图1  单、双线混合式生产线布置

发动机生产线的设计需要根据设定的目标，很好地把握加工技术发展的现状和趋势，对多种方案进行综合比较，优选出经济、可靠的方案予以实施。这是一项技术性、经验性强，需要创新思维的工作。本文与大家分享了神龙汽车技术有限公司铸铁缸体生产线的设计思路和成功经验。

缸体是发动机的核心零部件之一。缸体的加工内容多、关键工序多、工序长及零件重等特点造成缸体生产线投资极大，对发动机的成本和质量影响很大。如何设计出一条优质、经济的缸体生产线，是每一个发动机生产厂都在深入研究的课题。随着机械工业技术的发展进步，缸体加工技术也在不断地发展，通过对国内外缸体生产线、制造工艺及设备的调研，在神龙汽车有限公司三期工程铸铁缸体生产线设计中，我们进行了一些优化设计的实践。

在项目设计之初，我们就确定了设计原则：保证稳定的加工质量、较低的投资成本、注重设备的可靠性以及能快速地形成产能，具有一定的柔性和发展空间，能够实现精益生产。根据这一原则，我们在设备选型、工艺设计、生产线布置、零件输送和质量控制等几方面进行了很多优化工作，产生了很好的效益。

设备选型

1.加工设备选用

通过对国内外发动机制造厂和设备制造厂的调研和交流，根据公司的产品规划和发动机制造行业的发展趋势，为适应发动机产品不断快速升级的现状，我们认为，新的生产线在具有高效率、低成本的前提下，也必须具有一定的柔性，能快速适应产品技术的更新，从而提升企业的竞争力。所以在设备选型上，我们更加重视质量、成本、效率、柔性、可靠性和可改造性，通过综合比较，合理地选用设备，进行技术储备。

铸铁缸体被铝合金缸体取代已是大势所趋，随着发动机技术的不断进步，我公司的新产品也将很快取代老产品。新生产线设备在寿命期内可能不只加工TU系列的铸铁缸体，所以在设计中必须考虑到要能适应铝合金缸体的加工。老生产线大量采用自动线的方案是不可取的，因此，大量采用加工中心，少量采用专机成为我们的首选。

（1）卧式加工中心的大量使用。

①卧式加工中心取代自动线、专机：加工中心作为一个标准数控设备其各个模块都已标准化，柔性和可靠性得到提升，在很多情况下，加工中心造价低于自动线，性价比更高。现代汽车行业更新换代快，对生产线柔性化、可靠性以及快速形成生产能力的需求越来越高，使加工中心得到大量使用，成为箱体类零件加工的首选设备；自动线改造困难，占地面积大、柔性差且可靠性差，被加工中心取代已成为发展趋势。

②卧式加工中心取代换箱式加工中心：加工中心的高速化，常常使换箱式加工中心性价比处于劣势。我们以前缸体生产线第一道工序采用的是，1台换箱式加工中心配有3个专用多轴主轴箱，完成铣削、钻孔、铰孔和锪面等工序内容。在新线上，我们采用1台卧式加工中心，成功实现了相同的加工（节拍相同），其价格仅为换箱式加工中心的1/4。换箱式加工中心和卧式加工中心都各有其优点，关键是配置使用是否得当。

（2）合理的采用专机 为了降低成本，提高效率和质量，在有些状况下专机更有优势，应该根据实际情况，兼顾到可改造性，适当的优选、使用，如下面几种情况：

①刚性要求高的情况下：缸体粗铣切削力大，加工时间长，新线采用3台模块结构的数控铣专机。高刚性组合铣刀的使用，使其生产能力相当于6台加工中心，改造便利，更换夹具就可以加工新的产品，性价比很高。

②效率要求高的情况下：对主轴承座的5个φ4mm×80mm斜主油道孔的加工，新线采用枪钻专机，价格为加工中心的一半，效率相当于2台加工中心。

③精度要求高的情况下：新线上的精镗缸孔、曲轴孔、精铣面、精铰定位销孔和珩磨等都采用进口专机自动线，可以更好、更经济地保证加工精度。但是，在设计时要考虑到可改造性。

（3）设备能力的合理技术储备 设备能力的技术储备从短期看可能会加大投资，但只要储备的合理，是在预计到今后发展和改进需要的情况下进行的储备，可以节省今后的大额改造费用，缩短改造周期。技术储备反映了技术人员对汽车及制造技术发展趋势的了解和把握。在新线设计中，我们就进行了一些储备，如：NAGEL珩磨机精珩预置平顶珩功能，虽然当前加工的TU5JP4缸体不需要用平顶珩，但考虑到后期开发的产品，我们在设计时加上了平顶珩功能。

事实证明了我们预置的正确性，2年后公司开发的EC5、EC8发动机项目就必须使用该功能，避免了大量的改造投资和对生产的影响。另外，NAGEL珩磨机缸孔中心矩可调，生产线通过简单的改造就可实现多品种生产，滚道实现全自动生产线改造的预留及加工中心主轴转速的要求等，为今后的发展、改进都留有较大的空间。

图2  拨杆自动上下料机构

2.供应商的选择

优选有能力的供应商参与竞标，拒绝转包和能力不足的供应商；以保证质量和经济性为目标，尽量采用可靠的国产设备；关键部位加工采用进口设备，确保产品质量。

东风设备制造厂和大连亿达日平机床有限公司是具有实力的加工中心和汽车制造专用设备生产厂家，大连智云辅机有限公司、涿州双威清洗机有限公司制造的辅机和清洗机质量也都很好，他们都是和中国汽车工业同时成长起来的企业。大量采用国产优质设备，可以帮助企业节省大量的投资。关键部位加工采用进口设备，如缸孔、曲轴孔和定位销孔等都采用进口设备加工，确保新线具有稳定的加工质量。

3.切削液系统

新线根据实际使用的需要，采用切削液中心和设备自带切削液系统两种形式。

（1）切削液中心 切削液处理质量高，维护方便，损耗少，现场环境好，适用于流量需求大的生产线。我们在新线的绝大部分设备上采用由切削液中心集中处理模式。

（2）设备自带切削液系统 系统简单，使用灵活，但维护不方便，损耗大，现场环境较差，切削液处理质量较差，适用于需求流量小的地方。新线上，对于浓度要求高的枪钻、切削液品种不同的珩磨等设备，选用自带切削液系统，以保证使用的要求及运行的经济性。

工艺设计

技术改进是提高效能、降低成本的最好方法。合理采用新技术、新工艺，以降低制造成本，提高产品质量和生产效率，我们在新线设计中对工艺进行了很多改进。

1.以铣代磨

缸体缸盖结合面对平面度、平行度和表面粗糙度要求很高。以前我们和法国工厂都是采用平面珩磨工艺来保证质量要求，自动上料平面珩磨设备昂贵，即使采用手动上料成本仍然很高。

采用新精铣工艺取消平面珩磨，优化选用新型带修光刃的精铣刀具，保证了产品质量的要求。虽然铣削成本略有提高，但是节省了磨削设备的投资和使用、维护费用，而且通过技术进步，今后铣削成本可以进一步降低，所以从整体上来看，以铣代磨节省了大量投资，降低了制造成本。

在我们试生产过程中发现缸盖结合面平面度不合格的问题，经跟踪分析发现主要是半精镗缸孔引起缸套下沉变形造成。虽然通过采用减小切削力、正反变形平衡方法解决了该问题，但在今后的工艺设计过程中应该注意变形问题，把精铣安排在精镗缸孔之后是最恰当的选择。

图3  自动装卸托盘机构

2.以铣代拉

拉削设备投资大、效率高，在有些地方使用有其优势。缸体一线主轴承盖支座定位止口采用自动上下料拉削，设备投资相当于3台加工中心的价格。新线采用1台加工中心加工，设备带Renishaw测头可进行自动测量、补偿，保证质量，投资少，设备富裕的能力还可以得到综合利用。

3.清洗技术改进

采用封堵高压冲洗油道；涡流清洗大表面，翻转定点高压清洗孔系，重要部位反复清洗，热风吹干、真空干燥，低压水检查喷嘴堵塞，这些技术的综合运用，使清洗质量有了较好的保证。

4.曲轴孔的铰珩

缸体曲轴孔的尺寸、圆度和全跳动精度要求高，要保证精镗质量十分困难，以前生产线采用的是珩磨工艺，但因为采用电镀金刚石弹性套珩磨头，珩磨效率低，加工时间较长，加工质量和节拍有时存在问题。新线采用了先进的铰珩工艺，NAGEL的专利技术令加工精度和效率同一般珩磨相比得到很大的提高，磨条寿命达到加工25万件缸体。

5.刀具技术改进

（1）曲轴孔线镗刀 改进结构，提高了刚性，彻底解决了曲轴孔珩磨易出现残留镗削黑皮问题；采用带轴承导向套，避免了导套磨损对镗孔精度的影响。

（2）整体硬质合金长直槽钻取代枪钻 提高了效率，减少了打刀，适合于加工中心进行深孔加工。

（3）专机铰刀 采用浮动卡头，防止因主轴和导套不同轴造成的刀具弯曲变形和磨损。

（4）精镗缸孔刀具改进 采用最新的精镗弹性补偿机构，结构简单，避免磨损对刚性和补偿精度的影响。

生产线布置

单、双线混合式生产线布置（见图1），不仅可以共用高效率设备，节省投资，而且可以减小生产线的长度，提高RS值（实际产量/理论产能）。我们从经济性出发，采用这种混合模式，使设备间布置紧密，减少零碎的面积；分区段布置，区段间留有发展空间，用于生产线改造和提升产能，在没有使用前夕时作为在制品储料区，提高了生产线的适应性。

1.单线、双线混合式平面布置

（1）采用单线不可行 新线22万/年生产能力，设备数量过多，单线布置生产线长，1台设备故障影响全线，为保证产能必须增加设备，从而需要增加设备投资。

（2）采用双线投资大 采用2条独立的11万产能的单线（即双线），专机和辅机能力过分富裕，造成浪费。

（3）采用双线、单线并存的混合布置模式最佳 专机、辅机效率高，可以共用，采用单线布置；加工中心具有柔性，能力能得到均衡利用；为减少辅助时间和故障对产能的影响，减少工序数，采用双线布置。混合布置保留了单、双线的优点，克服了它们的缺点，是较优的选择。

2.物流及管理

生产线分为几个段进行管理，段内采用的是一个流形式生产，以减少在制品，方便一人多机管理。在段与段之间都配有大小不一的储料滚道和下线工位，便于在一个流能力形成的前期，灵活地组织生产，在生产线上都设计有存储在制品区间。

采用滚道连接形成一个大U形线，使物流清晰；生产线上布置多个抽检平台，方便工序间线上或下线抽检零件。

3.兼顾今后的发展

加工设备布置尽可能紧凑，减少占地面积和操作人员步行距离；减小细碎的面积，避免把大块分成小块浪费掉，尽量集中成大块的面积作为今后发展预留空间和在制品存储区间。新线较相同产能的老线占地面积小1000多平方米，在个别序后留有发展空间，便于适应新产品的改进和产能提升，在管理能力提升后，能够实施一个流式精益生产模式。

全自动上下料输送

对于缸体生产线，上下料方式是必须给予关注的问题，因为它直接影响到节拍、故障率、操作工的劳动强度以及投资成本等。一直以来，这方面都是缸体类大件生产的突出问题，我们有很多失败的经验教训。

1.常见的上下料方式

（1）全自动机械手上下料 在以前的缸体、缸盖生产线上大都有采用。其优点是自动化程度高，能够实现一道工序多台并联的布置方式。缺点是投资大，国产的几十万元，进口的要上百万元；故障率较高，影响生产线产能。

（2）手动机械助力装置 在以前的缸体、缸盖生产线上大都有所采用。其优点是手动机械助力装置投资较少，但对于缸体等大型零件需要采用交换工作台、双夹具，实际上投资较大，且对加工精度有一定影响。缺点是上料时间长、操作人员多、操作困难、劳动强度大且容易磕碰伤零件，存在人为因素影响节拍等问题，对于加工缸体是较差的选择。

（3）通过滚道、滑道手动推拉上下料 在很多日资企业有应用。投资较少，这是一个比手动机械助力装置要好一些的选择，但是上、下料时间长，还必须手工冲屑，8h不断推拉45kg的零件，工人的劳动强度太大，会因为人为因素影响到节拍，同时需要操作工的数量较多，随着劳动力成本的提高，经济性优势在逐渐丧失，有些日资合资企业新建生产线也在探讨采用自动上下料方式。

2. 全自动上下料输送

我们在新线上将滚道、托盘和拨杆自动上下料方式结合在一起，取代机械手，实现了一种经济、简单和可靠的零件自动输送方式。

（1）拨杆自动上下料机构 如图2所示，夹具内零件抬起离开定位销，气缸带动拨杆回转一个角度，通过气缸或伺服电动机驱动拨杆移动，把上料口的零件送到夹具位置，同时把设备内的零件推出，零件落下，定位夹紧。

（2）托盘输送 缸体100面、200面加工零件必须侧卧，以OP10序加工的定位面和定位销孔来定位，而4个定位面为高低落差很大的不等高平面，输送很困难，以前通常采用机械手或手动机械助力装置翻转装卸零件。通过对多方案的比较优化，我们最后确定采用托盘输送（托盘仅起输送作用），简单、可靠且投资少（1000元/个），同拨杆机构一起配合，能很好地完成零件输送工作。

（3）自动装卸托盘机构 人工装卸托盘必须2个人，劳动强度较大，容易产生磕碰伤，成本高。新线设计了结构简单的自动装卸输送及清理托盘机构，如图3中的自动装、卸托盘，并通过在操作工脚踏板下面的链带输送滚道自动返回，100个托盘自动循环使用。

质量控制

对于生产线，质量控制的先进性是至关重要的。关键部位的质量控制、检查和跟踪，有效的防差错措施保证产品质量和设备、人员的安全，防止不合格产品流到用户，这些都是生产线设计成败的关键。

1.检查、跟踪方式

生产线质量检查采用集中在4个测量点检查、跟踪。质量主要是依靠设备和工艺保证，通过控制调刀、换刀和规范操作等过程的工作质量控制来保证，检测只起监控作用。

通过加工标记，分清A、B线加工的零件。终检工序进行激光打码，记录主轴承孔尺寸、加工时间、班次、生产线、流水号和防错校验码等信息，便于质量跟踪。

2.可靠的自动测量系统

关键项尺寸加工，如缸孔、曲轴孔的镗孔和珩磨加工等，生产线带主动气动测量系统，100%测量，闭环控制。较重要的定位销孔、主轴承座定位止口等重要面的加工工序，加工中心都带有Renishaw电感式测量头，每加工20件零件就进行一次测量并自动补偿，确保重要尺寸加工质量合格。

3.完善的防差错系统

生产线配置有更为完善的防差错系统，很好地防止了操作工误操作造成的人员、设备安全和质量事故。

加工中心配智能刀具ID识别系统，所有刀具及调刀信息存储在ID芯片中，调刀设备和加工中心都可以自动读取和写入刀具加工及调刀信息，当刀具信息不符合设定的要求时设备自动报警，确保换刀不会出现质量问题，防止信息输入和人工操作的错误。所有加工中心都带有断刀检查、过载报警功能。精加工工位所有夹具都带有气动测量系统，检查定位块和零件的贴合性。

此外，缸体清砂孔堵盖压装的质量配置位移和压力检测；配置防重复压装及返工功能；在滚道所有上料口、抽检口都有防错装置；在手动上下料的工位上，配有防止未加工零件流到下道工序的机构；主轴承盖装配工位配置激光测量防错装置。

结语

生产线设计的优化需要根据设定的目标，勇于采用新的、先进的制造技术，很好地把握加工技术发展的现状和趋势，对多种方案进行综合比较，优选出经济、可靠的方案予以实施，这是一项技术性、经验性强，需要创新思维的工作。通过优化设计，新缸体生产线加工质量稳定，按照预算节省了1/3的投资，各项指标都达到了预定的目标，是一次较成功的优化设计实践。

在实践中我们发现，大量采用国产设备，启动初期问题确实较多，改进工作量较大。但通过改进，故障率有了很大的降低，因此，提高设备的可靠性还是国产机加设备厂需要重点研究的课题。从性价比来说，国产设备有一定的优势，随着中国机械加工技术的进步，设备可靠性的加强，这种优势将会更加突出。