柔性化

汽车发动机零部件的柔性化生产

1/6

汽车发动机零零件的柔性化生产

作者：李如松

在十多年前，要用加工中心来代替自动线仍是难于办到的事，但是在今日，这类

代替已成了现实。在上世纪80年月末和90年月初，像轿车发动机这样的大量量

生产领域，采纳的加工设施主要仍是自动线和组合机床。比如德国大众汽车厂在

Salzgitter的发动机生产厂里，生产包含样机在内的（1~）升排量的四缸、五缸

和六缸发动机，采纳的加工设施，自动线就占了60%，组合机床和加工中心各占了

20%。但是就在这几年中，众多机床厂充足利用在刀具技术和驱动技术等方面获得的

巨大进步，在90年月初盛行高速加工和开发出高速加工中心，显着提高了加工中

心的生产效率。与此同时，因为经济的全世界化和需求的个性化，促进产品品种日趋

增加，设施的柔性成了决择加工设施的重要要素。在这样的技术和市场

状况下，于是高速加工中心在90年月中期就开始进入大量量生产领域，打破了自动

线和组合机床在这些领域里的垄断地位。

当前，在汽车发动机的缸盖、缸体、变速箱体和离合器壳等箱体件的加工中，由

高速加工中心构成的柔性生产线已大多半代替了自动线、高速加工中心已成为汽

车发动机箱体件加工的主要设施。

加工中心和自动线是两种不一样种类的机床，最先，它们有着不一样的应用领域，

它们之间其实不存在着竞争。技术的进步和市场的变化，推进了自动线的柔性化和

加工中心的高速化发展。以致这两种不一样种类机床的应用领域相互靠近和互相

重叠，生产率和柔性这两个特色参数之间的矛盾逐渐在消逝。

当前，在中、大量量生产领域有些工件的加工完整能够采纳高速加工中心来实现。

而关于一些需采纳复杂刀具又需机床配合的工件加工，则越来越多地转向采纳模块

化的生产系统，在这样的生产系统中，能够依据详细的加工任务来集成加工中心和

自动线及组合机床，以便充足地利用自动线和加工中心各自的长处。

自动线的柔性化及其特色

汽车发动机零部件的柔性化生产

2/6

为适应不停增添的变型品种的生产，在70年月末和80年月初，众多组合机床制

造厂家接踵利用NC技术开发出了柔性自动线用的各样不一样种类的数控加工模块。

这些加工模块按其运动坐标数，有单坐标、双坐标和三坐标模块；按其主轴数，

有单主轴和多主轴模块（转塔式多轴加工模块）。因为这些模块是数控的，所以，

当柔性自动线由加工变型品种中的一种工件转向加工另一种工件时，可经过改变

数控程序来实现自动换刀、自动改换多轴箱和自动改变加工行程以及自动改变工

作循环、切削用量和加工地点等，以适应变型多品种加工。

图1所示是一条加工载重卡车八种变速箱体的柔性自动线。该线采纳了四台双坐标

数控铣削模块，六台数控转塔式多轴加工模块和六台立柱挪动式三坐标加工模块，

协助工位有冲洗工位和采纳机器人进行操作的装夹工作站。当由一种工件的

加工变换为另一种工件的加工时，只须经过夹具上的编码来调用所要加工工件的数

控程序、所需的刀具和加工参数，而无需进行机械等方面的手动调整。

图1：加工变速箱体的柔性自动线

（德国Chemnitz机械研究所）

柔性自动线与刚性自动线相同，也是一种刚性连结的多工位自动化加工设施，柔性

自动线所加工的变型品种在工件的几何形状和加工工艺上一定高度相像，并且

这些工件在自动线设计时应当是确立了的，所以，柔性自动线的柔性仍是有限的。

因为柔性自动线上全部的加工工位之间是互补关系，所以当自动线上某一台机床

发生故障时，就会造成全线停留，以致设施利用率降落，即便在最好状况下，自

动线的利用率也仅为70%。

当前，比如在汽车工业中，像发动机的缸体、缸盖和变速箱体不单品种多，并且

在6年左右的时间里，常常会被新的产品所代替，这就要求加工设施不单要适应

汽车发动机零部件的柔性化生产

3/6

已确立的变型品种的加工，并且还要求能适应还没有确立，而此后有待发展的工件

的加工。明显，柔性自动线因为其构造上的特色，就难于知足这样的要求了。

加工中心的高速化

在80年月初，加工中心主轴的最高转速还仅为4000r/min，最高轴挪动速度约为

20m/min。但在随后的（7～8）年中，因为驱动、主轴轴承和控制等技术的长足

进步，促进高速加工中心问世。当前，高速加工中心的主轴转速已广泛达到

（15000～24000）r/min，轴加快度达（1～2）g，轴挪动速度达到（80～120）

m/min，两次切削间的间隔时间（切屑到切屑的时间）达（～）秒。这样，使得这

类加工中心能够采纳高效刀具以很高的切削速度和进给速度进行高效加工，大大

缩短了基本时间。如粗镗直径为86mm、深度135mm的灰铸铁缸体的缸孔，加工时间

仅秒（进给速度达4500mm/min）；钻铣铝合金离合器壳上M16×深22mm的螺纹孔

也只要秒。

因为高速加工中心轴加快度和挪动速度的提高，相同也缩短了协助时间，但是，

当前关于大多半加工任务来说，协助时间占加工流程时间的份额可达（50～70）%，

这样高份额的协助时间主假如由换刀过程（刀具退出加工部位——主轴停在规定

的角度地点——主轴移到换刀地点——换刀(也许进行刀具的自动查验)——刀库挪

动（直接换刀）或机械手进行换刀运动——吹净刀柄——拉紧刀柄——主轴启

动到工作转速——主轴刀具从头进行切削加工）产生的，因而可知，减少换刀次

数是缩短协助时间的重要门路。特别是在中、大量量的生产中，高速加工中心往

常能够采纳多工件夹具（在多面体夹具上装夹多个相同的工件）、复合刀具（将

多个不一样的加工工序集中在一把刀具上）和多功能刀具（用一把刀具实现多种

工序的加工）来减少换刀次数，进而缩短协助时间。基本时间和协助时间的显着

缩短使高速加工中心在生产效率方面达到了组合机床和自动线那样的高水平，为

高速加工中心进入大量量生产领域创建了条件。

柔性生产线和混淆生产系统

汽车发动机零部件的柔性化生产

4/6

当前，汽车发动机的缸体、缸盖和离合器壳的加工已广泛采纳柔性生产线（由高

速加工中心构成）和混淆生产系统（由高速加工中心和自动线构成），按当前的

技术水平，采纳混淆生产系统加工缸盖年最正确加工件数可达（30～35）万件，采

用柔性生产线加工离合器壳的年最正确加工件数达（35～40）万件（图2和图3）。

图2：用柔性生产线（XHC241高速加工中心）和自动线加工离合器壳的单件花费比较。

（绿色区表示采纳高速加工中心是适合的；红色区表示采纳自动线是适合的）

图3：加工离合器壳的高速加工中心和自动线在投资花费方面的比较

柔性生产线是由若干台高速加工中心经过按必定方向传达工件的输送系统连结而

成，输送系统常常采纳转动输送带实现工件的连续输送，输送带同时起到工件的

中间储存作用，这有益于提高机床的利用率。在生产线上高速加工中心按预约的

生产工艺流程挨次进行摆列，在每个加工单元上起码安排两台可实现互替的同一

规格和型号的高速加工中心进行平行加工，这样，当某一台加工中心出现故障而

停机时，另一台加工中心仍可持续进行加工，由此防止造成整个生产线的停留。

所以，这类柔性生产线的利用率可高达（90～95）%。

柔性生产线的模块化构造和成倍的加工设施配置，使生产线可实现分阶段投建。

因为对新产品年销售量的展望常常不必定正确，所以关于初次投产的系统用户能

够不急于进行大量设施投资，此后还能够依据市场对产品需求的增添而相应扩大

生产线的规模，这无疑有益于提高投资的经济效益。但是，自动线则与此相反，

在项目确准时，其设施的规模和其总投资就确立了。

工件的加工，无疑要选择最适合的机床型式，依据详细的加工任务，经过柔性生

汽车发动机零部件的柔性化生产

5/6

产线和自动线的组合就能充足发挥高速加工中心和组合机床各自的长处，以最合理

的加工工艺保证工件的加工精度和加工效率。这类由高速加工中心和自动线构成的

混淆生产系统主要用于加工发动机的缸体（曲轴箱）和缸盖。缸体上的主轴

承孔、缸盖上的气门阀座和导管孔以及凸轮轴孔不单孔自己的精度要求很高（H6），

并且相邻孔的地点精度要求也很高（如凸轮轴孔相临孔同轴度＜，气门阀座和导

管孔的同轴度，汽油发动机＜，柴油发动机＜），所以加工主轴孔和凸轮轴孔，

往常要采纳拥有导向的专用长镗杆，而气门阀座和导管孔则要采纳致动受控刀具

进行加工。很明显，组合机床要比高速加工中心更适合于采纳这样的工艺和刀具

来进行加工。

加工气门阀座和导管孔以及凸轮轴孔均采纳了自动线进行加工，而加工中心用来加

工缸盖的其余部位。加工中心的数目可依据市场对产品的需求量的增添而进行

扩大，采纳的高速加工中心都是一种型号和规格的XHC241。这样做，有益于提高使用

的经济性，因为，这些加工中心拥有近似的操作、养护和维修，减少了备件，进而

简化了组织管理。

前些年，我国一汽公司（FAW）无锡柴油机厂从德国Grob机床制造厂引进的缸体

和缸盖（载重汽厂发动机）两条生产线，就是属于加工中心和组合机床混淆配置

的生产系统，从这里能够看出，在载重汽车的柴油机行业，过去传统由组合机床

肩负的一些加工任务，也越来越多地由加工中心来达成了。

高速加工中心有很好的应用远景

关于汽车的中、大量量生产，在生产技术的目标和任务方面主要表此刻高的生产

率、高的柔性、高的质量和低的单件花费四个基本要求上。在当前，在知足这几

项要求方面，自动线和高速加工中心的主要差别是在柔性上，而在生产中关于柔

性的要求主要鉴于以下不一样的原因：

◆适应产量（如产量提高某一数目级）

◆对已知工件变型品种的适应能力

◆对未来未知的而此后要加工的工件变型品种的适应能力

明显，高速加工中心和由它构成的柔性生产线能很好知足这些方面的要求。在当

前，组合机床在实现某些加工工艺方面还拥有优势，可是，在工件的综合加工上由

高速加工中心完整来代替组合机床的发展趋势仍将持续下去。比如，像德国

Makino机床制造厂在其近来开发的装备有提高换刀系统和专用刀库的J4M高速加

工中心上，经过采纳静压导向的镗杆加工主轴孔和凸轮轴孔和经过采纳CNC-U轴

控制的专用刀具加工气门座圈和导管孔，获得了优秀成效。进而用加工中心代替组

合机床对缸体和缸盖的加工无疑是一个优秀的初步。由此能够展望，跟着刀具

汽车发动机零部件的柔性化生产

6/6

和加工工艺的进一步开发以及加工中心构造的完美，用高速加工中心在更大范围

内代替自动线还将有进一步的发展。