東風日產發(fā)動機：汽車零部件企業(yè)如何保證自身裝備的先進性

東風汽車有限公司東風日產發(fā)動機分公司 李 林 劉昌宏 胡建平

東風汽車有限公司東風日產發(fā)動機分公司是東風汽車公司和日產自動車公司合資的一家專業(yè)生產乘用車發(fā)動機的大型合資企業(yè)，成立于2005年12月，2006年2月建成投產，為東風日產乘用車公司配套生產發(fā)動機和變速箱，生產的發(fā)動機匹配于東風日產樓蘭、天籟、奇駿、逍客、軒逸、駿逸、騏達、頤達、陽光、驪威、瑪馳和啟辰全系列車型，目前已具備100萬臺發(fā)動機年制造能力，生產VQ、MR、HR三大系列發(fā)動機，排量有1.6L、1.8L、2.0L、2.5L、3.5L五個級別。制造工藝包括鑄造、鍛造、機加工、熱處理和裝配。生產的主要零部件有：發(fā)動機的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿和缸套；變速箱的殼體、軸、齒輪，是國內乘用車發(fā)動機制造行業(yè)單一制造工廠產能最大、生產工藝最齊全的制造工廠之一。因此對東風日產發(fā)動機的設備使用情況進行總結，對國內乘用車制造業(yè)同行應有所借鑒和幫助。

下面重點對東風日產發(fā)動機機加工HR缸體生產線設備和工具的選型情況進行總結：

國內發(fā)動機缸體生產線以專機為主形成自動線的較為常見。以加工中心和專機相結合組成完整自動線的實例也有，但多為國外廠家整線承包設計建設的生產線。以國內設備為主、輔以部分關鍵進口設備。自行設計建線的以東風本田為代表，帶動了國內加工中心及生產線相關輔機行業(yè)的發(fā)展。但這些生產線也存在物流工作量大、員工勞動強度高、生產線人員多、產品質量穩(wěn)定性與先進國家生產線有明顯差距、生產線運行成本高等弱點。在這樣的行業(yè)背景下，我們確定了生產線的基本設計理念是：在保證產品品質穩(wěn)定性、設備生產運行的低費用及勞動強度適中的前提下，實現投資的最小化。

生產線概況

（1）平面布局：HR生產線總體上呈一個U字形設計，布局緊湊，占地面積小，物流順暢。含浸設備與中間試漏機并列布置，中間試漏后待含浸工件從試漏機下料滾道排出，直接放置在含浸設備的上料端，含浸完畢后的工件恰好放置于中間試漏機的再投入滾道旁，含浸工件的物流實現了最捷徑化。

（2）設備概況：HR缸體加工生產共有設備31臺，其中國產設備24臺，設備國產化率達到77%。缸體粗加工和半精加工主要采用了YNC YN4H7系列高速加工中心及YNX062/063自動線；精加工采用了日本遠州曲軸孔精加工自動線、Horkos各面精加工自動線、東洋缸孔精加工線等國內外先進的加工設備；輔助機床則采取大連智云試漏設備、壓裝設備、保證工件清潔度的日本杉野清洗機、太陽鐵工的工藝缸蓋擰緊和拆解機以及對小泄漏缸體進行滲補的含浸機等設備。

設備選型

在HR發(fā)動機缸體加工線前期規(guī)劃階段，我們制定生產線的設計理念就是：生產線技術水平高、品質水準高、設備穩(wěn)定性高、運行成本低、投資成本低以及將來產能變動的靈活性高。因而在設備選型時，在有充分的質量保證的前提下，盡可能地采用國產設備，并且盡量保證設備的柔性。

在粗加工和半精加工設備方面，除了為了保證加工精度的定位面、定位銷孔的加工以及由于產品特點的關系難于使用加工中心柔性設備加工外，其余的面孔加工全部采用了加工中心等柔性設備加工。通過和國內外多家設備供應商進行設備選型和工藝方案檢討，最終和大連億達日平機床有限公司（YNC）合作，通過億達日平機床有限公司引進日本日平機床有限公司的N4H7型加工中心。這款加工中心的性能要求能更好地滿足我們的工藝要求和精度水平。加工中心一般有交換工作臺和單工作臺兩種結構。交換工作臺結構由于能提前實現工件的裝夾，減少了加工中心的非加工時間，效率高；單工作臺加工中心投資相對小，而且設備占地面積小，各有優(yōu)勢。在缸體加工流水生產線上，由于工件精度檢查、刀具交換等需要，工件的臨時上下線都不可避免的存在，而在這種情況下，采用單工作臺的方式能更好的防止工件直接跳過某臺加工中心地加工，也能更好地防止工件的重復加工，從更好地控制質量方面考慮，我們選用了單工作臺加工中心的結構。

在缸體半精加工的設備選型中，為了降低投資成本，我們進行了多種方案比較，如缸體底平面和缸蓋安裝面30個安裝螺栓孔的加工，我們認真分析了30個螺栓孔的特點，發(fā)現這30個螺栓在這兩個平面上基本上是均布、孔相互間距較大、加工的深度只有3種，當然可以使用加工中心來加工，也適合使用多軸箱設備加工。如果用加工中心加工，完成這部分加工內容至少得4臺加工中心，投資高；如果采用回轉多軸箱式結構，則只需要2臺設備即可以完成加工，投資只需50%左右。這種回轉多軸箱組合機床還可以通過更換多軸箱實現部分柔性加工，而且完成這些孔系的加工只需要1.2min即可。通過方案比較，最終采用了2臺回轉多軸箱組合機床的方案，完成了其中28個孔的加工，大大節(jié)約了投資成本。

在粗加工和半精加工段生產線主要由加工中心構成。工件在加工中心之間的搬送怎樣來實現呢？國內外生產線較多地采用了機械手搬送的方式，機械手搬送具有工件搬送快、定位準確等優(yōu)點。但是，使用機械手搬送投資較大，沒有充分利用中國勞動力成本較低的優(yōu)勢，而且，機械手結構比較復雜，要求保全水平高。多方面比較以后，我們希望采用人工搬送工件的方式。使用人工搬送時，希望操作工實現搬送的動作盡可能的少。通過與YNC合作，我們設計了較為適用的搬送結構。在這種搬送方式中，操作工將工件手動直接推入加工中心夾具上，工件加工完畢后，工件拉桿自動將工件從加工中心設備內拉出。僅用一個氣缸加拉桿就實現了工件的自動排出，操作工搬送工件時，只需要將工件在自由滾道上向夾具中推入工件，降低了操作工的勞動強度。

精加工設備方面，由于工件精加工后為了防止手動輸送造成工件的磕碰傷，精加工設備都采用加工自動線。出于環(huán)境保護的考慮，缸孔精加工設備引進了水基珩磨技術，選用了日本東洋的精鏜、珩磨一體式組合機自動線。

在輔機的選型方面，由于產品對缸體完成品的清潔度要求高（要求油道雜質含量1mg以下，缸體完成品整機雜質含量在15mg以下），引進了日本杉野清洗機，采用了中壓機器人定點清洗技術和整機浪泳式清洗技術，確保清潔度要求。含浸裝置半自動和自動設備的投資差別很大（相差3～5倍），半自動設備在含浸品質、含浸能力方面與自動設備基本一致，且半自動設備只需1人即可操作，基于以上考慮，含浸采用了大連旅順坤達浸滲設備制造有限公司的半自動平臺式含浸設備。氣密性檢測、螺栓擰緊及壓裝設備均采用了國內設備。

工具選型特點

HR缸體生產線中的刀具選型主要有以下幾個方面的特點：

（1）粗鏜缸孔方面，根據特點、加工節(jié)拍及加工品質的要求，選擇了HSK－C的高精度的連接方式，在刀具方面選取了將加工余量分開，漸進的方式進行加工。

HSK－C刀柄的優(yōu)點：1/10錐面與法蘭部端面兩處于機械主軸相結合，形成了兩面定位的方式，保證了安裝的精度，軸向的位置精度及剛性良的優(yōu)點；另外手動－C結構的聯接采用單螺釘鎖緊的方式，使得拆裝簡易快捷。這樣保證了在260m/min的高切削速度下的加工精度，另外每個刀頭的更換可以確保在5min內（包括清潔主軸）完成，從而實現更換的快速化。

刀體選擇了HSK與小刀體組合的方式，保證了刀具的最小化，刀具在刀片的分布方式我們選擇了各個刀片的外徑及軸向方面漸進分布的方式，有效防止了多個刀片同時加工帶來的振動并且密齒結構在80mm/r高進給的方式下確保每齒的進給降低，保證了缸孔加工后的孔徑及表面粗糙度，同時也確保了精加工的余量，主軸采用了內冷的方式，有效降低了切削時產生的熱量。刀片采用了三菱公司鑄鐵加工專用的CVD涂層硬質合金的材料，并且刀片形式為SNMG，每個刀片可以使用8個角，目前的加工壽命可以達到2 000孔/角以上，有效降低了刀具的使用費用。

（2）面的加工大量采用了金剛石刀片，有效地提高切削速度，保證加工面的表面質量，并提高刀具的壽命。加工中心用金剛石銑刀的轉速已經達到6 000r/min，這樣切削速度達到2 000m/min以上，有效地提高了切削效率。另外金剛石材質有效防止了加工鋁合金粘屑的難題，從而可以保證面加工的表面精度，且都選用了密齒形的銑刀，在保證每轉進給的前提下降低每刃的進給量，提高加工面的精度。由于金剛石刀具的壽命高，精加工都可以到20 000以上個工件，降低換刀的次數和刀具調整的次數，減少刀具更換及刀具調整的人力，從而提高機床的OEE水平。加工中心使用的刀盤選用了鋁合金的材質的刀盤，從而使得刀體輕量化，確保高速加工的安全性及可靠性。

（3）全線鉆頭采用內冷直槽硬質合金鉆頭，并且采用高轉速，高進給的切削條件。在保證加工精度及加工效率的前提下，有效提高了鉆頭的壽命。

（4）在孔的精加工方面，特別是鉸刀及高精度孔的加工（鉆頭類），選用了NT公司的HDZ刀柄，該刀柄的優(yōu)點在于通過螺釘的調整可以讓刀具刀尖的跳動在2μm的范圍內甚至可以調整為“零”跳動，鉸孔可以實現H7公差的孔的加工，并且很穩(wěn)定；另外降低孔的表面粗糙度值；提高刀具的壽命。刀尖跳動的調整在刀柄上采用四個螺釘調整的方式，操作非常迅速。

（5）缸孔的精加工為專機加工，鏜頭采用了缸孔倒角、半精加工及精加工集中在一體的結構形式，缸孔加工的刀片采用了CBN刀片，由于節(jié)拍的要求，缸孔加工的線速度達到900m/min以上，另外精鏜缸孔尺寸要求嚴格，因此精加工通過設備的控制及刀具的設計實現在線調整的功能，有效保證了加工的精度。通過進一步調整加工參數半精加工的壽命能達到1 200孔以上，精加工的刀片壽命達到2 000孔，在保證加工節(jié)拍的前提下有效降低了刀具的單臺成本。

（6）加工中心用HSK刀柄的彈簧卡頭選用了雙錐面夾持的方式，相對比常用的單錐面的夾緊方式可以提高1.5～2倍的夾持力，保證刀柄有效地將扭矩傳遞給刀具。鎖緊螺母選用了具有防塵功能的螺母，可以防止或減少加工中產生的鋁屑進入彈簧卡頭及刀體內部，從而有效保證加工的精度及更換時清洗的繁瑣。另外加工精度要求高的孔加工類的彈簧卡頭采用了側面冷卻的方式，即通過彈簧卡頭上的切削液孔可以讓冷卻液直接噴在刀刃上，一方面可以防止因刀具外冷無法供給的情況下得到良好的加工尺寸及精度，另一方面可以讓刀具制作成為非側冷形式或者是無內冷的刀具，增加刀具的可重磨次數，從而降低刀具成本。

（7）傳統(tǒng)的專機類孔加工存在鉆頭、主軸剛性差的性質，因此必須使用鉆模套，且必須定期更換鉆模套；鉆頭的伸出部分較長，會產生精度不良，工具交換時間長。H R缸體專機用的孔加工類的刀柄選用了快換型的短刀柄的方式，除特殊的深孔加工（100mm）及細長的鉆頭加工上采用了鉆模套的形式，其他均選用了短鉆頭無鉆模套的形式：減少了機器的設計及制造成本；刀具的拆裝在1min/個以內完成，有效減少刀具更換的時間；短刀柄采用與加工中心一樣的彈簧卡頭，保證有效傳遞扭矩；可以利用專用的HSK轉換刀柄在專用調刀設備上調整刀具，實現刀具調整的快速、準確；短鉆頭可以保證刀尖剛性強、跳動小，可有效延長刀具的壽命，短刀具成本相對較低，降低刀具使用成本。

（8）曲軸孔的精加工，采用了線鏜刀的形式，在半精及精加工鏜桿上安裝了油封面專用的刀夾，有效實現刀具的復合性，保證機器最少的前提下實現更多的加工。精加工根據設備的在線調整功能，選用了可以供機械手在線調整的微調刀夾，有效保證加工的精度。

（9）絲錐選用直槽帶內冷的硬質合金切削絲錐，通過提高轉速來提高切削效率，絲錐的切削速度達到75m/min以上，并且絲錐的夾頭也采用了彈簧卡頭冷卻的形式，有效降低了積屑瘤的產生，有效保證螺紋孔的精度，提高絲錐的壽命。

（10）專機用銑刀的拆裝方式以方便快捷為原則：φ 200mm以上的銑刀選用了分體型的結構，這樣刀具重量減輕，更換刀具操作安全、方便。銑刀刀體內圓又凸緣，用具有通言凸緣的面板和一個夾緊螺栓對銑刀裝卸，這樣銑刀只需要轉15°就形成防裝卸脫落的機構，銑刀的更換可以在1min內完成，因此裝卸安全迅速。小型銑刀的聯接采用側面夾緊的方式，其特點：轉動夾緊螺栓（或夾緊螺母），圓錐面起著楔塊左右，將壓緊體往里面拉，即可牢固夾緊銑刀體；壓緊體前端為花瓣形，裝卸銑刀時松開螺栓后只需轉動45°；安裝部分采用1/5錐面與端面雙接觸定位，夾緊剛性和重復定位精度高（2～3μm）；側面夾緊機構可以在不固定主軸的情況下完成刀具的裝卸，加上防脫落機構，操作安全可靠；通過一個螺栓就可以完成刀具的裝卸，操作快捷，因此刀具更換的時間小于1min。

（11）為了提高HR缸體線的加工效率，且要滿足設備最少化，刀具最少化，達到投資最少化的整條生產線大量采用復合刀具。如臺階孔或者是要求有孔口倒角采用階梯鉆頭或階梯鉸刀；瓦蓋結合面寬度加工與倒角同時加工；啟動機孔鏜孔及倒角等等。

通過一年多的正式生產，全線運行正常，有效保證了整線的OEE水平達到85%以上。其中工具的更換及故障在目前1.6min的節(jié)拍下OEE的損失率在1%以下，且因工具造成的工廢損失在200ppm以下。目前工具基本上為進口產品，但因為選型優(yōu)良切削工具的成本達到同行業(yè)標桿水平。工具初期主要選用的是進口的工具，價格相對較高，再逐步進行工具的國產化，從而進一步降低工具的運行成本。

增強自身裝備能力 保持先進性

汽車零部件制造企業(yè)在轉型升級過程中應該從以下幾方面增強自身裝備的能力，保持其裝備的先進性：

（1）裝備的可靠性主要要求裝備平穩(wěn)運行不發(fā)生故障停機，品質保證能力強，沒有不良品產生。由于零部件加工都是大規(guī)模大批量生產，如果裝備的可靠性不好，將會產生巨大浪費，如批量不良品的報廢以及由于故障停線造成裝備效率低下，不能正常達成設計功能。

（2）裝備的運行成本主要體現在裝備的投資強度（影響折舊費），裝備的維修費用及運行所需的動能費。所以在前期規(guī)劃階段要充分考慮生產線產能的利用率，目前沿用三班體制進行產能規(guī)劃，產能彈性在5%左右，通過滿負荷生產降低運行成本；另外，節(jié)能電動機等產品導入，輔機采用國產化裝備等，最終都可以降低動能費及維修費。

（3）裝備主要部品的標準化及整條生產線柔性化，由于主要關鍵設備來自不同國家，如伺服系統(tǒng)、PLC、關鍵元器件要標準化，并結合各公司實際確定品牌，以降低后續(xù)的維修難度及維修成本；雖然是大批量生產，但通過刀具管理系統(tǒng)及自動換刀系統(tǒng)等還是可以提高柔性化能力的。