自主共軌制造工藝技術的研究

中國一汽無錫油泵油嘴研究所 宋國民 吳欲龍 夏騰飛 王先勇

本文對04專項一期和二期的研究內容進行了介紹，并對自主電控高壓共軌制造的核心工藝，如精密加工、可靠性、智能制造等技術進行了研究。通過04專項對制造工作母機的技術攻關，能夠最大程度從制造角度推進實際產品加工工藝技術的提升，從而實現產品質量和效率的改善。

一、專項內容及目的

“電控共軌柴油噴射系統制造技術與關鍵裝備的研發及應用”國家04重大專項由中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所（簡稱“無錫泵所”）作為牽頭單位承擔。該課題是數控機床專項中首個“需求導向，用戶牽引”的項目，也是專項課題中要求最高、難度最大、子課題及參與單位最多、過程管理最為復雜的項目之一。該專項的主要任務是圍繞汽車、內燃機和制造行業的核心共性技術，即電控共軌柴油噴射技術和數控超精加工技術，掌握電控共軌系統的關鍵生產工藝，針對關鍵工藝技術的要求，研制用于電控共軌系統生產制造所需的加工、裝配及測試關鍵設備，實現自主共軌系統工藝提升，突破精密零件多軸復合加工、精密噴孔的電火花加工、高精度中孔座面加工、精密小孔的珩磨加工、超高壓力清洗及共軌系統裝配、測試等關鍵技術，有針對性地形成關鍵裝備的技術規范和工藝方案。同時在機床設備制造過程中，解決機床結構、控制系統、傳動系統、測量系統和執行系統等關鍵共性技術，形成多項專有或專利技術，提出多項技術規范與標準，并完成機床的可靠性與精度保持性驗證，最終應用于自主電控共軌系統的生產制造，形成行業的示范工程。該專項是從行業的角度研究關鍵共性技術，提升我國的整體制造裝備能力。

“電控共軌柴油噴射系統制造技術與關鍵裝備的研發及應用”專項聚焦了汽車、內燃機和機床三大行業的兩大核心技術，即電控共軌柴油噴射技術和數控超精密加工技術，電控共軌柴油噴射技術是實現內燃機排放升級的有效平臺技術之一，對柴油機工業具有革命性影響，在全球制造業中加工精度要求最高，被譽為汽車及內燃機的“大腦+心臟”。國際上掌握電控共軌技術并批量生產的企業不到10家，產品涉及機械、電子、材料、流體等多個學科，電控共軌系統是當前全球汽車行業中公認的難度最大、水平最高的技術之一。本04專項分兩期，一期涉及共軌系統零部件高精度復合加工、共軌系統零部件精密噴控加工、共軌系統精密偶件配副和共軌系統清潔度提高與測試共性技術的研究與開發，項目研究涵蓋制造工藝、檢測技術、工作母機和匹配調試業務范圍，共涉及8大類（12臺套）相關設備的研制、開發和制造，一期的主要研究內容如圖1所示。

圖1 04專項一期工藝技術及設備

04專項一期項目主要指標對標國際同行，對精度和工藝技術的實現進行攻關和研究，經過項目組近三年的努力于2014年8月30日順利通過了工信部的驗收。一期項目項目驗收專家組長由西安交通大學盧秉恒院士擔任，工信部裝備司蘇錚、張敏參加會議，一期研發的相關設備運行狀態和各項技術指標良好，均已通過國家機床檢測中心的檢測，課題完成各類技術研究報告67份、標準10項、規范8項，申請專利46項，其中發明專利26項，一期項目驗收時已獲專利授權18項，各項指標達到了任務書合同書的要求。同時，經驗證的工藝技術已應用于自主電控共軌系統的預批量制造。借助平臺和課題的研發成果，無錫泵所建立了電控共軌試制基地和專項設備的應用示范基地。根據設備協作制造廠預測，專項研制的相關關鍵設備，購置成本比進口同類產品能降低50%左右，大幅度提升了我國裝備制造業的競爭力，同時積累了精密制造相關的成套工藝技術。

無錫泵所通過承擔國家04專項，除了在工藝技術上獲得了重大突破外，在重大項目管理和人才隊伍培養方面也是碩果累累，開創性地利用“33制”項目管理，即根據業務方向，分為3個技術領域，每個技術領域下面3個相關子課題，每個子課題設定管理、牽頭單位、協作廠3方面人員。通過“33制”有效強化了矩陣式管理，提升了項目管理效率。同時，定期發行項目通訊，在項目組內部互通信息，確保項目順利開展。一期項目驗收總結時，驗收組認為作為數控機床專項的重大標志性項目之一，該項目是眾所公認的管理優秀、運行良好、執行到位的典型案例。除了在總結項目一期工作經驗的基礎上，根據中國制造2025等國家規劃，要繼續完善關鍵設備的信息化接口標準。同時，為確保研究成果能夠落地應用，需進一步進行設備的可靠性和精度保持性攻關。為確保項目研究具有持續性，項目組一致建議進行二期開發，并聚焦設備可靠性，補齊設備瓶頸，構建完整的電控共軌柴油噴射系統示范生產線，并通過與進口設備混合編隊，在同臺競技中提升國產裝備的制造能力和水平。圖2是項目二期相關的技術開發框圖。

圖2 04二期相關設備及技術框圖

從圖2可見，二期設備主要聚焦設備設備自動化，相關信息接口，同時最重要也是成果是否能夠落地最核心的指標，設備可靠性和精度保值性，根據二期項目的技術指標，可靠性指標MTBF不低于1500小時。因此，從項目研究的內容可見，二期項目重點是在一期研究成果的基礎上，解決實際應用問題，從而確保研究成果能夠 “落地”轉化，并產生相應的經濟效益。

二、核心攻關工藝技術

04專項是對高檔數控機床與基礎制造裝備的共性技術進行專項研究，其目的是提升我國裝備制造業的整體競爭力，同時為確保研發產品能夠運用落地，通過用戶牽頭這種項目模式，使得裝備、產品及制造工藝整體考慮，一體化研究，確保成果一旦研發成功并可以投入應用。針對04專項的要求及用戶需求，結合一期開發的經驗和二期指標，二期主要研究以下幾方面的核心技術。

1 .精密制造技術

隨著我國排放法規要求的提升，電控共軌系統的噴射壓力逐步提高，目前主流的共軌噴射壓力已達到200MPa，下一代的共軌噴射壓力將達到250MPa，甚至300MPa。在如此高的噴射壓力情況下，就要求所有零部件的制造精度得以提升，特別是偶件運動副、油嘴噴孔、微小量孔的精度要求，并且系統雜質和清潔度必須嚴格控制。

針對自主共軌系統，為達到微米、亞微米級的制造精度，項目組結合自主共軌現有的加工工藝要求，在04專項研究成果的基礎上，對影響零部件精度的因素逐一分析。例如在噴油器體珩磨工藝中，為實現中孔1μm以下的圓柱度，項目組利用層次分析法，對制造過程的相關因素，如珩磨速度、余量、中孔熱處理后的硬度、直線度、珩磨刀具、珩磨回旋、機床介質溫度等多個因素進行綜合摸底和分析，并利用模擬計算和試驗分析，摸索出合理的精密制造工藝參數及過程控制條件，在實際工作中不斷優化和改善，逐步穩定過程能力，確保產品質量的一致性和穩定性。

就實際的精密制造技術而言，完全依靠設備提高加工精度總是有一定的限度，與此同時設備在加工過程中還存在部分隨機因素影響，因此，當設備自身精度穩定，且達到設備能力時，此時若要再提高產品精度難度很大。這種情況下，就得依靠制造及過程管理，這不僅是快速響應市場需求、提高生產率、改善勞動條件的重要手段，而且是保證產品質量的有效舉措，兩者有密切聯系。例如在噴油器計量孔板的加工過程中，為提高計量孔的初始加工精度，通過電火花加工設備來提升精度達到一定程度后很難提高，這時通過工藝研究，把計量孔板的實時測量數據反饋給電火花加工設備，并根據反饋算法，電火花設備實時調整加工參數，如回轉角度、放電電流、進給速度等，通過電火花設備的實時在線調整，可消除設備加工過程中的隨機誤差，同時，通過質量檢測數據的閉環控制，確保了計量流量孔的流量散差控制在1%之內，滿足產品設計要求。

2. 可靠性開發

設備作為制造生產資料，從用戶的角度最關心的就是設備的可靠性和精度保持性，特別是針對大批量制造的汽車產品，設備的可靠性及正常運行尤為關鍵，這也是04專項二期需要解決的核心問題，這直接關系到后續研究成果是否能夠獲得市場認可和推廣。

為提升設備的可靠性，在做好項目管理的同時，項目組研究人員深刻理解可靠性是設計出來的基本理念，因此一開始就把可靠性工作擺在了非常重要的位置，并將其貫穿于研發工作的各個環節，確保產品在設計開發各環節對影響可靠性的因素進行分析。二期04課題可靠性開發的基本流程如圖3所示。

圖3 二期04設備可靠性工作開發流程

在進行產品開發時首先將可靠性落實到項目計劃的階段，例如在設計階段明確關于故障信息與歷史數據收集、整理、分析及可靠性增長的指標及要求，明確可靠性指標后分解到各主要功能部件，并提出相應的設計可靠性措施及對策，清晰化主要功能部件部件的可靠性試驗驗證規范，確保可靠性開發能夠從設計角度形成閉環，后續跟進制造過程和使用過程的可靠性管理，這樣能夠做到工作環環相扣，目標明確，評價和驗證方法有效。

其次在在可靠性開發方面聘請專家顧問進行指導，組織開發人員進行可靠性知識培訓，讓項目相關人員能夠理解可靠性基本概念和方法，并能夠把這種理念落實到實際的工作中。二期項目在執行過程中，組織專家、學者進行可靠性技術培訓3 次，集中可靠性技術交流4 次，并多次到設備制造企業現場進行可靠性技術交流和指導，聘請可靠性專家的方式使項目團隊對可靠性工作有了系統全面的認識，為設備可靠性開發奠定了堅實的理論基礎。

再則多次到國家機床質量監督檢驗中心，溝通可靠性評價及開發的相關事項，并就可靠性開發中存在的問題及時反饋交流，確保設備可靠性可測量、可評價，為后續可靠性實際用戶驗證奠定基礎。

3.智能制造技術

針對智能制造的需求，在產品設計開發的初始階段，就根據實際工藝及產品特點，有針對性地在智能車間、自動上下料、標準化接口和協議方面提出了如下規范。

（1）根據工藝流程進行智能車間總體設計。根據自主共軌系統的工藝特點和生產流程，從設備、數據采集、大數據組織、數據挖掘分析和決策方面構建智能車間模型，并對設備布局與物流等進行了路徑模擬優化，從而根據該車間模型對設備接口明確數據類型、接口形式和傳輸協議等，確保設備到位后能夠與智能車間進行無縫連接。

（2）產品信息全生命周期管理。由于生產過程的各個階段都會產生數據，特別是設備運行過程中產生的大量數據，這些數據對產品的質量和狀態等都尤其重要，因此，根據智能車間的規劃及設備的輸出數據類型，在產品全生命周期進行信息化管理。

設計階段——采用PRO-E、PDM設計與管理文檔，實現設計文檔數字化。

工藝階段——采用計算機輔助工藝設計（CAPP）軟件設計與管理文檔，實現工藝文檔的數字化管理。

制造過程——采用二維碼、RFID實現產品唯一標識，實現全過程的最終和管理，并采用數字化采集系統和產品質量數據庫，存儲收集到的全部信息，用戶實時顯示和過程決策依據。

試驗階段——采用多種可靠性評價手段確保產品質量，實驗結果信息化。

（3）智能倉儲與自動化物流建設。建設物流供應鏈系統及自動倉庫、RFID等硬件實現物料配送自動化。

為確保智能制造相關功能能夠實現，在04專項設備制造過程中，根據智能車間的要求，量身定做設備通訊和協議接口，從而逐步實現柴油機電控共軌系統智能制造，著力提高工廠智能制造水平，大幅提高產品質量及生產效率，提升企業競爭力，起到自主共軌批量生產示范和應用推廣。基于智能制造的數字化車間框架如圖4所示。

圖4 基于智能制造的數字化車間框架

四、結束語

“電控共軌柴油噴射系統制造技術與關鍵裝備的研發及應用”國家04重大專項樹立了“需求導向，用戶牽引”的成功典范，其“管理先行，目標明確，機制創新”的模式值得今后類似項目借鑒，“工藝技術引領，模擬計算指導，制造能力支撐”的經驗已經成為04專項管理的一個旗幟和標桿。 □