基于全要素的发动机样机试制过程质量控制方法

(上海汽车集团股份有限公司，上海市汽车动力总成重点实验室，上海 201804)

0 引言

发动机是汽车整车中的核心部件，决定了汽车的动力性、经济性等重要指标。发动机研发、设计、制造有一系列完整的流程，周期较长，一般为3～5年，主要阶段包括设计、虚拟装配、样机试制、试验验证、量产等阶段。其中，样机试制是一个重要阶段，实现了发动机开发从理论到实物的落地，不仅能够起到验证设计及工艺的作用，还能为后续发动机动力性能和机械性能开发试验提供产品[1]。

发动机是由数百个零件组成，各个零件之间存在着各种非线性的互相约束关系。倘若样机试制过程中任何零件出现问题，都会牵一发而动全身。因此，发动机样机试制质量控制和管理至关重要，否则会产生不必要的研发成本投入，且无法顺利开展后续的开发试验工作，延长发动机项目开发周期。从发动机样机试制过程来看，样机试制不是简单地将发动机装配起来，而是一项多输入、多要素的复杂系统工程，包括工艺、人员、流程、工具、工装、样件等多要素综合作用的结果。这些要素一直贯穿整个试制工作流程，其中任何一个因素把控不好，都会一直传递并耦合下去，对样机试制质量产生影响。因此，对样机试制必须进行全要素的过程质量控制。

1 发动机试制工作特点

发动机试制工作具有项目多样性、工艺多样性、工作类型多样性的特点。

项目多样性：为满足市场需求，多个发动机产品开发同时进行，因而发动机试制需要面向多个发动机开发项目，且新开发项目的设计、工艺都不成熟，给发动机的试制质量控制带来挑战，而且各个零部件都是小批量制造的，成本较高。

工艺多样性：由于发动机的组成零件数量较多且结构复杂，不同零件的工艺要求不同，同一零件不同项目的工艺要求也不尽相同，导致发动机试制装配的工艺工序多样，也给试制工作开展带来了更大挑战。

工作类型多样性：一方面，发动机试制工作主要包括新产品新项目的样机试制，以验证新设计能否实现正确合理装配，并提前发现零件设计、制造等问题，排除不合理因素，及时改进设计，使发动机试制样机满足后续试验验证开发的技术要求。另一方面，发动机试制还需要根据项目要求负责不同用途发动机的改制返修工作；改制工作的每一项任务都具有其特殊要求，难以标准化。

2 样机试制过程质量控制方法

本文以某公司2014-2019年这5年中发生的试制问题为原始数据进行分析，发现该公司5年中共完成试制任务4 000余项，其中发生试制质量问题26次。对这26次质量问题进行了分类研究，发现大多数问题为零件的错装、漏装、紧固件松脱、涂胶不合格、缸内异物、清洁度不达标等。这些问题造成发动机在试验验证开发过程中出现故障，阻碍了项目进展。例如，某发动机样机气缸盖有2个螺栓漏装，导致缸体与缸盖之间的结合面漏油。这些缺陷在试制过程中没有及时得到控制，从而传递到了下一环节，造成了公司的更大损失。

影响发动机试制质量的因素如图1所示。为避免再度发生类似问题，本文根据试制工作经验及工作特点，总结了一系列包括零件、工艺、流程、人员、工具工装的适合发动机样机试制的过程质量控制方法。

2.1 样件质量控制

一般而言，根据发动机开发不同阶段，样件的试制工艺方法也不同。在发动机开发之初，需要采用手工样件，随着开发的成熟，也渐渐变为软模件和硬模件。在样件大批量稳定制造之前，样件的制造质量和设计方案是不稳定的，是影响发动机试制质量的一大因素，因此要做好样件质量控制。要做好样件质量控制需要从以下几方面入手。

2.1.1 样件检测机制

对于一个发动机新项目而言，通常采用全新的设计零件尺寸，样件制造是否与设计图纸相符则是重要的验证措施之一。在样件入库之初需要提供样件合格检测报告并由质量管理部审核，如果检测不合格将会通知供应商进行返修整改等。

发动机零部件众多，对于缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、增压器、高压燃油共轨管等高价值样件，入库之后还会对其关键尺寸进行测量，并出具测量报告。

2.1.2 样件清洁度保障机制

零部件的清洁度不仅影响发动机样机的装配质量，还会影响样机的安全运行。在样机装配之前，需要检查所有零件的清洁度，尤其是缸体、缸盖、曲轴这些零部件，会存铸造型砂或者加工铁屑残留及运输过程中可能引入一些其他杂质的风险。对表面受污染的零部件需要使用防锈的清洁剂进行清洗，对零部件的安装面、密封面，需使用无尘布擦拭，对于表面有杂质的零部件需用专用无尘纸擦拭，对于有孔、油道和水道的零部件使用压缩空气吹净孔、油道和水道。

2.1.3 样件装配验证

在新状态的样件交样后，为避免试制装配过程中才发现问题，需要提前进行试装，以便于验证样件装配工艺，及时发现问题，不影响项目进度。

2.1.4 样件改制控制

发动机试制不同于生产线制造产品，每台发动机因开发试验需求不同而导致装配要求不同，需要根据不同的要求做不同的装配改制。因此，对样件也要按照不同试验装配需求进行改制。如果不能正确理解或传达样件改制要求，也会带来试制质量问题。因此，既要传递好改制信息，也要从样件改制需求角度做好分类要求。表1列出部分样件改制质量控制要求。

表1 样件改制质量控制表

2.2 工艺质量控制

发动机试制工艺中包含一些通用性工艺，主要包括拧紧、涂胶、压装、间隙检查。这些工艺穿插在整个发动机装配流程中，如果出错，装配完成之后是很难发现的，必须在过程中人为加以控制。例如，曲轴后油封涂胶轨迹不正确，导致发动机台架试验时出现漏油，需要重新装配，浪费人力物力。因此，要严格实施装配工艺质量控制措施。

2.2.1 拧紧工艺

紧固发动机各个零部件螺栓和螺母时，容易出现漏拧或者拧紧不到位现象。装配时应注意拧紧方法与顺序，注意采用工艺要求的扭矩及工具。遇到有拧紧困难的情况，应分析原因，禁止使用蛮力拧紧，否则会损坏螺纹。主要控制方法如下。

1)防错标记。螺栓和螺母拧紧之后需要用油漆笔做拧紧标记，以免漏拧，造成漏水漏油等问题。每台发动机试制之后可能会根据试验要求做多次改制，要做好颜色区分，新装机使用绿色标记，第1次改装使用黄色标记，第2次改制使用橙色标记。

2)关键螺栓监控。对于采用转角法拧紧的关键螺栓，包括连杆螺栓、缸盖螺栓、缸体螺栓、曲轴减振器螺栓等，需要将拧紧后的扭矩数据记录在报告中；对于没有采用转角法拧紧的关键螺栓，包括增压器螺栓和高压油泵螺栓采用第2人复检机制，以免出现漏拧问题。

2.2.2 涂胶工艺

主要用于一些有密封要求的关键零件装配中，如凸轮轴罩盖、油底壳、油气分离器等。一旦密封不好，会造成漏水、漏油、漏气等问题。因此，涂胶工艺的质量控制就显得尤为重要[2]。

涂胶轨迹、粗细、有无断点均会直接影响发动机样机的后续使用。人工涂胶很难保证均匀性，因此目前主要采用涂胶机涂胶，可以调整预设轨迹和涂胶速度，以保证工艺要求。机器涂胶后，人工再检查下有无断点等，进行再次确认。

2.2.3 压装工艺

主要是用于发动机前油封和后油封及曲轴信号盘、球轴承的装配。样机试制的小批量特点及样机装配场地空间受限决定了无法使用自动化压装设备。在压装时，主要采用专用的工装进行压装。例如后油封压装工装，如图2所示。前后油封对清洁度要求很高，密封唇口不可有杂质，否则会导致密封效果不好。

为避免由于压装不到位导致漏油问题，在样机装配工艺设计时对压装位置进行设计。为了保证压装尺寸，可以设计相应的压装限位工装。如前油封压装工装，如图3所示。

2.2.4 间隙检查

主要是用于检查一些重要零件的间隙配合，间隙过大或过小都不符合设计要求，会对样机的性能产生影响。主要包括曲轴轴向窜动量、连杆轴向间隙、气门间隙、凸轮轴位置传感器与凸轮轴间的间隙等检查。

除了以上通用性工艺要求外，考虑到发动机样机试制所涉及的项目具有多样性，试制技师们还要满足不同试制项目对相同工艺的特殊要求。发动机试制可借鉴生产线混线装配，为了避免由于人工记混而导致的工艺失误，可设计相同工艺的不同项目的目视化工艺矩阵。例如，连杆螺栓拧紧工艺矩阵，如表2所示。

表2 连杆螺栓拧紧工艺矩阵

2.3 过程质量控制点

在样机试制装配过程中，影响发动机装配质量的要素类别名目多样、数量众多，且装配完成后的质量检查无法全面进行。因此，在装配过程中，需优化装配流程，在流程中做主动干预，设置贯穿装配全过程的关键质量控制点，做好断点检查。关键质量控制点依次为“裙架装配前—凸轮轴罩盖装配前—链条室罩盖装配前—装机完成—发交检查”，层层递进，实现过程质量控制。每个关键质量控制点都制定了相应的检查项目。如，裙架装配前检查点：需要检查活塞冷却喷嘴是否拧紧及拧紧标记是否缺失，曲轴轴向止推片装配位置是否正确，活塞表面箭头及连杆瓦盖凸起圆柱是否按照设计的朝向安装。又如，凸轮轴罩盖装配前：需要检查进排气门油封和进排气弹簧是否装反；气门锁夹是否安装到气门杆锁夹槽中，两片气门锁夹是否在同一平面，且与气门弹簧座底面平行；摇臂总成相对于滚子是否出现偏置；进排气调相器是否装反。还有发交检查：需要检查发动机样机是否满足交付要求，按照编制好的发交检查清单进行发交前的质量检查。检查内容有零件状态、记号标识、管口封堵、外观检查等事项。检查零件状态时需确认曲轴信号轮、悬置支架、发动机飞轮、变速箱定位销是否缺失，以及对放油螺栓和油压开关扭矩的确认。检查记号标识时，主要检查各螺栓拧紧标识及有否样机钢印号。检查管口封堵时，主要检查各个开放接口，如节气门、增压器、高压油泵、冷却水管等接口是否有封堵，以避免灰尘进入发动机。检查外观时需注意检查无损伤、油渍及机油加注是否到位等。在检查过程中，拍摄相应照片并存档。

在实施各过程质量控制点检查时，为避免单人实施导致的因人而异的装配质量，需要选拔经验丰富的试制技师作为第2复检人。依照“自检-复检”机制实施，即在各个质量控制点，列出检查项，先由负责装配的技师自检，再由第2人复检，建立双保险，以避免试制质量问题的发生。

通过上述过程质量控制点的主动设立，能有效阻隔发动机样机试制质量问题的传递，及时发现、及时整改，提高试制装机质量。例如，某试制技师在装配连杆时，由于不熟悉工艺导致连杆凸台朝向弄错，在第2人复检时检查出来，并及时更改，避免了更大程度的失误。

2.4 人员质量控制能力提升

2.4.1 人员发展全体系

在发动机样机试制工作中，技师一岗多能现象比较常见，对技师的技能要求比较高。样机试制质量控制措施实施效果的好坏离不开人员的素质，必须着力于提升人员技能，以适应如此复杂多变的工作环境。必须制定完善的员工发展培训体系，采用自主学习和集体培训、理论学习和实际操作相结合的培训方式开展人员技能培训。在人员上岗操作之前，需接受从文本到实操的全面培训，并制定严格的考核标准，通过考核方可开展工作。

2.4.2 工艺培训常态化

发动机开发流程包含从Mule(骡子车)到SOP(批量生产启动，start of production)多个阶段，项目在开发阶段切换的时候，许多工艺也常常发生变化，为适应这种变化，必须及时将更新的工艺培训到位，避免用老工艺装配新状态的零件，将工艺培训作为一个常态化工作。

2.4.3 通用工艺标准化

样机试制中不同机型之间有一些通用的基础工艺，会使用到相同的操作设备。为了提高试制标准化程度，可编写通用的操作指导手册，将其标准化作业，并集体培训，提高标准化作业的覆盖率。例如涂胶机使用操作指导书和缸盖装配操作指导书，可有效提高试制工作效率。

2.4.4 试制问题常回顾

对于各发动机开发项目已发生的试制质量问题及时总结和回顾，深入分析发生问题的原因，并编制形成试制问题汇编手册，定期宣贯培训。

2.5 工具工装质量控制

工具工装的质量一定程度上也会影响样机装配质量。例如，在发动机项目阶段切换时，由于工装管理不当，使用了上一阶段的工装安装活塞，对活塞造成压痕。因此，必须针对工具工装的使用管理、增补或改进及损耗做好管控，形成工具工装质量的规范管理体系。

针对现有工装工具的使用状态，建立工装工具的点检明细表。内容有工装工具名称、详细型号、数量、状态)备注(完好或缺失、点检日期等。定期进行盘点和维护，如果发生缺失丢失及时记录。为避免工具工装丢失或破损，对于工装工具的外借应编制工装工具借用跟踪表。内容有工装工具名称、借用时间、借用人(为非试制车间人员)、联系方式、借用原因、归回时间、工装工具归回时的状态是否完好无损，这部分内容由借用人在归回时填写，然后由试制方人员进行确认并签字。这样可以做到工装工具的去向心中有数。

工装工具的关键尺寸参数会在使用过程中有损耗。如果长期磨损可能会造成零件的装配不符合技术要求，造成损失，必须确定使用周期，及时修复或更换。例如，塞尺在反复使用后会有磨损，造成检测不准，必须及时更换[3]。

随着项目开发阶段的变更或者开发经验的成熟，装配工艺也将不断改善和优化，工装必然要进行相应改进，以适应新的技术要求。例如，装配气门油封的工装原先是采用强磁孔吸住油封顶部，再将油封和工装一起放置于气门导管上，轻轻敲击装入油封，但此工装会导致气门油封存在压偏现象。改进工装后，采用芯轴式气门油封安装工具，利用中心定位，有效防止了气门油封压偏现象。改进前后气门杆油封工装情况如图4所示。

3 结论

样机试制是发动机开发过程中从理论设计到实际装配的落地，是项目开发的重要一环。样机试制的质量会影响后续开发阶段的顺利进行，做好样机试制质量控制是一项十分重要的工作。必须从零件、工艺、人员、工具、工装等要素出发实现全过程控制，并将这项工作一直强化和完善下去。只有按照已制定的样机试制质量控制方法将工作做细做实，才能为项目开发提供强有力的保障，把好质量关。

今后，为适应智能制造，将引入更多现代化的质量控制方法，例如智能实时传输拧紧工具、涂胶机视觉检测系统等，优化工艺，可进一步提升试制质量，提高试制效率。