汽車零部件及其裝備制造業的技術現狀及發展趨勢

王寶沛 李書軍 宋文平

（濱州博海精工機械有限公司，山東濱州 256602）

汽車及零部件裝備制造業作為一個國家工業化時期帶動整個國民經濟發展的基礎性產業，其發展一直受到各國的高度重視。

20世紀90年代開始，筆者先后考察了美國通用公司、德國大眾公司、奔馳國際美國公司等汽車制造廠;以及美國吉丁斯－劉易斯公司、德國WEISSER公司等汽車零部件裝備制造（機床）廠和10多家相關企業及科研機構，目睹了近20年來發達國家機械制造業技術發展狀況，了解了汽車、發動機活塞等車用零部件及裝備制造業的產品開發實驗、新產品試制、生產制造模式的最新進展等情況。本文就活塞等汽車零部件及裝備制造業的關鍵技術的發展趨勢以及我們應對的戰略目標及措施進行了探討。

1 發展中國家技術裝備的大量需求促使發達國家技術裝備的更新

1.1 我國汽車及零部件制造業技術發展歷程

實現汽車及零部件工業現代化，是我國汽車及零部件企業始終夢寐以求的目標。早在20世紀70年代，汽車及零部件制造業就興起了自動化熱潮，如活塞自動生產線，包括一汽、二汽和主要活塞廠都在研發和制造，由于歷史條件所限，均未取得成功。

20世紀70年代末，中美和中日關系的正常化，打破了西方對中國長達30年技術和經濟的封鎖，到80年代，中國的改革開放、汽車工業的發展采取的是“以市場換技術”的發展戰略。一汽、二汽等主要汽車廠開始從美國、歐洲、日本的汽車巨頭引進二手的技術及裝備。到90年代中國潛在汽車的市場的巨大需求，使得美國、歐洲、日本的汽車巨頭紛紛來我國設立合資廠，轎車工業完全由國外品牌一統天下。汽車零部件企業的發展也緊隨其后，以活塞制造企業為例，80年代初期主要是引進關鍵技術及設備;80年代末到90年代中期，從美國、德國和日本等引進的二手自動線就有7條，除少數能正常應用外，其他均不能在生產中使用，不僅造成了巨大的經濟損失同時還延緩了發展進程。到90年代末隨著“禁止進口二手技術及設備”政策的出臺，才制止了“二手貨”在中國市場上的泛濫。

我國汽車及零部件制造業發展歷程及教訓告訴我們:中國汽車、汽車零部件裝備制造業的現代化和技術進步，必須依靠自己的力量，實施自主創新跨越式的發展戰略，在依據國內外現有的技術平臺的基礎上，不斷探索和研究，才能構建以高效率、高精度、高質量、低成本為特征的現代化裝備制造技術平臺。

1.2 20世紀90年代歐美等發達國家汽車及零部件制造業技術高速發展

20世紀80年代，中國的改革開放和發展中國家經濟發展的需求，使得美國、歐洲、日本的技術設備的輸出得到了快速發展，促進了技術裝備的改造和更新。到80年代末90年代初，美歐日等發達國家和地區的汽車及零部件制造業，開始進行大規模技術提升和設備更新，將淘汰的技術設備賣給欠發達國家。

筆者第一次參觀考察，是美國通用旗下的雪弗萊公司。這是一個年產120萬輛面包車和皮卡的現代化工廠，整個生產系統全部采用自動化生產方式。這是筆者第一次目睹最現代化的生產方式，使人大開眼界。考察的吉丁斯－劉易斯公司是機床制造廠，主要為汽車工業生產專用設備和自動生產線。在現場就有一條為前蘇聯制造的以數控為特征的汽油機和柴油機活塞混合全自動生產線。筆者第二次再去時，現場就有3條為通用、福特、克萊斯勒制造的轎車活塞自動生產線，據說每條價值1 000萬美元。這是20世紀90年代美國在制造業實施技術裝備更新換代的縮影。

在歐洲的企業，也同樣進行著技術提升和設備更新。如德國活塞制造商馬勒公司、KS公司、FM德國紐倫堡公司，都進行著大規模的技術改造，也是將淘汰的二手技術設備賣給中國和東歐、南美等國家。1994年10月，筆者去德國萊比錫卡爾公司，驗收馬勒公司制造的二手轎車活塞自動線，就是當時東德的卡爾公司在1988年從西德MAHLE公司購買的二手生產線。

在活塞制造方面，活塞鑄造由“一機一模”手工澆注，改為一個鑄造單元:鑄造機采用“一機雙模”、“一機四模”甚至“一機六模”，兩臺鑄造機，兩臺保溫爐，一臺澆注機械手，并配有鑲環機械手、取件機械手與銑冒口機床，實現了活塞鑄造過程全自動化生產方式;機加工自動化水平更高，全線封閉，CNC控制，整個生產線只有兩人監控，可實現活塞的自動加工、自動檢測、自動清洗、自動分組等功能。

2007年9 月，考察FM德國紐倫堡公司時，看到寶馬柴油轎車活塞全自動生產線，CNC控制和機械人去毛刺，造價1 000多萬歐元，代表了歐洲最先進的技術水平。

2 汽車工業技術進步帶動零部件及裝備制造業的發展

進入21世紀，隨著綠色制造和低碳經濟的發展，汽車工業國際競爭日益加劇。汽車工業在環保和節能法規的推動下，汽車的安全性、舒適性得到了顯著提高，節約燃油也上了新的臺階，德國大眾推出了每100 km燃油耗由9 L降到3 L“路波”轎車。在美國由政府主導的“全美汽車技術大攻關”，其中燃油耗由26.6英里/加侖降到80英里/加侖，車重由1 500 kg減少到900 kg。

未來幾年，開發的重點依然在節能減排上，其著眼點放在將所有車用零部件的重量減輕以及將運動部件的摩擦力減少到最小上。推廣使用可變氣門驅動系統“CamInCam”的凸輪軸、具有高輸出功率的輕質氣門、塑料機油濾及空濾模塊、廢氣再循環單元以及適應行駛需要的斷缸技術等。

為了適應汽車工業革命性的變革，發達國家汽車零部件制造業在制造技術和工藝上，也提出了新的構想并付諸于實踐。鑄造工藝和生產方式的改造首當其沖。以活塞為例，鋁液精練、變質處理都以環保為前提，并提出綠色鑄造的理念。綠色鑄造包括改善工作環境，廢氣廢渣的處理，實現無煙、無粉塵，并采取有效措施降低環境溫度。在鑄造毛坯上由原來人工澆注改為NC智能機械人澆注，大大降低工人的勞動強度而且也有效保證產品質量，促使自動化鑄造的生產方式得到快速普及和應用。其二，機械加工，向CNC控制的自動化、全自動化發展，推動了裝備制造的發展。

德國WEISSER公司，是歐洲汽車及零部件制造設備的主要供應商，有100多年歷史，主要生產立式數控車床、加工中心等汽車零部件企業制造的各種裝備。僅活塞加工設備就生產了幾百臺套。2003年9月考察該公司時，現場就有為 MAHLE、KS、FM公司制造的3條全自動活塞生產線。主要特點:鑄造床身，主軸外殼與床身配合的內孔表面采用特殊無切削加工工藝，將標準芯模置于床身孔內找正后，灌裝一種黑色膠狀樹脂混合物，凝固后硬度類似石英，表皮面非常光滑。精密機床的床身采用溫度可控措施。

3 可重構制造自動化技術引領21世紀裝備制造業的發展

3.1 可重構制造系統（RMS）理論

20世紀90年代，歐美等工業發達國家汽車零部件行業為了技術裝備的提升，是以CIMS為主導的。普遍采用以CNC控制為主要特征，以旋轉刀具做主切削運動的鏜、銑加工中心和以工件旋轉做主運動的車、銑加工中心組成的生產線為主。如活塞加工自動線，每條投資成本一般約為1 000萬歐元，使用的狀況表明，其功能利用率很低。德國斯圖加特大學H.Schulz教授1999年調查了美、歐、亞22個國家370家企業，發現近80%的加工中心的實際功能利用率只有20%［1］，造成了很大的資源浪費。雖然這兩類加工中心在推進機械加工工序集中工藝方法上發揮了重要的作用，但對于較復雜的零件，它們的功能范圍不足以完成從毛坯至成品的全部工序加工，因而不能充分提高單件和中小批量的生產效率，且由于工件在多臺機床間的轉移影響了定位精度，也不利于加工精度的穩定性。

隨著汽車市場的激烈競爭，美國、德國等主要汽車制造跨國公司，在20世紀90年代末明確提出了:在不斷提高汽車性能、可靠性、降低排放的前提下，汽車零部件的價格在整體水平上逐步降低30% ～40%，并實行全球采購。這一戰略目標的提出，使得高質量、低成本、經濟性、安全性和用戶使用效益已成機械行業追求的目標。

以汽車零部件制造企業為例，針對圖1所示的盤類、短軸類汽車零部件，提出了“零公差”、“零缺陷”和“綠色工藝”等全新的概念和要求，汽車零部件及裝備制造業面臨著巨大挑戰和發展機遇。

盤類、短軸類機械零件的品種和數量，在整個制造業中和汽車零部件中都占有60%以上的比重。因此工業發達國家對汽車零部件行業投入了巨資，在綠色制造工藝、自動化制造技術及裝備等，以產、學、研緊密結合的方式開展研究，取得了實質性的突破。

1995年，美國人Koren Y教授提出了可重構制造系統（RMS Reconfigurable Manufacturing System）理論，1998年美國國家研究委員會將RMS列為未來20年制造業必須優先解決的十大關鍵技術之首，并進行了系統研究開發和示范應用。可重構機床的理論研究也取得一定的進展［2］，并且取得一項發明專利［3］，如圖2所示。

我國從1997年起，在國家自然科學基金和863計劃的資助下，對可重構制造技術 、構建快速重構制造系統理論方法［4］及多態可靠性建模與分析等［5］，進行了系統研究和示范應用。

3.2 可重構自動化加工系統（RAMS）

21世紀的制造企業面對的是動態多變的市場環境，用戶要求“更快、更好、更便宜”地獲得最滿意的產品。因此，適應多品種、短流程、低成本的可重構制造系統的研究和開發成為各國裝備制造業發展的戰略重點。

依據可重構的理論［6－7］提出了可重構自動化加工系統（RAMS Reconfigurable Automatic Manufacturing System）［8］的理論;以RAMS理論而實際開發的多功能可重構數控機床［9］是以適應汽車零部件市場的需求變化為目標，根據所需加工零部件族群的結構特點，以加工設備和工藝流程的可重構為基礎，以功能部件模塊化為設計思想，以適應多品種和大批量生產為主要特征的新型可動態組態的自動化制造系統。RAMS著眼于發展制造系統的結構快速調整能力，通過對制造系統中機床配置的調整和機床功能模塊的增減，迅速構成適應新產品生產或生產批量變化的市場環境。

可重構自動化生產線與傳統理論設計制造自動生產線相比，其最大的特點:生產線構建快、制造維護成本低、生產效率高，在它所能加工的零部件群中具有柔性加工功能;且可重構自動化生產線，由于加工設備可重構，工藝流程短，零部件通用化率高（90%以上），有效縮短了設計研發周期，降低了制造和使用維修成本。

以RAMS理論為基礎，濱州博海精工機械有限公司（原濱州盟威數控）于2004年在山東省重大科技攻關計劃的支持下，開展了《汽車關鍵件可重構自動化加工技術研究》。開發研制了由DLY系列多功能可重構數控機床組成的可重構活塞全自動生產線如圖3、圖4所示，并于2006年1月在山東濱州渤海活塞股份有限公司正式投產，其工藝先進，功能完善，制造成本僅相當于國外相同功能類型生產線的1/3，并使活塞生產線設備數量由傳統生產線的10～12臺減少到6臺，在線工人由6～8人/班減少到2人/班。由于采用了全自動的物料傳輸系統，從毛坯投入到產出成品由原來的3天縮短到3～5 h，縮短了在制品的周轉時間，提高了勞動生產率。

實踐表明，可重構自動化生產線與傳統理論設計制造自動生產線相比，其最大的特點:生產線構建快、制造維護成本低、生產效率高，在它所能加工的如圖1所示的零部件族群中，具有柔性加工功能;其功能的實用性相當于幾條甚至十幾條傳統的單一產品的自動生產線。在產品及其工藝發生變化情況下，能夠快速重構或重組，投資少，維護費用低。

目前，由博海精機生產的5條DLY系列多功能數控機床組成全自動生產線，已在山東濱州渤海活塞股份有限公司正式投產。

4 結語

我國制造業正面臨著由大到強的轉變，與發達國家相比有著巨大的市場需求和發展潛力，中國的汽車市場總量已躍居世界第一位。最近幾年我們的乘用車銷量已經超過美國的汽車總量。中國汽車2010年銷量1 806萬輛，占到世界汽車總量25%。“十二五”期間中國汽車銷量仍會保持15%的增速，2015年的中國汽車銷量將達到3 300萬輛，占全球35%，未來幾年全球汽車增量的60%在中國［10］。汽車工業的大發展，為汽車零部件裝備技術的提升和更新換代，提供了巨大市場需求和發展空間。因此，我國完全有條件有能力避開發達國家工業化發展的老路，實施自主創新跨越式的發展戰略，走新型工業化發展道路。舉國家之力，開展好對可重構制造系統的研究開發和示范工程并引領21世紀裝備制造業的發展，對增強我國汽車零部件及裝備制造業的競爭力具有十分重要的意義。

［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.集成可重構制造系統［P］.美國專利申請號:20040255449.

［4］盛伯浩.數控機床的現狀與發展［J］.制造技術與機床，2004（1）:20－23.

［5］段建國，李愛平，謝楠，等.可重構制造系統多態可靠性建模與分析［J］.機械工程學報，2011:17.

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

［7］梁福軍，寧汝新.可重構制造系統理論研究［J］.機械工程學報，2003，39（36－42）.

［8］王寶沛，翟鵬，王麗霞，等.汽車零部件可重構動化制造系統的研究［J］.制造技術與機床，2007（3）:31－35.

［9］王寶沛，翟鵬，王麗霞，等.多功能可重構數控機床研究與開發［J］.制造技術與機床，2010（3）:83－86.

［10］搜狐汽車研究室.”2011全球汽車產業白皮書”開啟復蘇之路［OL］.http:∥auto.sohu.com/20110415.