中国汽车工程学会 陈长年
我国汽车业占装备制造业产值和利润约半。国内外经验一再证明，汽车工业的发展既依赖于机床工业的技术进步，又带动了机床工业的发展。近十几年来，我国汽车工业已经成为机床消费主体，约消费了全社会40%的机床。同时，汽车工业投资的一半以上又用于购买机床，其中，进口机床金额约占80%。这是我国机床消费和进口高速增长的主要原因。图1表明，我国汽车产量与机床进口增长同步。
从历史角度观察，汽车产品的发展，必然伴随着制造装备的发展，反之亦然。比如，大约一个世纪以来，组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。随着竞争加剧，汽车产品更新换代周期从几十年缩短到4年，组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。20世纪80年代，美国汽车巨人福特与机床巨人INGERSOLL合作，研制了集高柔性与高效率于一身的高速加工中心，由它组成的柔性自动生产线的问世，加快了汽车产品的更新换代，提高了企业的效率和灵活性。这就是今天我们可以看到每年有几十种新车上市的原因之一。
一方面，汽车的水平和质量取决于装备水平；另一方面，一个国家汽车工业和一个汽车企业的国际竞争力又取决于装备的先进性和制造成本。正是近年大量先进数控设备的采用，使我国轿车装备整体上进入柔性化时代，才支撑着我国汽车工业的不断发展。
我国汽车制造装备市场巨大
我国将是世界汽车最大市场、最大生产国。按照发展总战略，2020年，我国汽车产量达到1400～1800万辆，世界第一，并迈向世界汽车产业强国，其标志之一是，拥有先进制造技术和先进制造装备。
同时，各汽车企业，特别是零部件企业，为在激烈的市场竞争中求生存，必须不断改进制造技术与装备。可以断言，在我国实现工业化的长时期内，汽车工业将一直是机床消费的主体。
我国汽车制造装备两极分化、总体落后。形象地说是“现代武器与“三八”式步枪并存。”一方面，有采用世界最先进的敏捷柔性生产线的上海通用这样的示范工厂；另一方面，有的国营老企业，如，济南卡车公司数控机床比率只有1%（2002年调查）。
总体来说，合资轿车企业和部分民营企业（如，万象集团）汽车装备整体上进入柔性化时代，达到二十世纪九十年代水平。另外一部分汽车零部件制造企业仍然主要使用普通（非数控）机床生产，造成质量低下，只能够生产低端汽车零部件。
现代汽车制造装备的构成及进口热点
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。
整车制造的“四大工艺装备”——整车装配流水线、车身焊接和装配生产线、喷涂生产线、冲压生产线。
（1）冲压生产线：据统计，在轿车的2000余件零件中，冲压件占40%以上。包括车身覆盖件、车身结构件和中小型冲压件。目前，我国轿车生产主要应用自动和半自动冲压生产线。下一代是柔性冲压自动线。冲压生产线是唯一的国产品占据主导地位的大类汽车装备。但是先进冲压技术装备我们与国外存在很大差距。
（2）轿车焊接装配线几乎全部依靠进口。
轿车车身自动焊装线，整车自动装配线是我国汽车装备最薄弱的环节之一。
目前，自动装配线向柔性和“零缺陷”装配线发展。柔性靠大量焊接和装配机器人实现。
（3）喷涂生产线：主要包括喷漆机器人、电泳、烘干、涂胶以及输送等设备。由于国内缺乏将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线的技术，也基本依赖进口。
零部件制造装备：
（1）金属切削机床生产线。
制造轿车零部件的金属切削机床生产线，金额的约70-80%依赖进口。但近年随着国际著名机床厂商将生产转移至我国，以及国内机床企业并购国际著名机床厂商，进口比率正在下降。制造卡车零部件的金属切削机床生产线则以国产品为主。
这里分析几种热点金属切削机床：
1. 柔性生产线——FTL。由高速加工中心组成（详见后）。主要用于发动机制造。从二十世纪末至今，据不完全统计，已经有约100条在我国安装或将安装，单价约2000万美元。其中进口占约90%。主要来自德国、日本、意大利、美国。
2. 双主轴双刀塔多轴数控车铣中心/柔性制造单元。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产，其中进口约占90%。主要来自日本、韩国、台湾等。
还要特别指出，现代汽车零部件越来越采用以车代磨工艺，要求数控车床能够进行强力车削。
3. 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。
4. 模具加工5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5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。全部依靠进口，已经有超过数百台投产。主要来自德国、瑞士、日本、意大利。
（2）精密锻造：接近净成形加工。轿车重要零件毛坯一直应用锻件。精锻机国内差距巨大，依赖进口。
1. 热精锻生产线或制造单元：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%。
2. 冷精锻（冷挤压）生产线或制造单元：美国每年生产冷挤压件100万件以上，80%为汽车零件。
3. 温精锻生产线或制造单元：工艺特点是材料加热至700～1000℃进行锻造，兼有热锻和冷锻优点。美国温锻件约占精锻件50%。
4. 模锻机/制造单元：汽车零部件锻造毛坯皆属模锻件。其中的模具和上下料装置等为国内薄弱环节。
5. 粉末冶金烧结锻造设备。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%。
6. 内高压成形技术。是制造空心轻体构件的高新技术。内高压成形件质量轻、强度高、零件数量少、焊缝少，在欧美发展很快。
7. 旋压成形技术装备。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。
（3）铸造生产线：
大吨位压铸机/制造单元（铝合金铸件）依靠进口。其中压铸模具国内差距巨大。
精密铸造生产线（铸铁件）依靠进口。其中，自动锁芯生产线（key core system）主要采用西班牙loramendi公司产品。
（4）激光加工设备。包括激光切割设备、激光焊接设备。激光拼焊板冲压成形技术是国际上大力发展的一种先进技术。将不同材质不等厚度钢板激光拼焊成毛坯，然后整体冲压成形。可减轻零件重量、提高整车匹配质量、降低材耗、提高生产率。目前激光拼焊板冲压成形设备同样依赖进口。
此外，轿车车体三维数控激光切割是最近发展的柔性制造技术，代替传统的手工切割＋冲裁模制造方式。使生产准备周期从2.5个月缩短至5天。
（5）数控刀具系统。制造轿车零部件的数控刀具系统，主要依靠进口。现代轿车零部件和模具加工已经高速化。对刀具提出很高要求。采用整体硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具（包括化学涂层CVD、物理涂层PVD），陶瓷刀具，CBN刀具，聚晶金刚石（PCD）刀具，烧结压层刀具等。
同时，对高速切削刀具的监测工具、刀具系统的连接工具、高速回转的刀具系统动平衡技术设备等也提出很高要求。
需要指出，现代轿车零部件加工生产线，采用“智能刀具（Smart Tools）”——为特定零件加工设计的一系列专用高效刀具。同时，国际著名数控刀具供应商，还同时提供高速切削套装软件包、刀具使用（更换、重磨）服务等“整体解决方案”。
我国汽车制造装备国产化路漫漫
二十世纪八十年代，我国汽车工业重点转入生产轿车，国内机床工业很不适应。轿车装备国产化率长期来只有20%。但是仍然有一些亮点，比如汽车冲压生产线、数控齿轮加工机床等国产品都占有较高的份额，大连和沈阳机床集团近年也为汽车企业提供由高速加工中心组成的柔性生产线，目前已有几千台国产数控机床在汽车企业使用。
但是总体来说，我国机床产品与世界先进水平还有不小差距：
（1）自主创新差距：笔者去年访问了欧、日五国20家以提供汽车装备为主的著名机床制造商。发现在现代发动机制造技术、高速加工中心、由高级复合化机床组成的制造单元等高端机床方面，我们与国外技术发展差距拉大了。重要原因是，我们基本没有制造技术自主创新体系，同时，制造技术研发的人力、财力投入，差距仍然很大。
同时，现代汽车装备特别强调《解决方案》。目前，国际一流机床企业的销售行为，已经完成了从卖设备到提供“解决方案- SOLUTION”的革命。这要求应用工程师是复合性技能型高级“灰领人才”。这是我们与国际间新产生的也是更加严重的差距。
（2）机床性能差距：主要数控机床无法满足现代轿车对精度、精度保持性、可靠性、寿命的需要。如，国际上加工精度从1950～2000年提高了50倍，国内加工中心精度与国际先进水平差距大体为15年；
（3）软件差距：包括生产线控制系统、集成技术差距等。缺乏将工艺系统、物流系统、信息系统集成为制造单元或流水生产线的技术。
浅析轿车零部件机械加工技术和设备特徵
流水生产线
一个多世纪以来虽然几经革命，它却一直是汽车及零部件生产方式的主体。
流水生产线根本技术是集成技术——将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线。
（1）工艺系统：即机床——工具——工件系统。
现代轿车流水生产线的工艺装备，已经进入柔性化时代，由数控机床和智能工具组成。
对机床主要要求是：高速度、高精度、高精度保持性——高机床工程能力指数（Cm/Cmk值），高可靠性，等。
用于发动机生产线的高速加工中心：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)。
目前，国际上这类加工中心的最新发展是，主运动普遍采用电主轴，进给运动愈来愈多采用直线电机。同时，普遍运用三坐标模块化和箱中箱结构，机床非常简约，外购件（配套件）比例增加，交货期大大缩短。日本MAZAK公司最新一代的UH“瘦身”型加工中心，采用双X轴进给方式，机床宽度缩短38～57%，大大减少生产线占地面积和投资。
用于模具加工的3～5轴床身式、龙门式数控/仿形高速铣床（加工中心）：主轴最高转速20,000～40,000 r/min；
机床工程能力指数/工序能力指数Cmk/Cpk值≧2.0/1.67 。
平均无故障工作时间MTBF，日本远州2002年资料目标为5 000小时。
（2）物流系统：由原材料处理、存储、上下料装置、机床间工件传输装置组成。
在单台数控机床配备工件库或原材料库和自动上下料装置（含机械手、机器人）的条件下，即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）。在多台数控机床配备自动上下料与物料存储和传送及与生产计划调度用计算机集成的条件下，构成柔性制造系统（FMS）。在不含计划调度系统和工件单向流动时，组成柔性生产线。
（3）信息系统：
主要包括生产线控制、刀具更换、工装及附具更换、工件调度、自动编程、自动监控、自动补偿、工件质量自动检测、刀具磨损或破损后的自动更换和自动报警等。最新要求是具有CAD/CAM功能，远程生产线管理和维护、故障诊断和自动修复功能等。
流水生产线又是制造技术与管理技术结合的典范。二十世纪影响了人类制造业的几大管理技术多产生于汽车生产线。如，福特生产方式，丰田生产方式，准时制（JIT），精益生产等。这里不再阐述。
发动机制造技术的发展与变革
正像发动机是汽车的心脏一样，发动机制造技术是汽车制造技术的集中体现。
（1）汽车面世以来，发动机制造技术已经经历了两次革命。
第一次革命发生在二十世纪初，美国福特汽车公司创始人福特发明了大量生产流水线。其主要方式，是由组合/专用机床（special purpose machine/ Transfer machine ）组成的自动生产线 TL(Transfer Line) ,也称为传统自动线。其最大优点是高生产效率——几十甚至上百把刀同时加工，其效率是任何其他类型生产线无法比拟的；低价格——特别是我国，组合专机价格甚至低于批量生产的通用数控机床。最大缺点是柔性差，一旦产品变型和更换品种即基本无法使用。我国汽车行业从诞生至二十世纪九十年代初期，一直沿用TL。目前我国轿车行业生产大多不采用TL。但在国外大量生产稳定产品的生产线中，TL仍是最佳选择。
为了解决产品的变型生产和便于更换品种，柔性生产技术被引进了汽车生产。二十世纪九十年代出现了高转速、高快移速度、高加速度、快速换刀的高速加工中心。由其组成的高速柔性生产线FTL（Flexible Transfer Line）是发动机制造技术的第二次革命。其突出特点是一定程度上克服了高柔性和低效率的矛盾。这种生产线不仅可加工同样产品范围内的零件，而且可加工变型产品、换代产品以及新产品，真正具备了柔性的意义。缺点是投资较大，效率受局限。目前是我国轿车企业的热点生产线。
为了进一步提高高速柔性生产线的生产效率，更快地适应市场变化，FTL的新发展是敏捷高速柔性生产线——AFTL（Agile Flexible Transfer Line），目标是：
对变化的市场需求快速做出反映；
满足现代轿车发动机“多品种、大中批量、高效率、低成本”的需要；
符合“精益生产”原则——用最小投资赢得最大经济效益。
AFTL的主要特点是：
由通用高速加工中心和专用/组合机床组成的混合（Hybrid）型柔性生产线（HSMC+SPM/TM）。按照工序流程排列设备并由自动输送装置连接，全部生产线上机床、输送和工件识别均在一个控制系统中；
采用敏捷夹具（柔性夹具-可控、可调夹具）；
采用“智能刀具（Smart Tools）”——为特定零件加工设计的一系列专用高效刀具。
这种生产线的优点是生产效率高同时又具有相当的柔性，能够适合大批量生产和变型产品生产，同时投资较小。缺点是柔性受局限，不能加工不可预见的任意品种零件。目前，混合型柔性生产线在国内外汽车行业应用广泛。
（2）目前发动机制造技术正酝酿着第三次革命
背景是，一方面，随着技术进步，发动机研发速度越来越快，新产品开发周期从30个月缩短到13个月；同时，日益发展的多样性需求，使车型数量急剧增加。如，我国第一汽车集团在2000-2004年期间开发出920种新车型；日本丰田公司10年中车型数量增加两倍。另一方面，在发动机市场竞争愈发激烈情况下，发动机生产批量不确定性增大。目前流行的柔性生产线，由于价格昂贵，投资风险加大。同时，产能过剩矛盾日益突出——尤其是我国更加严重。近年来，人们一直在探讨解决多样性与经济性日益突出的矛盾，满足变品种、变批量的需要，兼顾高柔性、高效率、低投资的要求和对市场的快速反应能力；同时，也在探讨以制造系统的革命来解决产能过剩的世纪矛盾。
美国提出了《可重构制造系统RMS（Reconfigurable Manufacturing Systems）》。美国国家研究委员会1998年将RMS列为未来20年制造业必须优先解决的10大关键技术之首。RMS着眼于发展制造系统的结构快速调整能力，原理是通过对制造系统中机床配置的调整和机床功能模块的增减，迅速构成适应新产品生产或生产批量变化的市场环境。为此研制了可重构机床RMT（Reconfigurable Machine Tools）。RMT由标准化的模块组成。与传统模块化机床（如，组合机床）本质性区别是它的使用中的可重构性。RMS的结构和布局可依需要在用户现场快速重组。
RMT的应用基础之一是柔性夹具。GM公司已经开发出柔性夹具系统，可以快速的更换以生产不同的发动机缸体或缸盖，包括4、6、8缸直列和V型发动机，从而减少更换的时间和成本。这是一个带有电控永磁台面的夹具，上面集成了夹紧、支撑、定位元件。用调节器把这些元件准确地固定在棘爪上来组成特定夹具。在15分钟内即可把一种夹具配置变为另一种配置。
目前RMS在国际上是热门话题，我国也已列入科技发展计划。目前，RMS还有一些关键技术有待突破，如，RMT机床重构后的精度和可靠性还有待解决。
日本MAZAK公司开发出了市场响应型自独立制造系统《MSM（Market Responsive Self-contained Manufacturing）》。其实质是“单台套件生产”——可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案。
MAZAK公司用几台INTEGREX机床，分别完成发动机5大件全部加工，进行“套件生产”，并随即装配成一台发动机。使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来。最适用于新发动机研发。目前，用MSM技术制造的发动机样机已经面世，虽然尚处于实验阶段，但理论和实践的禁区已经突破。
流水线（包括TL，FTL，AFTL）工艺特点是工序分散型，每台机床原则上只执行一道工序。工件在全线“流完”，才完成全部加工；设备排列特点是串联式。优点是效率高——工序分散，等价于单件多工序同时加工。即，每一生产节拍（以分钟计算）都会生产出来一个零件，目前是大批量生产的唯一方式。缺点是投资大，并且全线机床不能独立工作，一台机床故障，生产线全线停产。
MSM生产线工艺特点是工序集中型，一台机床“独立”完成全部加工，在生产批量加大时增加机床，并配备物料存储和传送装置。设备排列特点是并联式，一台机床故障，生产线照常运行。因此，MSM生产线的突出特点是《双柔性》——设备和生产线。但是效率很低。
为提高效率和缓解一台机床故障对生产线的影响，目前国外已经有发动机工厂应用并串联混合式。
（3）几点结论性意见
结合我国实际，笔者认为：提倡但不盲目追求使用高速柔性生产线FTL。应该在充分考虑到产品生命周期、科学预测产品更新期前提下，结合企业投资能力和回收周期，因工件而异选择不同类型生产线。
对于生产批量大且产品生命周期长，相对稳定的工件，如发动机缸体、变速箱壳体、离合器壳体等，优先选用组合专机生产线TL。
对于更新速度快的产品，如发动机缸盖，采用高速柔性生产线FTL。
大力发展具有敏捷思想的混合型柔性生产线AFTL，其中注意选择国内能够提供的组合/专用机床；大力发展三坐标模块式高速加工中心。
虽然预言RMS或MSM成为发动机制造技术第三次革命的标志为时尚早，但我国立志于成为世界汽车强国，要求我们研制自己的发动机，自然必须密切注意国际上RMS、MSM技术发展，并且发展具有我国自主知识产权的RMS和MSM。
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徵。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，耗时仅几分钟。
“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；LANDIS曲轴磨床配备CBN砂轮。
高效专用机床基本特徵是《量体裁衣》型。即，按照用户需要提供个性化产品。
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。可通俗的解释为“瘦肉”型机床。
现代高效专用机床的供货方式是《整体解决方案——TOTAL SOLUTION》。
要求从设备研制到投产后都采用《协同工程——Collaborative engineering》——与上下游合作夥伴（供应商及用户），通过异地设计建立动态联盟。联合研制贯穿于全过程，为用户服务贯穿于产品全生命周期。
要求供应商熟悉用户产品（包括预测中期发展的新产品），熟悉用户工艺，具有编程能力，设备优化使用能力，具有工艺装备成套能力，具有集成能力，即，可将工艺系统、物流系统、信息系统集成为制造单元及相应的人员培训。
要求供应商具备自主技术创新能力。提供的不仅是全面的，还必须是当代技术水平可达到的“最佳”方案。促使供应商实现用户需求“拉动”的自主创新。同时，与用户联合研制过程中积累大大小小的创新，为开发的产品“原创性”打下基础。
还要求供应商具备经济分析能力。能够根据用户资金（包括动态资金），提出几个方案及报价。并且为用户提出投资回报周期及盈利分析。
要求用户提供拟加工工件组图纸，或它们的典型工件的图纸、技术要求；提出应达到的生产率（单件加工工时）和质量水平（均应适当高出现有的水平）；工件在本机床加工前后工序的情况；使得机床一到厂即可立即投入生产，而且加工效率和加工质量均能立刻稳定可靠地符合或高于用户原来提出的要求，立即开始创造效益。
由此可见，完美的《整体解决方案》，绝不是一个或几个人能够完成的，必须有一个由有关部门组成TVM团队。当然，这已经跨入管理范畴，详见下段。
《量体裁衣》型的高效专用机床，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。正像手工缝制的西服比流水线西服价格高得多。但是只要能够缩短用户投资回报周期并盈利，用户就会认为“物有所值”，不会斤斤计较价格。当然，也要帮助用户转变采购设备的理念和习惯。
整体解决方案首先是营销理念的革命——从卖设备到帮助用户尽快收回投资并盈利。它追求的目标是“顾客完全满意-TCS（Total Customers Satisfaction）”。它遵循美国管理大师波特的理念“一个企业赢利能力的关键，是企业是否能收取其为买方创造的价值”。《整体解决方案》的最新发展是福特公司创造的企业管理的第三次革命——“团队价值管理TVM（TeamValue Management）”。这项2003年才大规模推广的TVM系统，内容是消除企业内部壁垒，各个有关部门组成TVM团队，不再是只对标准和合同负责，而是对终端顾客负责。只有在最终顾客这里才制造效益。因此，整体解决方案的营销方式，使设备制造商从技术范畴延伸至管理范畴；从工业领域扩展到服务领域。
我国汽车制造装备发展之路——国产化和本地化
汽车制造装备的本地化是我国汽车产业和机床产业共同的历史使命
中国实现汽车强国梦想，不可能建筑在装备长期依赖进口的沙滩上。一方面，对汽车企业而言，激烈的市场竞争要求不断降低制造成本。统计资料表明，汽车装备进口率每提高1%，装备总投资增加2-3%。可以说，装备本地化是企业生存竞争的需要；另一方面，随着我国汽车工业开始进入微利阶段，企业将无力长期支付进口设备的高额外汇。
实现汽车制造装备本地化的根本措施是，加快汽车制造技术及装备创新体系建设
二十世纪七十年代，为装备第二汽车厂，机械工业部组织了130多个机床生产科研单位，提供了117条自动线，1004种5500台高效、专用设备，装备国产化率96%。受到邓小平同志的赞许，称为“聚宝盆”。而现在我国计划经济体制下的机床科研体系已经“转企改制”，但取而代之的适合于市场经济体制下的科研创新体系却未建立起来。美国是市场经济发达的国家，他们组织NCMS的经验和做法似乎可以作为建立我们的汽车制造技术及装备创新体系的参考。即，政府资助，机床产业和汽车产业联手，组织汽车制造装备研发中心，由高校执行课题。目前建立研发队伍最可行的办法就是产学研合作，尤其是产学合作。这也符合我国科技发展战略的十二字方针：协同集成、自主创新、重点跨越。
同时，机床产业要紧紧抓住汽车产业二十年大发展的战略机遇期，瞄准汽车装备市场需求（包括中长期需求），特别是从进口热点中寻求突破点；瞄准世界汽车制造技术及装备发展前沿技术，如，可重构制造系统——RMS；特别要掌握生产线集成技术。进口生产线中有许多工夹具和非标设备，国内能够制造并且成本大大降低，关键是集成技术。目前，大连机床集团等单位已经掌握了生产线集成技术，应该在机床行业全面推广。 |
发表于 2006-10-29 23:29:52
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