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汽车制造装备创新带动相关产业发展 |
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| http://cn.newmaker.com
9/17/2006 10:52:00 AM
佳工机电网
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作为国民经济的支柱产业，汽车工业在建设创新型国家中同样起到支柱作用。目前，大家都在讨论中国汽车工业的自主创新，但是鲜有涉及汽车制造技术（包含装备技术）的自主创新。什么叫汽车制造强国？答案不仅是马路上跑许多中国品牌的车，而且是用中国的生产线制造的中国车。实现这一目标，将带动我国汽车和机床两个产业的发展，使汽车和机床两个产业成为创新型产业。
近十几年来，汽车工业已经成为中国机床消费主体，约消费了全社会40%的机床。同时，汽车工业投资的一半以上又用于购买机床，其中进口机床额约占80%。统计表明，从上世纪90年代开始，中国汽车工业投资速度明显加快。“十五”期间汽车工业投资总额已突破2000亿元，也就是说，超过1000亿元用于采购机床，其中约800亿元（100亿美元）购买进口机床，约占5年机床进口总额（约217亿美元）的四成半。这是我国机床市场国内销售和进口高速增长的主要原因。
从历史发展来看，我国汽车制造装备可分为四个阶段：
一是苏式装备阶段。20世纪50年代，新建的第一汽车厂基本是苏式装备。
二是国产装备阶段。20世纪70年代，为装备第二汽车厂（东风公司前身），组织了130多个机床生产、科研单位，提供了117条自动线，1004种5500台高效、专用设备。装备国产化率96%，称为“聚宝盆”。
三是西式装备阶段。20世纪90年代，我国汽车工业进入轿车时代。由于国内汽车装备制造业发展滞后，只能用进口生产线制造中国轿车，设备投资80%以上依靠进口。据不完全统计，现代发动机先进制造技术采用的柔性自动线——FTL，已经安装了100条以上，单价约2000万美元，其中进口约占90%以上。我国是世界上FTL应用最热、进口最多的国家。又如，整车制造四大工艺装备中，除了冲压生产线国产产品占了大部分市场外，其他几乎全部进口。
四是创新和引进相结合阶段。今后15年是发展国产汽车装备的最佳和最后战略机遇期。我们只能也必须走自主创新与引进相结合之路，并逐步提高自主创新比重。
制造技术是汽车工业的重要核心竞争力
一方面，国际汽车制造技术日新月异、飞速发展，产品水平取决于制造技术水平。正是近年大量先进数控设备的采用，使我国轿车装备整体上进入柔性化时代，才支撑着我国汽车工业的不断发展；另一方面，汽车企业的国际竞争力取决于制造成本。随着我国汽车工业开始进入微利阶段，企业将无力长期支付高昂的进口设备价格。可以说，装备本地化是企业生存竞争的需要，依赖进口生产线制造中国车的时代已经走到了尽头。
从历史角度观察，汽车产品的发展必然伴随着制造技术和装备的革命，反之亦然。
20世纪初，福特汽车公司创始人福特发明了大量生产流水线，从此汽车开进社会。20世纪末，由于技术进步，汽车产品更新换代周期从几十年缩短到3～5年。组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。福特公司与INGERSOLL公司合作，研制了集高柔性以及高效率于一身的高速加工中心，由它组成的柔性自动生产线的问世，加快了汽车产品的更新换代。进入21世纪，发动机制造技术正酝酿着新的革命，以便解决多样性与经济性日益突出的矛盾，满足变品种、变批量的需要和市场快速反应能力。精益生产（Lean Production）、敏捷制造（Agile
Manufacturing）、可重组制造系统（Reconfigurable Manufacturing Systems）、绿色制造（Green Manufacturing）等新的生产方式成为21世纪汽车制造系统的战略选择。
为应对节能和安全需要，现代汽车普遍采用轻量化设计。这就催生了内高压成形技术——制造空心轻体构件的高新技术。
激光加工技术。包括激光切割、激光焊接、激光拼焊板冲压成形技术，是国际上大力发展的一种先进技术。国外激光器应用以每年20%的速度增长，通用汽车公司在线使用200台以上激光器。激光加工已成为现代汽车制造不可或缺的技术。激光拼焊板冲压成形是将不同材质不等厚度钢板激光拼焊成毛坯，然后整体冲压成形，可减轻零件重量、提高整车匹配质量、降低材耗、提高生产率。轿车车体三维数控激光切割是最近发展的柔性制造技术，代替传统的手工切割+冲裁模制造方式，使生产准备周期从2.5个月缩短至5天，大大缩短了新车开发周期。
温锻成形技术。兼有热锻和冷锻的优点，主要用作轻体材料（铝、镁、钛）进行热模锻、等温锻超塑性成形。美国汽车和航空、航天工业应用广泛，温锻件约占精锻件的50%。
粉末冶金烧结锻造技术。粉末冶金锻造连杆重量精度可达1%，而锻造连杆重量精度为2.5%。与常规机加工连杆相比，达到经济批量后，可节约加工费35%。
汽车工业是拉动机床工业发展的火车头
在国际上，汽车强国一般同时又是机床强国。不仅美、日、德、意诸国，新兴机床国韩国、西班牙的机床工业也是靠汽车工业拉动的。同时，在世界范围内，凡是能满足汽车工业需求的机床企业，必定是世界上一流的机床企业。
汽车工业对机床工业在技术上的带动，主要体现在以下几个方面：
第一，轿车零件的尺寸和几何形状精度比一般机械要高一到两个精度等级，这就带动了机床向高精度发展。
第二，汽车制造属于大批量生产，特征是流水自动线，核心技术是系统集成技术——将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水自动生产线。进入21世纪，要求按照精益、敏捷理念设计新一代柔性自动线，要求能够提供成套“交钥匙”工程，它的技术含量、技术附加值和难度比传统单机要高出几个等级，要求机床制造企业非常熟悉现代汽车零部件制造工艺，能够熟练掌握各种现代制造技术（如数字化技术、柔性自动化技术、高速加工技术、仿真技术、绿色制造技术等），并具备各种技术的集成能力。由于现代制造技术日新月异，还要有集成创新能力。可以说，提供发动机总成（PT）现代柔性自动线的能力，已经成为世界顶级机床制造企业的标志，包括已经进入世界前10名的我国大连、沈阳机床集团公司也是如此。
同时，目前流水自动线设备排列是串联式，全线机床不能独立工作，一台机床有故障则全线停产，会造成巨大经济损失。如，一个年产量30万台的发动机厂，停产一天的损失可达1.5亿元。这就对机床的可靠性（MTBF）提出了苛刻的要求。
第三，大批量生产还需要高效专用机床、专用自动生产线。对机床的基本要求是高刚度、高速度、大功率，一律配备超硬刀具。高效专用机床的基本特征是“量体裁衣”，即按照用户需要提供个性化产品。它的技术难度比通用机床高得多，也要求提供成套“交钥匙”工程。
第四，在“交钥匙”工程基础上，目前国际上已发展到提供全面解决方案（Total Solution），这就对装备供应上提出了更高的要求，如具备自主技术创新能力，要求装备供应商提供的不仅是全面的解决方案，还必须是当代技术水平可达到的“最佳”方案；具备经济分析能力，提供的方案具有优良的性价比，投产后即创造价值，并迅速收回投资。全面解决方案已经使服务成为制造商供货的主要内容，这也是现代制造与传统制造的分水岭——服务比重越大越现代。
第六，由于竞争激烈，对降低制造成本有苛刻要求，这就要求对加工工艺及装备不断创新。如采用精益机床（Lean Machine）——去除冗余功能，具有占地面积小、高效率和极强针对性的特点；敏捷夹具（柔性夹具）——可控、可调夹具；智能刀具（Smart Tools）——为特定零件加工设计的一系列可控、可调和专用高效的刀具；进行复合加工；切削加工转变为少、无切削加工、非传统加工等。这也带动了机床工业创新能力的提高。
第七，我国已成为模具生产大国和消费大国，世界模具生产中心正在向中国转移。汽车工业是模具应用最多的工业，模具品种多、精度高、形状复杂，还要求交货期短。目前，仍有很大一部分精密、复杂的汽车冲压模具和塑料模具、轿车覆盖件模具、电子接插件等高档模具依靠进口。由于模具产品的高技术特性，只有采用精密装备才能保证工艺要求，需要机床工业提供精密五轴加工龙门式、床身式高速铣，一系列高级电加工机床，CAD/CAM一体化技术，快速模型制造技术等。
此外，汽车工业还对冲压自动线、精密铸件自动线、机器人焊装自动化成套装备、机器人喷装成套装备、总装自动化成套设备、数控刀具系统、激光切割和焊接设备、测试设备等提出了全面要求。因此可以说，汽车制造装备自主创新将全面提升我国数控机床及相关装备制造业水平。
我国汽车制造装备的自主创新能力、产品性能等仍落后于国外
在现代发动机总成制造技术、高速加工中心、由高级复合化机床组成的制造单元等高端机床方面，我们的自主创新能力与国外技术发展的差距在逐渐拉大。著名发动机专家顾永生说，国外的机床设计师对客户的制造工艺非常熟悉，每年都对产品出口进行改进。比如国外上世纪90年代以后发动机的零部件就用柔性加工的方式，而发动机的缸孔使用机械式加工如平顶珩磨以及激光珩磨，这都是不断改进的结果。而在我国，机床几年都难以改进，更别说是每年改进了。
我国的汽车制造装备仍停留在传统制造——卖机器上，只提供A/S（After Service）——售后服务；而国际设备供应商已经进入到提供T/S（Total Solution）——解决方案时代。这是我国汽车制造装备供应商与国际汽车制造装备供应商之间产生的新的也是更加严重的差距。
目前，我国汽车制造装备供应商大多只能提供单机、不能提供生产线，只制造MT（Machine Tool），不制造MC（Manufacturing Cell），特别是缺乏系统集成技术。
我国生产的机床性能与国际水平存在差距。主要数控机床无法满足现代轿车对精度、精度保持性、可靠性的需要。如，国际上加工精度从1950年到2000年提高了50倍，国内加工中心精度与国际先进水平差距大体为15年；工序能力指数值普遍为1.33，轿车制造要求工序能力指数值≥1.67；国内机床的MTBF值只达到约500小时，而进口生产线的MTBF可以达到约5000小时。
选择重点突破项目，创建汽车制造技术及装备创新体系
按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要》、《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》确定的方针，选择重点突破口，争取列入国家推进项目——制定国家技术标准、组织国家验收、鉴定和推广。
在汽车整车和关键零部件总成生产线装备中，瞄准汽车装备市场中长期需求和世界汽车制造技术及装备发展前沿技术，选择一批对产业升级有重大影响、有重大推广价值、有重大社会经济效益、能够实现核心技术和系统集成能力的项目。
第一，选择一批重点突破项目。
一是应用类自主创新项目。这类项目必须由企业自己提出并有自有资金投入，具备技术实力和市场基础。国家给予资金、政策支持，并组织项目业主与制造企业以及大专院校开展联合设计、联合制造，制造企业及大专院校由业主选择。必须进行“科技管理创新”，破除旧的科研管理模式，成果由企业和国家共享，全社会受益。
内高压成形汽车管件技术。
——内高压成形技术是对封闭在模具型腔内的空心管件充以极高压力的液体，迫使管壁紧贴内腔壁而成形，是制造空心轻体构件的高新技术。为应对节能和安全需要，现代汽车普遍采用轻量化设计。内高压成形件质量轻，空心轴类零件重量减轻40%～75%，提高了零件刚度和强度，零件数量少、焊缝少、生产成本（包括模具费用）比冲压件降低15%～30%，在欧美发展很快。在北美制造的典型轿车中，空心管件已占轿车零件总数的16%。
空心管件主要用于发动机排气系统异性管件、发动机托架中的管件、底盘结构件、车身框架、前后轴、驱动轴等结构管件。国内几家合资公司已经分别从德、美、日进口内高压成形件用于他们生产的中高级轿车上。国内哈工大、燕山大学、一汽技术中心等单位也在研究内高压成形技术，但由于条件所限，基本都处于实验室研发阶段。
本项目依托一汽集团公司技术中心，已获国家科技部批准。它的研发成功，将为我国汽车采用轻量化设计提供技术装备，有重大推广价值，对产业升级有重大影响，具有重大社会经济效益。
——轿车车身激光焊接自动化工装设备系统研制。
轿车车身激光焊接是车身制造的关键技术。在降重、降成本、提高效率、提高质量和安全性能等方面，都发挥了巨大作用。
激光焊接工装系统技术含量高、难度大。特点是自动化、智能化、光机电一体化，含有许多专利、专有技术。目前，车身激光焊接自动化工装设备系统是制约车身激光焊接的瓶颈，国内尚无产品。
本项目包括研究焊接工装设备系统及其通配性、焊接专家系统（包括焊接工艺数据库）、焊接系统集成、焊接系统控制。
本项目依托一汽集团公司技术中心。它的研发成功和推广应用，将使以夏利为首的经济型轿车品质提升，改变国产经济型轿车等于低档轿车的现状，实现技术升级换代，提高自主品牌汽车的核心竞争力，有重大推广价值，对产业升级有重大影响，具有重大社会经济效益，
同时，《高档数控机床国家科技发展重大专项》中列入的“汽车制造业需要的高效、高精度成套装备”，当然属于重点突破口项目，包括轻体材料（铝、镁、钛）成形与加工成套设备，冲压自动线，精密铸件自动线，机器人焊装自动化成套装备，机器人喷装成套装备，总装自动化成套设备等。
二是关键共性技术、前沿技术。
要列入国家项目，由高校和研究院所攻关。如首先将提高机床可靠性列入国家项目。移植我国成功实施的航天可靠性工程，建立汽车关键零部件总成生产线装备可靠性分析设计与试验评估的理论方法和软件工具，结构与机构动态可靠性分析设计的理论方法和软件工具。
还要加快可重构制造系统——RMS的研制，从目前的理论探讨阶段推进到可重构样机和可重构生产线试制阶段。
当然，关键共性技术、前沿技术及若干应用类自主创新项目，还关联到许多行业，首先是航空航天业。美国、日本的汽车制造技术，得益于飞机制造技术。我国也是如此，在我国甚至有许多飞机制造企业造汽车，这就更加需要两个行业的协同集成。
例如，由天津天锻压力机有限公司和红原航空锻铸工业公司共同开发的我国第一台数控等温锻造液压机，列入国家重大技术装备创新研制项目，已完成产品鉴定，公司已成功制造出国内最大的钛合金模锻件。这项技术如能在汽车工业推广应用，将推动实现上述重大专项中列入的“汽车制造业需要的轻体材料（铝、镁、钛）成形与加工成套设备”项目。内高压成形技术不仅是现代汽车管件制造急需的新技术，也是飞机发动机中空曲轴和复杂管件急需的新技术。发动机制造技术中，汽车和飞机有许多共同点，可以互相借鉴。高速加工技术，国内外都是在汽车和航空、航天工业率先取得突破的。
同时，对数控机床高精度、高精度保持性的需求，汽车和航空、航天等国防科技工业是最突出的。
第二，创建汽车制造技术及装备创新体系。
现在，我国计划经济体制下的机床科研体系已经“转企改制”，取而代之的适合于市场经济体制下的科研创新体系却未建立起来。美国是市场经济发达的国家，他们组织国家制造科学中心（NCMS）的经验可以作为建立我们的汽车制造技术创新体系的参考（见相关资料链接）。即：政府资助，机床产业和汽车产业联手，组织汽车制造装备研发中心，由高校执行课题。在旧科研体系不复存在的情况下，高校的力量尤其重要。目前建立研发队伍最可行的办法就是产、学、研合作，尤其是产、学合作。美国最重要的技术研发项目都在大学，包括数控机床、RMS——可重构制造系统。中国汽车工程学会即拥有多家高校汽车团体会员，如果我们能够学习美国经验，他们将是中国汽车制造技术及装备创新体系的生力军。
创建汽车制造技术及装备创新体系是一件复杂的系统工程。其中最困难的是机构和人员的集成。中国汽车工程学会正在构建汽车企业和机床企业交流对话机制，组建“汽车工程建设与装备分会”，使机床产业的发展与汽车产业发展同步，按照“协同集成、自主创新、重点跨越”方针，建立产（汽车产业）－产（机床产业）－学虚拟科研开发联合体。
（作者：中国汽车工程学会装备部部长 陈长年）
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