自动补偿在国内主流汽车发动机厂精镗工序中的应用

   本文简要介绍了精镗自动补偿这一在现代汽车制造业有着成功应用的控制技术，并以发动机缸孔加工为例，根据对国内主流汽车发动机厂实际应用情况的调研，分析了企业在规划该工序时做出的不同工艺选择。文章还结合实例，介绍了典型的补偿模式。 
    1精镗自动补偿技术 
    （1）概述 
    精镗自动补偿是一项已诞生多年的成熟技术，是现代机械制造业中被称为“自动补调”的控制技术中十分重要且很有代表性的一种。在发动机的主要零部件，如缸体、连杆等的孔加工中得到了较为广泛的应用。以缸体加工为例，缸孔的精镗是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位误差将直接影响发动机的质量。而实际使用效果表明，若在精镗工序中增加自动补偿环节，就能显著提高该工序的运行质量，主要反映在以下几方面： 
    ①由于自动补偿系统可以补偿刀具磨损以及温度和其它不稳定因素的影响，且切削刃的补偿量能达到1μm，故改善、提高工件质量的效果明显。 
    ②可以减少调刀次数，提高工序效率（尤其是在将半精镗与精镗结合在同一工序里时）。 
    ③通过改善机床性能，可将普通机床升级为精密机床。 
    （2）精镗自动补偿功能的实现 
    自动补偿系统由随机检测、（信号）反馈补偿和具有微调功能的镗头等三部分组成。在发动机主要零部件中，除了缸体外，在连杆加工中应用镗孔自动补偿系统也较多，但补偿原理和系统组成是完全相同的。其工作循环为：镗刀在加工孔后退出，由电子塞规（测头）对工件进行测量；然后测头退出，检测信息送入测量仪，经放大和A/D转换后送到补偿控制单元，在其中进行运算后，做出相应的判断，若需要实施补偿，就向补偿执行器发出相应的指令；补偿执行器可以有不同的形式，图1所示为伺服电机，此时需通过连轴器转换为拉杆的轴向移动，有时还需要配以冷却液供应装置；最后，由拉杆产生位移，并通过具有微调功能的镗头（刀）引起镗刀切削刃（刀尖）的径向位移，从而完成镗孔过程中刀具的自动补偿。 
    在组成系统的三要素中，由测头/电子塞规与测量仪组成的随机检测部分其实与常用的线外检测装置相同。而在组成（信号）反馈补偿系统的控制器、执行单元和辅助部件中，控制器已经产品化，一般由随机检测的供应厂商配套提供，当采用伺服电机或步进电机作为执行机构时，还要配置驱动电源。著名的量仪公司MARPOSS就采用这种方式与机床厂合作，以满足用户需要。因此，在发动机厂规划人员做出的缸孔精镗自动补偿的工艺选择中，除了补偿的执行方式外，系统三要素中的最后一个要素——具有微调功能的镗头（刀）的选择就显得尤为重要。必须指出，近年来，上述系统中的测量仪和补偿控制单元已经一体化，为通用的、以工控机为基础的计算机辅助测量系统所取代（如MARPOSS公司的E9066产品）。 
    迄今，在精镗补偿系统中，采用斜楔机构的微调镗刀所占比例仍然最大，虽然实际应用中的刀具在具体结构上会有一些差异，乃至拉杆的驱动方式也完全不同，但其基本工作原理均相同。此类镗刀如图2所示。从图中可见，其中部的拉杆的前端有一角度很小的斜楔，与斜楔紧密接触的是一杠杆上部的短柱，而精镗刀片就安装在杠杆下部的前端。这样，当拉杆前后移动时，就会引起刀尖的微小径向位移。依据知悉的斜楔角度和杠杆比，就能建立拉杆的轴向位移量与刀尖径向位移之间的数学关系，以实现量化的刀具微调。 
    （3）精镗自动补偿的补偿模式 
    但是，经由随机检测后输出的测量信息，又是如何转化为相应的补偿指令，并确定刀尖径向位移量的呢？这是通过控制单元（补偿控制器）对检测结果的运算、处理，并作出相应判断后向驱动装置发出指令来实现的。只是运算、处理的模式（即执行补偿的数学模型）必须由用户的工艺部门、质量部门根据自身情况来决定。 
    当然，也有一些发动机厂采用更为简单的补偿模式，如在某一生产批量很大的缸体生产线上，缸孔精镗采取“强制补偿”方式，具体做法是：精镗刀片每加工10个孔，就自动补偿刀具磨损量1μm。 
    以上介绍的精镗补偿系统是一种闭环控制的反馈自动补偿，但实际上在汽车、柴油机等行业，真正用于缸孔精镗工序时，还有手动调整/补偿的模式，且这种情况不仅存在于国内早期建成的发动机厂，至今还在一些企业得到应用。建成于上世纪80年代末的上海大众发动机一厂是国内最先投产的现代化汽车发动机厂之一，其缸体生产线是一条全部由组合/专用机床构成的刚性自动线，其中的缸孔精镗工序就采用手动补偿。奇瑞汽车发动机一厂的一条缸体“刚性”生产线在缸孔加工中也采用了相似的方式。但这并非只是企业早期的一种工艺选择，知名的民营企业吉利汽车公司近几年建成的3条缸体生产线的缸孔镗削工序中都具有精镗补偿功能，只是均为“开环”的手动控制。然而，即使都是“手动”控制，在具体做法上也存在差异。在上海大众发动机一厂的缸体线中，相对于图3所示的系统组成，其实只少了驱动装置c。在自动线中，用于全检的随机检测量仪和控制单元还是能按预先设置的补偿要求自动给出补偿量，只是需要人工操作（一般在机床控制面板上执行）而已。吉利汽车的模式就要简单得多，生产线内不设置随机检测工位，操作人员只是依据线外设置的检具，根据在每一个抽检周期所得到的测量结果来决定补偿与否及补偿量。具体做法也是先在公差范围内建立一个警戒（控制）区域，当发现一个周期（如1小时）抽检的1件（或3－5件）的实测值（或平均值）超出警戒线后，就人工执行补偿操作，调整到公差的中间值。 
    2缸孔精镗的工艺选择 
    在缸体加工中，缸孔精镗是最重要的工序之一，涉及的尺寸精度和形位误差将直接影响发动机的质量。因此，企业在规划这道工序时会持十分慎重的态度，既要保证零件的实物质量和工序质量，又要结合产品和企业的实际情况而采用最合适的方案。缸孔精镗的工艺选择牵涉到加工设备、镗削工艺、镗刀（包括刀片材料、是否带补偿功能等）等诸多因素。 
    在汽车行业面临日益激烈的市场竞争的大环境下，企业加快了产品更新换代的速度，对降本增效更加重视，并强化了柔性生产方式。确实，自上世纪90年代中期以来，加工中心得到了日益普遍的应用，还出现了完全由加工中心组成的自动线（包括缸体线），但这是否是一种发展趋势呢？事实证明，这只是一种可取的模式。近年来，国际知名的机床供应商和汽车企业集团十分看好并力主优先采用“混合型柔性自动线”。这是一种组合/专用机床和加工中心相混合的柔性自动线，其优点是生产效率高，同时又具有相当的柔性，能够适应大批量生产和变型产品生产，而投资则相对较小（由零件的结构特点和工艺分析所决定）。在以这种模式加工缸体时，缸孔的镗削工序是由专用机床承担的。而多年前已经配置使用的精镗自动补偿则进一步提高了缸孔精镗的加工质量。不过，虽然这一措施的有效性已得到确认，但作为一种工艺选择，企业在规划和实施时仍然会对经济性、适用性等各方面加以考虑，最后根据自身的实际情况作出决定。 
    通过对国内20多家主流汽车发动机厂（包括柴油机厂）的60余条缸体生产线的调查，我们对缸孔精镗采用的工艺技术有了比较清晰的了解。在60余条缸体线中，2002年后建成投产的新线占了将近一半（47.5%），但在这些线中，缸孔镗削工序采用加工中心的比例增加到45%。表明近年来由加工中心组成的柔性自动线在发动机主要零件制造中的应用面在扩大。 
    但是，相对而言，上述“混合型柔性自动线”还是稍占优势。按照这种制造方式，缸孔镗削工序均在专机上完成。事实上，国内在2005年以后建成的多条具有先进水平和代表性的缸体线，如东风康明斯、上海通用L850项目、大众动力总成（上海）、大连柴油机厂、大众一汽发动机（大连）等，均采用了这种模式。 
    至于带有缸孔精镗自动补偿功能的设备，在全部被调查的60多条生产线中占到54%；其中，当缸孔精镗采用专机方式加工时，带有此项功能的占64%；而采用加工中心加工时，仅有25%的工序具有此项功能。 
    事实上，尽管精镗自动补偿是一项已应用多年的成熟技术（过去也被称作“自动补调”），但随着数控、检测等相关技术的不断发展，尤其是处于补偿系统核心地位的可微调镗杆的改进与完善，补偿的效能已得到大大提高和扩展，充分体现出这项成熟技术的不断进步。