汽车制造的发展趋势和制造技术需求分析*

马为清 石 勇 李 洁 牛江蓉

(①机械工业信息研究院，北京 100037;②电子工业出版社，北京 100036)

汽车制造业是数控机床与基础制造装备的最大用户，约占市场需求总量的40%。“十一五”期间，我国汽车年产量和销量均超过1 500万辆，预计“十二五”末期我国汽车工业生产规模将达到年产2 000万辆以上。我国整车制造正面临着从传统生产线向现代自动化生产线全面过渡，同时我国正在成为汽车零部件加工工厂，因此，我国汽车制造装备行业正面临着技术升级的关键时刻。

1 汽车制造的发展趋势

1.1 节约能源，减少对环境的影响

在汽车技术领域，减少环境污染是最重要的问题。因此，不仅要提高燃油效率，降低能源消耗，还要求汽车能够使用多种能源。降低燃油消耗、减少车辆废气排放量的终极目标是零排放，甚至是能清洁空气的车辆运行，这就是预期的环保汽车。

车辆的轻量化既可以降低燃油消耗，又可以减少车辆废气排放。通过采用重量轻的材料可以减轻车辆的重量，纤维增强塑料、陶瓷增强镁、钛等材料都在考虑之列，未来的各种汽车零部件都有可能采用这些材料。目前这些材料还属于难加工材料。随着需求的增加，这些硬质材料的加工技术研究会逐渐受到重视。

提高汽油的燃烧效率可以使未来汽车每百公里燃油消耗比柴油车还少。为了继续改善汽油的性能，除了提高燃烧效率，减小摩擦力也很重要。因此，表面粗糙度成为未来衡量精密加工技术形状精度的重要指标。

提高汽油燃烧效率的技术途径有以下几种:①直喷发动机是将高压燃气直接喷射进汽缸内，喷嘴微孔的加工精度非常重要。②除汽油发动机外，减少柴油机氮氧化物及黑烟排放的、以“清洁柴油”为目标的其他改良工程也在继续发展。例如，均质压燃HCCI(均质·压燃·带电)被认为是一种有前途的燃烧方式，因为不需要点火而没有点火系统，压缩、加热燃料和空气的混合物时会减少柴油发动机的氮氧化物排放，比汽油发动机的燃油经济性更好。但是，为此需要发动机能够承受高压缩的强度，面临的挑战是如何提高发动机结构的承受压力。③多级或无级传动并不过时，可以通过选择最佳齿轮传动比来提高燃烧效率。为了提高传动效率，齿轮、轴承等机械部件的高精密加工技术非常重要，尤其是寄希望于齿轮磨削、齿轮珩磨等技术的长足进步。

此外，积极开发替代生物能源燃料，使用合成燃料代替汽油或柴油燃料可以减少汽车排放对环境的污染。因此，电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车的开发代表了汽车产业的发展方向。

1.2 高性能化和高科技化

当代汽车已经不仅仅只是一种将人安全、快捷地送达目的地的机械，更是能够将旅游、商务等包括在内的一个综合服务系统，因此，汽车还应该具备支持移动服务的各项能力。当然，始终保持乘坐人员在各种情况下的安全还是最根本的要求，因此自动刹车、自动防撞功能发展得很快。汽车智能系统不仅能将车辆碰撞检测的结果告知司机，而且已经发展到具有协助制动的能力。

加速度传感器、刹车和转向系统是实现上述功能的技术。在汽车智能系统中，传感器、摄像机和通讯设备负责信息采集，输送至中央处理器，产生的控制信号传至电动执行器，使汽车自动刹车或转弯。此外，借助汽车的全球定位系统可以了解地形信息，实现安全驾驶，附带满足增加安全、舒适和便利的需求。对于智能交通系统，即多功能信息终端，未来的发展是增强环境适应能力和安全特性，以帮助避免和预防发生交通堵塞和拥挤。同时，考虑将停车场、快餐店及旅游景点的自动计费功能也集成进去。

1.3 功能集成

汽车不仅作为满足人们空间移动的工具，还可以成为享受的一种方式。汽车可以实现运行的基本性能，转弯或随意停车，运动过程中为了使人们能够享受驾驶的安全性，需要底盘的刚度更高、悬架由轻质材料制造、轮胎更耐用。还需要汽车有热屏蔽及隔离噪声和振动功能，阻止热量传递和降低噪声和振动，使驾驶员更舒适。

为了让人们在旅途中享受舒适和快乐，汽车将添加视频娱乐功能。另外，人类还需要汽车具备其他额外的功能，如远程信息处理和下载视频，检索沿途餐饮、泊车、住宿以及购物等信息的功能。

2 汽车生产过程中的制造技术需求

对于有大量材料需要移除的工件，具有复杂结构或超薄结构的工件(如发动机机体、缸盖，汽车覆盖件模具等)，传统上需要花相当长的机动工时加工的工件以及设计变更快速、产品周期短的工件，通过高速加工中心加工均能显示出高速切削所带来的优点。

2.1 汽车发动机及其配件的制造技术

(1)重视成本的柔性生产线和柔性制造系统

用高速加工中心组成高效率的柔性生产线具有小型化、柔性突出以及易于变更加工内容等显著特点。为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的高速切削加工技术和自动换刀功能的优势，提高加工效率，对复杂工件的加工尽可能采用集中工序的原则，即要求在一次装夹中实现多道工序的集中加工，淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限，充分发挥设备和刀具的高速切削功能。

同时，对刀具也提出了多功能的新要求，要求一种刀具能完成工件不同工序的加工，减少换刀次数，节省换刀时间，以减少刀具的数量和库存量，有利于管理和降低制造成本。较常用的有多功能车刀、铣刀、镗铣刀、钻铣刀、钻－铣螺纹－倒角等刀具。在批量生产线上使用一些针对性的工艺策略，还需要开发专用刀具、复合刀具或智能刀具以提高加工效率和精度，减少投资。在高速切削条件下，有的专用刀具可将零件的加工时间降至原来的1/10以下，效果十分显著。

由于产品更新周期不断地在缩短，品种数不断地增加。在这种情况下，如何缩短更换品种的时间成为一大关键问题;由于产品设计的改变，其加工设备如何灵活地与之相适应(即具备柔性)又是一大课题。于是又出现了以高柔性的通用加工中心构成的柔性制造系统(FMS)。这里所说的高柔性的通用加工中心不同于一般概念下的加工中心，它们是专门为批量生产而开发的，充分满足了纳入批量生产用的FMS所具备的条件，即高生产率、省面积、易排屑、安装移位容易及连续运转性能优越等，是一种高速紧凑型加工中心。柔性生产线是制造业未来的发展趋势，在汽车发动机制造中发挥着无可替代的作用。

(2)用于柴油/汽油发动机的蠕墨铸铁的加工技术

蠕墨铸铁(CGI，Compact Graphite Cast Iron)兼有球墨铸铁(SGI，Spheroidal Graphite Cast Iron)和灰铸铁的性能。与灰铸铁相比，蠕墨铸铁的强度和刚度超过灰铸铁75%，抗疲劳强度提高1倍，高温强度和制动特性居于灰铸铁和球墨铸铁之间。因此，蠕墨铸铁具有独特的用途，在汽车发动机、排气管、柴油机缸盖、制动零件等方面的应用均取得了良好的效果。

蠕墨铸铁的机械特性决定了其加工时的切削速度要低于加工灰铸铁时的切削速度，生产率也相对低一些。蠕墨铸铁在粗加工中可以获得良好的表面质量，但是在精加工中却存在问题。蠕墨铸铁的延展性好，抗拉强度和疲劳强度约为灰铸铁的两倍，在加工中更易产生毛刺。国外机床制造商会同工具制造商以缩短加工时间、延长刀具寿命为目标共同研究蠕墨铸铁的切削技术和工艺参数，使用麻花钻钻孔和缸体镗削工艺过程均取得了良好效果。

2.2 汽车覆盖件及零件模具的加工新技术

一种型号的汽车往往需要上千副零件模具，为了尽快适应新车型的需要，汽车内、外覆盖件模具和其他成形模具等都必须缩短制作周期和降低生产成本。汽车的内外覆盖件、仪表盘等大都采用注塑模具批量制造，而这些注塑模具一般都是复杂型腔和薄壳结构，普通的切削加工往往不能同时满足表面粗糙度、弯曲度的精度要求，为此还需施以适当的手工精修加工。因此，高速切削加工是此类模具加工制造的首选工艺方案。模具经过高速、少切削精加工后，钳工修模工作量大为减少，模具制造周期可缩短40%。

(1)高速铣削技术

高速铣削技术在加工三维自由曲面、超硬材料方面具有显著优势。用高速铣削(注:用高速切削加工方法加工模具的技术领域，铣削方式占90%以上，工程界习惯称高速铣削)方法加工模具，不仅可采用高转速、大进给，且粗、精加工可以一次完成，大大提高了覆盖件模具的加工效率。采用高速切削加工硬度60 HRC以上，表面粗糙度Ra0.6 μm的淬硬钢模具时，可以达到磨削加工的水平，效率比电加工高数倍，不仅节省了大量的修光时间，还可代替绝大部分的电加工工序。

例如，汽车覆盖件模具大多由各种自由曲面构成，高速铣削用高转速、小切深、大进给的加工方法，能提高模具的制造精度，延长模具的使用寿命，从而提高注塑件的质量。而且在大进给速度条件下，高速铣削机床具有高精度定位功能和高精度插补功能，特别是圆弧高精度插补。又如，对于前围档板冲压模具的精加工，主要应保证型面的质量。一般情况下，大面积精铣时要求铣削过程中不更换铣刀或刀刃，一次完成整个型面的铣削，这对铣刀的精度和耐用度要求相当高。利用高速切削的技术特征，选用高切削速度、微进给量和多次切削的精加工工艺，可以满足覆盖件模具自由曲面加工的要求。为保证冲压过程中容易进料，应使加工刀纹与冲压材料进料方向一致，因此宜采取射状走刀。

(2)高速进给切削技术

作为提高生产率的关键技术，除了高速切削，还有高速进给技术。在切削速度保持不变的前提下，提高进给速度可以成比例地提高切削效率。在切削深度比较浅的情况下采用大的进给量进行切削加工，要求刀具的刃口具有特定的形状。

为了避免发生振动，进给分力在总切削力中所占的比例不得超过主切削力。在切削深度比较浅，而且工件材料经过适当热处理的情况下，进给速度可以从380～500 mm/min提高到2 540～7 620 mm/min。

高速进给切削技术的另外一个特点是，在生产率相同的前提下可以减小机床载荷，相应的功率消耗也少，刀具磨损也会减少。但是采取高速进给切削技术也免不了必要的投资，也就是说该机床的工作台必须具有高速进给功能。

此外，高速进给加工技术的真正优势在于，在一次性的加工工序完成以后，不需要再使用其他工具进行后续加工。高速进给切削技术的推出，不仅提高了生产效率，而且提高了投资效益。

(3)电火花加工自动化

电火花加工(EDM)在汽车模具加工领域占有重要地位。电火花加工技术可以加工淬火后的模板，避免热变形的弊病和镶拼结构，既简化了模具结构，又能提高模具强度与寿命。电火花改性技术在模具表面处理方面有重要的应用。为改进模具表面的质量，利用电火花脉冲放电产生高温的工作原理，用硬质合金(如YG8等)做电极材料，将硬质合金材料熔渗到模具及易损件的工作面上，形成一层高硬度、高强度、高耐磨、高耐温、又不剥离的硬质白色合金强化层，改变表面的物理、化学性能，是对模具进行表面处理非常有效的方法。

目前，电火花线切割加工机床已经配备了在Windows平台上运行的加工软件，实现了电火花线切割加工技术与自动化技术的完美结合。电火花加工技术具有一系列特色和生产效益方面的巨大潜力，早已成为德、美、日等国竞相研究的重要技术领域，不同规格的各种商业化高速机床也已经进入市场，应用于飞机、汽车及模具制造等行业。

总之，汽车产品向节能化、小型化、电动化发展已成为必然趋势，尤其是汽车产品的多样化、车型覆盖的宽领域、大批量生产的快节奏，这些特点对制造工艺和装备提出了更高的要求。