汽车零部件及其装备制造业的技术现状及发展趋势

王宝沛 李书军 宋文平

（滨州博海精工机械有限公司，山东滨州 256602）

汽车及零部件装备制造业作为一个国家工业化时期带动整个国民经济发展的基础性产业，其发展一直受到各国的高度重视。

20世纪90年代开始，笔者先后考察了美国通用公司、德国大众公司、奔驰国际美国公司等汽车制造厂;以及美国吉丁斯－刘易斯公司、德国WEISSER公司等汽车零部件装备制造（机床）厂和10多家相关企业及科研机构，目睹了近20年来发达国家机械制造业技术发展状况，了解了汽车、发动机活塞等车用零部件及装备制造业的产品开发实验、新产品试制、生产制造模式的最新进展等情况。本文就活塞等汽车零部件及装备制造业的关键技术的发展趋势以及我们应对的战略目标及措施进行了探讨。

1 发展中国家技术装备的大量需求促使发达国家技术装备的更新

1.1 我国汽车及零部件制造业技术发展历程

实现汽车及零部件工业现代化，是我国汽车及零部件企业始终梦寐以求的目标。早在20世纪70年代，汽车及零部件制造业就兴起了自动化热潮，如活塞自动生产线，包括一汽、二汽和主要活塞厂都在研发和制造，由于历史条件所限，均未取得成功。

20世纪70年代末，中美和中日关系的正常化，打破了西方对中国长达30年技术和经济的封锁，到80年代，中国的改革开放、汽车工业的发展采取的是“以市场换技术”的发展战略。一汽、二汽等主要汽车厂开始从美国、欧洲、日本的汽车巨头引进二手的技术及装备。到90年代中国潜在汽车的市场的巨大需求，使得美国、欧洲、日本的汽车巨头纷纷来我国设立合资厂，轿车工业完全由国外品牌一统天下。汽车零部件企业的发展也紧随其后，以活塞制造企业为例，80年代初期主要是引进关键技术及设备;80年代末到90年代中期，从美国、德国和日本等引进的二手自动线就有7条，除少数能正常应用外，其他均不能在生产中使用，不仅造成了巨大的经济损失同时还延缓了发展进程。到90年代末随着“禁止进口二手技术及设备”政策的出台，才制止了“二手货”在中国市场上的泛滥。

我国汽车及零部件制造业发展历程及教训告诉我们:中国汽车、汽车零部件装备制造业的现代化和技术进步，必须依靠自己的力量，实施自主创新跨越式的发展战略，在依据国内外现有的技术平台的基础上，不断探索和研究，才能构建以高效率、高精度、高质量、低成本为特征的现代化装备制造技术平台。

1.2 20世纪90年代欧美等发达国家汽车及零部件制造业技术高速发展

20世纪80年代，中国的改革开放和发展中国家经济发展的需求，使得美国、欧洲、日本的技术设备的输出得到了快速发展，促进了技术装备的改造和更新。到80年代末90年代初，美欧日等发达国家和地区的汽车及零部件制造业，开始进行大规模技术提升和设备更新，将淘汰的技术设备卖给欠发达国家。

笔者第一次参观考察，是美国通用旗下的雪弗莱公司。这是一个年产120万辆面包车和皮卡的现代化工厂，整个生产系统全部采用自动化生产方式。这是笔者第一次目睹最现代化的生产方式，使人大开眼界。考察的吉丁斯－刘易斯公司是机床制造厂，主要为汽车工业生产专用设备和自动生产线。在现场就有一条为前苏联制造的以数控为特征的汽油机和柴油机活塞混合全自动生产线。笔者第二次再去时，现场就有3条为通用、福特、克莱斯勒制造的轿车活塞自动生产线，据说每条价值1 000万美元。这是20世纪90年代美国在制造业实施技术装备更新换代的缩影。

在欧洲的企业，也同样进行着技术提升和设备更新。如德国活塞制造商马勒公司、KS公司、FM德国纽伦堡公司，都进行着大规模的技术改造，也是将淘汰的二手技术设备卖给中国和东欧、南美等国家。1994年10月，笔者去德国莱比锡卡尔公司，验收马勒公司制造的二手轿车活塞自动线，就是当时东德的卡尔公司在1988年从西德MAHLE公司购买的二手生产线。

在活塞制造方面，活塞铸造由“一机一模”手工浇注，改为一个铸造单元:铸造机采用“一机双模”、“一机四模”甚至“一机六模”，两台铸造机，两台保温炉，一台浇注机械手，并配有镶环机械手、取件机械手与铣冒口机床，实现了活塞铸造过程全自动化生产方式;机加工自动化水平更高，全线封闭，CNC控制，整个生产线只有两人监控，可实现活塞的自动加工、自动检测、自动清洗、自动分组等功能。

2007年9 月，考察FM德国纽伦堡公司时，看到宝马柴油轿车活塞全自动生产线，CNC控制和机械人去毛刺，造价1 000多万欧元，代表了欧洲最先进的技术水平。

2 汽车工业技术进步带动零部件及装备制造业的发展

进入21世纪，随着绿色制造和低碳经济的发展，汽车工业国际竞争日益加剧。汽车工业在环保和节能法规的推动下，汽车的安全性、舒适性得到了显著提高，节约燃油也上了新的台阶，德国大众推出了每100 km燃油耗由9 L降到3 L“路波”轿车。在美国由政府主导的“全美汽车技术大攻关”，其中燃油耗由26.6英里/加仑降到80英里/加仑，车重由1 500 kg减少到900 kg。

未来几年，开发的重点依然在节能减排上，其着眼点放在将所有车用零部件的重量减轻以及将运动部件的摩擦力减少到最小上。推广使用可变气门驱动系统“CamInCam”的凸轮轴、具有高输出功率的轻质气门、塑料机油滤及空滤模块、废气再循环单元以及适应行驶需要的断缸技术等。

为了适应汽车工业革命性的变革，发达国家汽车零部件制造业在制造技术和工艺上，也提出了新的构想并付诸于实践。铸造工艺和生产方式的改造首当其冲。以活塞为例，铝液精练、变质处理都以环保为前提，并提出绿色铸造的理念。绿色铸造包括改善工作环境，废气废渣的处理，实现无烟、无粉尘，并采取有效措施降低环境温度。在铸造毛坯上由原来人工浇注改为NC智能机械人浇注，大大降低工人的劳动强度而且也有效保证产品质量，促使自动化铸造的生产方式得到快速普及和应用。其二，机械加工，向CNC控制的自动化、全自动化发展，推动了装备制造的发展。

德国WEISSER公司，是欧洲汽车及零部件制造设备的主要供应商，有100多年历史，主要生产立式数控车床、加工中心等汽车零部件企业制造的各种装备。仅活塞加工设备就生产了几百台套。2003年9月考察该公司时，现场就有为 MAHLE、KS、FM公司制造的3条全自动活塞生产线。主要特点:铸造床身，主轴外壳与床身配合的内孔表面采用特殊无切削加工工艺，将标准芯模置于床身孔内找正后，灌装一种黑色胶状树脂混合物，凝固后硬度类似石英，表皮面非常光滑。精密机床的床身采用温度可控措施。

3 可重构制造自动化技术引领21世纪装备制造业的发展

3.1 可重构制造系统（RMS）理论

20世纪90年代，欧美等工业发达国家汽车零部件行业为了技术装备的提升，是以CIMS为主导的。普遍采用以CNC控制为主要特征，以旋转刀具做主切削运动的镗、铣加工中心和以工件旋转做主运动的车、铣加工中心组成的生产线为主。如活塞加工自动线，每条投资成本一般约为1 000万欧元，使用的状况表明，其功能利用率很低。德国斯图加特大学H.Schulz教授1999年调查了美、欧、亚22个国家370家企业，发现近80%的加工中心的实际功能利用率只有20%［1］，造成了很大的资源浪费。虽然这两类加工中心在推进机械加工工序集中工艺方法上发挥了重要的作用，但对于较复杂的零件，它们的功能范围不足以完成从毛坯至成品的全部工序加工，因而不能充分提高单件和中小批量的生产效率，且由于工件在多台机床间的转移影响了定位精度，也不利于加工精度的稳定性。

随着汽车市场的激烈竞争，美国、德国等主要汽车制造跨国公司，在20世纪90年代末明确提出了:在不断提高汽车性能、可靠性、降低排放的前提下，汽车零部件的价格在整体水平上逐步降低30% ～40%，并实行全球采购。这一战略目标的提出，使得高质量、低成本、经济性、安全性和用户使用效益已成机械行业追求的目标。

以汽车零部件制造企业为例，针对图1所示的盘类、短轴类汽车零部件，提出了“零公差”、“零缺陷”和“绿色工艺”等全新的概念和要求，汽车零部件及装备制造业面临着巨大挑战和发展机遇。

盘类、短轴类机械零件的品种和数量，在整个制造业中和汽车零部件中都占有60%以上的比重。因此工业发达国家对汽车零部件行业投入了巨资，在绿色制造工艺、自动化制造技术及装备等，以产、学、研紧密结合的方式开展研究，取得了实质性的突破。

1995年，美国人Koren Y教授提出了可重构制造系统（RMS Reconfigurable Manufacturing System）理论，1998年美国国家研究委员会将RMS列为未来20年制造业必须优先解决的十大关键技术之首，并进行了系统研究开发和示范应用。可重构机床的理论研究也取得一定的进展［2］，并且取得一项发明专利［3］，如图2所示。

我国从1997年起，在国家自然科学基金和863计划的资助下，对可重构制造技术 、构建快速重构制造系统理论方法［4］及多态可靠性建模与分析等［5］，进行了系统研究和示范应用。

3.2 可重构自动化加工系统（RAMS）

21世纪的制造企业面对的是动态多变的市场环境，用户要求“更快、更好、更便宜”地获得最满意的产品。因此，适应多品种、短流程、低成本的可重构制造系统的研究和开发成为各国装备制造业发展的战略重点。

依据可重构的理论［6－7］提出了可重构自动化加工系统（RAMS Reconfigurable Automatic Manufacturing System）［8］的理论;以RAMS理论而实际开发的多功能可重构数控机床［9］是以适应汽车零部件市场的需求变化为目标，根据所需加工零部件族群的结构特点，以加工设备和工艺流程的可重构为基础，以功能部件模块化为设计思想，以适应多品种和大批量生产为主要特征的新型可动态组态的自动化制造系统。RAMS着眼于发展制造系统的结构快速调整能力，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。

可重构自动化生产线与传统理论设计制造自动生产线相比，其最大的特点:生产线构建快、制造维护成本低、生产效率高，在它所能加工的零部件群中具有柔性加工功能;且可重构自动化生产线，由于加工设备可重构，工艺流程短，零部件通用化率高（90%以上），有效缩短了设计研发周期，降低了制造和使用维修成本。

以RAMS理论为基础，滨州博海精工机械有限公司（原滨州盟威数控）于2004年在山东省重大科技攻关计划的支持下，开展了《汽车关键件可重构自动化加工技术研究》。开发研制了由DLY系列多功能可重构数控机床组成的可重构活塞全自动生产线如图3、图4所示，并于2006年1月在山东滨州渤海活塞股份有限公司正式投产，其工艺先进，功能完善，制造成本仅相当于国外相同功能类型生产线的1/3，并使活塞生产线设备数量由传统生产线的10～12台减少到6台，在线工人由6～8人/班减少到2人/班。由于采用了全自动的物料传输系统，从毛坯投入到产出成品由原来的3天缩短到3～5 h，缩短了在制品的周转时间，提高了劳动生产率。

实践表明，可重构自动化生产线与传统理论设计制造自动生产线相比，其最大的特点:生产线构建快、制造维护成本低、生产效率高，在它所能加工的如图1所示的零部件族群中，具有柔性加工功能;其功能的实用性相当于几条甚至十几条传统的单一产品的自动生产线。在产品及其工艺发生变化情况下，能够快速重构或重组，投资少，维护费用低。

目前，由博海精机生产的5条DLY系列多功能数控机床组成全自动生产线，已在山东滨州渤海活塞股份有限公司正式投产。

4 结语

我国制造业正面临着由大到强的转变，与发达国家相比有着巨大的市场需求和发展潜力，中国的汽车市场总量已跃居世界第一位。最近几年我们的乘用车销量已经超过美国的汽车总量。中国汽车2010年销量1 806万辆，占到世界汽车总量25%。“十二五”期间中国汽车销量仍会保持15%的增速，2015年的中国汽车销量将达到3 300万辆，占全球35%，未来几年全球汽车增量的60%在中国［10］。汽车工业的大发展，为汽车零部件装备技术的提升和更新换代，提供了巨大市场需求和发展空间。因此，我国完全有条件有能力避开发达国家工业化发展的老路，实施自主创新跨越式的发展战略，走新型工业化发展道路。举国家之力，开展好对可重构制造系统的研究开发和示范工程并引领21世纪装备制造业的发展，对增强我国汽车零部件及装备制造业的竞争力具有十分重要的意义。

［1］Schulz H.Neuer vorstass in den volemenmarkt［C］.Werkstatt une Betrieb，1999，132（12）:22－23.

［2］Landers R G，Min B K，Koren Y.Reconfigurable machine tools［J］.CIRP Annals，2001，50（1）:269－274.

［3］Koren，Yoram;Hill，Rodney L.集成可重构制造系统［P］.美国专利申请号:20040255449.

［4］盛伯浩.数控机床的现状与发展［J］.制造技术与机床，2004（1）:20－23.

［5］段建国，李爱平，谢楠，等.可重构制造系统多态可靠性建模与分析［J］.机械工程学报，2011:17.

［6］Koren Y，Heisel U，Jovane F，et al.Reconfigurable manufacturing system［J］.CIRP Annals，1999，48（2）:527－540.

［7］梁福军，宁汝新.可重构制造系统理论研究［J］.机械工程学报，2003，39（36－42）.

［8］王宝沛，翟鹏，王丽霞，等.汽车零部件可重构动化制造系统的研究［J］.制造技术与机床，2007（3）:31－35.

［9］王宝沛，翟鹏，王丽霞，等.多功能可重构数控机床研究与开发［J］.制造技术与机床，2010（3）:83－86.

［10］搜狐汽车研究室.”2011全球汽车产业白皮书”开启复苏之路［OL］.http:∥auto.sohu.com/20110415.