中国汽车制造技术及装备发展概述

作者：机械科学研究院 陈长年    来源：CMJ中国机械与金属

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 为了满足汽车工业的快速发展，中国汽车制造技术与装备亟需摆脱目前总体水平落后的现状。大力发展先进汽车制造技术和装备，提高国产汽车制造装备水平日渐成为中国汽车产业和机床产业共同的历史使命。 2020年，中国汽车产量预计将达到2,500～3,000万辆，居世界产量总和的1/3。因此，中国有望迈向世界汽车产业强国，但前提之一是，拥有先进制造技术和装备。 汽车制造装备分为整车制造装备和零部件制造装备两大类。目前，汽车制造装备的构成也在发展变化中，最值得关注的是汽车企业与钢铁企业联合建立汽车板材中心。即将汽车底盘大梁等零部件冲压或辊压成型的开卷、平整、剪切等预加工工艺集中，用专业化大生产方式为全社会服务。本文中，笔者主要介绍汽车零部件制造技术与装备。 汽车零部件关键制造技术与装备 汽车零部件制造技术与装备主要包括金属精密切削技术、金属精密锻造技术、金属精密铸造技术及测试设备、数控刀具系统、激光加工技术等。 关键金属切削机床及其生产线 金属切削机床占全部汽车制造装备数量和金额的一半以上，特别是在中国，由于近净成形（精密锻造、精密铸造）技术和设备落后，大部分汽车零部件釆用切削方式加工。目前，约70～80%的中国制造轿车零部件的金属切削机床生产线依赖进口，但近年随着国际知名机床企业逐渐将生产转移至中国，以及中国国内机床企业并购跨国机床厂商，进口比例呈下降趋势。制造卡车零部件的金属切削机床生产线目前还是以国产机床为主。下文将分析几种热门金属切削机床及生产线。 敏捷柔性自动线（AFTL）及其关键技术 发动机制造装备可谓第一汽车制造装备，是汽车零部件先进制造技术集成的经典。 目前，中国主力车企普遍釆用敏捷柔性自动线AFTL大批量混流生产发动机关键零部件，其中约90%依赖进口。据不完全统计，从20世纪末至今，约200条已经安装或将安装，平均单价约2,000万美元。进口来源主要是德、意、日6家公司。如，近几年德国MAG公司提供了25--30条AFTL，意大利柯马公司提供了约20条AFTL，日本牧野公司提供了十几条AFTL。近年发展的方向是，用户希望国内外公司联合投标。 敏捷柔性自动线AFTL有以下几大关键技术 • 生产线数字化设计：要求按照精益、敏捷理念，釆用协同仿真技术，借助虚拟制造，三维动态仿真实际生产过程，对加工质量、节拍进行分析和验证，优化工艺参数、工艺流程、生产线布置，发现运行中的瓶颈，预先改进。从而使用户能够选择技术、经济优化的方案。釆用这种数字化设计技术后，生产规划流程精简了40%。 • 具有可重构模块的高速加工中心（RMT），是敏捷柔性自动线AFTL的核心技术。 • 在线检测：为实现大批量高生产率条件下的在线精密检测，要求检测设备的分辨率达1μm，整个测量形貌的测量周期在数十秒内，测点达几百万个以上。目前完全依赖进口。 • 柔性夹具：柔性夹具设计需要精通零件制造工艺。这是国外企业对我们封锁的核心技术和盈利的诀窍，也是中国机床企业的软肋。 • 物流系统：被视为“第二类生产”，包括自动上下料、工件传输储运、实时工厂物流系统。将极大提高现代发动机生产的效率和可靠性。为零库存提供可能。 • 信息系统：自动线CNC控制系统，其复杂程度不是只控制单个机床可比拟的。 • 自动线可靠性技术：需要满足整条自动线工序能力指数Cpk值≧1.67，平均无故障工作时间MTBF≧3,000h的要求。 敏捷柔性自动线的基本技术要求 敏捷柔性自动线使用的机床类型为“刚柔混合”型—以高速加工中心满足生产线高柔性要求，以数控专机满足高效率要求，并可降低投资成本。刚柔混合程度（深度、中度、轻度）要从釆用协同仿真技术的数字设计多方案中选择。 AFTL线中集成应用的技术 AFTL线中集成应用的技术包括FA技术，又称“无人或熄灯生产”（unmanned or lights-out production）技术；壳体类零件高速切削技术；干切削、MLQ切削技术；壳体类零件精密加工技术；生产线多品种工件混流技术；敏捷物流系统；生产线信息釆集、分析、反馈、集成控制技术；在线检测系统及集成应用技术。 敏捷柔性自动线的高速加工工艺及装备 目前制造发动机主要零件的生产节拍已经缩短到了30~40s，比十几年前缩短了50%。发动制造企业为提高加工效率，都进行了技术改进。如，上海大众汽车通过使用HSK刀柄、涂层硬质合金、金属陶瓷、CBN、PCD刀具，满足高主轴转速、高进给速度、高加／减速的要求，从而实现高效加工（HPC）；上海通用汽车，通过使用SECO公司的CBN300刀片进行灰铸铁缸体平面干式铣削，切削速度达到了1,600m/min，刀具寿命提升了4倍。 • 高速机床技术：高速加工中心快移速度60～100 m/min，加速度0.6—1.5g；主轴最高转速8,000—15,000 r/min；定位精度/重复定位精度--工作台1m以下， 8μm/4μm (VDI标准)，工作台1m以上，10μm/5μm/M (VDI标准)。关键工序的机床工程能力指数/工序能力指数Cmk/Cpk值≧2.0/1.67 。普遍运用三坐标模块式和箱中箱结构。主运动普遍釆用电主轴，进给运动釆用直线电机或高速滚珠丝杠。机床非常简约，外购件（配套件）比例增加，交货期大大缩短。同时要求带有断刀检测、机内自动测量、自动补偿系统、对刀装置等等。 双主轴双刀塔多轴数控车铣中心/柔性制造单元 双主轴双刀塔多轴数控车铣中心带有C、Y轴和动力刀头,配备自动上下料装置（含机械手），并在与物料存储与传送及其自动控制集成的条件下，构成柔性制造单元（FMC）。由于这类设备满足轴类汽车零件“一次装夹完全加工（one on down）”需要，近年已经有数百台至千台投入运行。特别要指出，现代汽车零部件越来越釆用以车代磨工艺，要求数控车床能够进行强力车削。 各种数控磨床和专用数控磨床 如高效、高精无心磨床，配有自动上下料装置（含机械手），组成磨削单元。高效、高精曲轴和凸轮轴数控磨床、十字轴专用数控磨床等几乎全部依靠进口。主要来自德国、意大利、瑞士、日本。 模具加工五轴高速床身式/龙门式铣床（加工中心） 这类机床主要特点是速度高、刚性好。其中龙门式加工中心为扩大工艺性能，还具有五面功能，配备有换头机构，以便满足铣、镗、钻工艺对主轴转速不同的要求。此类装备主要依靠进口，已经有超过数百台投入运行。主要来自德国、瑞士、日本、意大利。 高效专用机床 机床的高效专用性是汽车制造装备的又一大特征。如汽车齿轮加工应用高速滚齿机、高速插齿机、高速磨齿机。英国LANDIS公司生产的曲轴磨床磨削速度高达120 m/s，用“扒皮法”一次装夹从毛坯到精磨完毕，仅需几分钟。 “高效专用”，对机床的基本要求是高刚度、高速度、大功率。一律配备超硬刀具。如上述高速滚齿机、高速插齿机要求配备整体硬质合金或硬质合金涂层滚刀、插齿刀，曲轴磨床配备CBN砂轮。 高效专用机床属于“精益机床（lean Machine）”—去除冗余功能，具有高效率和极强针对性特点。现代高效专用机床的供货方式是“整体解决方案（TOTAL SOLUTION）”，其技术附加值及设备利润率很高。由于不同于大量生产的机床，其价格也高得多。 关键精密锻造技术 轿车重要零件毛坯一直使用锻件。中国的汽车锻件水平与世界锻造大国德国和日本还有着相当的差距，与法国、意大利、韩国和中国的台湾地区也不在一个层次上。 中国汽车工业现主要釆用热锻成形工艺和手工操作，能源消耗大，锻件精度低、氧化严重。锻工劳动生产率只有日本和德国的1/4。 据中国锻压协会统计，中国2010年锻件总产量为776万吨，模锻件为479万吨，其中汽车模锻件368万吨（汽车产量1,800万辆），冷精锻件产量约18万吨，占模锻件的4%。保守预计，“十三五”末中国汽车年产销量将达到3,000万辆，则每年需要的汽车模锻件约540万吨。按照“十三五”中国冷精锻件的比重提升至国际先进水平的20%计，届时冷精锻件的需求量将达100万吨，与目前的年产量不到18万吨相比，需要150条左右冷精锻生产线。 精密锻造接近成形加工，包括模锻、热精锻、冷精锻（冷挤压）、粉末冶金烧结锻造设备、内高压成形设备等。 • 热精锻：德国BLM公司热精锻齿轮精度已达DIN6级，节约材料20～30%，机械性能提高15～30%。 • 冷精锻（冷挤压）：美国每年生产冷挤压件100万件以上，80%为汽车零件。NATIONAL公司是全球多任务位冷精锻机研发中心。丰田1.8L排气量轿车中有43kg冷挤压件，还有35kg冷挤压标准件。 • 温精锻：温锻技术应用范围广泛，汽车锻件热、温、冷锻件的品重量结构比约为90：5：5。中国近年精密温热锻件总产量不足10万吨，与德国、日本等国家60：20：20的发展水平差距明显，许多在中国设厂的外资企业的高附加值关键零部件进口。在未来5年左右，中国需要温锻压力机约50余台套，中国目前还不掌握温锻压力机设计制造技术，完全依赖进口。 • 粉末冶金烧结锻造技术：国外粉末冶金烧结锻造技术有较大发展，粉末锻造连杆重量精度可达1%，而锻造连杆重量精度2.5%，与常规机加工连杆相比，达到经济批量后，可节约加工费35%。福特公司1992年粉末锻造连杆已达1,000万件。 • 内高压成形技术：内高压成形件质量轻、强度高、零件数量少、焊缝少，是制造空心轻体构件的高新技术，在欧美发展很快。北美生产的轿车中，内高压成形件所占比率20世纪80年代为10%，预计2005年将上升至50%。 • 旋压成形技术：旋压成形具有加工精度高、可生产变截面等强度车轮轮辋和轮辐等优点。 铸造技术 铸铁熔炼技术 • 大型热风除尘冲天炉+工频保温炉双联熔炼方式仍为主流。 • 电炉熔炼技术开始越来越受到重视，技术也日益成熟，其清洁、环保的优势突出，是今后的发展方向。 铸铁材质 • 灰铸铁：随着大马力柴油机的发展，灰铸铁的牌号在不断提高，HT300已应用于缸体、缸盖的生产，个别产品甚至要求达到HT350。 • 蠕墨铸铁：用蠕墨铸铁生产高强度的缸体、缸盖有市场、有潜力；蠕墨铸铁强度高，薄壁，减轻重量；耐热疲劳性优良的蠕墨铸铁生产大马力柴油机缸盖，能有效解决缸盖的热疲劳裂纹问题。 • 球墨铸铁：保安类铸件：对材质要求严格，零铸造缺陷，100%无损检测,如轿车转向节。 • 耐热球铁件：高硅钼、高镍球铁。主要生产排气管，有非常好的抗高温性能。 • 奥贝球铁：以其优异的性能引起人们关注，用于生产高强度曲轴等。 造型和制芯技术 • 造型线以静压造型为主。(end)

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