合理的发动机生产线规划方案

焦俊鹏张伟杨厚忠奇瑞汽车股份有限公司 2012-04-09

图1 方案1示意图

发动机工厂箱体类零件加工多采用加工中心进行生产，加工设备选型和生产线的组线方案是否合理直接关系到产品质量、生产效率和后期维护成本。本文以缸体生产线为例，同时结合奇瑞公司新发动机工厂运作模式，对缸体生产线的设备选型和组线方案进行分析，并提出了相关建议。

目前，消费者对轿车的要求越来越高，不仅要求空间大、外观漂亮，更对发动机的油耗和动力性能提出了更高的期望。为此，各大汽车厂商在研发发动机时，广泛采用了新技术和新工艺来降低油耗并提升动力，如双VVT技术、增压技术及燃油缸内直喷技术等。

汽车制造业是典型的大批量生产模式，通常采用自动化程度较高的流水线，同时为了满足低油耗、强动力的设计要求，在生产设备选型中大量采用了高精度、高质量的数控加工中心。加工设备的质量直接决定了产品的稳定性和生产效率，只有选择适合的机床品牌和型号，并结合工厂实际情况和设备特性，采用适用的组线方案，使设备性能充分发挥，才能高效率地制造出优质产品。

图2 方案2示意图

设备选型因素

为了保证发动机的优良性能，首先，要保证产品的精度满足设计要求，缸体、缸盖形状复杂（壁薄、多空腔和多孔系）、结构特殊，对孔、面精度要求较高。其次，在生产线前期规划时需考虑产品一致性、生产效率及后期维护成本，因此，在所有的发动机生产线中，箱体类零件如缸体、缸盖及框架等大多采用数控加工设备进行自制。我公司经过长期的实践验证，采用了大量国外诸如德国、日本等先进数控加工中心，该类设备精度较高，加工质量稳定，故障率低。我公司已有设备开动率为70%左右，新工厂通过引入先进设备预计可以达到80%，设备开动率的提升将大幅提高生产率，降低成本。

1. 加工中心的种类

加工中心大体可分为立式加工中心和卧式加工中心两种。卧式加工中心按照分类方法不同，可分为几种不同类型：

按进给方式分为两种类型：主轴进给和工件进给。从结构上来看，工件进给类型的加工中心将三轴复合运动进行了分解，主轴框架结构得以简化，刚性好，稳定性要高于其他类型机床，机床体积缩小，后期维护方便；其缺点是快进速度慢。主轴进给类型相比工件进给类型具有较高的快进、后退速度，机床可以很好地满足节拍要求，故在切削力较小时，使用主轴进给可以节省时间。

图3 U形与直列排布对比

按轴数不同，可分为三轴两联动、五轴四联动等。轴数越多，造价越高，对于缸体、缸盖等箱体类零件，三轴两联动已满足要求。

按主轴头数，分为单主轴头和双主轴头两种。双主轴头可实现同时加工两个工件，效率较高，如GROB的G系列卧式加工中心，但相对单主轴头，维修复杂。

按工作台数量，常见的有单工作台和多工作台两种。对于小型箱体类零件，单工作台和双工作台常见。双工作台可实现一个工作台加工，另一个工作台进行装卸作业，可充分利用机床辅助时间提高生产效率。

2. 加工中心的规格与参数

加工中心的规格包括X/Y/Z轴行程、主轴转速、进给速度、快进速度及刀库容量等，参数包括静态精度、定位精度、重复定位精度、加工精度、热变形状况和抗振动性能等。如何根据实际需要和投资额选择合适的加工中心，成为技术人员面临的难题。

许多机床厂商提供“交钥匙工程”，但汽车厂需要对设备厂家的方案进行确认，依然需要技术人员进行判别，并选择合理的方案。根据工件材质的不同，应采用不同的加工方法，例如铸铝件，由于其硬度低，可采用主轴转矩较小的加工中心，并使用较高的主轴转速；对于灰铸铁件，其硬度高，难加工，宜采用较低的加工速度，因此选择低速高转矩的加工中心。

图4 极限塞规与综合检具

3. 合理选用专机

加工中心具有通用性强，换型方便等优点，但却不能满足大批量流水线生产所追求的质量高度一致性的目标。合理选用专机可以提升加工质量，降低生产成本，同时还可以弥补刀具的一些不足之处。加工中心与专机配合使用，可以起到刚柔并济的作用。下面以缸体的曲轴孔加工方式为例进行介绍：

方案1：加工中心方案。受制于刀具长度和刀具旋转精度，一般分粗镗、精镗两步，粗镗分两次加工，第一次加工两档，工件旋转180°加工另外两档；精镗刀分为两把，第一把加工出第1、2档，然后以第1、2档为导向，用另一把长镗刀加工出剩余两档，如图1所示。

方案2：专机加工方案。专机镗刀长度不受限制，可根据加工需要定制长镗刀，镗刀两端加装镗刀架，可以很好地保证加工精度；并且可以在一把长镗刀上安装粗加刀片和精加刀片，实现一次进刀，完成粗、精镗两道工序，如图2所示。

两种加工方案的利弊如表1所示。

4. 成本因素

在生产线规划初期，必须要考虑投资成本，需要核算投资回收周期，机床自动化程度越高，相应的投资也越大，工人劳动强度越小，对工人操作熟练性要求低。如今我国的人口红利优势正在逐步消失，人工成本问题需要进行重点考虑，因此，采用自动化程度高的设备，减少操作工人数量是符合公司长远利益的。同时，需要兼顾考虑投资成本，对各个方案进行比对，找到合适的平衡点，以争取用最少的投资获得最大的收益。

5. 其他因素

数控机床常用的数控系统有FANUC和SIEMENS两种，FANUC进入中国时间较久，拥有广泛的客户；SIEMENS开放性好，在大量高端机床上被采用，欧洲机床多采用该系统。目前，这两种系统在我厂都有应用。可根据企业实际情况，选用本企业员工熟悉的系统，减少磨合时间，防止出错。

生产线投产后，设备不可避免地会发生各种故障，而且一旦关键工序的机床发生故障，就有可能导致停线，损失严重。设备厂商的响应速度和售后服务质量，无论是对工艺规划人员还是最终用户来讲，都是一个需要考虑的重要因素。

生产线的组线方案

1. 组线形式

传统的生产线排布方式为直线排列，如图3a所示，现在大多企业采用U形或十字排列方式，如图3b所示。U形排布非常紧凑、可实现一人操作多台机床，还具有占地面积小，人员走动距离短等优势，同时考虑到市场变化和投资风险，可采用分期投资和设备分步实施。但其不足是维修空间小，作业机械不易进入。总体来说，生产线采用U形布置优势明显（见表2），故我公司缸体线在对比了各种方案后最终采用了U形布置，通过采用此方案可提高每人年生产率30%左右。

2. 工件上下料方式

对于机加工生产线，工件上下料方式可采用自动和人工两种方式。采用机械手或机器人可实现无人化工厂，操作员数量少，劳动强度降低，但相应的投资较高。采用人工上下料方式，工人劳动强度较大，同时对于铸铁件等较重工件，需要配备吊具进行操作，增加了安全隐患。为了更好地控制投资成本，并结合工厂实际情况，我公司缸体线采用了折中的方法，采用人工推拉料方式进行作业，减少了工件上下搬运，从而杜绝磕碰和划伤，保证了自制件的产品质量，可减小50%左右工废率。