汽車制造的發展趨勢和制造技術需求分析*

馬為清 石 勇 李 潔 牛江蓉

(①機械工業信息研究院，北京 100037;②電子工業出版社，北京 100036)

汽車制造業是數控機床與基礎制造裝備的最大用戶，約占市場需求總量的40%?！笆晃濉逼陂g，我國汽車年產量和銷量均超過1 500萬輛，預計“十二五”末期我國汽車工業生產規模將達到年產2 000萬輛以上。我國整車制造正面臨著從傳統生產線向現代自動化生產線全面過渡，同時我國正在成為汽車零部件加工工廠，因此，我國汽車制造裝備行業正面臨著技術升級的關鍵時刻。

1 汽車制造的發展趨勢

1.1 節約能源，減少對環境的影響

在汽車技術領域，減少環境污染是最重要的問題。因此，不僅要提高燃油效率，降低能源消耗，還要求汽車能夠使用多種能源。降低燃油消耗、減少車輛廢氣排放量的終極目標是零排放，甚至是能清潔空氣的車輛運行，這就是預期的環保汽車。

車輛的輕量化既可以降低燃油消耗，又可以減少車輛廢氣排放。通過采用重量輕的材料可以減輕車輛的重量，纖維增強塑料、陶瓷增強鎂、鈦等材料都在考慮之列，未來的各種汽車零部件都有可能采用這些材料。目前這些材料還屬于難加工材料。隨著需求的增加，這些硬質材料的加工技術研究會逐漸受到重視。

提高汽油的燃燒效率可以使未來汽車每百公里燃油消耗比柴油車還少。為了繼續改善汽油的性能，除了提高燃燒效率，減小摩擦力也很重要。因此，表面粗糙度成為未來衡量精密加工技術形狀精度的重要指標。

提高汽油燃燒效率的技術途徑有以下幾種:①直噴發動機是將高壓燃氣直接噴射進汽缸內，噴嘴微孔的加工精度非常重要。②除汽油發動機外，減少柴油機氮氧化物及黑煙排放的、以“清潔柴油”為目標的其他改良工程也在繼續發展。例如，均質壓燃HCCI(均質·壓燃·帶電)被認為是一種有前途的燃燒方式，因為不需要點火而沒有點火系統，壓縮、加熱燃料和空氣的混合物時會減少柴油發動機的氮氧化物排放，比汽油發動機的燃油經濟性更好。但是，為此需要發動機能夠承受高壓縮的強度，面臨的挑戰是如何提高發動機結構的承受壓力。③多級或無級傳動并不過時，可以通過選擇最佳齒輪傳動比來提高燃燒效率。為了提高傳動效率，齒輪、軸承等機械部件的高精密加工技術非常重要，尤其是寄希望于齒輪磨削、齒輪珩磨等技術的長足進步。

此外，積極開發替代生物能源燃料，使用合成燃料代替汽油或柴油燃料可以減少汽車排放對環境的污染。因此，電動汽車、燃料電池汽車和混合動力汽車的開發代表了汽車產業的發展方向。

1.2 高性能化和高科技化

當代汽車已經不僅僅只是一種將人安全、快捷地送達目的地的機械，更是能夠將旅游、商務等包括在內的一個綜合服務系統，因此，汽車還應該具備支持移動服務的各項能力。當然，始終保持乘坐人員在各種情況下的安全還是最根本的要求，因此自動剎車、自動防撞功能發展得很快。汽車智能系統不僅能將車輛碰撞檢測的結果告知司機，而且已經發展到具有協助制動的能力。

加速度傳感器、剎車和轉向系統是實現上述功能的技術。在汽車智能系統中，傳感器、攝像機和通訊設備負責信息采集，輸送至中央處理器，產生的控制信號傳至電動執行器，使汽車自動剎車或轉彎。此外，借助汽車的全球定位系統可以了解地形信息，實現安全駕駛，附帶滿足增加安全、舒適和便利的需求。對于智能交通系統，即多功能信息終端，未來的發展是增強環境適應能力和安全特性，以幫助避免和預防發生交通堵塞和擁擠。同時，考慮將停車場、快餐店及旅游景點的自動計費功能也集成進去。

1.3 功能集成

汽車不僅作為滿足人們空間移動的工具，還可以成為享受的一種方式。汽車可以實現運行的基本性能，轉彎或隨意停車，運動過程中為了使人們能夠享受駕駛的安全性，需要底盤的剛度更高、懸架由輕質材料制造、輪胎更耐用。還需要汽車有熱屏蔽及隔離噪聲和振動功能，阻止熱量傳遞和降低噪聲和振動，使駕駛員更舒適。

為了讓人們在旅途中享受舒適和快樂，汽車將添加視頻娛樂功能。另外，人類還需要汽車具備其他額外的功能，如遠程信息處理和下載視頻，檢索沿途餐飲、泊車、住宿以及購物等信息的功能。

2 汽車生產過程中的制造技術需求

對于有大量材料需要移除的工件，具有復雜結構或超薄結構的工件(如發動機機體、缸蓋，汽車覆蓋件模具等)，傳統上需要花相當長的機動工時加工的工件以及設計變更快速、產品周期短的工件，通過高速加工中心加工均能顯示出高速切削所帶來的優點。

2.1 汽車發動機及其配件的制造技術

(1)重視成本的柔性生產線和柔性制造系統

用高速加工中心組成高效率的柔性生產線具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內容等顯著特點。為了發揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術和自動換刀功能的優勢，提高加工效率，對復雜工件的加工盡可能采用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實現多道工序的集中加工，淡化傳統的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，充分發揮設備和刀具的高速切削功能。

同時，對刀具也提出了多功能的新要求，要求一種刀具能完成工件不同工序的加工，減少換刀次數，節省換刀時間，以減少刀具的數量和庫存量，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆－銑螺紋－倒角等刀具。在批量生產線上使用一些針對性的工藝策略，還需要開發專用刀具、復合刀具或智能刀具以提高加工效率和精度，減少投資。在高速切削條件下，有的專用刀具可將零件的加工時間降至原來的1/10以下，效果十分顯著。

由于產品更新周期不斷地在縮短，品種數不斷地增加。在這種情況下，如何縮短更換品種的時間成為一大關鍵問題;由于產品設計的改變，其加工設備如何靈活地與之相適應(即具備柔性)又是一大課題。于是又出現了以高柔性的通用加工中心構成的柔性制造系統(FMS)。這里所說的高柔性的通用加工中心不同于一般概念下的加工中心，它們是專門為批量生產而開發的，充分滿足了納入批量生產用的FMS所具備的條件，即高生產率、省面積、易排屑、安裝移位容易及連續運轉性能優越等，是一種高速緊湊型加工中心。柔性生產線是制造業未來的發展趨勢，在汽車發動機制造中發揮著無可替代的作用。

(2)用于柴油/汽油發動機的蠕墨鑄鐵的加工技術

蠕墨鑄鐵(CGI，Compact Graphite Cast Iron)兼有球墨鑄鐵(SGI，Spheroidal Graphite Cast Iron)和灰鑄鐵的性能。與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵的強度和剛度超過灰鑄鐵75%，抗疲勞強度提高1倍，高溫強度和制動特性居于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。因此，蠕墨鑄鐵具有獨特的用途，在汽車發動機、排氣管、柴油機缸蓋、制動零件等方面的應用均取得了良好的效果。

蠕墨鑄鐵的機械特性決定了其加工時的切削速度要低于加工灰鑄鐵時的切削速度，生產率也相對低一些。蠕墨鑄鐵在粗加工中可以獲得良好的表面質量，但是在精加工中卻存在問題。蠕墨鑄鐵的延展性好，抗拉強度和疲勞強度約為灰鑄鐵的兩倍，在加工中更易產生毛刺。國外機床制造商會同工具制造商以縮短加工時間、延長刀具壽命為目標共同研究蠕墨鑄鐵的切削技術和工藝參數，使用麻花鉆鉆孔和缸體鏜削工藝過程均取得了良好效果。

2.2 汽車覆蓋件及零件模具的加工新技術

一種型號的汽車往往需要上千副零件模具，為了盡快適應新車型的需要，汽車內、外覆蓋件模具和其他成形模具等都必須縮短制作周期和降低生產成本。汽車的內外覆蓋件、儀表盤等大都采用注塑模具批量制造，而這些注塑模具一般都是復雜型腔和薄殼結構，普通的切削加工往往不能同時滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此還需施以適當的手工精修加工。因此，高速切削加工是此類模具加工制造的首選工藝方案。模具經過高速、少切削精加工后，鉗工修模工作量大為減少，模具制造周期可縮短40%。

(1)高速銑削技術

高速銑削技術在加工三維自由曲面、超硬材料方面具有顯著優勢。用高速銑削(注:用高速切削加工方法加工模具的技術領域，銑削方式占90%以上，工程界習慣稱高速銑削)方法加工模具，不僅可采用高轉速、大進給，且粗、精加工可以一次完成，大大提高了覆蓋件模具的加工效率。采用高速切削加工硬度60 HRC以上，表面粗糙度Ra0.6 μm的淬硬鋼模具時，可以達到磨削加工的水平，效率比電加工高數倍，不僅節省了大量的修光時間，還可代替絕大部分的電加工工序。

例如，汽車覆蓋件模具大多由各種自由曲面構成，高速銑削用高轉速、小切深、大進給的加工方法，能提高模具的制造精度，延長模具的使用壽命，從而提高注塑件的質量。而且在大進給速度條件下，高速銑削機床具有高精度定位功能和高精度插補功能，特別是圓弧高精度插補。又如，對于前圍檔板沖壓模具的精加工，主要應保證型面的質量。一般情況下，大面積精銑時要求銑削過程中不更換銑刀或刀刃，一次完成整個型面的銑削，這對銑刀的精度和耐用度要求相當高。利用高速切削的技術特征，選用高切削速度、微進給量和多次切削的精加工工藝，可以滿足覆蓋件模具自由曲面加工的要求。為保證沖壓過程中容易進料，應使加工刀紋與沖壓材料進料方向一致，因此宜采取射狀走刀。

(2)高速進給切削技術

作為提高生產率的關鍵技術，除了高速切削，還有高速進給技術。在切削速度保持不變的前提下，提高進給速度可以成比例地提高切削效率。在切削深度比較淺的情況下采用大的進給量進行切削加工，要求刀具的刃口具有特定的形狀。

為了避免發生振動，進給分力在總切削力中所占的比例不得超過主切削力。在切削深度比較淺，而且工件材料經過適當熱處理的情況下，進給速度可以從380～500 mm/min提高到2 540～7 620 mm/min。

高速進給切削技術的另外一個特點是，在生產率相同的前提下可以減小機床載荷，相應的功率消耗也少，刀具磨損也會減少。但是采取高速進給切削技術也免不了必要的投資，也就是說該機床的工作臺必須具有高速進給功能。

此外，高速進給加工技術的真正優勢在于，在一次性的加工工序完成以后，不需要再使用其他工具進行后續加工。高速進給切削技術的推出，不僅提高了生產效率，而且提高了投資效益。

(3)電火花加工自動化

電火花加工(EDM)在汽車模具加工領域占有重要地位。電火花加工技術可以加工淬火后的模板，避免熱變形的弊病和鑲拼結構，既簡化了模具結構，又能提高模具強度與壽命。電火花改性技術在模具表面處理方面有重要的應用。為改進模具表面的質量，利用電火花脈沖放電產生高溫的工作原理，用硬質合金(如YG8等)做電極材料，將硬質合金材料熔滲到模具及易損件的工作面上，形成一層高硬度、高強度、高耐磨、高耐溫、又不剝離的硬質白色合金強化層，改變表面的物理、化學性能，是對模具進行表面處理非常有效的方法。

目前，電火花線切割加工機床已經配備了在Windows平臺上運行的加工軟件，實現了電火花線切割加工技術與自動化技術的完美結合。電火花加工技術具有一系列特色和生產效益方面的巨大潛力，早已成為德、美、日等國競相研究的重要技術領域，不同規格的各種商業化高速機床也已經進入市場，應用于飛機、汽車及模具制造等行業。

總之，汽車產品向節能化、小型化、電動化發展已成為必然趨勢，尤其是汽車產品的多樣化、車型覆蓋的寬領域、大批量生產的快節奏，這些特點對制造工藝和裝備提出了更高的要求。