自主共軌制造工藝技術的研究

中國一汽無錫油泵油嘴研究所 宋國民 吳欲龍 夏騰飛 王先勇

本文對04專項一期和二期的研究內容進行了介紹，并對自主電控高壓共軌制造的核心工藝，如精密加工、可靠性、智能制造等技術進行了研究。通過04專項對制造工作母機的技術攻關，能夠最大程度從制造角度推進實際產品加工工藝技術的提升，從而實現產品質量和效率的改善。

一、專項內容及目的

“電控共軌柴油噴射系統(tǒng)制造技術與關鍵裝備的研發(fā)及應用”國家04重大專項由中國第一汽車股份有限公司無錫油泵油嘴研究所（簡稱“無錫泵所”）作為牽頭單位承擔。該課題是數控機床專項中首個“需求導向，用戶牽引”的項目，也是專項課題中要求最高、難度最大、子課題及參與單位最多、過程管理最為復雜的項目之一。該專項的主要任務是圍繞汽車、內燃機和制造行業(yè)的核心共性技術，即電控共軌柴油噴射技術和數控超精加工技術，掌握電控共軌系統(tǒng)的關鍵生產工藝，針對關鍵工藝技術的要求，研制用于電控共軌系統(tǒng)生產制造所需的加工、裝配及測試關鍵設備，實現自主共軌系統(tǒng)工藝提升，突破精密零件多軸復合加工、精密噴孔的電火花加工、高精度中孔座面加工、精密小孔的珩磨加工、超高壓力清洗及共軌系統(tǒng)裝配、測試等關鍵技術，有針對性地形成關鍵裝備的技術規(guī)范和工藝方案。同時在機床設備制造過程中，解決機床結構、控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)等關鍵共性技術，形成多項專有或專利技術，提出多項技術規(guī)范與標準，并完成機床的可靠性與精度保持性驗證，最終應用于自主電控共軌系統(tǒng)的生產制造，形成行業(yè)的示范工程。該專項是從行業(yè)的角度研究關鍵共性技術，提升我國的整體制造裝備能力。

“電控共軌柴油噴射系統(tǒng)制造技術與關鍵裝備的研發(fā)及應用”專項聚焦了汽車、內燃機和機床三大行業(yè)的兩大核心技術，即電控共軌柴油噴射技術和數控超精密加工技術，電控共軌柴油噴射技術是實現內燃機排放升級的有效平臺技術之一，對柴油機工業(yè)具有革命性影響，在全球制造業(yè)中加工精度要求最高，被譽為汽車及內燃機的“大腦+心臟”。國際上掌握電控共軌技術并批量生產的企業(yè)不到10家，產品涉及機械、電子、材料、流體等多個學科，電控共軌系統(tǒng)是當前全球汽車行業(yè)中公認的難度最大、水平最高的技術之一。本04專項分兩期，一期涉及共軌系統(tǒng)零部件高精度復合加工、共軌系統(tǒng)零部件精密噴控加工、共軌系統(tǒng)精密偶件配副和共軌系統(tǒng)清潔度提高與測試共性技術的研究與開發(fā)，項目研究涵蓋制造工藝、檢測技術、工作母機和匹配調試業(yè)務范圍，共涉及8大類（12臺套）相關設備的研制、開發(fā)和制造，一期的主要研究內容如圖1所示。

圖1 04專項一期工藝技術及設備

04專項一期項目主要指標對標國際同行，對精度和工藝技術的實現進行攻關和研究，經過項目組近三年的努力于2014年8月30日順利通過了工信部的驗收。一期項目項目驗收專家組長由西安交通大學盧秉恒院士擔任，工信部裝備司蘇錚、張敏參加會議，一期研發(fā)的相關設備運行狀態(tài)和各項技術指標良好，均已通過國家機床檢測中心的檢測，課題完成各類技術研究報告67份、標準10項、規(guī)范8項，申請專利46項，其中發(fā)明專利26項，一期項目驗收時已獲專利授權18項，各項指標達到了任務書合同書的要求。同時，經驗證的工藝技術已應用于自主電控共軌系統(tǒng)的預批量制造。借助平臺和課題的研發(fā)成果，無錫泵所建立了電控共軌試制基地和專項設備的應用示范基地。根據設備協作制造廠預測，專項研制的相關關鍵設備，購置成本比進口同類產品能降低50%左右，大幅度提升了我國裝備制造業(yè)的競爭力，同時積累了精密制造相關的成套工藝技術。

無錫泵所通過承擔國家04專項，除了在工藝技術上獲得了重大突破外，在重大項目管理和人才隊伍培養(yǎng)方面也是碩果累累，開創(chuàng)性地利用“33制”項目管理，即根據業(yè)務方向，分為3個技術領域，每個技術領域下面3個相關子課題，每個子課題設定管理、牽頭單位、協作廠3方面人員。通過“33制”有效強化了矩陣式管理，提升了項目管理效率。同時，定期發(fā)行項目通訊，在項目組內部互通信息，確保項目順利開展。一期項目驗收總結時，驗收組認為作為數控機床專項的重大標志性項目之一，該項目是眾所公認的管理優(yōu)秀、運行良好、執(zhí)行到位的典型案例。除了在總結項目一期工作經驗的基礎上，根據中國制造2025等國家規(guī)劃，要繼續(xù)完善關鍵設備的信息化接口標準。同時，為確保研究成果能夠落地應用，需進一步進行設備的可靠性和精度保持性攻關。為確保項目研究具有持續(xù)性，項目組一致建議進行二期開發(fā)，并聚焦設備可靠性，補齊設備瓶頸，構建完整的電控共軌柴油噴射系統(tǒng)示范生產線，并通過與進口設備混合編隊，在同臺競技中提升國產裝備的制造能力和水平。圖2是項目二期相關的技術開發(fā)框圖。

圖2 04二期相關設備及技術框圖

從圖2可見，二期設備主要聚焦設備設備自動化，相關信息接口，同時最重要也是成果是否能夠落地最核心的指標，設備可靠性和精度保值性，根據二期項目的技術指標，可靠性指標MTBF不低于1500小時。因此，從項目研究的內容可見，二期項目重點是在一期研究成果的基礎上，解決實際應用問題，從而確保研究成果能夠 “落地”轉化，并產生相應的經濟效益。

二、核心攻關工藝技術

04專項是對高檔數控機床與基礎制造裝備的共性技術進行專項研究，其目的是提升我國裝備制造業(yè)的整體競爭力，同時為確保研發(fā)產品能夠運用落地，通過用戶牽頭這種項目模式，使得裝備、產品及制造工藝整體考慮，一體化研究，確保成果一旦研發(fā)成功并可以投入應用。針對04專項的要求及用戶需求，結合一期開發(fā)的經驗和二期指標，二期主要研究以下幾方面的核心技術。

1 .精密制造技術

隨著我國排放法規(guī)要求的提升，電控共軌系統(tǒng)的噴射壓力逐步提高，目前主流的共軌噴射壓力已達到200MPa，下一代的共軌噴射壓力將達到250MPa，甚至300MPa。在如此高的噴射壓力情況下，就要求所有零部件的制造精度得以提升，特別是偶件運動副、油嘴噴孔、微小量孔的精度要求，并且系統(tǒng)雜質和清潔度必須嚴格控制。

針對自主共軌系統(tǒng)，為達到微米、亞微米級的制造精度，項目組結合自主共軌現有的加工工藝要求，在04專項研究成果的基礎上，對影響零部件精度的因素逐一分析。例如在噴油器體珩磨工藝中，為實現中孔1μm以下的圓柱度，項目組利用層次分析法，對制造過程的相關因素，如珩磨速度、余量、中孔熱處理后的硬度、直線度、珩磨刀具、珩磨回旋、機床介質溫度等多個因素進行綜合摸底和分析，并利用模擬計算和試驗分析，摸索出合理的精密制造工藝參數及過程控制條件，在實際工作中不斷優(yōu)化和改善，逐步穩(wěn)定過程能力，確保產品質量的一致性和穩(wěn)定性。

就實際的精密制造技術而言，完全依靠設備提高加工精度總是有一定的限度，與此同時設備在加工過程中還存在部分隨機因素影響，因此，當設備自身精度穩(wěn)定，且達到設備能力時，此時若要再提高產品精度難度很大。這種情況下，就得依靠制造及過程管理，這不僅是快速響應市場需求、提高生產率、改善勞動條件的重要手段，而且是保證產品質量的有效舉措，兩者有密切聯系。例如在噴油器計量孔板的加工過程中，為提高計量孔的初始加工精度，通過電火花加工設備來提升精度達到一定程度后很難提高，這時通過工藝研究，把計量孔板的實時測量數據反饋給電火花加工設備，并根據反饋算法，電火花設備實時調整加工參數，如回轉角度、放電電流、進給速度等，通過電火花設備的實時在線調整，可消除設備加工過程中的隨機誤差，同時，通過質量檢測數據的閉環(huán)控制，確保了計量流量孔的流量散差控制在1%之內，滿足產品設計要求。

2. 可靠性開發(fā)

設備作為制造生產資料，從用戶的角度最關心的就是設備的可靠性和精度保持性，特別是針對大批量制造的汽車產品，設備的可靠性及正常運行尤為關鍵，這也是04專項二期需要解決的核心問題，這直接關系到后續(xù)研究成果是否能夠獲得市場認可和推廣。

為提升設備的可靠性，在做好項目管理的同時，項目組研究人員深刻理解可靠性是設計出來的基本理念，因此一開始就把可靠性工作擺在了非常重要的位置，并將其貫穿于研發(fā)工作的各個環(huán)節(jié)，確保產品在設計開發(fā)各環(huán)節(jié)對影響可靠性的因素進行分析。二期04課題可靠性開發(fā)的基本流程如圖3所示。

圖3 二期04設備可靠性工作開發(fā)流程

在進行產品開發(fā)時首先將可靠性落實到項目計劃的階段，例如在設計階段明確關于故障信息與歷史數據收集、整理、分析及可靠性增長的指標及要求，明確可靠性指標后分解到各主要功能部件，并提出相應的設計可靠性措施及對策，清晰化主要功能部件部件的可靠性試驗驗證規(guī)范，確?？煽啃蚤_發(fā)能夠從設計角度形成閉環(huán)，后續(xù)跟進制造過程和使用過程的可靠性管理，這樣能夠做到工作環(huán)環(huán)相扣，目標明確，評價和驗證方法有效。

其次在在可靠性開發(fā)方面聘請專家顧問進行指導，組織開發(fā)人員進行可靠性知識培訓，讓項目相關人員能夠理解可靠性基本概念和方法，并能夠把這種理念落實到實際的工作中。二期項目在執(zhí)行過程中，組織專家、學者進行可靠性技術培訓3 次，集中可靠性技術交流4 次，并多次到設備制造企業(yè)現場進行可靠性技術交流和指導，聘請可靠性專家的方式使項目團隊對可靠性工作有了系統(tǒng)全面的認識，為設備可靠性開發(fā)奠定了堅實的理論基礎。

再則多次到國家機床質量監(jiān)督檢驗中心，溝通可靠性評價及開發(fā)的相關事項，并就可靠性開發(fā)中存在的問題及時反饋交流，確保設備可靠性可測量、可評價，為后續(xù)可靠性實際用戶驗證奠定基礎。

3.智能制造技術

針對智能制造的需求，在產品設計開發(fā)的初始階段，就根據實際工藝及產品特點，有針對性地在智能車間、自動上下料、標準化接口和協議方面提出了如下規(guī)范。

（1）根據工藝流程進行智能車間總體設計。根據自主共軌系統(tǒng)的工藝特點和生產流程，從設備、數據采集、大數據組織、數據挖掘分析和決策方面構建智能車間模型，并對設備布局與物流等進行了路徑模擬優(yōu)化，從而根據該車間模型對設備接口明確數據類型、接口形式和傳輸協議等，確保設備到位后能夠與智能車間進行無縫連接。

（2）產品信息全生命周期管理。由于生產過程的各個階段都會產生數據，特別是設備運行過程中產生的大量數據，這些數據對產品的質量和狀態(tài)等都尤其重要，因此，根據智能車間的規(guī)劃及設備的輸出數據類型，在產品全生命周期進行信息化管理。

設計階段——采用PRO-E、PDM設計與管理文檔，實現設計文檔數字化。

工藝階段——采用計算機輔助工藝設計（CAPP）軟件設計與管理文檔，實現工藝文檔的數字化管理。

制造過程——采用二維碼、RFID實現產品唯一標識，實現全過程的最終和管理，并采用數字化采集系統(tǒng)和產品質量數據庫，存儲收集到的全部信息，用戶實時顯示和過程決策依據。

試驗階段——采用多種可靠性評價手段確保產品質量，實驗結果信息化。

（3）智能倉儲與自動化物流建設。建設物流供應鏈系統(tǒng)及自動倉庫、RFID等硬件實現物料配送自動化。

為確保智能制造相關功能能夠實現，在04專項設備制造過程中，根據智能車間的要求，量身定做設備通訊和協議接口，從而逐步實現柴油機電控共軌系統(tǒng)智能制造，著力提高工廠智能制造水平，大幅提高產品質量及生產效率，提升企業(yè)競爭力，起到自主共軌批量生產示范和應用推廣。基于智能制造的數字化車間框架如圖4所示。

圖4 基于智能制造的數字化車間框架

四、結束語

“電控共軌柴油噴射系統(tǒng)制造技術與關鍵裝備的研發(fā)及應用”國家04重大專項樹立了“需求導向，用戶牽引”的成功典范，其“管理先行，目標明確，機制創(chuàng)新”的模式值得今后類似項目借鑒，“工藝技術引領，模擬計算指導，制造能力支撐”的經驗已經成為04專項管理的一個旗幟和標桿。 □