曲轴生产线与EA827曲轴生产线相比，主要有两方面变化，一为自动化程度提高，从单机操作变为工序之间由机械手输送系统连接;另一个变化是轴颈粗加工由内铣变为车-车拉加工，车-车拉工艺能够使得轴颈径向跳动尺寸控制在0.10mm以内，这样可以降低后道磨削工序的加工余量。

EA888曲轴生产线的工艺路线变化与前面两者相比则要进步得多。主要有以下特点：

·采用几何中心孔取代质量中心孔。工序节拍缩短，但对毛坯尺寸精度要求提高;

·连杆颈采用外铣。工序柔性程度提高，不同升程曲轴换型时间与车-车拉工艺相比可以缩短90%以上;

·斜油孔采用麻花钻加MQL工艺取代单刃钻加油冷却工艺。设备投资和占地面积大大降低;

·曲轴表面热处理用余温回火取代回火炉工艺。设备投资和占地面积大大降低;

·曲轴轴颈采用CBN砂轮跟踪磨削取代传统的刚玉砂轮加偏心卡盘工艺。工序柔性程度提高，不用升程曲轴生产换型时间缩短，砂轮修正损失时间极大降低，砂轮耐用度可以提高5～10倍;

·曲轴两端加工使用加工中心取代程控加工，采用高速切削提高加工效率，简化加工设备。

如上所述，EA888曲轴生产线采用较新的工艺方法，使得曲轴生产线能够采用较少的生产工序实现柔性高效地生产，目前曲轴生产线的单线节拍能够做到60s，设备有效工时利用率达到85%。

几种曲轴新加工工艺方法

1. 几何中心孔

曲轴钻几何中心孔从加工工艺本身来看并不能算新工艺，但用几何中心孔工艺取代质量中心孔工艺却是一种新趋势。与曲轴质量中心孔工艺相比，几何中心孔工艺节拍快、设备简单、工序少。几何中心孔工艺可以和曲轴两端面铣削结合在同一台设备中，一次工件装卡就能同时完成铣削端面和钻中心孔，使得加工工序减少。质量中心孔工艺则需将铣削两端面和钻质量中心孔分成两道工序，而且钻质量中心孔工序由于在钻孔前必须先将工件作动平衡测量并作径向补偿，工序加工节拍长，钻质量中心孔工序往往是曲轴生产线的瓶颈工序之一。由于定位和夹紧的特殊性，钻质量中心孔的工序能力也较低。

采用几何中心孔工艺则对毛坯的一致性要求较高，这也是过去毛坯生产技术水平较低的时候不采用几何中心孔工艺的一个原因。无论是采用几何中心孔还是质量中心孔，要保证曲轴终平衡有较高的一次平衡率，在轴颈粗加工结束后进行不平衡量反馈，及时通过钻中心孔修正由于毛坯批次变化或加工设备变化产生的不平衡量误差都是必要的。

2. 连杆颈外铣

连杆颈外铣工艺实现了曲轴连杆颈粗加工的柔性化。采用连杆颈车-车拉工艺时，四缸曲轴需要两道车-车拉工序来完成连杆颈的粗加工，而外铣工艺则可以用一道工序来完成，并且两者的节拍时间相当。外铣工艺还可以极大地缩短不同升程曲轴之间生产的换型时间，与车-车拉工艺相比，单工序换型时间可以缩短90%。nextpage

当然，外铣工艺的零件表面质量没有车-车拉工艺好，尤其是沟槽圆弧面的加工质量。因此如何保证工件表面加工质量是外铣工艺需要持续改进的地方。

3. 曲轴余温回火

一般曲轴经过中频感应表面淬火后需要再经过回火炉来完成整个热处理过程，而EA888曲轴表面感应淬火后采用余温回火的热处理方式。与回火炉工艺相比，采用余温回火的好处就是节约设备投资和设备占地面积。余温回火工艺有局限性，它一般用于钢件曲轴生产工艺，如果是铸件曲轴，为保证热处理质量，还是采用回火炉工艺。

与余温回火对应的是感应回火，两者的差别在于，采用余温回火工艺时，工件在一次感应加热后一直处于降温冷却状态，而采用感应回火工艺，工件有二次加热的过程。

4. 轴颈跟踪磨削

如果说连杆颈外铣解决了曲轴粗加工阶段的柔性生产问题，那么曲轴轴颈跟踪磨削则解决了曲轴精加工阶段的柔性生产问题。采用轴颈跟踪磨削后，全部连杆颈甚至主轴颈磨削可以在一台磨床上完成。不同升程的曲轴生产换型仅需要切换对应的磨削程序即可。

轴颈跟踪磨削工艺在刀具方面一般同时采用CBN砂轮，一方面CBN砂轮比刚玉砂轮能更好地满足往复磨削的刚度要求，另一方面CBN砂轮具有良好的刀具耐用度优势，结合跟踪磨削，能更加突出设备在生产效率方面的优势。

具体设备的使用问题及解决方法

1、Boehringer加工设备

Boehringer公司一般为曲轴生产线提供车床和铣床设备，在EA888曲轴生产线中主要完成法兰、主轴颈、连杆颈和轴端的粗加工。从实际使用情况来看，该公司的设备能够满足现代曲轴生产线高效柔性化的生产要求，并且在设备自动控制和反馈方面也考虑得比较周到，譬如法兰卡盘、中心架和尾架都配备模拟位移量监控功能，能够确保加工时工件的装卡精度。

但Boehringer设备也同时存在曲轴加工(尤其是钢曲轴加工)的切削难题。譬如，车-车拉曲轴法兰和主轴颈时的切屑缠绕问题，一般该工序需要两次装卡法兰外圆(第一次，先装卡法兰毛坯外圆，第二次再装卡精车后的法兰外圆)，精车法兰外圆时如果断屑不好，就很容易造成第二次装卡时卡爪面上卡有切屑，使得工件加工尺寸超差。解决这个问题需要从三方面着手：夹具旁边设置合适的吹屑管;选择合适的刀具断屑槽和切削参数;卡盘、托架等的布置要有利于排屑。

2、Alfing淬火设备

Alfing公司为曲轴生产线提供专业的热处理设备，包括曲轴中频感应淬火机和回火设备。钢曲轴热处理工序现在一般将曲轴淬火和回火集成在一个加工工位上，采用余温回火的方式。为了节约设备投资和设备占地面积，Alfing公司有的淬火机甚至集成了淬火前的预清洗工位(使用淬火液进行喷淋式清洗)。集成预清洗工位的淬火机在实际使用过程中会存在工件表面清洗不干净导致淬火时设备频繁报警的问题。因为感应淬火时，感应器与工件轴颈的间隙一般只有0.8mm，如果前道工序的切屑没有清洗干净，很容易造成淬火时感应器“接地”报警。所以曲轴淬火前的专门预清洗工位不能被省略掉。

曲轴热处理工序集成淬火和回火以后，生产流程被缩短，这会产生一个工件热处理后余温温度与后道工序切削加工尺寸受工件热胀冷缩的问题。所以，在验收热处理设备时，除了保证工件淬火质量，还要规定工件流出时的温度，一般要求小于40℃。

3、Landis磨削设备

Landis磨床使用CBN砂轮和跟踪磨削技术以后，使得曲轴生产线在精加工阶段突破了柔性自动化生产的瓶颈。使用刚玉砂轮时，砂轮修正频次为10-15件/次，CBN砂轮的修正频次可以达到400件/次。砂轮耐用度增加以后，磨床的设备有效工时利用率得到提高，但也会产生一些新问题。譬如，对于轴颈表面有成形要求的磨削工艺，砂轮耐用度提高以后，能否在一个砂轮修正周期内保持允许的成形磨削要求需要重新做出评价。

CBN砂轮需要油冷却，油冷却设备需要配备特殊的消防设备，譬如Minimax消防系统，它包括一套温度闪光探测、消防报警、通风管道自动切断和CO2自动灭火等系统更能。油冷却设备的消防问题是生产线安全管理过程中需要面临的一个新课题。

机加工生产线柔性自动化程度不断提高以后，能满足多品种共线高效生产要求。譬如，同样是30万规划产能的曲轴生产线，EA827曲轴线OEE是75%，单班直接生产人员需要21人;EA113曲轴生产线OEE是80%，单班直接生产人员需要17人;而EA888曲轴生产线OEE是85%，单班直接生产人员12人。

箱体类零件的柔性自动化的发展趋势是从原来的专机生产形式发展为加工中心，柔性自动化程度也得到极大提升。

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