汽車零部件及其裝備制造業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

王寶沛 李書軍 宋文平

（濱州博海精工機(jī)械有限公司，山東濱州 256602）

汽車及零部件裝備制造業(yè)作為一個(gè)國家工業(yè)化時(shí)期帶動(dòng)整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展一直受到各國的高度重視。

20世紀(jì)90年代開始，筆者先后考察了美國通用公司、德國大眾公司、奔馳國際美國公司等汽車制造廠;以及美國吉丁斯－劉易斯公司、德國WEISSER公司等汽車零部件裝備制造（機(jī)床）廠和10多家相關(guān)企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)，目睹了近20年來發(fā)達(dá)國家機(jī)械制造業(yè)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，了解了汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等車用零部件及裝備制造業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)實(shí)驗(yàn)、新產(chǎn)品試制、生產(chǎn)制造模式的最新進(jìn)展等情況。本文就活塞等汽車零部件及裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢以及我們應(yīng)對的戰(zhàn)略目標(biāo)及措施進(jìn)行了探討。

1 發(fā)展中國家技術(shù)裝備的大量需求促使發(fā)達(dá)國家技術(shù)裝備的更新

1.1 我國汽車及零部件制造業(yè)技術(shù)發(fā)展歷程

實(shí)現(xiàn)汽車及零部件工業(yè)現(xiàn)代化，是我國汽車及零部件企業(yè)始終夢寐以求的目標(biāo)。早在20世紀(jì)70年代，汽車及零部件制造業(yè)就興起了自動(dòng)化熱潮，如活塞自動(dòng)生產(chǎn)線，包括一汽、二汽和主要活塞廠都在研發(fā)和制造，由于歷史條件所限，均未取得成功。

20世紀(jì)70年代末，中美和中日關(guān)系的正?；蚱屏宋鞣綄χ袊L達(dá)30年技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的封鎖，到80年代，中國的改革開放、汽車工業(yè)的發(fā)展采取的是“以市場換技術(shù)”的發(fā)展戰(zhàn)略。一汽、二汽等主要汽車廠開始從美國、歐洲、日本的汽車巨頭引進(jìn)二手的技術(shù)及裝備。到90年代中國潛在汽車的市場的巨大需求，使得美國、歐洲、日本的汽車巨頭紛紛來我國設(shè)立合資廠，轎車工業(yè)完全由國外品牌一統(tǒng)天下。汽車零部件企業(yè)的發(fā)展也緊隨其后，以活塞制造企業(yè)為例，80年代初期主要是引進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備;80年代末到90年代中期，從美國、德國和日本等引進(jìn)的二手自動(dòng)線就有7條，除少數(shù)能正常應(yīng)用外，其他均不能在生產(chǎn)中使用，不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失同時(shí)還延緩了發(fā)展進(jìn)程。到90年代末隨著“禁止進(jìn)口二手技術(shù)及設(shè)備”政策的出臺，才制止了“二手貨”在中國市場上的泛濫。

我國汽車及零部件制造業(yè)發(fā)展歷程及教訓(xùn)告訴我們:中國汽車、汽車零部件裝備制造業(yè)的現(xiàn)代化和技術(shù)進(jìn)步，必須依靠自己的力量，實(shí)施自主創(chuàng)新跨越式的發(fā)展戰(zhàn)略，在依據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上，不斷探索和研究，才能構(gòu)建以高效率、高精度、高質(zhì)量、低成本為特征的現(xiàn)代化裝備制造技術(shù)平臺。

1.2 20世紀(jì)90年代歐美等發(fā)達(dá)國家汽車及零部件制造業(yè)技術(shù)高速發(fā)展

20世紀(jì)80年代，中國的改革開放和發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，使得美國、歐洲、日本的技術(shù)設(shè)備的輸出得到了快速發(fā)展，促進(jìn)了技術(shù)裝備的改造和更新。到80年代末90年代初，美歐日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的汽車及零部件制造業(yè)，開始進(jìn)行大規(guī)模技術(shù)提升和設(shè)備更新，將淘汰的技術(shù)設(shè)備賣給欠發(fā)達(dá)國家。

筆者第一次參觀考察，是美國通用旗下的雪弗萊公司。這是一個(gè)年產(chǎn)120萬輛面包車和皮卡的現(xiàn)代化工廠，整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)全部采用自動(dòng)化生產(chǎn)方式。這是筆者第一次目睹最現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式，使人大開眼界?？疾斓募∷梗瓌⒁姿构臼菣C(jī)床制造廠，主要為汽車工業(yè)生產(chǎn)專用設(shè)備和自動(dòng)生產(chǎn)線。在現(xiàn)場就有一條為前蘇聯(lián)制造的以數(shù)控為特征的汽油機(jī)和柴油機(jī)活塞混合全自動(dòng)生產(chǎn)線。筆者第二次再去時(shí)，現(xiàn)場就有3條為通用、福特、克萊斯勒制造的轎車活塞自動(dòng)生產(chǎn)線，據(jù)說每條價(jià)值1 000萬美元。這是20世紀(jì)90年代美國在制造業(yè)實(shí)施技術(shù)裝備更新?lián)Q代的縮影。

在歐洲的企業(yè)，也同樣進(jìn)行著技術(shù)提升和設(shè)備更新。如德國活塞制造商馬勒公司、KS公司、FM德國紐倫堡公司，都進(jìn)行著大規(guī)模的技術(shù)改造，也是將淘汰的二手技術(shù)設(shè)備賣給中國和東歐、南美等國家。1994年10月，筆者去德國萊比錫卡爾公司，驗(yàn)收馬勒公司制造的二手轎車活塞自動(dòng)線，就是當(dāng)時(shí)東德的卡爾公司在1988年從西德MAHLE公司購買的二手生產(chǎn)線。

在活塞制造方面，活塞鑄造由“一機(jī)一?！笔止沧?，改為一個(gè)鑄造單元:鑄造機(jī)采用“一機(jī)雙?！?、“一機(jī)四模”甚至“一機(jī)六?！?，兩臺鑄造機(jī)，兩臺保溫爐，一臺澆注機(jī)械手，并配有鑲環(huán)機(jī)械手、取件機(jī)械手與銑冒口機(jī)床，實(shí)現(xiàn)了活塞鑄造過程全自動(dòng)化生產(chǎn)方式;機(jī)加工自動(dòng)化水平更高，全線封閉，CNC控制，整個(gè)生產(chǎn)線只有兩人監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)活塞的自動(dòng)加工、自動(dòng)檢測、自動(dòng)清洗、自動(dòng)分組等功能。

2007年9 月，考察FM德國紐倫堡公司時(shí)，看到寶馬柴油轎車活塞全自動(dòng)生產(chǎn)線，CNC控制和機(jī)械人去毛刺，造價(jià)1 000多萬歐元，代表了歐洲最先進(jìn)的技術(shù)水平。

2 汽車工業(yè)技術(shù)進(jìn)步帶動(dòng)零部件及裝備制造業(yè)的發(fā)展

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著綠色制造和低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車工業(yè)國際競爭日益加劇。汽車工業(yè)在環(huán)保和節(jié)能法規(guī)的推動(dòng)下，汽車的安全性、舒適性得到了顯著提高，節(jié)約燃油也上了新的臺階，德國大眾推出了每100 km燃油耗由9 L降到3 L“路波”轎車。在美國由政府主導(dǎo)的“全美汽車技術(shù)大攻關(guān)”，其中燃油耗由26.6英里/加侖降到80英里/加侖，車重由1 500 kg減少到900 kg。

未來幾年，開發(fā)的重點(diǎn)依然在節(jié)能減排上，其著眼點(diǎn)放在將所有車用零部件的重量減輕以及將運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力減少到最小上。推廣使用可變氣門驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)“CamInCam”的凸輪軸、具有高輸出功率的輕質(zhì)氣門、塑料機(jī)油濾及空濾模塊、廢氣再循環(huán)單元以及適應(yīng)行駛需要的斷缸技術(shù)等。

為了適應(yīng)汽車工業(yè)革命性的變革，發(fā)達(dá)國家汽車零部件制造業(yè)在制造技術(shù)和工藝上，也提出了新的構(gòu)想并付諸于實(shí)踐。鑄造工藝和生產(chǎn)方式的改造首當(dāng)其沖。以活塞為例，鋁液精練、變質(zhì)處理都以環(huán)保為前提，并提出綠色鑄造的理念。綠色鑄造包括改善工作環(huán)境，廢氣廢渣的處理，實(shí)現(xiàn)無煙、無粉塵，并采取有效措施降低環(huán)境溫度。在鑄造毛坯上由原來人工澆注改為NC智能機(jī)械人澆注，大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度而且也有效保證產(chǎn)品質(zhì)量，促使自動(dòng)化鑄造的生產(chǎn)方式得到快速普及和應(yīng)用。其二，機(jī)械加工，向CNC控制的自動(dòng)化、全自動(dòng)化發(fā)展，推動(dòng)了裝備制造的發(fā)展。

德國WEISSER公司，是歐洲汽車及零部件制造設(shè)備的主要供應(yīng)商，有100多年歷史，主要生產(chǎn)立式數(shù)控車床、加工中心等汽車零部件企業(yè)制造的各種裝備。僅活塞加工設(shè)備就生產(chǎn)了幾百臺套。2003年9月考察該公司時(shí)，現(xiàn)場就有為 MAHLE、KS、FM公司制造的3條全自動(dòng)活塞生產(chǎn)線。主要特點(diǎn):鑄造床身，主軸外殼與床身配合的內(nèi)孔表面采用特殊無切削加工工藝，將標(biāo)準(zhǔn)芯模置于床身孔內(nèi)找正后，灌裝一種黑色膠狀樹脂混合物，凝固后硬度類似石英，表皮面非常光滑。精密機(jī)床的床身采用溫度可控措施。

3 可重構(gòu)制造自動(dòng)化技術(shù)引領(lǐng)21世紀(jì)裝備制造業(yè)的發(fā)展

3.1 可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS）理論

20世紀(jì)90年代，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家汽車零部件行業(yè)為了技術(shù)裝備的提升，是以CIMS為主導(dǎo)的。普遍采用以CNC控制為主要特征，以旋轉(zhuǎn)刀具做主切削運(yùn)動(dòng)的鏜、銑加工中心和以工件旋轉(zhuǎn)做主運(yùn)動(dòng)的車、銑加工中心組成的生產(chǎn)線為主。如活塞加工自動(dòng)線，每條投資成本一般約為1 000萬歐元，使用的狀況表明，其功能利用率很低。德國斯圖加特大學(xué)H.Schulz教授1999年調(diào)查了美、歐、亞22個(gè)國家370家企業(yè)，發(fā)現(xiàn)近80%的加工中心的實(shí)際功能利用率只有20%［1］，造成了很大的資源浪費(fèi)。雖然這兩類加工中心在推進(jìn)機(jī)械加工工序集中工藝方法上發(fā)揮了重要的作用，但對于較復(fù)雜的零件，它們的功能范圍不足以完成從毛坯至成品的全部工序加工，因而不能充分提高單件和中小批量的生產(chǎn)效率，且由于工件在多臺機(jī)床間的轉(zhuǎn)移影響了定位精度，也不利于加工精度的穩(wěn)定性。

隨著汽車市場的激烈競爭，美國、德國等主要汽車制造跨國公司，在20世紀(jì)90年代末明確提出了:在不斷提高汽車性能、可靠性、降低排放的前提下，汽車零部件的價(jià)格在整體水平上逐步降低30% ～40%，并實(shí)行全球采購。這一戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，使得高質(zhì)量、低成本、經(jīng)濟(jì)性、安全性和用戶使用效益已成機(jī)械行業(yè)追求的目標(biāo)。

以汽車零部件制造企業(yè)為例，針對圖1所示的盤類、短軸類汽車零部件，提出了“零公差”、“零缺陷”和“綠色工藝”等全新的概念和要求，汽車零部件及裝備制造業(yè)面臨著巨大挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。

盤類、短軸類機(jī)械零件的品種和數(shù)量，在整個(gè)制造業(yè)中和汽車零部件中都占有60%以上的比重。因此工業(yè)發(fā)達(dá)國家對汽車零部件行業(yè)投入了巨資，在綠色制造工藝、自動(dòng)化制造技術(shù)及裝備等，以產(chǎn)、學(xué)、研緊密結(jié)合的方式開展研究，取得了實(shí)質(zhì)性的突破。

1995年，美國人Koren Y教授提出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS Reconfigurable Manufacturing System）理論，1998年美國國家研究委員會(huì)將RMS列為未來20年制造業(yè)必須優(yōu)先解決的十大關(guān)鍵技術(shù)之首，并進(jìn)行了系統(tǒng)研究開發(fā)和示范應(yīng)用。可重構(gòu)機(jī)床的理論研究也取得一定的進(jìn)展［2］，并且取得一項(xiàng)發(fā)明專利［3］，如圖2所示。

我國從1997年起，在國家自然科學(xué)基金和863計(jì)劃的資助下，對可重構(gòu)制造技術(shù) 、構(gòu)建快速重構(gòu)制造系統(tǒng)理論方法［4］及多態(tài)可靠性建模與分析等［5］，進(jìn)行了系統(tǒng)研究和示范應(yīng)用。

3.2 可重構(gòu)自動(dòng)化加工系統(tǒng)（RAMS）

21世紀(jì)的制造企業(yè)面對的是動(dòng)態(tài)多變的市場環(huán)境，用戶要求“更快、更好、更便宜”地獲得最滿意的產(chǎn)品。因此，適應(yīng)多品種、短流程、低成本的可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究和開發(fā)成為各國裝備制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)。

依據(jù)可重構(gòu)的理論［6－7］提出了可重構(gòu)自動(dòng)化加工系統(tǒng)（RAMS Reconfigurable Automatic Manufacturing System）［8］的理論;以RAMS理論而實(shí)際開發(fā)的多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床［9］是以適應(yīng)汽車零部件市場的需求變化為目標(biāo)，根據(jù)所需加工零部件族群的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以加工設(shè)備和工藝流程的可重構(gòu)為基礎(chǔ)，以功能部件模塊化為設(shè)計(jì)思想，以適應(yīng)多品種和大批量生產(chǎn)為主要特征的新型可動(dòng)態(tài)組態(tài)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。RAMS著眼于發(fā)展制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)快速調(diào)整能力，通過對制造系統(tǒng)中機(jī)床配置的調(diào)整和機(jī)床功能模塊的增減，迅速構(gòu)成適應(yīng)新產(chǎn)品生產(chǎn)或生產(chǎn)批量變化的市場環(huán)境。

可重構(gòu)自動(dòng)化生產(chǎn)線與傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)制造自動(dòng)生產(chǎn)線相比，其最大的特點(diǎn):生產(chǎn)線構(gòu)建快、制造維護(hù)成本低、生產(chǎn)效率高，在它所能加工的零部件群中具有柔性加工功能;且可重構(gòu)自動(dòng)化生產(chǎn)線，由于加工設(shè)備可重構(gòu)，工藝流程短，零部件通用化率高（90%以上），有效縮短了設(shè)計(jì)研發(fā)周期，降低了制造和使用維修成本。

以RAMS理論為基礎(chǔ)，濱州博海精工機(jī)械有限公司（原濱州盟威數(shù)控）于2004年在山東省重大科技攻關(guān)計(jì)劃的支持下，開展了《汽車關(guān)鍵件可重構(gòu)自動(dòng)化加工技術(shù)研究》。開發(fā)研制了由DLY系列多功能可重構(gòu)數(shù)控機(jī)床組成的可重構(gòu)活塞全自動(dòng)生產(chǎn)線如圖3、圖4所示，并于2006年1月在山東濱州渤?；钊煞萦邢薰菊酵懂a(chǎn)，其工藝先進(jìn)，功能完善，制造成本僅相當(dāng)于國外相同功能類型生產(chǎn)線的1/3，并使活塞生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)量由傳統(tǒng)生產(chǎn)線的10～12臺減少到6臺，在線工人由6～8人/班減少到2人/班。由于采用了全自動(dòng)的物料傳輸系統(tǒng)，從毛坯投入到產(chǎn)出成品由原來的3天縮短到3～5 h，縮短了在制品的周轉(zhuǎn)時(shí)間，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

實(shí)踐表明，可重構(gòu)自動(dòng)化生產(chǎn)線與傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)制造自動(dòng)生產(chǎn)線相比，其最大的特點(diǎn):生產(chǎn)線構(gòu)建快、制造維護(hù)成本低、生產(chǎn)效率高，在它所能加工的如圖1所示的零部件族群中，具有柔性加工功能;其功能的實(shí)用性相當(dāng)于幾條甚至十幾條傳統(tǒng)的單一產(chǎn)品的自動(dòng)生產(chǎn)線。在產(chǎn)品及其工藝發(fā)生變化情況下，能夠快速重構(gòu)或重組，投資少，維護(hù)費(fèi)用低。

目前，由博海精機(jī)生產(chǎn)的5條DLY系列多功能數(shù)控機(jī)床組成全自動(dòng)生產(chǎn)線，已在山東濱州渤?；钊煞萦邢薰菊酵懂a(chǎn)。

4 結(jié)語

我國制造業(yè)正面臨著由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，與發(fā)達(dá)國家相比有著巨大的市場需求和發(fā)展?jié)摿?，中國的汽車市場總量已躍居世界第一位。最近幾年我們的乘用車銷量已經(jīng)超過美國的汽車總量。中國汽車2010年銷量1 806萬輛，占到世界汽車總量25%?！笆濉逼陂g中國汽車銷量仍會(huì)保持15%的增速，2015年的中國汽車銷量將達(dá)到3 300萬輛，占全球35%，未來幾年全球汽車增量的60%在中國［10］。汽車工業(yè)的大發(fā)展，為汽車零部件裝備技術(shù)的提升和更新?lián)Q代，提供了巨大市場需求和發(fā)展空間。因此，我國完全有條件有能力避開發(fā)達(dá)國家工業(yè)化發(fā)展的老路，實(shí)施自主創(chuàng)新跨越式的發(fā)展戰(zhàn)略，走新型工業(yè)化發(fā)展道路。舉國家之力，開展好對可重構(gòu)制造系統(tǒng)的研究開發(fā)和示范工程并引領(lǐng)21世紀(jì)裝備制造業(yè)的發(fā)展，對增強(qiáng)我國汽車零部件及裝備制造業(yè)的競爭力具有十分重要的意義。

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［10］搜狐汽車研究室.”2011全球汽車產(chǎn)業(yè)白皮書”開啟復(fù)蘇之路［OL］.http:∥auto.sohu.com/20110415.