發(fā)動機曲軸降本增效實踐

許雷明 董志恒 陸郁

摘要：汽車行業(yè)競爭愈發(fā)激烈，除了在技術(shù)創(chuàng)新方面給客戶帶來更好地體驗，在成本方面也下足功夫，發(fā)動機曲軸作為作為汽車的一個重要零部件，采取各種降本增效的措施，從前期的產(chǎn)品設(shè)計到后期的設(shè)備投入，從工藝的改善到刀具的優(yōu)化，從新技術(shù)的運用到后期的運行維護，全流程的介入，達到降低制造成本，提高企業(yè)利潤的目的。

關(guān)鍵詞：曲軸;降本增效;發(fā)動機

中圖分類號：U263.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0013-04

1? 曲軸工藝簡介

一般大型整車企業(yè)都具有設(shè)計生產(chǎn)發(fā)動機的能力，用于提高產(chǎn)品競爭力。曲軸作為發(fā)動機重要部件，它的設(shè)計尺寸參數(shù)及加工質(zhì)量在很大程度上不僅影響發(fā)動機整體尺寸和重量，而且也在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性與壽命。

以重慶工廠生產(chǎn)小排量1.2L/1.5L鑄鐵曲軸為例，曲軸工藝為從供應(yīng)商處得到毛坯，優(yōu)先加工兩端面及中心孔，然后以中心孔為基準(zhǔn)完成軸徑表面車銑、油孔等粗加工，經(jīng)過清洗機后進行溝槽滾壓提高曲軸疲勞強度，經(jīng)過半精加工到達磨床進行軸徑磨削等粗加工，繼續(xù)流轉(zhuǎn)過動平衡、拋光機，經(jīng)過最終清洗，到達終檢機100%測量，后目視檢查合格下線，詳見圖1。整線通過機械手串聯(lián)，除上下料外，其余均實現(xiàn)自動化運行，通過二維碼進行工件100%生產(chǎn)質(zhì)量追溯。

2? 設(shè)計降本

生產(chǎn)一款發(fā)動機，從設(shè)計開始就要考慮到制造成本的問題。新建一條曲軸生產(chǎn)線投入成本較高，以重慶工廠為例，目前具備四種不同型號曲軸共線生產(chǎn)的能力，兩種為鑄鐵曲軸，兩種為鍛鋼曲軸，按照美國通用汽車的劃分標(biāo)準(zhǔn)，只有沖程不一樣的情況下，屬于一種系列曲軸，其余如缸間距或軸徑寬度不同時，就是不同系列曲軸。

目前生產(chǎn)的四種系列曲軸，如圖2，工件的材質(zhì)、長度、缸數(shù)、缸間距、沖程、軸徑直徑、平衡塊數(shù)量、中心孔尺寸等都不相同，滿足他們的共線生產(chǎn)具有一定的難度。設(shè)計部門在前期設(shè)計時，將軸徑寬度設(shè)計相同，這就解決了如銑床在內(nèi)的部分工位，避免或減少換型的情況，提高了效率。

針對產(chǎn)品或者設(shè)備設(shè)計時，考慮到降本增效的方案如下。

2.1 CNC雙夾具

曲軸初始工位加工兩端面及中心孔工位，為滿足三四缸共線生產(chǎn)，避免換型工作，CNC采用雙夾具的設(shè)計，如圖3，減少了換型導(dǎo)致異常情況，提高了效率，但這種對設(shè)備能力要求高，B軸中需具備多的氣路和油路通道用于檢測及夾緊等功能，前期設(shè)備投入成本相對較高。

2.2 CNC可自動移動式夾具

曲軸半精及精加工工位，CNC采用可移動夾緊單元設(shè)計，如圖4，通過程序控制油缸軸向移動，實現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品自動換型，提升效率，單臺換型時間減少30min。但是這種夾具設(shè)計復(fù)雜，目前只能滿足法蘭單側(cè)移動需求，對機床B軸內(nèi)部通道要求多，同時需要芯軸端單側(cè)軸向存在共用夾緊位置和分中的曲軸類型。

2.3 復(fù)合頂尖應(yīng)用

曲軸線四種機型共線生產(chǎn)，芯軸和法蘭頂尖尺寸不一致，按照前期使用的錐形頂尖，無法滿足共線生產(chǎn)需求，每次切換時需要更換頂尖。為避免上述問題，用球形復(fù)合頂尖，如圖5，代替錐形頂尖兼容不同中心孔尺寸的曲軸，當(dāng)機床頂尖夾緊曲軸時，球形頂尖可以根據(jù)不同中心孔大小、頂入深度差異，與中心孔倒角接觸，兼容不同機型，避免頂尖換型。但產(chǎn)品前期設(shè)計，需考慮不同機型中心孔差異，避免變化較大。

2.4 機械手兼容卡爪設(shè)計

整線采用機械手運輸工件，而如何滿足四種機型共線生產(chǎn)具有一定的難度。如圖6，通過3D軟件分析，找到不同機型間共同的兼容位置，進一步設(shè)計卡爪，滿足4種類型工件抓取需求，避免硬件換型，同時滿足防錯要求。需要注意產(chǎn)品前期設(shè)計，不同機型間需有共用抓取位置。

3? 工藝降本

除了設(shè)計降本，而工藝的布局和后期的優(yōu)化，也可以解決現(xiàn)場一些問題，減少設(shè)備故障，提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少工件損失等。如在曲軸滾壓之前增加清洗工位，可以減少鐵屑帶入滾壓機，避免工件溝槽劃傷，降低滾壓油的更換頻次等。以下工藝優(yōu)化案例供參考。

3.1 取消油封粗拋

以重慶工廠為例，使用的設(shè)備采用三站串聯(lián)布局，而油封在站二進行粗拋（60u顆粒度），在站三進行精拋（50u顆粒度），所使用的拋光帶顆粒度不同，以滿足油封粗糙度Ra0.2～Ra0.6要求。站二拋光位置詳見圖7，同時進行所有主軸頸/連桿頸精拋與油封粗拋，第五主軸頸與油封拋光臂很近，會出現(xiàn)拋光帶互相干涉，導(dǎo)致第五主軸頸拋光不完全情況，工件報廢。根據(jù)前工位磨床加工后，粗糙度值Ra0.6左右，工藝優(yōu)化取消站二油封粗拋，進行質(zhì)量驗證，滿足產(chǎn)品尺寸及發(fā)動機性能要求，提高了開動率，降低報廢率，減少粗拋拋光帶使用，降低刀具成本。

3.2 磨床頂尖測力儀的使用

目前曲軸線不同機型共線生產(chǎn)，而曲軸的軸向距離有差異，當(dāng)兩種型號間切換時，需要調(diào)整尾架位置，用于夾緊曲軸用于加工。曲軸磨床是精加工工位，設(shè)備的狀態(tài)直接關(guān)系到成品的加工質(zhì)量，圓度和跳動就是其中兩項。圓度和跳動除了和機床精度有關(guān)系，還和尾架的頂緊力有關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗，一般情況，頂緊力大，圓度穩(wěn)定，跳動大;頂緊力小，圓度不穩(wěn)定，跳動小。而每次換型頂緊力是沒有一個量化標(biāo)準(zhǔn)，只能將尾架位置移動到原來經(jīng)驗位置，位置稍偏或者尾架彈簧疲勞變形都會導(dǎo)致頂尖壓力變化，進而影響跳動尺寸。根據(jù)這個生產(chǎn)痛點，設(shè)計制作頂尖測力儀，如圖8，優(yōu)先收集正常生產(chǎn)時頂尖壓力，制定頂尖壓力標(biāo)準(zhǔn)范圍。當(dāng)換型時，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)范圍調(diào)整尾架位置，可避免出現(xiàn)跳動超差，減少后期設(shè)備停線時間，提高FTQ。目前該檢具已投入使用，效果良好，如圖9。

3.3 銑床工藝優(yōu)化

曲軸連桿頸銑床工位，加工某型號曲軸，需要完成粗、精銑連桿頸軸徑和第七、八平衡塊頂面。為了平衡節(jié)拍要求，使用精銑刀盤加工第七、八平衡塊頂面，尤其是第八平衡塊毛坯表面，加工余量大。使用精銑刀片加工毛坯面，極易導(dǎo)致崩刀，刀具平均壽命1000件，導(dǎo)致加工質(zhì)量問題及單件刀具成本高。通過工藝優(yōu)化，優(yōu)先加工第八平衡塊頂面再加工其他軸徑，調(diào)整粗精銑刀盤加工工步，詳見圖10，即滿足了節(jié)拍要求，又解決了崩刀問題，刀具壽命由1000件提升至2000件，減少工件報廢。

4? 刀具降本

刀具是發(fā)動機缸體、缸蓋、曲軸等機加件生產(chǎn)的重要一環(huán)，關(guān)系到產(chǎn)品加工質(zhì)量及成本，前期刀具成本占發(fā)動機制造成本的30%左右，隨著刀具外包管理取代自主管理，新技術(shù)、新材料、新工藝的運用，信息技術(shù)的應(yīng)用，從管理模式到技術(shù)的升級，整個刀具成本可以降至發(fā)動機制造成本的10%左右，極大降低了發(fā)動機單機制造成本。

上汽通用五菱所有發(fā)動機工廠從建廠規(guī)劃就采用外包管理模式，降低前期刀具建庫資金投入，避免維持正常運轉(zhuǎn)所備庫存的資金占用，相對于其他自主管理工廠，在管理模式上就可以降低刀具成本50%以上。

除了刀具管理模式降本，投產(chǎn)后刀具優(yōu)化也很重要。以重慶發(fā)動機工廠為例，2015年5月建成投產(chǎn)，從2016年初開始計算，到2019年末，歷時4年，從國產(chǎn)化、壽命提升、材質(zhì)及涂層改進、非標(biāo)刀改為標(biāo)準(zhǔn)刀等方面入手降低刀具成本。曲軸線進行了107項刀具優(yōu)化，刀具成本逐年降低，目前單件制造成本降低46%，詳見圖11、圖12。

以曲軸連桿頸銑床為例，采用進口外銑機床，前期設(shè)備進廠時，配備某國外進口銑刀片，交貨周期90天，后期通過國產(chǎn)化改進，采購周期降至45天，同時配合工藝優(yōu)化，提升刀具壽命，刀具成本降低72.7%。

5? 其他降本

除了設(shè)計降本、工藝降本、刀具降本外，結(jié)合現(xiàn)在的科技發(fā)展，還有其他一些創(chuàng)新降本措施得以開展。

工廠大批量生產(chǎn)時，采用機器人及視覺識別技術(shù)，實現(xiàn)自動上下料取代人工操作，在人工費用越來越貴的今天，可以減少后期人工運營成本，投入預(yù)計四年左右的時間回本。

運用現(xiàn)在的軟件技術(shù)進行系統(tǒng)開發(fā)，打造質(zhì)量風(fēng)險監(jiān)控系統(tǒng)，實時抓取測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析每一件工件測量結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)超差或連續(xù)出現(xiàn)測量值上行或下行趨勢時，自動推送預(yù)警信息，提醒相關(guān)人員進行尺寸優(yōu)化等操作，減少人員依賴，解決效性差等問題，提升響應(yīng)速度，提升FTQ，降低工件返修及報廢率。目前最新的技術(shù)除了抓取測量結(jié)果，同時抓取機床加工及儀表參數(shù)，達到事前預(yù)警干預(yù)，事后分析追溯等功能，減少甚至避免質(zhì)量問題出現(xiàn)。

6? 結(jié)語

在汽車行業(yè)競爭激烈的當(dāng)下，整個行業(yè)都在持續(xù)地進行降本增效和技術(shù)創(chuàng)新。曲軸是發(fā)動機中重要的零部件，從前期的產(chǎn)品設(shè)計開始介入降低后期的投入和運營成本，從工藝優(yōu)化方面降低生產(chǎn)成本，從刀具方面降低單件制造成本，從新技術(shù)應(yīng)用降低日常生產(chǎn)運行成本。降本增效是一個企業(yè)的一項日常工作，貫穿整個產(chǎn)品的生命周期，只有各方面都盡力做到精益生產(chǎn)，才能提高企業(yè)的利潤，并逐步發(fā)展壯大。

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