多样化时代汽车零部件三类先进制造系统

陈长年

(机械科学研究总院，北京 100044)

1 前言

1.1 人类经济发展的3个里程碑

汽车产业是制造技术与管理技术结合的经典。20世纪改变了世界的3大里程碑式的管理技术都源于汽车界:

(1)福特大量生产方式的出现，使人类经济步入规模经济型的“数量时代”，解决了温饱和短缺问题，特点是大批量、低成本，但后遗症是三高——高污染、高耗能、高耗材;

(2)丰田精益生产方式使人类经济进入到“质量时代”;精益生产的目标是零缺陷、零库存;

(3)通用汽车敏捷制造的出现，又使人类经济步入“多样化时代”，为恢复生态环境，可持续发展创造了条件。

1.2 科学技术与中国的未来

为前瞻思考世界科技发展大趋势、现代化建设和科学发展对科技创新提出的新要求，在温总理亲自主持下，中国科学院组织300多位专家，开展了先进制造、先进材料等18个重要领域至2050年科技发展路线图战略研究。形成了系列战略研究报告《创新2050:科学技术与中国的未来》。

研究报告提出，在今后的10～20年，很有可能发生一场以绿色、智能和可持续为特征的新的科技革命和产业革命。这是对我们的巨大挑战。

1.3 汽车制造技术的发展

世界汽车制造技术已经经历了3次革命:第一次革命——内燃机技术诞生;第二次革命——大批量制造的流水线技术诞生;第三次革命——电子技术主导了汽车技术发展。目前正处于第四次技术革命的前夜——特点是绿色制造和智能制造。

1.4 多样化时代汽车零件的3类制造系统

第3代少品种大批量制造系统——敏捷柔性自动线(AFTL);

多品种大批量制造系统——多样化时代新兴的制造系统;

现代多品种单件小批制造系统——最古老制造系统的凤凰涅磐。

2 第3代少品种大批量制造系统——敏捷柔性自动线(AFTL)

2.1 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，是现代汽车零部件集成经典。我国现役的高精度发动机缸体、缸盖、曲轴、变速箱壳体加工敏捷柔性自动线(AFTL)90%以上进口。从20世纪末至今，据不完全统计，已经有约200条安装或将安装，平均单价约2 000万美元。如，仅柯马公司2008～2010年即提供了20条AFTL。

AFTL的关键技术是:

(1)生产线数字化设计:要求按照精益、敏捷理念，采用协同仿真技术，使用户能够选择技术、经济优化的方案。采用了这种数字化设计技术后，生产规划流程精简了40%。

(2)具有可重构模块的高速加工中心(RMT)，作为新一代加工缸体、缸盖生产线的核心技术。其特征是:模块化、高速化、干切削。只有模块化才能实现可重构;只有模块化才能大幅度降低制造和使用成本。

(3)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1 μm，整个测量形貌的测量周期在数十秒以内，测点达到几百万个以上。我国目前完全依赖进口。

(4)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，也是我国机床企业的软肋。最近一汽发动机FTL招标中，德国公司一个工位柔性夹具价格约20万欧元，与卧式加工中心价格相当。

(5)物流系统:被视为“第二类生产”，包括自动上下料、工件传输储运和实时工厂物流系统。完善的物流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。先进的工厂物流系统是现代发动机生产实现精益和敏捷的关键。自动上下料最新发展是采用机器人(机械手)自动上下料，以便增加通用性和柔性。

(6)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。世界上只有少数几家顶级公司有此能力，我国目前此领域处于空白。

(7)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≥3 000 h的要求。

2.2 敏捷柔性自动线的基本技术要求

现代壳体类工件机械加工自动线属于“敏捷柔性自动线”，以便满足现代动力总成壳体类工件生产线“多品种、大产量、高效率、低成本”的需要。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)要从采用协同仿真技术的数字设计多方案中选择。

2.2.1 AFTL线中集成应用的技术

FA技术，又称“无人或熄灯生产”(Unmanned or Lights－out Production)技术;壳体类工件高速切削技术;干切削、MLQ切削技术;壳体类工件精密加工技术;生产线多品种工件混流技术;敏捷物流系统;生产线信息采集、分析、反馈、集成控制技术;在线检测系统及集成应用技术。

2.2.2 敏捷柔性自动线的高速加工工艺及装备

(1)高速切削工艺

根据日本汽车制造业的历史数据，汽车制造业平均每5年切削效率要提高28%，其中切削速度平均提高19%，进给速度平均提高8%。而最近几年切削效率提高的幅度在30%以上。目前制造发动机主要零件的生产节拍已经缩短到了30～40 s，比十几年前缩短了50%。发动机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，只有“三高”才能实现高效加工(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1 600 m/min，刀具寿命提升了4倍。

(2)高速模块式机床

用于铝合金壳体类工件生产线主轴最高转速一般为15 000～20 000 r/min，工进最高速度40～60 m/min，快移速度高达60～90 m/min;加速度达到1.0～1.5g，换刀时间(刀 －刀)1.5～3.5 s、甚至0.8～0.9 s;定位精度/重复定位精度:工作台1 m以下，8 μm/4 μm(VDI 标准)，工作台 1 m 以上，10 μm/5 μm/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。

具有可重构模块的高速加工中心(RMT)，作为新一代加工缸体、缸盖生产线的核心技术。其特征是:模块化、高速化、干切削。目前，这类加工中心的最新发展是，主运动普遍采用电主轴，进给运动普遍采用直线电动机。普遍运用三坐标模块式和箱中箱结构。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。

(3)发动机AFTL

汽车发动机整机制造精度对产品使用性能(燃油经济性、可靠性等)具有重要影响。

发动机AFTL线具有自动化程度高、柔性高(数控装备＞80%)、批量大(年产量＞10万台)、工艺流程长(各类工序2 500多道)、加工参数多(测量特征1 500多个)等特点。制造过程中材料、加工、装配、检测等各类宏微观误差高度耦合，整机精度控制极困难。

(4)敏捷柔性自动线的物流系统、信息系统

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。

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。要求具有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。

(5)敏捷柔性自动线的实例

奇瑞发动机曲轴箱481铸铝缸体机加生产线由德国CROSSHULLER公司承包。主要由18台SPECHT500W加工中心，2台清洗机、2台装配机、1台拧紧机、2台试漏机、1台最终测量机组成柔性生产线。一期纲领双班120 000台，混流生产1.6 L、1.9 L(D)、2.0 L三种产品，二期纲领双班200 000台，混流生产1.3 L(D)、1.6 L、1.9 L(D)、2.0 L 四种产品。整线实行全自动上下料，加工中心采用加工岛方式，清洗机等辅机采用串联滚道对接方式。加工中心采用桁架机械手上下料，其他辅机采用抬起步伐或滚动输送，生产线操作工人只完成一些手工装配和设备操作工作。每一道工序都有一个独立的集中冷却系统，操作、维护方便，便于保证产品质量。整条生产线占地面积2 900 m2，在线布置三坐标测量机、SPC检查台和现场办公室等设施。

2.3 精密复杂零件大批量制造要实现的目标

在制造过程的绿色制造方面，我国与世界差距巨大。我国每年因环境污染造成的损失占GDP的1/10，而制造业占其中70%。汽车业又占了制造业半壁江山(2010年汽车产量达到1 800万辆，3.3万亿元)。我们制造汽车零部件主要采用切削方式，欧美日大量采用成形方式。美国汽车产量达到1 100万辆时拥有自动锻造线5 000条，我国目前只有20～30条。如，欧美日汽车后桥齿轮已经完成了从切削向近净成形(冷热温锻)的过渡。我国如果采用这项绿色制造技术，即可节约钢材十几万吨，节电十几万千瓦时，减少二氧化碳排放几十万吨。

汽车零部件属于大批量制造，基本要求是高效率、高质量、低耗材的绿色制造技术——近净成形制造:精密锻造和精密铸造等等。图1为冷挤压齿轮，齿形不用机加工，可直接使用，其他部位也仅留0.15 mm的磨削余量。图2为精锻齿轮，齿形也不用机加工。

2009年我国汽车锻件产量368万t，模锻件479万t。随着汽车的大发展，我国汽车锻件产量有可能达到1 700万t，相当于世界其他国家汽车锻件产量的总和。但从质量上看，我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、韩国和我国的台湾地区也不在一个层次上。目前世界其他主要锻造国使用的锻造设备基本为热模锻压力机和电液锤，而我国还在大部分使用摩擦螺旋压力机。

(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。上世纪90年代丰田1.8 L轿车中已有43 kg冷挤压件，还有35 kg冷挤压标准件。

(3)发达国家温锻技术应用广泛。汽车锻件热∶温∶冷锻件的重量结构比，德国、日本等国家约为60∶20∶20。

(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。国外还发展了铸造毛坯模锻技术。如，用于生产曲轴、十字轴等，强度大大提高。

(5)粉末成形技术:金属或陶瓷粉末注射成形技术(MIM)，结合了注塑工艺和粉末冶金技术的优点，是新兴的净成形制造技术，可以大批量经济高效净成形制造三维复杂形状的精密零部件。粉末注射成形关键汽车零部件在欧美汽车工业界已广泛应用，包括涡轮增压器转子，导向叶片，同步器齿箍等。目前我国正在组织攻关。

(6)精密塑性成形温锻技术:汽车技术进步过程中，大量工作是围绕新材料和精密塑性成形技术的开发与应用而展开的.国外采用局部连续成形技术，以小吨位辗锻机取代大吨位压力机，并采用自动化锻造中心取代传统的多机生产线模式。

3 多品种大批量制造系统——多样化时代新兴的制造系统

多品种大批量制造系统是多样化时代新生的汽车零部件制造系统。是制造技术应对兼顾多样性和经济性要求的最新技术创新。现代敏捷柔性自动线属于初级多品种大批量制造系统，要求多品种混流生产。一般不少于5个品种的工件共线生产。

3.1 工件送进式机床

国际上近年出现的工件送进式机床，是多品种大批量制造系统的典型代表。它是一种颠覆式创新——机床运动方式的新革命。传统的机床运动方式是工件固定，刀具送进。而工件送进式机床则反其道而行之。刀具固定，工件送进，工件直接面对刀具，无需内部运动链，工件与刀具相对运动靠复杂的数控智能软件保证。目前只见到德国Ex－Cell－O公司提供了2例多品种大批量制造的成功案例，但只适用于小型复杂工件的多品种大批量制造。

工件送进式机床又称为工作台倒置式机床，最早出现于十几年前的“倒立车”。本文介绍的工件送进式机床又有了革命性新发展:从立车式发展到加工中心式;具有一组排列式刀具、或动力刀具轴。这些刀具皆为模块化的，根据加工要求设置，加工对象变更时更换刀具很方便。

前面提到的德国 Ex－Cell－O公司开发出的兼有组合机床和加工中心特性的XG系列加工中心(意为Flex Center)，如图3所示。其创新特点如下:

主轴带有Z轴、C轴，并由滑台做X轴移动，实现了结构紧凑的三轴模块。主轴携带工件倒置，动力虎钳抓取及夹紧工件。刀具轴采用排列式布局(图4)，带有Y轴、B轴。工件主轴的X、Z、C轴，配合刀具轴的Y、B轴，按照数控编程指令，将工件送至置于机床下部的各个刀具轴，进行不同工序的3～5轴加工。刀具轴包括铣轴、多主轴头、车刀等。比组合机床轴少，因而结构简单可靠;比加工中心效率高，因为省去了换刀时间。该机床特别适合汽车复杂工件的一次装夹全部加工。

3.2 紧凑型柔性自动流水线

德国Witzig＆Frank公司(属于美国MAG集团)的TRIFLEX是一条占地面积很小的紧凑型柔性自动流水线，如图5上部所示，由围绕在中央集中式物流装置四周的4台模块化加工中心组成。适合小型精密汽车零部件(图5下部)多品种大批量流水线生产。

上料机器人将毛坯送到中央集中式物流装置，然后至第一台加工中心。在完成这道工序后，中央集中式物流装置只需旋转90°(如配置6台加工中心则旋转60°)，即可将置于其上的工作台(托盘)送到第二台加工中心，依此类推，完成全部加工。每台加工中心都按节拍流水加工，即，每一生产节拍(以分秒计算)都会生产出来一个零件。图中的两种汽车零件生产节拍各为30 s和55 s。

3.3 多品种变批量制造技术

专业变速器和发动机缸盖制造厂，要面对多达十几个用户或一个用户的多品种订货要求，必须提供壳体的多品种变批量(包含大中小批量)制造系统，单件节拍10～25 min，一台加工单元可完成不低于30个品种壳体的变批量加工。

关键技术包括:①高效高精加工单元技术，包括在线检测装置，自动上下料装置;②“DONE IN ONE”技术:一次装卡完成加工。如，德国DMG公司用一台高速复合机床加工铝合金变速器壳体，一次装夹，10 min左右全部加工完毕，采用干式切削;③柔性夹具和寻位－定位技术(自动找正)，最简单的方法是使用雷尼绍测头寻位－定位;④加工工艺编程技术;⑤刀具检测:当刀具从刀库自动换到主轴上时，通过红外扫描可以对刀具的破损进行检测，如刀具破损则自动调换备用刀具，保证加工产品的稳定性。⑥热位移补偿:通过安装在机床上的热敏元件对机床各个部分的温度进行检测并根据测量结果进行补偿，不论外界环境温度与机床本身温度的变化，都能使机床保持良好的精度。

4 现代多品种单件小批制造系统——最古老制造系统的凤凰涅磐

4.1 单台套件生产

我国每年要研发上百种新发动机，需求巨大，特别面临节能环保的巨大压力。如，奇瑞公司已经研发了30余种新品发动机，试制需求为500～800台/年，实施快速柔性制造技术是突破国外技术垄断的重要途径。发动机主要零部件(缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆、及异型件)的试制已经严重制约了发动机设计水平的提升，矛盾主要体现在质量、成本、周期。

目前，多数发动机试制车间仍然使用通用型加工中心试制复杂壳体，质量差、周期长。汽车发动机新品研发对多品种单件小批制造系统的自动化、柔性化、高效率要求越来越高，是21世纪机床智能化发展的重要方向。

“单台套件生产”的关键技术有:

(1)一次装卡完成加工(DONE IN ONE)技术。如，MAZAK公司的分型制造系统，用车铣复合加工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。

分型制造系统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。突出特点是双柔性，即设备和生产线，但是效率很低。为提高效率，目前已经有发动机工厂应用并－串联混合式。

(2)智能高效多品种单件小批制造单元。如，MAZAK公司新开发的多托盘制造单元(Palletech Manufacturing Cell)，是由多达几十个托盘组成的制造单元，可自动加工出几十种几何形状各异的零件。可对由多达十几种零件组成的多种总成实施自动化“单台套件生产”，成为汽车复杂部件快速研发的有力装备。

多托盘制造单元其实是上世纪80年代出现的由多托盘组成的柔性制造单元(FMC)的最新发展。FMC的设计思想即是解决多品种工件混流生产。但是传统的FMC效率太低，生产实际鲜有超过6托盘的，很难实现复杂零部件的“单台套件生产”。MAZAK的多托盘制造单元是三层结构，大大缩小了各托盘与主轴的距离，同时托盘高速移动，再加上高速主轴，高速进给，加工效率大大提高。智能高效多品种单件小批制造单元的关键技术有:

①多品种工件加工工艺编程技术，只要准备足够长时间的程序，待加工工件和刀具，以及数控系统具有完善的自动监控自诊断和报警系统，探测或自诊断出的故障自动修复或修复不了的自动停车报警，确保不损坏工件和机床，再加上上下料，切屑和完工件管理的自动化等条件下，就可实现熄灯生产。再配合下述技术，可使设备利用率高达97%左右，而传统多品种单件小批生产的设备利用率只有25%左右。

②高速机床与高效加工技术，如前所述。

③智能化技术。在工厂内实行网络化，通过将机器、加工程序、夹具以及生产日程安排等所有的数据都共享，从而实现对工厂的实时管理，帮助用户工厂实现智能化。如日本MAZAK公司的制造单元内置智能化生产中心CPC(Cyber Production Center)主要有4个模块:编程软件(Camware);智能化调度(Cyber Scheduler);智能化刀具管理(Cyber Tool Management);智能化监控(Cyber Monitor)，还可以通过网络或者电话连线从办公室或外地掌握工厂每台设备的运行状况。

④机器视觉(Machine Vision)技术，提高生产的柔性和自动化程度，实现在线检测和反馈。

⑤柔性夹具(Flexible Fixture)技术，工件的形状和尺寸有一定变化时，夹具有应变能力，能够适应多品种无人化生产。如果加工的产品变换，可以通过机械手到软爪库找取对应的软爪(SOFT－JAW)，并进行快速更换。

4.2 精益研发制造技术

精益研发是精益生产技术的延伸，能够实现样机试制阶段完成后无缝连接到小批量生产阶段。

我国每年要研发上百种新发动机，先进节能环保内燃机结构越来越紧凑，精度越来越高。实施快速柔性制造技术及精益研发，是突破国外技术垄断的重要途径。发动机主要零部件(缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆及异型件)的试制已经严重制约了发动机设计水平的提升，矛盾主要体现在质量、成本、周期。目前发动机主要零部件的试制技术仍然受国外控制，其单台试制费用高达十万欧元(每品种50～100台)、试制周期长达1～2年。国内多数发动机试制车间仍然使用通用型加工中心试制复杂壳体，质量差、周期长。

4.3 发动机、变速器快速研发的关键技术

(1)汽车发动机铸件快速铸造技术，包括数字化大型无模铸造技术;数字化大型无模铸造精密快速成形机。如，五轴大中型激光快速成型机。

(2)智能高效柔性制造系统，目前出现的适用于精益研发的设备主要有:①智能高效复合车铣加工中心(制造单元)。如，国内正在开发的变速器壳体制造单元，节拍20～25min，年产壳体可以达到约15 000件(两班制);而国际最高水平为节拍10min，年产壳体可以达到约30 000件(两班制)。②多托盘制造单元。试制阶段采用“单台套件生产。然后每个托盘安装同一种工件，进入中小批制造，可以实现年产约30 000件。