自主共轨制造工艺技术的研究

中国一汽无锡油泵油嘴研究所 宋国民 吴欲龙 夏腾飞 王先勇

本文对04专项一期和二期的研究内容进行了介绍，并对自主电控高压共轨制造的核心工艺，如精密加工、可靠性、智能制造等技术进行了研究。通过04专项对制造工作母机的技术攻关，能够最大程度从制造角度推进实际产品加工工艺技术的提升，从而实现产品质量和效率的改善。

一、专项内容及目的

“电控共轨柴油喷射系统制造技术与关键装备的研发及应用”国家04重大专项由中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所（简称“无锡泵所”）作为牵头单位承担。该课题是数控机床专项中首个“需求导向，用户牵引”的项目，也是专项课题中要求最高、难度最大、子课题及参与单位最多、过程管理最为复杂的项目之一。该专项的主要任务是围绕汽车、内燃机和制造行业的核心共性技术，即电控共轨柴油喷射技术和数控超精加工技术，掌握电控共轨系统的关键生产工艺，针对关键工艺技术的要求，研制用于电控共轨系统生产制造所需的加工、装配及测试关键设备，实现自主共轨系统工艺提升，突破精密零件多轴复合加工、精密喷孔的电火花加工、高精度中孔座面加工、精密小孔的珩磨加工、超高压力清洗及共轨系统装配、测试等关键技术，有针对性地形成关键装备的技术规范和工艺方案。同时在机床设备制造过程中，解决机床结构、控制系统、传动系统、测量系统和执行系统等关键共性技术，形成多项专有或专利技术，提出多项技术规范与标准，并完成机床的可靠性与精度保持性验证，最终应用于自主电控共轨系统的生产制造，形成行业的示范工程。该专项是从行业的角度研究关键共性技术，提升我国的整体制造装备能力。

“电控共轨柴油喷射系统制造技术与关键装备的研发及应用”专项聚焦了汽车、内燃机和机床三大行业的两大核心技术，即电控共轨柴油喷射技术和数控超精密加工技术，电控共轨柴油喷射技术是实现内燃机排放升级的有效平台技术之一，对柴油机工业具有革命性影响，在全球制造业中加工精度要求最高，被誉为汽车及内燃机的“大脑+心脏”。国际上掌握电控共轨技术并批量生产的企业不到10家，产品涉及机械、电子、材料、流体等多个学科，电控共轨系统是当前全球汽车行业中公认的难度最大、水平最高的技术之一。本04专项分两期，一期涉及共轨系统零部件高精度复合加工、共轨系统零部件精密喷控加工、共轨系统精密偶件配副和共轨系统清洁度提高与测试共性技术的研究与开发，项目研究涵盖制造工艺、检测技术、工作母机和匹配调试业务范围，共涉及8大类（12台套）相关设备的研制、开发和制造，一期的主要研究内容如图1所示。

图1 04专项一期工艺技术及设备

04专项一期项目主要指标对标国际同行，对精度和工艺技术的实现进行攻关和研究，经过项目组近三年的努力于2014年8月30日顺利通过了工信部的验收。一期项目项目验收专家组长由西安交通大学卢秉恒院士担任，工信部装备司苏铮、张敏参加会议，一期研发的相关设备运行状态和各项技术指标良好，均已通过国家机床检测中心的检测，课题完成各类技术研究报告67份、标准10项、规范8项，申请专利46项，其中发明专利26项，一期项目验收时已获专利授权18项，各项指标达到了任务书合同书的要求。同时，经验证的工艺技术已应用于自主电控共轨系统的预批量制造。借助平台和课题的研发成果，无锡泵所建立了电控共轨试制基地和专项设备的应用示范基地。根据设备协作制造厂预测，专项研制的相关关键设备，购置成本比进口同类产品能降低50%左右，大幅度提升了我国装备制造业的竞争力，同时积累了精密制造相关的成套工艺技术。

无锡泵所通过承担国家04专项，除了在工艺技术上获得了重大突破外，在重大项目管理和人才队伍培养方面也是硕果累累，开创性地利用“33制”项目管理，即根据业务方向，分为3个技术领域，每个技术领域下面3个相关子课题，每个子课题设定管理、牵头单位、协作厂3方面人员。通过“33制”有效强化了矩阵式管理，提升了项目管理效率。同时，定期发行项目通讯，在项目组内部互通信息，确保项目顺利开展。一期项目验收总结时，验收组认为作为数控机床专项的重大标志性项目之一，该项目是众所公认的管理优秀、运行良好、执行到位的典型案例。除了在总结项目一期工作经验的基础上，根据中国制造2025等国家规划，要继续完善关键设备的信息化接口标准。同时，为确保研究成果能够落地应用，需进一步进行设备的可靠性和精度保持性攻关。为确保项目研究具有持续性，项目组一致建议进行二期开发，并聚焦设备可靠性，补齐设备瓶颈，构建完整的电控共轨柴油喷射系统示范生产线，并通过与进口设备混合编队，在同台竞技中提升国产装备的制造能力和水平。图2是项目二期相关的技术开发框图。

图2 04二期相关设备及技术框图

从图2可见，二期设备主要聚焦设备设备自动化，相关信息接口，同时最重要也是成果是否能够落地最核心的指标，设备可靠性和精度保值性，根据二期项目的技术指标，可靠性指标MTBF不低于1500小时。因此，从项目研究的内容可见，二期项目重点是在一期研究成果的基础上，解决实际应用问题，从而确保研究成果能够 “落地”转化，并产生相应的经济效益。

二、核心攻关工艺技术

04专项是对高档数控机床与基础制造装备的共性技术进行专项研究，其目的是提升我国装备制造业的整体竞争力，同时为确保研发产品能够运用落地，通过用户牵头这种项目模式，使得装备、产品及制造工艺整体考虑，一体化研究，确保成果一旦研发成功并可以投入应用。针对04专项的要求及用户需求，结合一期开发的经验和二期指标，二期主要研究以下几方面的核心技术。

1 .精密制造技术

随着我国排放法规要求的提升，电控共轨系统的喷射压力逐步提高，目前主流的共轨喷射压力已达到200MPa，下一代的共轨喷射压力将达到250MPa，甚至300MPa。在如此高的喷射压力情况下，就要求所有零部件的制造精度得以提升，特别是偶件运动副、油嘴喷孔、微小量孔的精度要求，并且系统杂质和清洁度必须严格控制。

针对自主共轨系统，为达到微米、亚微米级的制造精度，项目组结合自主共轨现有的加工工艺要求，在04专项研究成果的基础上，对影响零部件精度的因素逐一分析。例如在喷油器体珩磨工艺中，为实现中孔1μm以下的圆柱度，项目组利用层次分析法，对制造过程的相关因素，如珩磨速度、余量、中孔热处理后的硬度、直线度、珩磨刀具、珩磨回旋、机床介质温度等多个因素进行综合摸底和分析，并利用模拟计算和试验分析，摸索出合理的精密制造工艺参数及过程控制条件，在实际工作中不断优化和改善，逐步稳定过程能力，确保产品质量的一致性和稳定性。

就实际的精密制造技术而言，完全依靠设备提高加工精度总是有一定的限度，与此同时设备在加工过程中还存在部分随机因素影响，因此，当设备自身精度稳定，且达到设备能力时，此时若要再提高产品精度难度很大。这种情况下，就得依靠制造及过程管理，这不仅是快速响应市场需求、提高生产率、改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效举措，两者有密切联系。例如在喷油器计量孔板的加工过程中，为提高计量孔的初始加工精度，通过电火花加工设备来提升精度达到一定程度后很难提高，这时通过工艺研究，把计量孔板的实时测量数据反馈给电火花加工设备，并根据反馈算法，电火花设备实时调整加工参数，如回转角度、放电电流、进给速度等，通过电火花设备的实时在线调整，可消除设备加工过程中的随机误差，同时，通过质量检测数据的闭环控制，确保了计量流量孔的流量散差控制在1%之内，满足产品设计要求。

2. 可靠性开发

设备作为制造生产资料，从用户的角度最关心的就是设备的可靠性和精度保持性，特别是针对大批量制造的汽车产品，设备的可靠性及正常运行尤为关键，这也是04专项二期需要解决的核心问题，这直接关系到后续研究成果是否能够获得市场认可和推广。

为提升设备的可靠性，在做好项目管理的同时，项目组研究人员深刻理解可靠性是设计出来的基本理念，因此一开始就把可靠性工作摆在了非常重要的位置，并将其贯穿于研发工作的各个环节，确保产品在设计开发各环节对影响可靠性的因素进行分析。二期04课题可靠性开发的基本流程如图3所示。

图3 二期04设备可靠性工作开发流程

在进行产品开发时首先将可靠性落实到项目计划的阶段，例如在设计阶段明确关于故障信息与历史数据收集、整理、分析及可靠性增长的指标及要求，明确可靠性指标后分解到各主要功能部件，并提出相应的设计可靠性措施及对策，清晰化主要功能部件部件的可靠性试验验证规范，确保可靠性开发能够从设计角度形成闭环，后续跟进制造过程和使用过程的可靠性管理，这样能够做到工作环环相扣，目标明确，评价和验证方法有效。

其次在在可靠性开发方面聘请专家顾问进行指导，组织开发人员进行可靠性知识培训，让项目相关人员能够理解可靠性基本概念和方法，并能够把这种理念落实到实际的工作中。二期项目在执行过程中，组织专家、学者进行可靠性技术培训3 次，集中可靠性技术交流4 次，并多次到设备制造企业现场进行可靠性技术交流和指导，聘请可靠性专家的方式使项目团队对可靠性工作有了系统全面的认识，为设备可靠性开发奠定了坚实的理论基础。

再则多次到国家机床质量监督检验中心，沟通可靠性评价及开发的相关事项，并就可靠性开发中存在的问题及时反馈交流，确保设备可靠性可测量、可评价，为后续可靠性实际用户验证奠定基础。

3.智能制造技术

针对智能制造的需求，在产品设计开发的初始阶段，就根据实际工艺及产品特点，有针对性地在智能车间、自动上下料、标准化接口和协议方面提出了如下规范。

（1）根据工艺流程进行智能车间总体设计。根据自主共轨系统的工艺特点和生产流程，从设备、数据采集、大数据组织、数据挖掘分析和决策方面构建智能车间模型，并对设备布局与物流等进行了路径模拟优化，从而根据该车间模型对设备接口明确数据类型、接口形式和传输协议等，确保设备到位后能够与智能车间进行无缝连接。

（2）产品信息全生命周期管理。由于生产过程的各个阶段都会产生数据，特别是设备运行过程中产生的大量数据，这些数据对产品的质量和状态等都尤其重要，因此，根据智能车间的规划及设备的输出数据类型，在产品全生命周期进行信息化管理。

设计阶段——采用PRO-E、PDM设计与管理文档，实现设计文档数字化。

工艺阶段——采用计算机辅助工艺设计（CAPP）软件设计与管理文档，实现工艺文档的数字化管理。

制造过程——采用二维码、RFID实现产品唯一标识，实现全过程的最终和管理，并采用数字化采集系统和产品质量数据库，存储收集到的全部信息，用户实时显示和过程决策依据。

试验阶段——采用多种可靠性评价手段确保产品质量，实验结果信息化。

（3）智能仓储与自动化物流建设。建设物流供应链系统及自动仓库、RFID等硬件实现物料配送自动化。

为确保智能制造相关功能能够实现，在04专项设备制造过程中，根据智能车间的要求，量身定做设备通讯和协议接口，从而逐步实现柴油机电控共轨系统智能制造，着力提高工厂智能制造水平，大幅提高产品质量及生产效率，提升企业竞争力，起到自主共轨批量生产示范和应用推广。基于智能制造的数字化车间框架如图4所示。

图4 基于智能制造的数字化车间框架

四、结束语

“电控共轨柴油喷射系统制造技术与关键装备的研发及应用”国家04重大专项树立了“需求导向，用户牵引”的成功典范，其“管理先行，目标明确，机制创新”的模式值得今后类似项目借鉴，“工艺技术引领，模拟计算指导，制造能力支撑”的经验已经成为04专项管理的一个旗帜和标杆。 □