多樣化時代汽車零部件三類先進制造系統

陳長年

(機械科學研究總院，北京 100044)

1 前言

1.1 人類經濟發展的3個里程碑

汽車產業是制造技術與管理技術結合的經典。20世紀改變了世界的3大里程碑式的管理技術都源于汽車界:

(1)福特大量生產方式的出現，使人類經濟步入規模經濟型的“數量時代”，解決了溫飽和短缺問題，特點是大批量、低成本，但后遺癥是三高——高污染、高耗能、高耗材;

(2)豐田精益生產方式使人類經濟進入到“質量時代”;精益生產的目標是零缺陷、零庫存;

(3)通用汽車敏捷制造的出現，又使人類經濟步入“多樣化時代”，為恢復生態環境，可持續發展創造了條件。

1.2 科學技術與中國的未來

為前瞻思考世界科技發展大趨勢、現代化建設和科學發展對科技創新提出的新要求，在溫總理親自主持下，中國科學院組織300多位專家，開展了先進制造、先進材料等18個重要領域至2050年科技發展路線圖戰略研究。形成了系列戰略研究報告《創新2050:科學技術與中國的未來》。

研究報告提出，在今后的10～20年，很有可能發生一場以綠色、智能和可持續為特征的新的科技革命和產業革命。這是對我們的巨大挑戰。

1.3 汽車制造技術的發展

世界汽車制造技術已經經歷了3次革命:第一次革命——內燃機技術誕生;第二次革命——大批量制造的流水線技術誕生;第三次革命——電子技術主導了汽車技術發展。目前正處于第四次技術革命的前夜——特點是綠色制造和智能制造。

1.4 多樣化時代汽車零件的3類制造系統

第3代少品種大批量制造系統——敏捷柔性自動線(AFTL);

多品種大批量制造系統——多樣化時代新興的制造系統;

現代多品種單件小批制造系統——最古老制造系統的鳳凰涅磐。

2 第3代少品種大批量制造系統——敏捷柔性自動線(AFTL)

2.1 敏捷柔性自動線(AFTL)及其關鍵技術

發動機制造裝備可謂第一汽車制造裝備，是現代汽車零部件集成經典。我國現役的高精度發動機缸體、缸蓋、曲軸、變速箱殼體加工敏捷柔性自動線(AFTL)90%以上進口。從20世紀末至今，據不完全統計，已經有約200條安裝或將安裝，平均單價約2 000萬美元。如，僅柯馬公司2008～2010年即提供了20條AFTL。

AFTL的關鍵技術是:

(1)生產線數字化設計:要求按照精益、敏捷理念，采用協同仿真技術，使用戶能夠選擇技術、經濟優化的方案。采用了這種數字化設計技術后，生產規劃流程精簡了40%。

(2)具有可重構模塊的高速加工中心(RMT)，作為新一代加工缸體、缸蓋生產線的核心技術。其特征是:模塊化、高速化、干切削。只有模塊化才能實現可重構;只有模塊化才能大幅度降低制造和使用成本。

(3)在線檢測:為實現大批量高生產率條件下的在線精密檢測，要求檢測設備的分辨率達1 μm，整個測量形貌的測量周期在數十秒以內，測點達到幾百萬個以上。我國目前完全依賴進口。

(4)柔性夾具:柔性夾具設計需要精通零件制造工藝。這是國外企業對我們封鎖的核心技術和盈利的訣竅，也是我國機床企業的軟肋。最近一汽發動機FTL招標中，德國公司一個工位柔性夾具價格約20萬歐元，與臥式加工中心價格相當。

(5)物流系統:被視為“第二類生產”，包括自動上下料、工件傳輸儲運和實時工廠物流系統。完善的物流將極大提高現代發動機生產的效率和可靠性，為零庫存提供可能。先進的工廠物流系統是現代發動機生產實現精益和敏捷的關鍵。自動上下料最新發展是采用機器人(機械手)自動上下料，以便增加通用性和柔性。

(6)信息系統:自動線CNC控制系統，其復雜程度不是只控制單個機床可比擬的。世界上只有少數幾家頂級公司有此能力，我國目前此領域處于空白。

(7)自動線可靠性技術:需要滿足整條自動線工序能力指數Cpk值≥1.67，平均無故障工作時間MTBF≥3 000 h的要求。

2.2 敏捷柔性自動線的基本技術要求

現代殼體類工件機械加工自動線屬于“敏捷柔性自動線”，以便滿足現代動力總成殼體類工件生產線“多品種、大產量、高效率、低成本”的需要。敏捷柔性自動線使用的機床類型為“剛柔混合”型——以高速加工中心滿足生產線高柔性要求，以數控專機滿足高效率要求，并可降低投資成本。剛柔混合程度(深度、中度、輕度)要從采用協同仿真技術的數字設計多方案中選擇。

2.2.1 AFTL線中集成應用的技術

FA技術，又稱“無人或熄燈生產”(Unmanned or Lights－out Production)技術;殼體類工件高速切削技術;干切削、MLQ切削技術;殼體類工件精密加工技術;生產線多品種工件混流技術;敏捷物流系統;生產線信息采集、分析、反饋、集成控制技術;在線檢測系統及集成應用技術。

2.2.2 敏捷柔性自動線的高速加工工藝及裝備

(1)高速切削工藝

根據日本汽車制造業的歷史數據，汽車制造業平均每5年切削效率要提高28%，其中切削速度平均提高19%，進給速度平均提高8%。而最近幾年切削效率提高的幅度在30%以上。目前制造發動機主要零件的生產節拍已經縮短到了30～40 s，比十幾年前縮短了50%。發動機制造企業為提高加工效率，都進行了技術改進。如，上海大眾汽車通過使用HSK刀柄，涂層硬質合金、金屬陶瓷、CBN、PCD刀具，滿足高主軸轉速、高進給速度、高加/減速的要求，只有“三高”才能實現高效加工(HPC);上海通用汽車，通過使用SECO公司的CBN300刀片進行灰鑄鐵缸體平面干式銑削，切削速度達到了1 600 m/min，刀具壽命提升了4倍。

(2)高速模塊式機床

用于鋁合金殼體類工件生產線主軸最高轉速一般為15 000～20 000 r/min，工進最高速度40～60 m/min，快移速度高達60～90 m/min;加速度達到1.0～1.5g，換刀時間(刀 －刀)1.5～3.5 s、甚至0.8～0.9 s;定位精度/重復定位精度:工作臺1 m以下，8 μm/4 μm(VDI 標準)，工作臺 1 m 以上，10 μm/5 μm/m(VDI標準)。關鍵工序的機床工程能力指數/工序能力指數Cmk/Cpk值≥2.0/1.67。

具有可重構模塊的高速加工中心(RMT)，作為新一代加工缸體、缸蓋生產線的核心技術。其特征是:模塊化、高速化、干切削。目前，這類加工中心的最新發展是，主運動普遍采用電主軸，進給運動普遍采用直線電動機。普遍運用三坐標模塊式和箱中箱結構。同時要求帶有斷刀檢測、機內自動測量、自動補償系統、對刀裝置，等等。

(3)發動機AFTL

汽車發動機整機制造精度對產品使用性能(燃油經濟性、可靠性等)具有重要影響。

發動機AFTL線具有自動化程度高、柔性高(數控裝備＞80%)、批量大(年產量＞10萬臺)、工藝流程長(各類工序2 500多道)、加工參數多(測量特征1 500多個)等特點。制造過程中材料、加工、裝配、檢測等各類宏微觀誤差高度耦合，整機精度控制極困難。

(4)敏捷柔性自動線的物流系統、信息系統

物流系統:由原材料處理、存儲、上下料裝置、機床間工件傳輸裝置組成。在單臺數控機床配備工件庫或原材料庫和自動上下料裝置(含機械手、機器人)的條件下，即在與物料存儲與傳送及其自動控制集成的條件下，構成柔性制造單元(FMC)。在多臺數控機床配備自動上下料與物料存儲和傳送及與生產計劃調度用計算機集成的條件下，構成柔性制造系統(FMS)。在不含計劃調度系統和工件單向流動時，組成柔性生產線。

信息系統:主要包括生產線控制、刀具更換、工裝及附具更換、工件調度、自動編程、自動監控、自動補償、工件質量自動檢測、刀具磨損或破損后的自動更換和自動報警等。要求具有CAD/CAM功能，遠程生產線管理和維護、故障診斷和自動修復功能等。

(5)敏捷柔性自動線的實例

奇瑞發動機曲軸箱481鑄鋁缸體機加生產線由德國CROSSHULLER公司承包。主要由18臺SPECHT500W加工中心，2臺清洗機、2臺裝配機、1臺擰緊機、2臺試漏機、1臺最終測量機組成柔性生產線。一期綱領雙班120 000臺，混流生產1.6 L、1.9 L(D)、2.0 L三種產品，二期綱領雙班200 000臺，混流生產1.3 L(D)、1.6 L、1.9 L(D)、2.0 L 四種產品。整線實行全自動上下料，加工中心采用加工島方式，清洗機等輔機采用串聯滾道對接方式。加工中心采用桁架機械手上下料，其他輔機采用抬起步伐或滾動輸送，生產線操作工人只完成一些手工裝配和設備操作工作。每一道工序都有一個獨立的集中冷卻系統，操作、維護方便，便于保證產品質量。整條生產線占地面積2 900 m2，在線布置三坐標測量機、SPC檢查臺和現場辦公室等設施。

2.3 精密復雜零件大批量制造要實現的目標

在制造過程的綠色制造方面，我國與世界差距巨大。我國每年因環境污染造成的損失占GDP的1/10，而制造業占其中70%。汽車業又占了制造業半壁江山(2010年汽車產量達到1 800萬輛，3.3萬億元)。我們制造汽車零部件主要采用切削方式，歐美日大量采用成形方式。美國汽車產量達到1 100萬輛時擁有自動鍛造線5 000條，我國目前只有20～30條。如，歐美日汽車后橋齒輪已經完成了從切削向近凈成形(冷熱溫鍛)的過渡。我國如果采用這項綠色制造技術，即可節約鋼材十幾萬噸，節電十幾萬千瓦時，減少二氧化碳排放幾十萬噸。

汽車零部件屬于大批量制造，基本要求是高效率、高質量、低耗材的綠色制造技術——近凈成形制造:精密鍛造和精密鑄造等等。圖1為冷擠壓齒輪，齒形不用機加工，可直接使用，其他部位也僅留0.15 mm的磨削余量。圖2為精鍛齒輪，齒形也不用機加工。

2009年我國汽車鍛件產量368萬t，模鍛件479萬t。隨著汽車的大發展，我國汽車鍛件產量有可能達到1 700萬t，相當于世界其他國家汽車鍛件產量的總和。但從質量上看，我國的汽車鍛件水平與世界鍛造大國德國和日本還有著相當的差距，與法國、意大利、韓國和我國的臺灣地區也不在一個層次上。目前世界其他主要鍛造國使用的鍛造設備基本為熱模鍛壓力機和電液錘，而我國還在大部分使用摩擦螺旋壓力機。

(1)熱精鍛生產線或制造單元:德國BLM公司熱精鍛齒輪精度已達DIN6級，節約材料20% ～30%，機械性能提高15%～30%。

(2)冷精鍛(冷擠壓)生產線或制造單元:美國每年生產冷擠壓件100萬件以上，80%為汽車零件。上世紀90年代豐田1.8 L轎車中已有43 kg冷擠壓件，還有35 kg冷擠壓標準件。

(3)發達國家溫鍛技術應用廣泛。汽車鍛件熱∶溫∶冷鍛件的重量結構比，德國、日本等國家約為60∶20∶20。

(4)模鍛機/制造單元:汽車零部件鍛造毛坯皆屬模鍛件。其中的模具和上下料裝置等為國內薄弱環節。國外還發展了鑄造毛坯模鍛技術。如，用于生產曲軸、十字軸等，強度大大提高。

(5)粉末成形技術:金屬或陶瓷粉末注射成形技術(MIM)，結合了注塑工藝和粉末冶金技術的優點，是新興的凈成形制造技術，可以大批量經濟高效凈成形制造三維復雜形狀的精密零部件。粉末注射成形關鍵汽車零部件在歐美汽車工業界已廣泛應用，包括渦輪增壓器轉子，導向葉片，同步器齒箍等。目前我國正在組織攻關。

(6)精密塑性成形溫鍛技術:汽車技術進步過程中，大量工作是圍繞新材料和精密塑性成形技術的開發與應用而展開的.國外采用局部連續成形技術，以小噸位輾鍛機取代大噸位壓力機，并采用自動化鍛造中心取代傳統的多機生產線模式。

3 多品種大批量制造系統——多樣化時代新興的制造系統

多品種大批量制造系統是多樣化時代新生的汽車零部件制造系統。是制造技術應對兼顧多樣性和經濟性要求的最新技術創新。現代敏捷柔性自動線屬于初級多品種大批量制造系統，要求多品種混流生產。一般不少于5個品種的工件共線生產。

3.1 工件送進式機床

國際上近年出現的工件送進式機床，是多品種大批量制造系統的典型代表。它是一種顛覆式創新——機床運動方式的新革命。傳統的機床運動方式是工件固定，刀具送進。而工件送進式機床則反其道而行之。刀具固定，工件送進，工件直接面對刀具，無需內部運動鏈，工件與刀具相對運動靠復雜的數控智能軟件保證。目前只見到德國Ex－Cell－O公司提供了2例多品種大批量制造的成功案例，但只適用于小型復雜工件的多品種大批量制造。

工件送進式機床又稱為工作臺倒置式機床，最早出現于十幾年前的“倒立車”。本文介紹的工件送進式機床又有了革命性新發展:從立車式發展到加工中心式;具有一組排列式刀具、或動力刀具軸。這些刀具皆為模塊化的，根據加工要求設置，加工對象變更時更換刀具很方便。

前面提到的德國 Ex－Cell－O公司開發出的兼有組合機床和加工中心特性的XG系列加工中心(意為Flex Center)，如圖3所示。其創新特點如下:

主軸帶有Z軸、C軸，并由滑臺做X軸移動，實現了結構緊湊的三軸模塊。主軸攜帶工件倒置，動力虎鉗抓取及夾緊工件。刀具軸采用排列式布局(圖4)，帶有Y軸、B軸。工件主軸的X、Z、C軸，配合刀具軸的Y、B軸，按照數控編程指令，將工件送至置于機床下部的各個刀具軸，進行不同工序的3～5軸加工。刀具軸包括銑軸、多主軸頭、車刀等。比組合機床軸少，因而結構簡單可靠;比加工中心效率高，因為省去了換刀時間。該機床特別適合汽車復雜工件的一次裝夾全部加工。

3.2 緊湊型柔性自動流水線

德國Witzig＆Frank公司(屬于美國MAG集團)的TRIFLEX是一條占地面積很小的緊湊型柔性自動流水線，如圖5上部所示，由圍繞在中央集中式物流裝置四周的4臺模塊化加工中心組成。適合小型精密汽車零部件(圖5下部)多品種大批量流水線生產。

上料機器人將毛坯送到中央集中式物流裝置，然后至第一臺加工中心。在完成這道工序后，中央集中式物流裝置只需旋轉90°(如配置6臺加工中心則旋轉60°)，即可將置于其上的工作臺(托盤)送到第二臺加工中心，依此類推，完成全部加工。每臺加工中心都按節拍流水加工，即，每一生產節拍(以分秒計算)都會生產出來一個零件。圖中的兩種汽車零件生產節拍各為30 s和55 s。

3.3 多品種變批量制造技術

專業變速器和發動機缸蓋制造廠，要面對多達十幾個用戶或一個用戶的多品種訂貨要求，必須提供殼體的多品種變批量(包含大中小批量)制造系統，單件節拍10～25 min，一臺加工單元可完成不低于30個品種殼體的變批量加工。

關鍵技術包括:①高效高精加工單元技術，包括在線檢測裝置，自動上下料裝置;②“DONE IN ONE”技術:一次裝卡完成加工。如，德國DMG公司用一臺高速復合機床加工鋁合金變速器殼體，一次裝夾，10 min左右全部加工完畢，采用干式切削;③柔性夾具和尋位－定位技術(自動找正)，最簡單的方法是使用雷尼紹測頭尋位－定位;④加工工藝編程技術;⑤刀具檢測:當刀具從刀庫自動換到主軸上時，通過紅外掃描可以對刀具的破損進行檢測，如刀具破損則自動調換備用刀具，保證加工產品的穩定性。⑥熱位移補償:通過安裝在機床上的熱敏元件對機床各個部分的溫度進行檢測并根據測量結果進行補償，不論外界環境溫度與機床本身溫度的變化，都能使機床保持良好的精度。

4 現代多品種單件小批制造系統——最古老制造系統的鳳凰涅磐

4.1 單臺套件生產

我國每年要研發上百種新發動機，需求巨大，特別面臨節能環保的巨大壓力。如，奇瑞公司已經研發了30余種新品發動機，試制需求為500～800臺/年，實施快速柔性制造技術是突破國外技術壟斷的重要途徑。發動機主要零部件(缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿、及異型件)的試制已經嚴重制約了發動機設計水平的提升，矛盾主要體現在質量、成本、周期。

目前，多數發動機試制車間仍然使用通用型加工中心試制復雜殼體，質量差、周期長。汽車發動機新品研發對多品種單件小批制造系統的自動化、柔性化、高效率要求越來越高，是21世紀機床智能化發展的重要方向。

“單臺套件生產”的關鍵技術有:

(1)一次裝卡完成加工(DONE IN ONE)技術。如，MAZAK公司的分型制造系統，用車銑復合加工機床分別完成發動機5大件全部加工，進行“套件生產”，并隨即裝配成一臺發動機。使得在發動機設計完成后即可以用最小的投資、最快的速度生產出來。最適用于新發動機研發。

分型制造系統工藝特點是工序集中型，一臺機床“獨立”完成全部加工，在生產批量加大時增加機床，并配備物料存儲和傳送裝置。設備排列特點是并聯式，一臺機床故障，生產線照常運行。突出特點是雙柔性，即設備和生產線，但是效率很低。為提高效率，目前已經有發動機工廠應用并－串聯混合式。

(2)智能高效多品種單件小批制造單元。如，MAZAK公司新開發的多托盤制造單元(Palletech Manufacturing Cell)，是由多達幾十個托盤組成的制造單元，可自動加工出幾十種幾何形狀各異的零件。可對由多達十幾種零件組成的多種總成實施自動化“單臺套件生產”，成為汽車復雜部件快速研發的有力裝備。

多托盤制造單元其實是上世紀80年代出現的由多托盤組成的柔性制造單元(FMC)的最新發展。FMC的設計思想即是解決多品種工件混流生產。但是傳統的FMC效率太低，生產實際鮮有超過6托盤的，很難實現復雜零部件的“單臺套件生產”。MAZAK的多托盤制造單元是三層結構，大大縮小了各托盤與主軸的距離，同時托盤高速移動，再加上高速主軸，高速進給，加工效率大大提高。智能高效多品種單件小批制造單元的關鍵技術有:

①多品種工件加工工藝編程技術，只要準備足夠長時間的程序，待加工工件和刀具，以及數控系統具有完善的自動監控自診斷和報警系統，探測或自診斷出的故障自動修復或修復不了的自動停車報警，確保不損壞工件和機床，再加上上下料，切屑和完工件管理的自動化等條件下，就可實現熄燈生產。再配合下述技術，可使設備利用率高達97%左右，而傳統多品種單件小批生產的設備利用率只有25%左右。

②高速機床與高效加工技術，如前所述。

③智能化技術。在工廠內實行網絡化，通過將機器、加工程序、夾具以及生產日程安排等所有的數據都共享，從而實現對工廠的實時管理，幫助用戶工廠實現智能化。如日本MAZAK公司的制造單元內置智能化生產中心CPC(Cyber Production Center)主要有4個模塊:編程軟件(Camware);智能化調度(Cyber Scheduler);智能化刀具管理(Cyber Tool Management);智能化監控(Cyber Monitor)，還可以通過網絡或者電話連線從辦公室或外地掌握工廠每臺設備的運行狀況。

④機器視覺(Machine Vision)技術，提高生產的柔性和自動化程度，實現在線檢測和反饋。

⑤柔性夾具(Flexible Fixture)技術，工件的形狀和尺寸有一定變化時，夾具有應變能力，能夠適應多品種無人化生產。如果加工的產品變換，可以通過機械手到軟爪庫找取對應的軟爪(SOFT－JAW)，并進行快速更換。

4.2 精益研發制造技術

精益研發是精益生產技術的延伸，能夠實現樣機試制階段完成后無縫連接到小批量生產階段。

我國每年要研發上百種新發動機，先進節能環保內燃機結構越來越緊湊，精度越來越高。實施快速柔性制造技術及精益研發，是突破國外技術壟斷的重要途徑。發動機主要零部件(缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿及異型件)的試制已經嚴重制約了發動機設計水平的提升，矛盾主要體現在質量、成本、周期。目前發動機主要零部件的試制技術仍然受國外控制，其單臺試制費用高達十萬歐元(每品種50～100臺)、試制周期長達1～2年。國內多數發動機試制車間仍然使用通用型加工中心試制復雜殼體，質量差、周期長。

4.3 發動機、變速器快速研發的關鍵技術

(1)汽車發動機鑄件快速鑄造技術，包括數字化大型無模鑄造技術;數字化大型無模鑄造精密快速成形機。如，五軸大中型激光快速成型機。

(2)智能高效柔性制造系統，目前出現的適用于精益研發的設備主要有:①智能高效復合車銑加工中心(制造單元)。如，國內正在開發的變速器殼體制造單元，節拍20～25min，年產殼體可以達到約15 000件(兩班制);而國際最高水平為節拍10min，年產殼體可以達到約30 000件(兩班制)。②多托盤制造單元。試制階段采用“單臺套件生產。然后每個托盤安裝同一種工件，進入中小批制造，可以實現年產約30 000件。