【《汽车变速箱制造工艺发展研究的国内外文献综述》8900字】

汽车变速箱制造工艺发展研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u17946汽车变速箱制造工艺发展研究的国内外文献综述 1200041.1汽车工业及变速箱制造发展现状 12121.2精益生产研究现状 5318231.3热处理生产精益改善现状 1013163参考文献 141.1汽车工业及变速箱制造发展现状自1876年德国工程师尼古拉斯·奥托(N.A.Otto)发明内燃机后，德国工程师本茨(C.Benz)在1885年发明了世界上第一辆汽车。自19世纪末以来，汽车工业的发展按生产方式大致可分为三个阶段[11]：1）手工生产方式1886年作为汽车元年，德国人本茨和戴姆勒(G.Daimler)先后以自己名字成立了发动机工厂，随后法国、英国、奥地利等欧洲国家也相继研制出汽车。19世纪末期，法国巴黎的P&L机床公司开始制造汽车，由于实行的是手工生产方式，导致制造成本高、生产效率极低，质量全凭工人的技艺和经验来保证。由于产量不大，此阶段的汽车主要供上层人士消遣娱乐，并未普遍应用。2）大批量生产方式20世纪初期，美国福特汽车公司的创始人亨利·福特（HenryFord）将汽车制造业从手工作坊带入了流水线时代，创立了汽车制造的大批量生产方式，该模式相较手工生产，从产量、质量、成本上都有了质的突破，标志着汽车工业进入全新的时代，进而满足了当时社会对私人交通工具愈发增长的需要。福特的T型车作为当时的代表产物，为汽车工业，甚至是整个制造业做出了巨大的贡献，影响十分深刻和深远，如图1.8所示。图1.8福特T型车Fig.1.8FordModelT后来随着制造业产品越来越复杂，加工装备技术不断发展，大批量生产方式在形式和内容上也在随之不断变化，直至20实际中期，其仍然是制造业的规模化生产的主要生产方式。到20世纪后半期，由于客户需求日益多样化，而且对质量的要求越来越高，这一生产组织方式缺乏柔性，不能迅速适应市场变化而灵活换型生产的缺点越来越突出。这种状况使得企业既要找出不断缩短产品开发周期和制造周期的方法，又要建立起能够快速响应市场需求变化的生产经营管理方式。在此要求的推动下，汽车制造企业必须改变现有大规模生产的经营、管理和工作机制，探索并推行能适应新环境的发展模式。（3）精益生产方式1950年，日本丰田汽车公司创始人丰田喜一郎参观了位于美国底特律的福特汽车公司Rouge工厂。回国后，他与公司主管生产的大野耐一研究后得出结论：由于国情不同，日本汽车工业适合复制大批量生产模式。经过以大野耐一为核心的日本生产管理专家们的研究与讨论，最终创立了以“彻底杜绝浪费”为核心思想的丰田生产方式（TPS），这也是精益生产方式的起源。丰田生产方式体系的主要框架包括1个目标、2个支柱和1个基础。目标是在生产过程中消除浪费，来降低成本，提高效率，获取更多利润的同时最大限度地使客户满意；支柱是指准时化与自动化；基础则是持续改善[12]。在之后的行业竞争中，丰田生产方式取得了显著作用，使得以丰田公司为代表的日本汽车制造企业在全球的市场占有率不断提升。丰田汽车公司全球汽车销量于2003年超过福特汽车公司[13]，并于2008年超越通用汽车公司，成为全球第一大汽车制造商[14]。从企业利润、生产节拍、产品缺陷率等企业运营的有关数据对比来看，日本汽车公司都领先于他们在全球汽车市场上的主要竞争对手[15]。随着汽车工业的发展，汽车变速箱性能也不断提升。在驾驶舒适性和便捷性的驱使下，当今手动变速箱已逐步淘汰，双离合变速箱、自动变速箱以及无级变速箱占据了绝大部分市场份额[16]。图1.9变速箱装配线(局部)Fig.1.9Transmissionassemblyline(part)变速箱装配线是由工艺设备，工装工具，物流运输，信息管理等组成的系统，涉及机械、气动、电气、信息等方面技术，其主要包括装配、检测、物流三个部分。装配部分主要是根据变速箱构成进行分装、总装的选配，同时还包括装配、压装、涂胶、螺栓拧拆等工步；检测部分包括气密性检测、在线校验、防错检验等；物流部分主要为物料配送、追溯码打标、贴标入库等[17]。国外对变速箱制造、装配的研究起步较早，自动化程度较高，配有机器人的柔性化装配线普遍运用于大众、通用、福特等国外知名汽车制造商，节拍一般在60秒以内[18]。国内装配线制造商近年来通过与国外公司交流合作，一些新技术、新理念也得到了应用，也能为客户定制技术先进、性能可靠的装配线设备[19]，如1.9所示。变速箱装配根据型号、构造各有不同，以S公司双离合变速箱为例，主要装配流程如图1.10所示。图1.10双离合变速箱装配流程图Fig.1.10AssemblyflowchartofDCT1.2精益生产研究现状精益生产(LeanProduction)是指由美国麻省理工大学“国际汽车计划(IMVP)”研究团队主要成员、《改变世界的机器》[20]作者JamesP.Womack在《精益思想》[21]一书中提出的，基于丰田生产方式(ToyotaProductionSystem,TPS)的一种生产组织、经营管理模式，被认为是当前工业界最佳的一种生产组织体系和方式。精益生产是在生产系统构架、人员配置、运行策略和市场供需等方面实施系统性的变革，在用户需求不断变化的情况下，生产系统具备快速适应能力，同时不断消除生产过程中的无效劳动和浪费，最终达到包括市场供销在内的各方面最好的结果。其目标是通过不断地进行成本、质量、生产柔性方面的改善，将废品率和库存量持续降低，并趋于零[22]。精益生产方式既是一种持续“减少浪费”的生产方式，更是一种理念和文化，体现出生产组织者追求卓越、精益求精思想境界。根据精益生产方式的形成过程可以将其分为三个阶段：1）丰田生产方式萌芽与传播阶段第一阶段是在1950-1980年间。汽车工业快速发展时代，日本工程师丰田英二和大野耐一通过参观考察底特律福特工厂，结合当时日本的国情，认为福特公司的大量生产方式不适合日本。大野耐一开始在工厂实行一套新的管理方法，如目视化管理、一人多机操作、设备环型布局等。随着管理方法取得初步成效，更多的人开始追随大野耐一，并对生产模式进行了一系列革新，如现场改善、自动化、五问法等，丰田生产方式逐步完善。1973年石油危机爆发，丰田公司盈利仍逐年递增，学术界对其进行研究，完成了丰田生产方式的体系化[23]。在这之后，包括丰田公司在内的汽车公司海外建厂，丰田生产方式传播到了美国，并在世界汽车制造业上逐步获得了认可和推广[24]。由于丰田生产方式体现了巨大的优越性，带动整个日本汽车工业规模迅速发展壮大，在1980年产量突破1100万辆，超越美国成为世界汽车制造的第一大国[25]。在市场竞争中逐步失去领先地位的美国，开始对自己所依赖的以流水线形式为代表的大量生产方式产生了怀疑。2）精益生产方式系统化提出阶段第二阶段是在1980-1995年间。为了揭开日本汽车工业成功之谜，1985年初，美国麻省理工学院成立了一个名为“国际汽车计划”的专门机构，耗资500万美元，历时5年，对美国、日本以及西欧共90多家汽车制造厂进行了全面、深刻地对比调查和研究。图1.11精益生产方法体系架构Fig.1.11Leanproductionmethodologyarchitecture1990年，美国麻省理工学院在总结日本丰田模式的基础上，提炼出一套应用于汽车制造业的理论原理、实施方法和应用工具，将其称为“精益生产”，其方法体系架构如图1.11所示，形成了目前流行的精益生产模式，倍受全世界制造业的关注，被称为“21世纪制造模式”，掀起了一股学习精益生产方式的狂潮,。同时也将精益生产方式从生产制造领域拓展至产品销售、项目管理、餐饮快消等多个领域，其内容也在实践中不断被完善和丰富，企业推行精益化生产的价值也是对精益思想的进一步提升和发展[26]。3）精益生产方式的革新阶段第三阶段是从1995年至今。随着市场需求和生产对象的日趋多样化，精益生产的理论和方法也随着应用环境及变化不断发展。在此阶段，精益生产思想开始作为一种普遍的管理哲学在建筑设计和施工、服务业、民航运输、医疗保险、邮政快递、软件编程开发等多个行业传播和应用，精益生产体系的内容和理论也不断完善。在近20多年来，随着应用场景的拓展和研究的深入，精益生产的新理论方法层出不穷，如单元化生产(CellProduction)、精益6Sigma管理、大规模定制(MassCustomization,MC)、JITⅡ等。除日本外的欧美国家，从上世纪80年代以来，企业为了在市场竞争中不被淘汰，纷纷开始结合自身特点，推行精益生产的管理理念和经营模式。美国制造业在90年代，包括通用汽车、波音公司、IBM、摩托罗拉等在内的行业巨头，为充分发挥自身在信息技术的领先优势，推行基于精益生产与ERP企业管理系统的新生产方式，即为敏捷制造(AgileManufacturing)[27]。该项目由美国国防部资助，旨在重新夺回美国在世界制造业中的领先地位，同时也创立了一种适合美国国情的精益生产应用模式。同时，流程再造(BusinessprocessReengineering,BPR)和流程优化(BusinessProcessImprovement,BPI)理论也被提出。1993年，美国著名管理学家MichaelHammer和CSC咨询集团创始人JamesChampy共同撰写了《再造企业：经营革命宣言》这本流程再造理论的奠基之作[28]。随后，许多企业以提升市场响应速度和顾客满意度为目标，实施应用流程再造战略。但实施过程中碰到了过犹不及的问题和障碍，失败的案例不胜枚举。人们在对BPR理论反思的基础上，总结了一套较为可行的流程优化管理理念。BPI认为企业要想占据持续占据市场优势，需要更多关注和持续优化的是其产品和服务的流程。随着用户的要求不断提升，企业的业务流程需要持续不断地改进，并结合企业具体需求应用生产实际，不断获得突破和创新。葛纯毅等以上海东方电话有限公司为研究对象，采用BPI的理论体系，采用鱼骨分析法、头脑风暴法对其进行流程优化，显示出了BPI对于企业提高效率的意义[29]。二十世纪90年代世界三大航空巨头——波音公司、空中客车公司和洛克希德•马丁公司开始推行精益生产模式，并获得了显著成效。2001年，波音和洛克希德•马丁公司在联合攻击战斗机JSF项目竞争中，都把精益生产作为项目实施的重要组成部分。最终洛克希德•马丁公司取得了成功，其在招标方案中详细明确表述了将采用包括精益制造、数字化技术、可视化装配技术等最佳战略，与传统战斗机的开发生产过程相比，JSF的生产周期减少66%，制造成本降低50%以上[30]。在上世纪90年代中期，美国公司将精益管理与6Sigma管理逐渐融合，来最大限度提升效率与质量，降低产品质量损失，其中最成功的案例当属GE通用电气公司。通过实施精益6Sigma，GE公司部分地区的塑料产品交付期由28天缩短至6天，大大提升了交付效率和客户满意度，其他美国公司，如霍尼韦尔(Honeywell)、洛克希德•马丁(LockheedMartin)、洛尔威尔(Rockwell)等也纷纷接受并开始实施。游宇辉等以戴尔公司的PC组装改进项目为研究对象，论述了精益6Sigma实施的基础，并采用DMAICR过程方法和分析工具来实施精益6Sigma项目，使得组装效率提高26%，组装质量提升约27%，节约成本约427万美元[31]。在国内，精益生产方式在上世纪70年代开始引入。作为最早尝试精益生产的企业，长春第一汽车制造厂于1979年开始逐步探索推行精益生产方式。到了1984年，在实行精益生产的五年内，看板系统被大量运用，取消了17个中间仓库，节约仓库面积1661平方米，在制品库存资金下降1830万元[32]。随后，一汽集团、东风汽车、上海大众、西安飞机工业集团等陆续开始推行精益生产方式，均获得了较好的实施效果[33]。汽车零部件产品在开发设计时也将制造及装配的可实现性作为重要评估考虑因素，如高红燕等将面向制造和装配的产品设计(DFMA)的并行工程技术运用到汽车门把手及锁机构零部件设计开发中，使产品可靠性得到了保障，同时达到了缩短新产品开发周期、降低产品成本的效果[34]。在精益生产理论中，生产线平衡也是一个重要概念，成为企业精益改善的着力点，如吕宁等以发动机装配线为研究对象，通过工时平衡墙确定了瓶颈工序，运用精益生产的ECRS原则及TOC方法等实施改善措施，达到了生产率提升、质量改善及成本下降的目标[35]。MTM时间测量法也是精益改善的重要方法，路鑫伟等以燃油器总成装配线为对象，通过MTM动作分析方法对各个工序的操作标准手工/机器时间进行测定，优化了工位人员配置和操作内容，同时改善了产线布置，达到了提升了生产平衡率和产能的目标[36]。改善精益生产理论要求对生产设备的综合效率(OEE)持续提升，能最大化提高设备的负荷率，挖掘出最大的生产潜力，而全员生产维护(TPM)管理作为提升设备OEE的途径，受到了越来越多管理层的重视，如赵泉声以汽车零配件工厂为研究对象，剖析了在TPM管理模式在实施过程中员工的意识观念适应、TPM标准化操作执行、TPM培训及沟通等方面问题，并制定了改善措施，取得了降低成本，提高效率的效果[37]。刘彤以汽车电子制造企业为研究对象，通过TPM管理理念推行及项目实施，包括各层级的TPM管理培训、维修工单电子化管理、设备预防性维护、设备防错防呆设计等，改善了设备综合负荷率，控制了运营成本也，交付准点率和产品质量都得到了客户认同[38]。精益生产方式在应用过程中，有些企业存在一些问题：一是只注重形式，对自身现状认识不足；二是急功近利，不注重管理技术和管理经验的积累；三是没有看清精益生产的本质，忽略了员工的主动性激发。因此，往往收效甚微[39]。在上世纪90年代，国内汽车整车及零部件制造企业形成了实施精益生产的浪潮，但实际应用参差不一。国内学术界开始分析研究日本精益生产理论与我国国情和企业特点相结合的推行模式，以期能针对不同企业的性质与诉求获得更有针对性的实施效果。另外，精益生产的管理理念还需要体现在相应的企业生产管理软件中，并且与ERP等企业资源管理系统互补融合，实现物料拉动、生产进度实时监控，形成精益生产措施策划、实施、评价、优化的闭环管理能力[40]。如张根保等结合我国企业的特点，设计了一套实施精益生产系统的参考模型AMLPS。该模型包括1个涵盖多个模块的总体模型，1个以“人法机料”为基础五阶段推进模型，以及1个涵盖安全、质量、成本、交付、士气、环境6个维度的SQDCME效果评价模型。AMLPS模型先在中国南方工业汽车公司应用，随后在长安汽车、青山工业也实施运用，员工素质、库存水平、产品质量等各方面的提升效果显著[41]。1.3热处理生产精益改善现状国内汽车行业从80年代开始逐步进入快速发展通道以来，对于规模化的变速箱齿轴件渗碳热处理生产，其使用设备也经历了三个阶段的发展。80年代对于齿轴件渗碳的热处理主要使用井式渗碳炉。它的结构是：炉身是圆筒形的深井，零件由专用吊车垂直装入炉内加热，适用于较为大型齿轴类零件。一般使用煤气和燃油作为加热燃料，通常安置在生产车间地平面以下。井式渗碳炉的炉温均匀性较差，对于日益轻量化的的小型汽车变速箱齿轴件而言，渗碳后的硬度、硬化层等指标均匀性较差[42]。图1.12井式渗碳炉Fig.1.12Pit-TypeCarburizingFurnace90年代开始，热处理行业开始逐步用箱式多用炉替代井式渗碳炉，其优点是运用目标值控制系统使得渗碳气氛控制更精密，炉温均匀性较好，产品质量稳定性较井式炉显著提升。且运用硅酸铝纤维作为耐火保温材料，可减少热损失，提高热效率。箱式多用炉生产线的主辅机台数可随产品种类和产量灵活配置，满足多品种小批量的生产特点。另外，根据实际生产的需要，设备生产厂家开发了许多新型结构的炉型，对于变速箱齿轴件的适用性和质量稳定性都较井式渗碳炉更有优势[43]。但是，无论是井式渗碳炉还是箱式多用炉，其渗碳原理都是在高温下，通过在保护气氛中通入渗碳介质，裂解出碳原子吸附在零件表面，并逐步向零件中心扩散的方式，完成零件的表面硬化，整个过程需要经历较长的升温及保温时间，生产效率较低。为解决这一问题，国内从近20年时间里，对于变速箱齿轴件的热处理渗碳开始逐步引入国外的低压渗碳炉，并开始国产化。低压渗碳炉的整个渗碳过程都是在50mbar左右的负压状态下进行，炉内长通氮气作为保护气体，通过真空泵维持炉内的压力，并通过乙炔或丙烷的通入裂解出碳原子进行对炉内零件的渗碳。一方面，由于其炉内无氧气成分，能保证零件的表面无内氧化组织，以达到比传统渗碳方式更佳的零件质量；另一方面，在负压的状态下，零件吸附碳原子的速率以及碳原子在零件内的扩散速率更快，整个渗碳过程可比传统渗碳方式缩短30%，大大提升了渗碳工艺的加工速度[44]。图1.13箱式多用炉Fig.1.13Box-typeMultipurposeFurnace低压渗碳工艺设备炉壳为双层冷壁，没有火帘门，也无烟气及油蒸汽排放，改善了生产现场的作业环境，并可在空调环境中运行，具备了与机加工生产线连接的条件[45]。在生产运行成本方面，由于低压渗碳设备可实现快速升降温，在生产柔性方面较传统可控气氛设备具有优势。按相同产品相同产量且满足产品技术指标要求的情况下，低压渗碳设备较传统可控气氛设备在生产运行成本上能下降23%[46]。图1.14可个性化定制的柔性低压渗碳产线Fig.1.14CustomizedflexibleLowPressureCarburizingLine因此，在规模化、精益化的生产模式下，低压渗碳炉被越来越多的国内汽车制造企业所应用，并根据自身产品的特点，定制成具有一定自动化功能的生产线[47]。热处理作为制造业中的重要一环，在国内，其在精益生产方面的运用与探索相对缺乏。国内大部分企业的热处理生产管理模式相对粗放，同时其工序特性及操作方式相较于装配线、机加工存在也较大差异。因此在热处理行业中简单地复制照搬某些精益生产方式将可能会导致南辕北辙的效果[48]。从工艺特性上来看，热处理工序的质量指标主要体现在所加工产品的材料冶金组织性能与热变形畸变控制两方面，因此当前企业对于热处理工序精益化的关注点主要为：热处理设备稳定性及工艺过程控制能力；热处理加工过程化学反应的计算机精确模拟技术。如陈昌麒等人，在对铝合金材料热处理的固溶过程、冷却过程、时效过程进行了多组试验，通过试验结果修正了计算机模拟程序，获得了更符合实际的模拟结果，但当前铝合金材料热处理的计算机模拟涉及到数据库及复杂交互作用的因素，离工业应用还有一定距离[49]。长期从事热处理研究的中国工程院院士潘健生教授在对我国热处理发展战略的探讨中明确指出：我国热处理行业在与国际对标中还处于较为落后的局面，且其在制造业中的又具有战略意义，需要给予更多支持和重视；践行热处理的精益生产，扭转粗放生产的状态；加强多学科的热处理应用研究和发展数字化、智能化热处理过程控制技术。一是深入的热处理工艺研究；二是精心设计制造热处理设备；三是建立严格的维护保养制度；四是严格认真的操作；五是全流程质量控制与管理[50]。随着精益思想在热处理行业不断渗透，越来越多的热处理企业尝试运用精益生产工具对生产模式进行改善。例如在物料及工艺信息追溯和排产方面，林柏宇等针对热处理工艺追溯难和排产安排不合理的问题，提出了基于物料网的热处理智能制造执行系统的构建及应用方式，该系统包含系统设置、收发管理、品质管理、生产管理、设备管理及在线监控6个功能块，如图1.15所示，为生产控制，精益生产，节能减排，质量改善等方面的提升奠定信息化基础[51]。在欧洲，数字化管理系统也在不断被开发及应用，各种系统被设计运用于渗碳和相关处理，包括订单处理、生产计划和监督、质量保证和设备维护计划，以及工艺循环的选择、调节和优化，以提升产品质量和生产效率[52]。渗碳热处理一般采用模型软件进行过程模拟。当前，热处理精益化改善受到质量指标及成本竞争的推动，其工艺过程建模的作用已从设计和分析阶段扩展到过程优化和控制。渗碳模拟软件应用场景愈加宽泛，包括精益和稳定的产品设计、工艺优化和质量问题的解决。热处理畸变控制的稳定性决定了产品后续加工的流程及成本，因此渗碳过程模拟将材料热处理转变过程及其预测显微组织、残余应力、热处理畸变作为研究对象。通过原材料化学成分及热处理工艺过程参数的数据录入分析，来达到减少渗碳畸变的目标[53]。图1.15MES系统功能设计Fig.1.15FunctiondesignofMESsystem在热处理工艺优化方面，张传开等运用6sigma改进方法，通过因果图和FMEA分析[54]，确定了齿轮在热处理时发生畸变的关键影响因子，并在改善时使用全因子实验设计方式对A公司热处理渗碳淬火工艺进行优化，在保证质量的前提下，达到了提高生产的效率，降低制造成本，提升客户满意度的目的[55]。精益生产对于热处理而言是一种不断优化、改进的管理理念。大批量生产原则为热处理做出了历史贡献，而在当前工业智能制造及客户需求多元化的发展洪流中，热处理行业更需要加快设备技术的更新换代及生产模式的创新实践。参考文献徐建.某型汽车变速器传动系统的建模与分析[D].东北大学,2014.过学讯,吴涛.汽车自动变速器在中国的发展现状及前景[J].汽车工程学报,1999(6):7-10胡昌新.铁碳相图的发展和展望[J].材料工程,1991(1):4-8JYang,JIGoldstein.TheformationoftheWidmanstattenstructureinmeteorites[J].Meteoritics&PlanetaryScience,2005,40(2):239-253THockey,VTrimble,TRWilliams.TheBiographicalEncyclopediaofAstronomers[M].SpringerNewYork,2007.萧功伟.金属同素异构转变的相关系分析方法[J].科学通报,1992,37(24):2281-2284BCRay,RKPrusty,DNayak.Iron–CarbonPhaseDiagram[M].PhaseTransformationsandHeatTreatmentsofSteels.2020.ARahmel,HJGrabke,WSteinkusch.Carburization—IntroductorySurvey[J].Materials&Corrosion,2015,49(4):221-225RGorockiewicz,Aapiński.Structureofthecarbonlayerdepositedonthesteelsurfaceafterlowpressurecarburizing[J].Vacuum,2010,85(3):429-433IVZabyelin,IMKomelin,IABarannik.OnSpecificFeaturesofOperatingCruciblelessSalt-BathFurnaces[J].MaterialsScienceForum,2005,488-489:89-94张仁琪.世界汽车工业[M].中国经济出版社,2001.大野耐一,谢克俭,李颖秋.丰田生产方式[M].中国铁道出版社,2006.张辅群.福特主义、丰田方式和温特尔主义之比较研究[J].现代财经--天津财经大学学报,2006.李向阳.丰田改变世界[M].北京大学出版社,2007.陈燮阳,乔惠英.后起之秀——丰田汽车公司[J].汽车工程学报,2001(2):56-59胡朝峰,过学迅,汪斌.汽车变速器技术的发展与展望[J].汽车工程学报,2005(5):15-18孙立琴,丛明,赵强,等.汽车发动机和变速箱自动化装配技术[J].组合机床与自动化加工技术,2009(03