汽车制造装备自主创新——带动汽车和机床两个产业发展的工程
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摘要:本文论述了实施汽车制造装备自主创新工程的重大战略意义;汽车工业对机床工业的拉动;以及相对国际水平而言,国产汽车制造装备所存在的主要差距。并依此提出了汽车制造技术及装备自主创新的两个基本思路:一是从应用类自主创新项目、关键共性技术,以及前沿技术中选择重点突破口;二是构建汽车制造技术及装备的创新体系。
摘要:本文论述了实施汽车制造装备自主创新工程的重大战略意义;汽车工业对机床工业的拉动;以及相对国际水平而言,国产汽车制造装备所存在的主要差距。并依此提出了汽车制造技术及装备自主创新的两个基本思路:一是从应用类自主创新项目、关键共性技术,以及前沿技术中选择重点突破口;二是构建汽车制造技术及装备的创新体系。
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具有支柱作用。我们讨论中国汽车工业的自主创新,就无法忽视汽车制造技术——包含装备技术——的自主创新。什么叫汽车制造强国?答案是不仅马路上跑着许多中国品牌车,而且用中国生产线制造中国车。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建成创新型产业。

X轴单位为年数,从1991年至2005年共15年
左侧Y轴代表机床进口总值,单位10亿美元;右侧Y轴代表机床产量,单位为百台

图1 近十几年间中国机床进口增长与汽车产量之间的关系
近十几年来,汽车工业已经成为中国机床消费的主体,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,进口机床的份额约占到80%。统计表明,从上世纪九十年代开始,汽车工业投资明显加快。十五期间(2001—2005)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(约合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。这是我国机床巿场和进口高速增长的主要原因。如图1所示,我国汽车产量与机床进口的增长同步发展。

汽车制造装备自主创新工程具有重大战略意义

  1. 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,并飞速发展,产品水平取决于制造技术水平。事实上,正是近年大量先进数控设备的采用,使得我国轿车装备在整体上进入柔性化时代,并支撑着我国汽车工业不断发展;另一方面,汽车企业的国际竞争力又取决于制造成本。随着我国汽车工业进入微利阶段,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。因而,学习航天人,依靠自主创新,站在飞速发展的国际汽车制造技术前列,是我们唯一的选择。
    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。
    • 例1:发动机制造技术。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,技术进步使汽车产品更新换代的周期从几十年缩短为3至5年。鉴于组合机床自动线缺乏柔性,福特公司与Ingersoll-Rand(英格索兰)公司合作,研制出集高柔性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升级,这就是今天我们可以看到每年有几十种新车上巿的原因之一。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之间日益突出的矛盾,满足变品种、变批量的需要并优化对巿场快速反应的能力。精益生产(Lean Production)、敏捷制造(Agile manufacturing)、可重构制造系统(RMS, Reconfigurable Manufacturing Systems)等新的生产方式成为21世纪汽车制造系统的战略选择。
    • 例2: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,也即制造空心轻体构件的高新技术(详见后文)。
    • 例3:激光加工技术。为当今国际上大力发展的一种先进技术,已成为现代汽车制造不可或缺的技术,它包括激光切割、激光焊接、激光拼焊板冲压成形技术。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的激光器达200台以上。其中,激光加工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,这有助于减轻零件重量、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作为最近发展起来的柔性制造技术,可代替传统的手工切割+冲裁模制造方式,从而使生产准备周期由2.5个月缩至5天,可大幅缩短新车开发周期。
    • 例4:温精锻成形技术。其工艺特点是材料加热至700~1000℃进行锻造,兼具热锻与冷锻的优点。多用作轻体材料(铝、镁、钛)的热模锻、等温超塑性成形。在美国汽车和航空航天工业得到广泛应用,温锻件约占到精锻件总体的50%。
    • 例5:粉末冶金烧结锻造技术。粉末锻造连杆的重量精度可达1%,而锻造连杆重量精度仅为2.5%。相比常规机加工的连杆,如若达到经济批量,可节省35%的加工费。早在1992年福特公司的粉末锻造连杆已达1000万件。
  2. 二、汽车工业是拉动机床工业发展的火车头
    国际汽车强国同时又是机床强国。不仅美、日、德、意,新兴的机床国家韩国、西班牙的机床工业也多是靠汽车工业的拉动。同时,在世界范围内,凡是能满足汽车工业需求的机床企业,必定是一流企业。汽车工业对机床工业在技术上的带动,具体为以下几个方面:
    1. 我国汽车工业已进入轿车时代。轿车零件的尺寸和几何形状精度比一般机械要高出1到2个精度等级,这就带动了机床向高精度发展。
    2. 汽车制造属大批量生产,特徵是流水自动线,核心技术是系统集成技术——也即将工艺系统、物流系统和信息系统集成为流水自动生产线。进入二十一世纪,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。不仅要求机床制造商相当熟悉现代汽车零部件制造工艺、能够熟练掌握各项现代制造技术(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),还须具备将多种技术集成的能力。由于现代制造技术日新月异,还要有集成创新能力。可以说,是否具备提供发动机总成(PT泵)现代柔性自动线的能力,已成为世界顶级机床制造企业的标志,包括已经进入世界前十名的我国大连、沈阳机床集团公司便是如此。
      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,一台故障全线便停产,会造成巨大经济损失。例如一个年产量30万台的发动机厂,停产一天的损失就可达1.5亿元。这就对机床的可靠性(MTBF)提出了苛刻的要求。
    3. 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。而高效专用机床的基本特徵为“量体裁衣”——依据用户需要生产个性化产品。其技术含量、附加值和难度将远远高出通用机床,亦要求提供成套“交钥匙”工程。
    4. 在“交钥匙”工程的基础上,目前国际上已发展到提供全面解决方案(Total Solution)。这提出了空前高的要求。例如,具备自主技术创新能力,提供的不仅是全面的,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性价比,投产后即创造价值,并迅速收回投资等。全面解决方案的提供已成为国际性发展主流,也成为现代制造与传统制造的分水岭——服务比重越大越现代。
    5. 由于大批量生产,还需要具备高精度保持性。汽车工业在验收机床时,不仅要考核单件加工的精度,还要进行零件的批量加工,考核其精度保持性,也即考核它的工序能力指数(Cpk值)。这些可带动机床工业的开发设计能力,加工、装配的质量以及生产管理的质量保证体系。
    6. 激烈的竞争要求尽力降低制造成本。这就意味着对加工工艺及装备的不断创新。例如,去除冗余功能的精益机床(Lean Machine),具有占地面积小,高效率和针对性极强的特点;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专用高效刀具;复合加工;切削加工转变为少或无切削加工、非传统加工等等。这些也都带动了机床工业创新能力的提高。
    7. 我国己成为模具生产和消费大国,世界模具生产中心正向中国转移。而汽车工业是不仅是模具应用最多的行业,而且模具的品种多、精度高、形状复杂,还要求交货期短。现状是,精密复杂的汽车冲压模具和塑料模具、轿车覆盖件模具,与电子接插件等高档模具仍很大程度地依靠进口。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。这需要机床工业提供精密五轴加工龙门式、床身式高速铣床;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及测试设备等提出了全面要求。
综上所述,不难得出结论: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的水平。

我国汽车制造装备拥有巨大市场

  1. 中国汽车巿场将较长期地保持高水平或较高水平的增长速度
    “十五”期间,中国汽车巿场实现了高速增长,消费量由2001年的273.1万辆迅速提升至2005年的近592万辆,占世界汽车巿场的比重已从2001年的4.3%提升到2005年的8.7%,跃居全球第二位。发达国家的经历表明,人均GDP达到1000~2000美元,开始进入大众汽车消费时代。我国人均GDP已达1700美元,汽车已成为重要消费品。中国汽车产业“十一五”发展规划纲要将首次提出汽车化水平的概念,并提出“2010年国内汽车保有量将达到5500万辆左右,汽车化水平将由2004年的21辆/千人达到2010年的40辆/千人”。这将为“十一五”期间的我国汽车工业提供广阔的发展空间,预测2010年国内巿场需求在850万辆左右,而到2020年,中国汽车总保有量将可达1.6亿辆左右,约为2004年的6倍。
  2. 我国汽车零部件产业是今后发展重点,并正被纳入到汽车零部件全球采购体系中
    过去5年间,汽车零部件出口额增长了6.6倍,2005年已经达到85.3亿美元。目前,我国汽车零部件产品已经从售后配件巿场开始进入OEM巿场,从低附加值向高附加值产品转变,特别是一些自主品牌产品开始进入国际采购体系。据有关统计,跨国公司到2007年底前计划在低成本国家采购500亿美元的汽车零部件,其中70%瞄准中国企业。为此,广大汽车零部件制造企业急需采用先进制造技术及装备进行技术改造。

目前国产汽车装备主要差距

  1. 自主创新差距: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,我们与国外技术发展的差距拉大了。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,每年都对产品进行改进。比如国外上个世纪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。
  2. 停留在传统制造——卖机器的循环,只提供售后服务(A/S, After-sales Service)。而国际设备供应商已进入提供解决方案(T/S, Total Solution)的时代。
  3. 大多只能提供单机、不能提供生产线,特别是缺乏系统集成技术。只制造MT(Machine tool),不制造MC(Manufacturing cell)——进入流水生产线的通行证。
  4. 机床性能差距。主要数控机床无法满足现代轿车对精度、精度保持性和可靠性的需要。例如,国际上加工精度在1950至2000年之间提高了50倍,国内加工中心精度与国际先进水平的差距大体为15年;轿车制造要求为Cpk≧1.67,而我国能达到的Cpk值普遍为1.33;MTBF值,进口生产线约达5000小时,我们仅为约500个小时。

汽车制造技术及装备自主创新工程基本思路

依据“国家中长期科学和技术发展规划纲要”与“国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见”所确定的方针,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。
从汽车整车和关键零部件总成生产线装备中,瞄准汽车装备巿场中长期需求、圈定那些急需尽快缩小的重要差距、以及世界汽车制造技术与装备发展的前沿技术;选择一批对产业升级有重大影响、重大推广价值、重大社会经济效益,并能实现核心技术和系统集成能力的项目。对首批重点突破口项目的选择,参见以下建议:
  1. 应用类自主创新项目。以具备技术实力和巿场基础的业主为依托,推进重点突破口。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。由业主选择制造企业及大专院校,国家给予资金、政策支持。
    1. 内高压成形技术
      该技术是对封闭在模具型腔内的空心管件充以很高压力的液体(最高达4000MPa),迫使管壁紧贴内腔壁而成形,为制造空心轻体构件的高新技术。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、凸轮轴等结构管件。
      因应节能和安全的需要,现代汽车普遍采用轻量化设计。内高压成形件质量轻,空心轴类零件重量轻量化程度为40~75%,而且零件刚度和强度得以提高、零件数量少、焊缝少、生产成本(包括模具费用)相比冲压件降低了15~30%。
      内高压成形技术国际上发展很快。北美制造的轿车中,空心管件已占轿车零件总数的16%。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自产的中高级轿车,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,只是这些研究尚处于实验室研发阶段。此项目被列为国家项目,依托一汽集团公司技术中心实施。如若研发成功,将为我国汽车采用轻量化设计提供技术装备,其推广必将对产业升级带来重大影响、产生极大的社会经济效益。
    2. 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。它在降重、降成本、提高效率、提高质量和安全性能等方面,作用巨大。激光焊接工装系统技术含量高、难度大,其特点是集自动化、智能化、光机电于一体,拥有许多专利技术。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。
      依托一汽集团公司技术中心的本项目,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。其成功的研制和推广应用,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,实现技术升级和换代,提高自主品牌的核心竞争力。其推广也将大幅推进产业升级、产生相当的社会经济效益。
    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。
  2. 关键共性技术、前沿技术。需列入国家项目,由高校和研究院所攻关。
    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;建立结构与机构动态可靠性分析设计的理论方法和软件工具。
    还要加快研制可重构制造系统(RMS),将其从理论探讨阶段推进到可重构样机和生产线试制阶段。
    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,首先是航空航天行业。美国的汽车制造技术便得益于飞机制造技术。我国也是如此,甚至许多飞机制造企业也生产汽车,这就呼唤两个行业间的“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首台数控等温锻造液压机,作为国家重大技术装备创新研制项目,成功制造出国内最大钛合金模锻件,并已通过产品鉴定。如能在汽车工业推广应用之,将促成实现“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、也是飞机发动机中空曲轴和复杂管件制造所急需的新技术;在发动机制造技术上,汽车和飞机有许多共通点可以相互借鉴;而高速加工技术,在国内外都是在汽车和航空航天工业率先取得突破的等。同时,对数控机床高精度、高精度保持性的需求,在汽车和航空航天等国防科技工业是最突出的。

创建汽车制造技术及装备创新体系

在我国,以往计划经济体制下的机床科研体系已经“转企改制”,可是相应的巿场经济体制下的科研创新体系却未建立起来。在这方面,可借鉴美国组织国家制造科学中心(NCMS)的经验,构建我们的汽车制造技术创新体系。即学会组织、政府资助、机床产业和汽车产业联手,组建汽车制造装备研发中心,由高校执行课题。特别是在旧科研体系不复存在的情况下,高校的力量尤其重要,而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系团体会员,如果我们借鉴美国的经验运作,他们将是中国汽车制造技术及装备创新体系的生力军。
创建这一创新体系是件复杂的系统工程。最为困难的是机构和人员的集成,目前我们汽车工程学会正在构建汽车企业和机床企业交流对话的机制,使机床产业的发展与汽车产业的发展同步,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。
本文作者:中国汽车工程学会 陈长年
原载:雅式工业专网
上载于:2006-12-30 15:14:39

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