2015年，营口华润有色金属制造有限公司（以下简称“营口华润”）牵头，联合大连华根机械有限公司、吉林大学、宁夏银川大河数控机床有限公司、武汉华中数控股份有限公司、株洲钻石切削刀具股份有限公司和中国第一汽车股份有限公司（以下简称“一汽”），共同申报了“高硅铝合金无缸套发动机缸体关键制造技术和装备研究及示范应用”课题。课题实施时间为2015年1月～2017年12月。

截止到2017年12月31日，课题按计划完成了预定任务，形成了4项关键技术，申报了6项发明专利（已授权3项），发布了12项技术规范和标准，撰写、上报了7份科技文献、20份研究报告，发表论文3篇，培养博士2人、硕士3人，建立起了60人的研发队伍。2018年4月25日，课题通过验收。

背景及意义

为实现“到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/100km”的目标，近年来，用铝合金替代传统铸铁用于发动机缸体制造已成为一大发展趋势。但是，由此带来的问题是，缸筒表面的耐磨性明显降低，而采用铸铁作为缸套嵌入铝合金缸体内，虽然提高了耐磨性，却增加了重量，降低了热导率，而且由于两种材料热膨胀系数不同，易引发潜在失效问题。因此，寻找替代铸铁但又能增强缸孔表面耐磨性的材料或工艺，就成为现阶段汽车制造亟待解决的难题之一。

经过近8年的研究，营口华润开发出了过共晶高硅铝合金材料。这种过共晶高硅铝合金具有较好的耐磨性、耐热性、传热性、抗疲劳性和较低的摩擦系数，是制造铝合金缸体的理想材料，用其制成的缸体无需添加铸铁缸套，因而有助于减轻发动机重量，降低汽车能耗和排放，而且其铸造成本与铸铁缸体相当，并减少了加工成本。

与普通铸铝缸体相比，这种高硅铝合金无缸套缸体可使发动机单机重量降低10%；与铸铁缸体相比，可使发动机单机重量降低45%以上。另外，由于铝的传热系数（130W/m-K）是铸铁传热系数（46 W/m-K）的近3倍，因而良好的传热有利于发动机快速暖机，缩短发动机冷起动暖机时间，从而减少摩擦损失。不仅如此，在高硅铝合金中分布均匀、细小的众多初晶硅硬质颗粒，在摩擦开始时起耐磨和支撑的作用，而软的铝基体在摩擦磨损后会产生凹坑，具有储油、润滑的作用，可有效降低摩擦损耗。

基于以上三大优势，令本课题研制的高硅铝合金无缸套缸体与传统发动机缸体相比，油耗可降低约2%～5%，目前已在一汽得到了验证，并应用于红旗新车型的发动机中。

通过本课题的实施，不仅对“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项（以下简称“04专项”）支持的冷、热加工装备进行了示范应用，验证并提升了这些装备的性能，而且还填补了我国高硅铝合金无缸套缸体冷、热加工生产线空白，使我国具备了此类缸体的批量生产能力，这对于提升我国冷、热加工装备和工艺的技术水平，推动我国汽车产业向轻量化方向发展具有重大意义。

目标和任务

本课题的目标是，针对我国目前具有自主知识产权的高硅铝合金无缸套缸体加工要求，应用04专项前期支持的课题所取得的阶段性成果，以高效高精加工中心、高精度数控珩磨设备为主体，开发适合多品种、变批量高硅铝合金无缸套缸体加工生产线，并投入示范应用。以此，突破高硅铝合金无缸套缸体高效高精镗铣加工技术、精密珩磨技术等共性技术，掌握高硅铝合金无缸套缸体加工技术，形成生产线集成能力，填补国内高硅铝合金无缸套缸体加工生产线空白。通过批量生产示范应用，提高国产数控装备的可靠性和性能稳定性，增强用户使用国产高档数控机床的信心，促进国产数控装备在汽车发动机关键零部件加工领域的广泛应用。

为此，课题的主要任务和要求是：

1. 建设一条高硅铝合金无缸套缸体加工生产线，以实现多品种、变批量生产，生产节拍≤180s，生产能力≥10 万台/年。

2. 配套设备含20 台以上卧式加工中心，要求缸体生产线关键工序能力指数CPK 值≥1.67。

3. 对国产数控系统以及丝杠、导轨、转台、刀库和主轴等5类功能部件中的至少两类功能部件进行应用验证，国产数控系统的配套比例不低于50%，国产功能部件的配套比例不低于50%。

4. 每一台（套）机床、数控系统和功能部件在交付用户使用前，分别在机床、系统和部件的制造企业处进行 2000h以上、10000h以上和10000h（刀库 100 万次）以上的模拟实际工况的运行试验，并编写试验报告。

5. 机床 MTBF 达到 1500h以上。

6. 课题牵头单位对投入实际使用的机床、数控系统和功能部件的运行故障予以记录，并形成故障统计和分析报告。

7. 满足用户使用要求，设备在用户处实际应用一年以上。

8. 申请 5 项以上发明专利，形成 10 项以上设备制造与应用的技术规范或标准，并在生产中实际应用。

9. 课题牵头单位建立起不少于 10 人的专职研发团队。

主要研究工作

本课题自2015年1月开始实施，主要完成了以下研究工作：

1. 国产数控机床在高硅铝合金无缸套发动机缸体生产自动线上应用的工艺规划研究

通过工艺规划，实现了国产数控机床在汽车发动机缸体生产线上的批量应用，研究内容包括：高硅铝合金无缸套发动机缸体加工工艺方法；生产线的工艺规划及流程设计，对加工设备提出基本要求；针对生产线中的不同工序，选型并配置适合的加工设备。

生产线设备布置示意图

2. 高硅铝合金发动机无缸套缸体生产线加工工艺研究

解决了缸体生产线加工工艺中，加工基准的选择和应用，刀具及切削参数的选择、管理和应用，夹具的研究与应用，物流控制与管理等技术难题。形成的核心技术包括：

（1）高硅铝合金无缸套发动机缸体加工技术，包括：加工工艺路线、工艺方法和加工质量控制、加工工艺参数的优化、工艺装备和生产线布局设计等；

（2）高硅铝合金无缸套发动机缸体切削性能及切削工艺，涉及：零件分析、加工工艺和工艺路线；

（3）柔性夹具结构技术，即夹具的标准化、模块化、柔性化和防差错技术；

（4）夹具多通道夹压技术；

（5）夹具与机床、物流、刀具和零件的适应性技术；

（6）针对发动机缸体关键零部件的结构特点，建立了相应的刀具切削性能评价体系；

（7）开展了缸体超硬材料加工的刀具示范应用，开发了高速高效切削参数库；

（8）针对缸体超硬材料的加工，改进了刀具的切削性能；

（9）快速换刀技术；

（10）物流方式、物流系统的适应性及物流系统的总体设计；

（11）物流自动识别技术；

（12）防碰撞技术；

（13）托盘快速交换技术。

3. 可靠性技术在生产线上的研究与应用

通过对珩磨网纹理论进行研究，对网纹参数进行优选，研究并应用了珩磨夹具、珩磨工艺参数及检验方法，掌握了缸孔平台网纹珩磨工艺技术，为发动机减磨和降低油耗提供了支持。

主要技术成果

1. 建成了一条全部由国产数控机床组成的高硅铝合金无缸套发动机缸体加工生产线，含卧式加工中心20台、立式加工中心8台、双工位珩磨机1台、清洗机2台以及浸渗机、螺纹拧紧机、密封试验机、缸体自动综合测量仪、打标机和涂油机等共计39台国产设备。整条生产线完全采用机器人自动上下料，可实现无人操作以及多品种、变批量的生产，生产能力10万台/年以上，加工水平可与进口机床组线的缸体生产线相媲美，但成本明显降低，仅为进口生产线的50%左右。

2. 课题研制的具有自主知识产权的高硅铝合金无缸套发动机缸体，各项技术指标达到国外同类产品水平，在国内处于领先水平。

3. 在营口华润建成了一个示范应用基地，对04专项支持的高档数控机床和共性技术成果进行了应用验证。

创新基地建设

本课题在实施过程中非常注重关键核心技术的研究和产品的推广应用，建立了相应的创新平台和产业化基地。比如，作为营口华润的专利产品，高硅铝合金无缸套发动机缸体具有完全的自主知识产权，是未来发动机的一项新技术，可实现发动机的减重、节能；所建成的国内独一无二的高硅铝合金无缸套发动机缸体生产基地,具备了从技术开发、工艺设计、毛坯铸造、机械加工直至缸体成品的综合技术能力。在此工艺平台上，还可应用相应的加工技术，对更多品种的缸体进行加工，与此同时，还促进了缸体铸造能力的提升。

企业创新能力和市场知名度显著提升

通过课题的实施，极大地提升了课题责任单位及参与单位的技术创新能力，增强了企业产品的市场认可度，提升了企业的知名度和市场竞争力。由于培养了一批具有创新能力的高素质人才，为企业的技术创新带来了后劲。

通过课题的实施，令营口华润从一家名不见经传的民营企业发展成为发动机行业中具有一定市场知名度的企业，技术创新能力和市场竞争能力显著提高。以高硅铝合金无缸套发动机缸体关键制造技术为研发和制造平台，营口华润有信心用2～3年的时间令缸体产能达到40～50万台，现已开始规划新的发展思路。

04专项专家组领导现场指导

验收会现场合影

高硅铝合金无缸套发动机缸体加工生产线全景图