为国产发动机生产装备开发应用技术体系,开展应用验证

点击数:7 发布时间:2019-06-12
通过建立先进检测平台,组建产、学、研合作团队,课题组系统研究了发动机的制造工艺,在挖掘设备和工艺能力、解决前沿制造问题等方面有所突破,形成了一系列两微米工程关键技术和方法。围绕相关企业的发动机精密制造和运行性能,建立了含产品设计、试制、批量生产和反馈在内的全过程两微米精度控制技术体系,通过应用,令主要企业在发动机制造精度的控制技术上达到国际先进水平。
为国产发动机生产装备开发应用技术体系,开展应用验证

2012年,上汽通用五菱汽车股份有限公司(以下简称“上汽通用五菱”)作为子课题单位,参与了国家科技支撑计划——汽车发动机制造精度控制的“两微米”工程课题,目标是:通过引进和自主开发微米级形貌测量技术,研究发动机制造精度与使用性能影响建模的核心基础理论,攻克发动机批量制造性能一致性控制和制造过程加工精度差异化控制两大技术难题,为优化高效率、低成本的发动机制造生产线上的加工装备配置提供指导,以形成汽车发动机精密制造“两微米”技术体系和方法,并开展应用验证。该课题截止时间是2014年12月31日。

2014年,作为课题责任单位,上汽通用五菱联合两所高校、两家国内机床厂、一家国内数控系统研发企业和一家国内功能部件制造企业,共同承担了“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”) 的“汽油发动机缸体、缸盖加工应用验证平台”课题,目标是:开发适用于汽车行业汽油发动机缸体、缸盖加工的样机;掌握国产加工中心在汽油发动机缸体、缸盖生产线应用的核心技术与批量制造技术,为国产加工中心在汽车发动机缸体、缸盖加工生产线中的批量应用奠定基础;对该项目生产线所采用的国产数控机床和数控系统的功能、性能和可靠性进行全面验证和考核;通过应用验证,改进并提高国产数控机床和数控系统的性能,形成系列化定型产品。该课题截止时间是2018年12月31日。

2017年,作为子课题单位,上汽通用五菱参与了04专项的“轿车动力总成关键零件国产加工装备与工艺集成验证平台”课题,目标是:突破轿车动力总成关键零件国产加工装备用户与主机对接的瓶颈,形成机床性能测试验证与持续改进的平台服务能力,支撑国产装备在汽车制造企业生产线上的成组示范应用。该课题截止时间是2019年12月31日。

汽车发动机制造精度控制的“两微米”工程研究

通过建立先进检测平台,组建产、学、研合作团队,课题组系统研究了发动机的制造工艺,在挖掘设备和工艺能力、解决前沿制造问题等方面有所突破,形成了一系列两微米工程关键技术和方法。围绕相关企业的发动机精密制造和运行性能,建立了含产品设计、试制、批量生产和反馈在内的全过程两微米精度控制技术体系,通过应用,令主要企业在发动机制造精度的控制技术上达到国际先进水平。

汽油发动机缸体、缸盖加工应用验证平台”课题研究

上汽通用五菱在应用汽车发动机缸体、缸盖柔性生产线的同时,对国产高档数控机床、数控系统和关键功能部件的可靠性、稳定性进行了验证,对汽油发动机缸体、缸盖单元的应用验证试验方法、应用验证平台的设计及信息集成控制技术进行了研究,并对应用验证平台的多品种快速换型混线生产技术进行了研究和验证。同时,开发了汽车发动机缸体、缸盖高效加工工艺和车间管理系统,目前正在开发相关的配套功能部件。研究内容主要包括:

1. 国产数控机床在汽油发动机缸体、缸盖加工中的应用验证;

2. 国产数控机床和数控系统的精度保持性;

3. 汽油发动机缸体、缸盖单元应用验证平台的信息集成控制技术;

4. 数控机床运行可靠性测试、评估与分析技术;

5. 汽车发动机缸体、缸盖高效加工工艺;

6. 多品种快速换型混线生产技术;

7. 汽油发动机缸体、缸盖加工精度优化技术;

8. 面向发动机缸体、缸盖制造的数控系统专用技术;

9. 面向发动机缸体、缸盖的数控机床专用技术。

突破的技术瓶颈及取得的成果

1. 开发了发动机关键制造特征的微米级形貌测量装备,以及压缩比在线四缸自动化测量设备等,缸体、缸盖和曲轴关键特征尺寸检测精度达2微米,测量方式从离线、单点转变为在线、扫描,检测效率满足了生产节拍要求,达到了国际领先水平。

2. 开发了多源误差耦合的发动机冷试数据处理分析软件,支持大量冷试数据的在线处理分析,达到国际领先水平。

3. 开发了加工工艺与工序优化技术,开展了加工工艺参数试验和仿真对比的研究。包括:分析了后端面铣削闷车问题,对比了两种毛坯的性能;分析了精铣缸体顶面轮廓度超差问题,验证了仿真变形规律;分析了粗镗缸孔振纹问题,开展了仿真分析并优化了参数;设计了缸体、缸盖批量加工过程工序能力测试方案;研究了加工质量-成本多目标优化方法;在缸体缸盖多工序加工余量与精度协调控制方法的理论研究上取得了新的进展;完成了切削刀具的选择与优化以及切削参数的前期研究工作。

4. 构建了国产数控系统、功能部件和整机的可靠性综合试验平台,对国产数控系统和关键功能部件进行了全面的性能测试及可靠性试验与分析,并根据考核指标要求,对试验样机进行了综合测试与评价。具体包括:完成了数控系统可靠性的测试与验证;开发了数控机床运行可靠性的测试、评估与分析技术;开展了部分关键功能部件的国产化应用验证,通过对国产功能部件进行可靠性试验对比,探索出国产功能部件的选用方法,对其在实际组线机床中的寿命、故障点和维修进行了统计分析,形成了可靠性评估方法;完成了HF270 系列大功率高速精密电主轴的技术报告。

5. 完成了加工刀具监控系统及应用的验证。具体包括:完成了介质无关UHF RFID 抗金属标签的设计与研发;完成了小型化RFID 抗金属标签的设计与研发;完成了基于RFID 技术的刀具状态在线检测与管理系统的开发;完成了RFID读写器和华中数控系统的集成开发;完成了基于RFID 技术和大连华根数控加工中心的集成应用验证;完成了RFID 技术在刀具寿命参数传递系统的开发和验证;完成了刀具实时在线监测系统的研发;完成了RFID 读写器对刀仪端的集成;完成了刀具寿命监测和传递系统的开发验证。目前正在大连华根的CNC加工中心上做RFID刀具寿命预警和刀补参数传递集成验证。

6. 开发了数控机床运行可靠性测试、评估与分析技术,对加工过程监控系统进行了应用验证;研发了混线生产管理系统并进行了应用验证,开展了产品整机设计制造及技术研发和试验研究工作。上述研究均取得了理论上的突破。具体包括:研究了关键部件的失效形式和原理,设计并验证了机床状态监测传感网,开发了信息集成装置和转接模块;完成了缸体、缸盖加工工序关键质量控制特征的设计;初步建立了物流系统、网络系统等模型;开发出基于网络的高速加工的插补、速度平滑技术;开发了缸体、缸盖加工刀具的快换定位装置。

应用情况

1. 压缩比在线四缸自动化测量装备

压缩比在线四缸自动化测量装备可在线对发动机四缸的压缩比进行自动测量,测量节拍40s/台,测量精度偏差0.4%,重复精度约0.5ml (±3σ),填补了国内空白。如图1所示。

图1 压缩比自动测量.jpg
图1 压缩比自动测量

2. 燃烧室容积激光扫描测量系统

缸盖燃烧室是发动机燃烧室的重要组成部分,其容积的波动是影响压缩比波动的首要因素。数据显示,B12D发动机缸盖的容积波动较大,且缸间差异化明显。进一步研究发现,影响缸盖燃烧室容积的因素很多,包括模具、铝液成分、浇注温度和机械加工等。如图2所示,研究对象为B12D缸盖。

图2  缸盖特征示意图.jpg
图2 缸盖特征示意图

燃烧室容积激光扫描测量系统的激光扫描设备采用光学非接触式三维测量方法,与传统的接触式测量方法相比,本身不需要接触被测物体,且受被测物体表面形状的限制小,对被测物的干扰小,因此测量精度较高。此外,该设备通过对缸盖燃烧室一次扫描,可实现对燃烧室容积的实时测量,测量速度快。如图3所示。

图 3燃烧室容积激光扫描测量系统.jpg
图3燃烧室容积激光扫描测量系统

3. 发动机轴类零件几何特征精密检测技术

针对发动机轴类零件关键几何特征的工程检测要求,研究了基于CCD影像测量的轴类零件几何特征尺寸及形状精度检测技术,据此研制出发动机轴类零件精密视觉检测系统,并结合实际工程应用,为发动机制造的质量、工艺改进提供了技术支持。采用三维平移及一维旋转组合方式,构成了四轴精密机械系统结构。按照轴类零件关键尺寸精密检测的路径优化策略,驱动光学精密成像系统至关键特征检测最佳位置,实现了关键特征图像的精确获取。如图4所示。

图 4 发动机轴类零件精密检测设备.jpg
图 4 发动机轴类零件精密检测设备

4. 发动机冷测试数据统计分析软件

通过对发动机进行冷测试,可以尽早发现产品制造中出现的一系列问题,且试验成本低,无需采用点火方式,减少了环境污染。发动机冷测试软件具备以下功能:

(1)数据的导入和导出:实现冷试检测数据导入软件数据库的功能;实现在各类不同筛选条件及需求下的数据一键导出功能。

(2)趋势分析、趋势对比分析:实现规定筛选条件下的某项参数的趋势分析功能;实现不同筛选条件下(时间、测试站等)的数据趋势对比分析功能。

(3)概率分布统计:根据设定的不同组数进行概率分布统计。

(4)压缩比计算:根据输入的参数,计算压缩比。

(5)相关分析:依据发动机冷测试数据多元相关分析模型,针对选定的特征参数,计算尾部相关系数等指标。

(6)不同控制图综合分析:依据各类控制图综合利用的规则,通过不同控制图的关联分析,挖掘更丰富的隐含信息。

5. 缸体后端面与底面的垂直度分析和控制

在柔性生产线上加工SGMW 缸体,生产节拍为170秒。在该生产线上,用于 OP20 工序的机床为德国 EX-CELL-O 公司的 XS321 卧式加工中心。目前,该工序的工艺流程为:底面粗加工、底面半精加工和后端面半精加工,属粗加工与半精加工一体的工序,其中,缸体后端面作为后续工序 OP90~OP110 的定位基准面,底面作为后续工序 OP50~OP80 和 OP170~OP200 的定位基准面。因此,保证 OP20工序缸体后端面与底面垂直度误差符合加工精度要求至关重要。缸体后端面与底面的形貌、加工流程及走刀路径如图5所示。

图5 缸体后端面与底面的形貌、加工流程和走刀路径.jpg
图5 缸体后端面与底面的形貌、加工流程和走刀路径

由于缸体生产线 OP20 工序的粗加工与半精加工在同一工序中,因而易于累积加工变形。另外,刀具随加工件数的增多而磨损,导致铣削力增大,造成铣削变形。因此,缸体后端面与底面的加工变形会变大,影响后端面与底面的垂直度,引起超差。为此,从工艺系统和工艺过程两方面着手,对发动机缸体加工过程中后端面与底面的垂直度误差进行了分析,结果发现,粗加工铣削变形和半精加工铣削变形、装夹定位变形以及刀具磨损是造成垂直度超差的主要原因。

工序分离试验及数据分析结果证明了发动机缸体后端面与底面垂直度误差是由粗加工铣削变形和半精加工铣削变形累积效应造成的,其中,刀具磨损造成加工过程中铣削力和铣削热变大,更加剧了粗加工和半精加工的铣削变形。通过工序分离试验的分析与验证,从工艺角度考虑,提出了粗加工与半精加工工序分离的工艺方案,如图6所示。此方案不仅有效地解决了发动机缸体加工过程中铣削力变形对加工精度的不利影响,而且平衡了缸体加工工序的负荷。从生产成本考虑,提高了刀具的使用寿命,降低了发动机缸体加工成本。

图6工艺优化.jpg
图6工艺优化

6. 发动机缸体缸盖结合面泄漏控制

通过对缸体、缸盖简化模型进行有限元泄漏分析,初步判断出缸体、缸盖结合面在装配后(螺栓扭矩作用下)的应力分布情况,据此判断出可能产生泄漏的区域。图7所示为装配体的简化模型。

图7 装配体的简化模型.jpg
图7 装配体的简化模型

如图8所示,在 circle2、circle3 处的节点应力小于 circlr1、circle4 处的应力,这是由于螺栓的拧紧顺序不同,导致在螺栓间弹性的作用下,后拧紧的螺栓会造成先前拧紧的螺栓预紧力部分丧失。因此,考虑对螺栓的拧紧顺序进行优化,以使垫片上的应力分布较为均匀。

图 8 垫片对应各缸筒圆周节点应力分布1.jpg图 8 垫片对应各缸筒圆周节点应力分布2.jpg

图 8 垫片对应各缸筒圆周节点应力分布3.jpg图 8 垫片对应各缸筒圆周节点应力分布4.jpg
图 8 垫片对应各缸筒圆周节点应力分布

7. 加工过程监控系统及应用验证

开发通用数据采集平台,将通过对计算机技术与测量技术的综合应用,满足产品模块化、无线化和网络化的发展需求。此平台实现了对多种物理量信号的采集,将最新采集的数据暂存于本地,定期通过移动运营商4G网络传输到监控中心备份。最终,获得数控机床运转状态的大数据,用于数控机床大数据分析,为机床的设计、维护以及加工工艺的改进提供指导。同时,以此平台为基础,开发加工过程监控系统和机床状态监控系统。图9所示为该平台组成架构。

图9通用数据采集平台组成.jpg
图9通用数据采集平台组成

针对车铣复合机床搭建的测控传感网硬件平台包括:数据采集模块、中间转化模块和数控系统I/O模块。其中,工控机、PCLD-8710、DH5856-9 ICP适调器以及TMS转换模块等均安置在车铣复合机床的电柜箱中,加速度、温度和电流传感器分别安装在机床各零部件上。开发软件环境与软件架构本系统时,选用实时操作系统WinCE 6.0,开发环境为EVC 4.0(与VC++ 6.0接近),界面部分采用MFC提供的接口(C++语言),数据处理采用标准C编写。软件总体结构由4大模块构成,分别为系统参数、监控状态显示、诊断分析以及系统管理。图10所示为数控系统智能测控模块平台的软硬件实物。


图10数控系统智能测控模块平台

8. 智能制造车间RFID应用系统验证

图11所示的介质无关UHF RFID抗金属标签。为了消除工业现场的复杂应用环境对UHF RFID标签性能的影响,在标签设计方面,研究了使用环境对RFID标签天线性能的影响机理。在传统的微带天线基础上,提出了全新的馈电方法。同时,通过有限元分析方法、全波分析方法,对电子标签的结构参数进行了仿真试验。基于上述基础,对天线标签进行原型打样,开展电性能测试、机械测试和电磁测试等工作。


图11介质无关UHF RFID抗金属标签外形图

图12所示的小型化RFID抗金属标签,在标签设计上采用了电小环形天线,通过实数编码遗传算法,对天线的阻抗匹配网络进行了优化。同时,通过有限元分析方法、全波分析方法,对电子标签的结构参数进行了仿真试验。在此基础上,对天线标签进行原型打样,开展电性能测试、机械测试和电磁测试等工作。


图12小型化RFID抗金属标签外形图

远距离的介质无关UHF RFID抗金属标签可以适用于任何工况,主要应用在工业现场物流、车辆管理和出入库管理系统,有效地提高了车间物流效率及车辆使用率,使得生产效率及物流效率显著提高。

小型化UHF RFID抗金属标签可以覆盖所有的RFID频段,应用在工件或者产品的全生命周期管理中。在制造过程中,产品的生产数据、质检结果以及后期的维护数据同步存储在RFID标签中,用于提高柔性生产线的鲁棒性以及减少装配线中的误操作。

9. 基于RFID技术的刀具状态在线检测与管理系统开发

由于各类机床的开放程度不同,为使刀具寿命采集模块能覆盖尽可能多种类的机床系统,未选择与机床直接通信的方式读取刀具使用情况,而是通过RFID读写器读取当前正在工作的刀具,再结合机床运行状态采集模块采集到的机床主轴开始转动和停止转动的时间段,来计算刀具每次的加工时长,统计刀具寿命数据。图13为开发的刀具在线监测管理系统。


图13刀具在线监测管理系统

采用RFID刀具管理系统后,可实时采集加工中心的刀具使用寿命,并在刀具寿命结束前给出报警,从而将产品的加工质量提高了5%以上。

采用刀具管理系统进行车间刀具管理,将刀具和使用者进行有效关联,同时,通过刀具管理软件,有效管理刀具库存并统计刀具的使用情况,令管理者对刀具的整体使用情况一目了然,有效降低了刀具成本达5%以上。

10. 数控机床运行可靠性评估与分析系统

基于多序列加权HMM的可靠性评估模型,在不考虑维修及性能调整的情况下,数控机床的性能数据随时间的变化呈单调劣化变化,因此,数控机床的健康状态变迁及转移概率如图14所示。


图14数控机床的状态变迁关系

某型号汽油发动机缸体、缸盖生产线上的数控机床主轴结构如图15所示,该机床主要用于镗曲轴孔和铰销孔。根据机床运行手册、现场调研及故障树分析,建立了主轴的性能指标向量:近端端面跳动、远端端面跳动和拉刀力。刀具夹紧装置处的力为拉刀力,主轴上面夹紧刀具加工工件一侧的跳动为远端端面跳动,另外一侧的跳动为近端端面跳动。


1主轴轴承 2电机冷却 3编码器 4刀具夹紧装置 5液压装置柱塞 6电机7带有一组盘簧的夹紧系统 8弹簧液套 9夹紧锥 10弹簧涨套 11间隔垫12拉杆 13盘簧组 14拉杆末端

图15主轴组成部件图

采取离线点检方式进行日常监测,通过对点检结果进行故障概率分析,与HMM模型计算结果基本吻合,且HMM模型计算结果趋于保守,由此验证了本模型的正确性。

基于隐马尔科夫模型的数控机床可靠性评估系统,收集分析机床关键性能指标的运行数据,从这些数据中挖掘出机床运行状态等重要信息,使得可靠性评估建立在可靠性数据基础之上。为了对现场数据进行妥善分析、处理和保存,更方便准确地计算出状态概率变化关系,迫切需要建立一套适应数控机床发展的可靠性评估系统(如图16、17所示),进而为后续维修决策等提供依据。


图16点检系统起始页截图


图17主轴定量结果诊断评估截图

11. 丝杠磨损监测平台搭建

通过前期的理论研究,有针对性地搭建了监测平台,如图18所示。


图18监测平台的搭建

基于电流信号监测分析,对B12型发动机缸盖加工状态下的数据进行电流信号分析,对提取出的快进电流信号进行功率谱分析。从图19可以得出,滚珠丝杠的条件可以分为初期磨损阶段、正常磨损阶段、加速磨损阶段和严重磨损阶段。在严重磨损阶段,滚珠丝杠的工作状态不能满足加工要求,导致工件质量稳定性差。加速磨损期,其特征值的上升趋势较陡,且时间跨度较短。在滚珠丝杠不能满足工件质量要求的情况下,更换一个新的滚珠丝杠,特征值从6x10-3降到0.1 X10-3。


图19加工过程中快进阶段电流信号的功率谱图

12.混线生产管理系统的研发及应用验证

对多品种快速换型混线生产的制造执行系统(MES)进行了优化和改进,使之在生产建模上对生产变更有更好的适应性。更新后的系统已经部署在江淮纳威司达发动机厂,目前生产反馈良好,运行稳定。此次升级包括:工厂建模、生产计划管理、生产执行管理、生产执行跟踪、生产监控PMC、质量管理、关键零部件管理、物流管理和仓库库存管理等功能模块。

实施专项课题带来的社会效益

汽车发动机整机制造精度对于发动机的使用性能(燃油经济性、可靠性等)具有至关重要的影响。发动机制造生产线具有自动化程度高、批量大、工艺流程长和加工参数多等特点,制造过程中材料、加工、装配和检测等各类宏微观误差高度耦合,整机精度控制极为困难。在低碳经济、节能减排和绿色制造的巨大压力下,国外汽车公司加快了发动机制造技术的革新步伐,制造精度控制能力正向微米级发展,导致对传统设计、加工、检测和控制技术的巨大冲击。

汽车发动机精密制造技术体系不仅是我国汽车发动机制造企业迫切需要解决的共性基础问题,也是我国装备制造企业高度关注的应用瓶颈问题。上述课题所开发的技术方法、测试设备和分析软件可以直接应用于汽车发动机制造企业,为企业提高产品质量、降低开发成本和提升自主开发能力提供了帮助,对促进我国汽车发动机产业的升级、转变增长方式以及实现节能减排都具有重要的意义。

通过对机床技术、工艺技术、敏捷柔性生产线单元控制技术、高效高精度智能化在线自动监测技术以及国产数控系统的研究和集成应用,形成了整体解决方案能力,支撑了发动机的自主化制造,实现了国产高速加工中心在汽车发动机缸体、缸盖生产线中的批量应用。

通过对04专项资助研发的机床的功能、性能、可靠性及数字化制造或共性技术进行集成性批量应用、验证和考核,在实践中不断积累了经验,为提升国产机床的性能、加工稳定性与精度保持性提供了第一手数据。

通过实施验证平台,充分发挥了缸体、缸盖专业企业为众多主机厂配套服务的作用,进一步扩大了验证平台的影响力,为推广使用04专项支持的国产高速高精数控机床树立了典范,为中国发动机行业和其他制造业大量使用国产数控机床树立了信心,从而改变了长期以来发动机零部件加工机床完全依靠进口的局面。

这些课题的研究内容对于促进我国中西部汽车产业的发展有着重要的影响,研究成果不仅可以满足汽车发动机行业的需求,还可以推广至汽车、航空、船舶和微电子等其他国民经济重要领域。

存在的问题

通过04专项课题的研发,攻克了微米级几何形貌测量、精度与性能匹配、高效精密加工、冷热试多源数据融合等技术。但是,汽车发动机制造精度不是单元制造精度的简单累加,无限提升单元制造精度,不仅受制于新技术风险和投资成本,且未见得显著改进产品使用性能。因此,科学合理的制造精度控制体系,才是提高发动机的性能稳定性、缩短研制周期、降低制造成本的重要手段,也是国际汽车公司高度重视和保密的核心技术。长期以来,我国汽车发动机行业由于缺乏研制经验和有效的研究方法,尚未能够准确、系统地掌握制造精度与产品性能之间的相互影响关系,导致制造工艺的自主开发、生产装备的集成、制造质量的控制等核心技术与国际同行相比存在较大的差距。

另一方面,国内数控机床企业对满足汽车高精密零部件生产所需的设备标准尚不十分熟悉,设计、制造经验欠缺,在同步设计过程中,需要汽车制造企业给予更多的技术支持。另外,国产数控机床的制造还需要使用进口零部件,如主轴的定转子以及A轴、B轴转台等。这些零部件的采购周期较长,价格较高,导致国内机床企业在成本预算和交货周期上难以满足汽车制造企业的要求,不足以与国外知名品牌相抗衡。