中國(guó)一汽無(wú)錫油泵油嘴研究所 宋國(guó)民 吳欲龍 夏騰飛 王先勇

本文對(duì)04專項(xiàng)一期和二期的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了介紹，并對(duì)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(shù)進(jìn)行了研究。通過(guò)04專項(xiàng)對(duì)制造工作母機(jī)的技術(shù)攻關(guān)，能夠最大程度從制造角度推進(jìn)實(shí)際產(chǎn)品加工工藝技術(shù)的提升，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和效率的改善。

一、專項(xiàng)內(nèi)容及目的

“電控共軌柴油噴射系統(tǒng)制造技術(shù)與關(guān)鍵裝備的研發(fā)及應(yīng)用”國(guó)家04重大專項(xiàng)由中國(guó)第一汽車股份有限公司無(wú)錫油泵油嘴研究所（簡(jiǎn)稱“無(wú)錫泵所”）作為牽頭單位承擔(dān)。該課題是數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)中首個(gè)“需求導(dǎo)向，用戶牽引”的項(xiàng)目，也是專項(xiàng)課題中要求最高、難度最大、子課題及參與單位最多、過(guò)程管理最為復(fù)雜的項(xiàng)目之一。該專項(xiàng)的主要任務(wù)是圍繞汽車、內(nèi)燃機(jī)和制造行業(yè)的核心共性技術(shù)，即電控共軌柴油噴射技術(shù)和數(shù)控超精加工技術(shù)，掌握電控共軌系統(tǒng)的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝，針對(duì)關(guān)鍵工藝技術(shù)的要求，研制用于電控共軌系統(tǒng)生產(chǎn)制造所需的加工、裝配及測(cè)試關(guān)鍵設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自主共軌系統(tǒng)工藝提升，突破精密零件多軸復(fù)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(cè)試等關(guān)鍵技術(shù)，有針對(duì)性地形成關(guān)鍵裝備的技術(shù)規(guī)范和工藝方案。同時(shí)在機(jī)床設(shè)備制造過(guò)程中，解決機(jī)床結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)等關(guān)鍵共性技術(shù)，形成多項(xiàng)專有或?qū)＠夹g(shù)，提出多項(xiàng)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，并完成機(jī)床的可靠性與精度保持性驗(yàn)證，最終應(yīng)用于自主電控共軌系統(tǒng)的生產(chǎn)制造，形成行業(yè)的示范工程。該專項(xiàng)是從行業(yè)的角度研究關(guān)鍵共性技術(shù)，提升我國(guó)的整體制造裝備能力。

“電控共軌柴油噴射系統(tǒng)制造技術(shù)與關(guān)鍵裝備的研發(fā)及應(yīng)用”專項(xiàng)聚焦了汽車、內(nèi)燃機(jī)和機(jī)床三大行業(yè)的兩大核心技術(shù)，即電控共軌柴油噴射技術(shù)和數(shù)控超精密加工技術(shù)，電控共軌柴油噴射技術(shù)是實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)排放升級(jí)的有效平臺(tái)技術(shù)之一，對(duì)柴油機(jī)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(yù)為汽車及內(nèi)燃機(jī)的“大腦+心臟”。國(guó)際上掌握電控共軌技術(shù)并批量生產(chǎn)的企業(yè)不到10家，產(chǎn)品涉及機(jī)械、電子、材料、流體等多個(gè)學(xué)科，電控共軌系統(tǒng)是當(dāng)前全球汽車行業(yè)中公認(rèn)的難度最大、水平最高的技術(shù)之一。本04專項(xiàng)分兩期，一期涉及共軌系統(tǒng)零部件高精度復(fù)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(cè)試共性技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目研究涵蓋制造工藝、檢測(cè)技術(shù)、工作母機(jī)和匹配調(diào)試業(yè)務(wù)范圍，共涉及8大類（12臺(tái)套）相關(guān)設(shè)備的研制、開(kāi)發(fā)和制造，一期的主要研究?jī)?nèi)容如圖1所示。

圖1 04專項(xiàng)一期工藝技術(shù)及設(shè)備

04專項(xiàng)一期項(xiàng)目主要指標(biāo)對(duì)標(biāo)國(guó)際同行，對(duì)精度和工藝技術(shù)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行攻關(guān)和研究，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組近三年的努力于2014年8月30日順利通過(guò)了工信部的驗(yàn)收。一期項(xiàng)目項(xiàng)目驗(yàn)收專家組長(zhǎng)由西安交通大學(xué)盧秉恒院士擔(dān)任，工信部裝備司蘇錚、張敏參加會(huì)議，一期研發(fā)的相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)良好，均已通過(guò)國(guó)家機(jī)床檢測(cè)中心的檢測(cè)，課題完成各類技術(shù)研究報(bào)告67份、標(biāo)準(zhǔn)10項(xiàng)、規(guī)范8項(xiàng)，申請(qǐng)專利46項(xiàng)，其中發(fā)明專利26項(xiàng)，一期項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)已獲專利授權(quán)18項(xiàng)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了任務(wù)書(shū)合同書(shū)的要求。同時(shí)，經(jīng)驗(yàn)證的工藝技術(shù)已應(yīng)用于自主電控共軌系統(tǒng)的預(yù)批量制造。借助平臺(tái)和課題的研發(fā)成果，無(wú)錫泵所建立了電控共軌試制基地和專項(xiàng)設(shè)備的應(yīng)用示范基地。根據(jù)設(shè)備協(xié)作制造廠預(yù)測(cè)，專項(xiàng)研制的相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備，購(gòu)置成本比進(jìn)口同類產(chǎn)品能降低50%左右，大幅度提升了我國(guó)裝備制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)積累了精密制造相關(guān)的成套工藝技術(shù)。

無(wú)錫泵所通過(guò)承擔(dān)國(guó)家04專項(xiàng)，除了在工藝技術(shù)上獲得了重大突破外，在重大項(xiàng)目管理和人才隊(duì)伍培養(yǎng)方面也是碩果累累，開(kāi)創(chuàng)性地利用“33制”項(xiàng)目管理，即根據(jù)業(yè)務(wù)方向，分為3個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域下面3個(gè)相關(guān)子課題，每個(gè)子課題設(shè)定管理、牽頭單位、協(xié)作廠3方面人員。通過(guò)“33制”有效強(qiáng)化了矩陣式管理，提升了項(xiàng)目管理效率。同時(shí)，定期發(fā)行項(xiàng)目通訊，在項(xiàng)目組內(nèi)部互通信息，確保項(xiàng)目順利開(kāi)展。一期項(xiàng)目驗(yàn)收總結(jié)時(shí)，驗(yàn)收組認(rèn)為作為數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)的重大標(biāo)志性項(xiàng)目之一，該項(xiàng)目是眾所公認(rèn)的管理優(yōu)秀、運(yùn)行良好、執(zhí)行到位的典型案例。除了在總結(jié)項(xiàng)目一期工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)中國(guó)制造2025等國(guó)家規(guī)劃，要繼續(xù)完善關(guān)鍵設(shè)備的信息化接口標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為確保研究成果能夠落地應(yīng)用，需進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)備的可靠性和精度保持性攻關(guān)。為確保項(xiàng)目研究具有持續(xù)性，項(xiàng)目組一致建議進(jìn)行二期開(kāi)發(fā)，并聚焦設(shè)備可靠性，補(bǔ)齊設(shè)備瓶頸，構(gòu)建完整的電控共軌柴油噴射系統(tǒng)示范生產(chǎn)線，并通過(guò)與進(jìn)口設(shè)備混合編隊(duì)，在同臺(tái)競(jìng)技中提升國(guó)產(chǎn)裝備的制造能力和水平。圖2是項(xiàng)目二期相關(guān)的技術(shù)開(kāi)發(fā)框圖。

圖2 04二期相關(guān)設(shè)備及技術(shù)框圖

從圖2可見(jiàn)，二期設(shè)備主要聚焦設(shè)備設(shè)備自動(dòng)化，相關(guān)信息接口，同時(shí)最重要也是成果是否能夠落地最核心的指標(biāo)，設(shè)備可靠性和精度保值性，根據(jù)二期項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)，可靠性指標(biāo)MTBF不低于1500小時(shí)。因此，從項(xiàng)目研究的內(nèi)容可見(jiàn)，二期項(xiàng)目重點(diǎn)是在一期研究成果的基礎(chǔ)上，解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，從而確保研究成果能夠 “落地”轉(zhuǎn)化，并產(chǎn)生相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益。

二、核心攻關(guān)工藝技術(shù)

04專項(xiàng)是對(duì)高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的共性技術(shù)進(jìn)行專項(xiàng)研究，其目的是提升我國(guó)裝備制造業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)為確保研發(fā)產(chǎn)品能夠運(yùn)用落地，通過(guò)用戶牽頭這種項(xiàng)目模式，使得裝備、產(chǎn)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(yīng)用。針對(duì)04專項(xiàng)的要求及用戶需求，結(jié)合一期開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和二期指標(biāo)，二期主要研究以下幾方面的核心技術(shù)。

1 .精密制造技術(shù)

隨著我國(guó)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(dá)到200MPa，下一代的共軌噴射壓力將達(dá)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(yùn)動(dòng)副、油嘴噴孔、微小量孔的精度要求，并且系統(tǒng)雜質(zhì)和清潔度必須嚴(yán)格控制。

針對(duì)自主共軌系統(tǒng)，為達(dá)到微米、亞微米級(jí)的制造精度，項(xiàng)目組結(jié)合自主共軌現(xiàn)有的加工工藝要求，在04專項(xiàng)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)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(shí)現(xiàn)中孔1μm以下的圓柱度，項(xiàng)目組利用層次分析法，對(duì)制造過(guò)程的相關(guān)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(jī)床介質(zhì)溫度等多個(gè)因素進(jìn)行綜合摸底和分析，并利用模擬計(jì)算和試驗(yàn)分析，摸索出合理的精密制造工藝參數(shù)及過(guò)程控制條件，在實(shí)際工作中不斷優(yōu)化和改善，逐步穩(wěn)定過(guò)程能力，確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性。

就實(shí)際的精密制造技術(shù)而言，完全依靠設(shè)備提高加工精度總是有一定的限度，與此同時(shí)設(shè)備在加工過(guò)程中還存在部分隨機(jī)因素影響，因此，當(dāng)設(shè)備自身精度穩(wěn)定，且達(dá)到設(shè)備能力時(shí)，此時(shí)若要再提高產(chǎn)品精度難度很大。這種情況下，就得依靠制造及過(guò)程管理，這不僅是快速響應(yīng)市場(chǎng)需求、提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件的重要手段，而且是保證產(chǎn)品質(zhì)量的有效舉措，兩者有密切聯(lián)系。例如在噴油器計(jì)量孔板的加工過(guò)程中，為提高計(jì)量孔的初始加工精度，通過(guò)電火花加工設(shè)備來(lái)提升精度達(dá)到一定程度后很難提高，這時(shí)通過(guò)工藝研究，把計(jì)量孔板的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給電火花加工設(shè)備，并根據(jù)反饋算法，電火花設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)，如回轉(zhuǎn)角度、放電電流、進(jìn)給速度等，通過(guò)電火花設(shè)備的實(shí)時(shí)在線調(diào)整，可消除設(shè)備加工過(guò)程中的隨機(jī)誤差，同時(shí)，通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)的閉環(huán)控制，確保了計(jì)量流量孔的流量散差控制在1%之內(nèi)，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

2. 可靠性開(kāi)發(fā)

設(shè)備作為制造生產(chǎn)資料，從用戶的角度最關(guān)心的就是設(shè)備的可靠性和精度保持性，特別是針對(duì)大批量制造的汽車產(chǎn)品，設(shè)備的可靠性及正常運(yùn)行尤為關(guān)鍵，這也是04專項(xiàng)二期需要解決的核心問(wèn)題，這直接關(guān)系到后續(xù)研究成果是否能夠獲得市場(chǎng)認(rèn)可和推廣。

為提升設(shè)備的可靠性，在做好項(xiàng)目管理的同時(shí)，項(xiàng)目組研究人員深刻理解可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的基本理念，因此一開(kāi)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(gè)環(huán)節(jié)，確保產(chǎn)品在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)各環(huán)節(jié)對(duì)影響可靠性的因素進(jìn)行分析。二期04課題可靠性開(kāi)發(fā)的基本流程如圖3所示。

圖3 二期04設(shè)備可靠性工作開(kāi)發(fā)流程

在進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)首先將可靠性落實(shí)到項(xiàng)目計(jì)劃的階段，例如在設(shè)計(jì)階段明確關(guān)于故障信息與歷史數(shù)據(jù)收集、整理、分析及可靠性增長(zhǎng)的指標(biāo)及要求，明確可靠性指標(biāo)后分解到各主要功能部件，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)可靠性措施及對(duì)策，清晰化主要功能部件部件的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)范，確保可靠性開(kāi)發(fā)能夠從設(shè)計(jì)角度形成閉環(huán)，后續(xù)跟進(jìn)制造過(guò)程和使用過(guò)程的可靠性管理，這樣能夠做到工作環(huán)環(huán)相扣，目標(biāo)明確，評(píng)價(jià)和驗(yàn)證方法有效。

其次在在可靠性開(kāi)發(fā)方面聘請(qǐng)專家顧問(wèn)進(jìn)行指導(dǎo)，組織開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行可靠性知識(shí)培訓(xùn)，讓項(xiàng)目相關(guān)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(shí)到實(shí)際的工作中。二期項(xiàng)目在執(zhí)行過(guò)程中，組織專家、學(xué)者進(jìn)行可靠性技術(shù)培訓(xùn)3 次，集中可靠性技術(shù)交流4 次，并多次到設(shè)備制造企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可靠性技術(shù)交流和指導(dǎo)，聘請(qǐng)可靠性專家的方式使項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)可靠性工作有了系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，為設(shè)備可靠性開(kāi)發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

再則多次到國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，溝通可靠性評(píng)價(jià)及開(kāi)發(fā)的相關(guān)事項(xiàng)，并就可靠性開(kāi)發(fā)中存在的問(wèn)題及時(shí)反饋交流，確保設(shè)備可靠性可測(cè)量、可評(píng)價(jià)，為后續(xù)可靠性實(shí)際用戶驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

3.智能制造技術(shù)

針對(duì)智能制造的需求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的初始階段，就根據(jù)實(shí)際工藝及產(chǎn)品特點(diǎn)，有針對(duì)性地在智能車間、自動(dòng)上下料、標(biāo)準(zhǔn)化接口和協(xié)議方面提出了如下規(guī)范。

（1）根據(jù)工藝流程進(jìn)行智能車間總體設(shè)計(jì)。根據(jù)自主共軌系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)和生產(chǎn)流程，從設(shè)備、數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)挖掘分析和決策方面構(gòu)建智能車間模型，并對(duì)設(shè)備布局與物流等進(jìn)行了路徑模擬優(yōu)化，從而根據(jù)該車間模型對(duì)設(shè)備接口明確數(shù)據(jù)類型、接口形式和傳輸協(xié)議等，確保設(shè)備到位后能夠與智能車間進(jìn)行無(wú)縫連接。

（2）產(chǎn)品信息全生命周期管理。由于生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，特別是設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和狀態(tài)等都尤其重要，因此，根據(jù)智能車間的規(guī)劃及設(shè)備的輸出數(shù)據(jù)類型，在產(chǎn)品全生命周期進(jìn)行信息化管理。

設(shè)計(jì)階段——采用PRO-E、PDM設(shè)計(jì)與管理文檔，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)文檔數(shù)字化。

工藝階段——采用計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)（CAPP）軟件設(shè)計(jì)與管理文檔，實(shí)現(xiàn)工藝文檔的數(shù)字化管理。

制造過(guò)程——采用二維碼、RFID實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品唯一標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的最終和管理，并采用數(shù)字化采集系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)收集到的全部信息，用戶實(shí)時(shí)顯示和過(guò)程決策依據(jù)。

試驗(yàn)階段——采用多種可靠性評(píng)價(jià)手段確保產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果信息化。

（3）智能倉(cāng)儲(chǔ)與自動(dòng)化物流建設(shè)。建設(shè)物流供應(yīng)鏈系統(tǒng)及自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)、RFID等硬件實(shí)現(xiàn)物料配送自動(dòng)化。

為確保智能制造相關(guān)功能能夠?qū)崿F(xiàn)，在04專項(xiàng)設(shè)備制造過(guò)程中，根據(jù)智能車間的要求，量身定做設(shè)備通訊和協(xié)議接口，從而逐步實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)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(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，起到自主共軌批量生產(chǎn)示范和應(yīng)用推廣?；谥悄苤圃斓臄?shù)字化車間框架如圖4所示。

圖4 基于智能制造的數(shù)字化車間框架

四、結(jié)束語(yǔ)

“電控共軌柴油噴射系統(tǒng)制造技術(shù)與關(guān)鍵裝備的研發(fā)及應(yīng)用”國(guó)家04重大專項(xiàng)樹(shù)立了“需求導(dǎo)向，用戶牽引”的成功典范，其“管理先行，目標(biāo)明確，機(jī)制創(chuàng)新”的模式值得今后類似項(xiàng)目借鑒，“工藝技術(shù)引領(lǐng)，模擬計(jì)算指導(dǎo)，制造能力支撐”的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)成為04專項(xiàng)管理的一個(gè)旗幟和標(biāo)桿。 □