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我国汽车制造技术及装备发展概述
2006年8月9日 10:7  来源:东北证券

    汽车工业与制造装备的关系

  从历史角度观察,一个国家汽车工业和一个汽车企业的国际竞争力取决于装备的先进性和制造成本。反之,汽车产品的发展,必然伴随着制造装备的发展。比如,大约一个世纪以来,组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。由于竞争加剧,汽车产品更新换代周期从几十年缩短到4年。组合机床自动线由于缺乏柔性而无法适应。20世纪80年代,美国汽车巨人福特与机床巨人INGERSOLL合作,研制了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,加快了汽车产品的更新换代,提高了企业的效率和灵活性。这就是今天我们可以看到每年有几十种新车上市的原因之一。也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,支撑着我国汽车工业的不断发展。

  近十几年来,我国汽车工业投资的一半以上是用于购买机床,其中,进口机床额约占80%,成为机床消费主体,约消费了全社会40%的机床。图1表明,我国汽车产量与机床进口增长同步。按照发展总战略,2020年,我国汽车产量将达到1400~1800万辆,居世界第一,并迈向世界汽车产业强国,其标志之一是,拥有先进制造技术和先进制造装备。

  另外,我国正在纳入到汽车零部件全球采购体系中,汽车零部件出口额将从目前的约50亿美元发展到约500亿美元,产值将从2004年的3300多亿元发展到2010年的8000亿元~1万亿元。但是由于制造技术和装备水平、管理水平落后,例如合资轿车企业和部分民营企业(如万象集团)制造装备整体上进入柔性化时代,达到二十世纪九十年代水平,另外一部分汽车零部件制造企业仍然主要使用普通(非数控)机床生产,造成产品质量低下。我国汽车零部件产业目前呈:低端产品出口(低价值、低利润),高端产品进口(高价值、高利润),无法满足国际市场巨大需求。如,美国通用汽车向我们学会提出年采购100亿美元的汽车零部件需求。

但由于我国大多数汽车零部件产品质量、品种、水平不能满足需要,实际采购量不到10%。因此,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。可以断言,在我国实现工业化的长时期内,汽车工业将一直是机床消费主体。

  现代汽车制造装备构成及进口热点  汽车制造装备分为整车制造装备和零部件制造装备两大类。目前,汽车制造装备的构成也在发展变化中,最值得关注的是汽车企业与钢铁企业联合建立汽车钣材中心。即,将汽车底盘大梁等零部件冲压或辊压成型的开卷、平整、剪切等预加工工艺集中,用专业化大生产方式为全社会服务。
  1.整车制造的“四大工艺装备”  包括整车装配流水线、车身焊接和装配生产线、喷涂生产线、冲压生产线。

  (1)冲压生产线:据统计,在轿车的2000余件零件中,冲压件占40%以上。包括车身覆盖件、车身结构件和中小型冲压件。目前,我国轿车生产主要应用自动和半自动冲压生产线。冲压生产线是唯一的国产品占据主导地位的大类汽车装备,但是柔性冲压自动线等先进冲压技术装备的应用与国外存在很大差距。

  (2)轿车焊接装配线:整车自动装配线是我国汽车装备最薄弱环节之一,轿车焊接装配线几乎全部依靠进口。目前,自动装配线向“柔性”和“零缺陷”装配线发展,其中“柔性”靠大量焊接和装配机器人实现。
 
  为保证“零缺陷”,已经采用:
  A、力矩检测——电子拧紧工具,实现全过程力矩控制;

  B、防错检测——用图形技术防错。由摄象机检查装配是否正确,是否到位。

    C、摩擦力矩检测——缸体装曲轴、活塞、连杆后,缸盖装凸轮轴后摩擦力矩检测;
 
  D、压装力及位置精度检测——用传感器检测等等。
  轿车自动焊接线、自动装配线对机器人/机械手的基本要求为多关节、高可靠。
 
  (3)喷涂生产线:主要包括喷漆机器人、电泳、烘干、涂胶以及输送等设备。

由于国内缺乏将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线的技术,因此涂装线也基本依赖进口。
 
  2.零部件制造装备  主要包括金属切削机床生产线、精密锻造生产线及制造单元、铸造生产线,其他还有测试设备、数控刀具系统、激光切割和焊接设备等。
  (1)金属切削机床生产线:占全部汽车制造装备数量和金额的一半以上,特别是我国,由于精密锻造技术和设备落后,大部分汽车零部件采用切削方式加工。我国制造轿车零部件的金属切削机床生产线金额的约70~80%依赖进口,但近年随着国际著名机床厂商将生产转移至我国,以及国内机床企业并购国际著名机床厂商,进口比率正在下降。制造卡车零部件的金属切削机床生产线目前还是以国产品为主。

  柔性生产线-FTL:由高速加工中心组成(详见后),主要用于发动机缸体、缸盖、变速箱壳体加工。从二十世纪末至今,据不完全统计,我国已有约100条安装或将安装,单价约2000万美元,其中进口约占90%。主要来自德国、日本、意大利、美国。

  双主轴双刀塔多轴数控车铣中心/柔性制造单元:带有C、Y轴和动力刀头,配备自动上下料装置(含机械手),并在与物料存储与传送及其自动控制集成的条件下,构成柔性制造单元(FMC)。由于这类设备满足轴类汽车零件“一次装夹完全加工(one on down)”需要,近年已经有数百台至千台投入运行,其中进口占约90%。主要来自日本、韩国、台湾等。

  特别要指出,现代汽车零部件越来越采用以车代磨工艺,要求数控车床能够进行强力车削。

  各种数控磨床和专用数控磨床:如:高效、高精无心磨床,配有自动上下料装置(含机械手),组成磨削单元。高效、高精曲轴、凸轮轴数控磨床、十字轴专用数控磨床等几乎全部依靠进口。主要来自德国、意大利、瑞士、日本。

  模具加工5轴高速床身式/龙门式铣床(加工中心):这类机床主要特点是速度高、刚性好。其中龙门式加工中心为扩大工艺性能,还具有五面功能,配备有换头机构,以便满足铣、镗、钻工艺对主轴转速不同的要求。全部依靠进口,已经有超过数百台投入运行。主要来自德国、瑞士、日本、意大利。

  (2)精密锻造生产线及制造单元:包括铸铁件加工的精密铸造生产线、铝合金铸件加工的压铸机(制造单元);其他还有测试设备、数控刀具系统、激光切割和焊接设备等。

  精密锻造接近净成形加工,包括模锻、热精锻、冷精锻(冷挤压)、粉末冶金烧结锻造设备、内高压成形设备等。轿车重要零件毛坯一直应用锻件。精锻机国内差距巨大,依赖进口。

  热精锻生产线或制造单元:德国BLM公司热精锻齿轮精度已达DIN6级,节约材料20%~30%,机械性能提高15%~30%。

  冷精锻(冷挤压)生产线或制造单元:美国每年生产冷挤压件100万件以上,80%为汽车零件。NATIONAL公司是全球多工位冷精锻机(又称为成形中心)研发中心。丰田1.8L排气量轿车中已有43kg冷挤压件,还有35kg冷挤压标准件。

  温精锻生产线或制造单元:工艺特点是材料加热至700℃~1000℃进行锻造,兼有热锻和冷锻优点。美国温锻件约占精锻件50%。
  模锻机/制造单元:汽车零部件锻造毛坯皆属模锻件。国外还发展了铸造毛坯模锻技术,如,用于生产曲轴、十字轴等,强度大大增加。目前模具和上下料装置等为国内薄弱环节。
  粉末冶金烧结锻造设备:国外粉末冶金烧结锻造技术有较大发展,粉末锻造连杆重量精度可达1%,而锻造连杆重量精度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%。福特公司1992年粉末锻造连杆已达1000万件。
 
  内高压成形技术:内高压成形件质量轻、强度高、零件数量少、焊缝少,是制造空心轻体构件的高新技术,在欧美发展很快。北美生产的轿车中,内高压成形件所占比率二十世纪八十年代为10%,预计2005年将上升至50%。

  旋压成形技术装备:旋压成形具有加工精度高、可生产变截面等强度车轮轮辋和轮辐等优点。

  (3)铸造生产线:大吨位压铸机/制造单元(铝合金铸件)依靠进口,其中压铸模具国内差距巨大。精密铸造生产线(铸铁件)依靠进口,其中,自动锁芯生产线(key core system)主要采用西班牙loramendi公司产品,如,一汽第二铸造厂在安装该公司产品后,为捷达轿车提供的发动机铸件不再从德国进口。同时,华东TEKSIT股份公司已经开始生产loramendi公司产品。

  (4)激光加工设备:包括激光切割设备、激光焊接设备。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,即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。目前激光拼焊板冲压成形设备同样依赖进口。此外,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,大大缩短新车开发周期。
 
  (5)数控刀具系统:制造轿车零部件的数控刀具系统主要依靠进口。现代轿车零部件和模具加工已经高速化,对刀具提出很高要求,采用整体硬质合金刀具、硬质合金涂层刀具(包括化学涂层CVD、物理涂层PVD)、陶瓷刀具、立方氮化硼(CBN)刀具、聚晶金刚石(PCD)刀具、烧结压层刀具等;同时,对高速切削刀具的监测工具、刀具系统的连接工具、高速回转的刀具系统动平衡技术设备等也提出很高要求。

  需要指出,现代轿车零部件加工生产线,采用“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。国际著名数控刀具供应商还同时提供高速切削软件包、刀具使用(更换、重磨)服务等“整体解决方案”。

   轿车机械加工技术和主要设备特征

  1.流水生产线

  流水生产线的根本技术是集成技术,即将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线。一个多世纪以来虽然几经革命,流水生产线却一直是汽车及零部件生产方式的主体。

  (1)工艺系统:即机床—工具—工件系统。现代轿车流水生产线的工艺装备已经进入柔性化时代,由数控机床和智能工具组成。对机床主要要求是:高速度、高精度、高精度保持性——高机床工程能力指数(Cm/Cmk值)、高可靠性,等。

 ⊙用于发动机生产线的高速加工中心:快移速度60~100m/min,加速度0.6~1.5g;主轴最高转速8000~15000r/min;定位精度/重复定位精度--工作台1m以下, 8μm/4μm (VDI标准),工作台1m以上,10μm/5μm/M (VDI标准)。

  ⊙目前,国际这类加工中心的最新发展是,主运动普遍采用电主轴,进给运动普遍采用直线电机。同时,普遍运用三坐标模块化和箱中箱结构,机床非常简约,外购件(配套件)比例增加,交货期大大缩短。日本MAZAK公司最新一代的UH“瘦身”型加工中心,采用双X轴进给方式,机床宽度缩短38%~57%,大大减少生产线占地面积和投资。

  ⊙用于模具加工的3~5轴床身式、龙门式数控/仿形高速铣(加工中心):主轴最高转速20000~40000 r/min;
 
  ⊙机床工程能力指数/工序能力指数Cmk/Cpk值≥2.0/1.67。

   ⊙平均无故障工作时间MTBF,日本远州2002年资料目标为5000小时,韩国DEAWOO据说是8000小时。

  (2)物流系统:由原材料处理、存储、上下料装置、机床间工件传输装置组成。在单台数控机床配备工件库或原材料库和自动上下料装置(含机械手、机器人)的条件下,即在与物料存储与传送及其自动控制集成的条件下,构成柔性制造单元(FMC)。在多台数控机床配备自动上下料与物料存储和传送及与生产计划调度用计算机集成的条件下,构成柔性制造系统(FMS)。在不含计划调度系统和工件单向流动时,组成柔性生产线。
  (3)信息系统:主要包括生产线控制、刀具更换、工装及附具更换、工件调度、自动编程、自动监控、自动补偿、工件质量自动检测、刀具磨损或破损后的自动更换和自动报警等。最新要求是具有CAD/CAM功能、远程生产线管理和维护、故障诊断和自动修复功能等。
  流水生产线又是制造技术与管理技术结合的典范。二十世纪影响了人类制造业的几大管理技术多产生于汽车生产线。如,福特生产方式、丰田生产方式、准时制(JIT)、精益生产等。这里不再阐述。
  2.发动机制造技术的发展与变革
  (略,待见本刊2006年8月28日出版的“商用车与发动机”)
  3.高效专用机床
  机床的高效专用性是汽车制造装备的又一大特征。如,汽车齿轮加工、应用高速滚齿机、高速插齿机、高速磨齿机。英国LANDIS公司生产的曲轴磨床磨削速度高达120 m/s,用“扒皮法”一次装夹从毛坯到精磨完毕,耗时仅几分钟。

 “高效专用”,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。如,上述高速滚齿机、高速插齿机要求配备整体硬质合金或硬质合金涂层滚刀、插齿刀,曲轴磨床配备CBN砂轮。

  高效专用机床属于“精益机床(lean Machine)”,即去除冗余功能,具有高效率和极强针对性特点。现代高效专用机床的供货方式是《整体解决方案-TOTAL SOLUTION》,其技术附加值及设备利润率很高。由于不同于大量生产的机床,其价格也高得多,就如手工缝制的西服比流水线西服价格高得多。

但是只要能够缩短用户投资回报周期并盈利,用户就会认为“物有所值”,不会斤斤计较价格。

  汽车制造装备的本地化是我国汽车产业和机床产业共同的历史使命

  20世纪80年代,我国汽车工业重点转入轿车,国内机床工业很不适应。轿车装备国产化率长期来只有20%,但是仍然有一些亮点:汽车冲压生产线、数控齿轮加工机床等国产品都占有较高的份额,大连和沈阳等机床集团近年来为汽车企业提供由高速加工中心组成的柔性生产线,目前已有几千台国产数控机床在汽车企业中应用。
  中国实现汽车强国梦想,不可能建筑在装备长期依赖进口的沙滩上。一方面,对汽车企业而言,激烈的市场竞争要求不断降低制造成本,统计资料表明,汽车装备进口率每提高1%,装备总投资增加2%~3%。可以说,装备本地化是企业生存竞争的需要;另一方面,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进口设备的高额外汇。因此,汽车及零部件企业应结合我国实际,不盲目追求使用进口的高速高性能装备,应该在充分考虑到产品生命周期、科学预测产品更新期前提下,结合企业投资能力和回收周期,因工件而异的选择不同类型的生产线等制造装备。

  美国是市场经济发达的国家,他们组织NCMS经验的做法似乎可以作为建立我们的汽车制造技术及装备创新体系的参考,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。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。这也符合我国科技发展战略的十二字方针:协同集成、自主创新、重点跨越。

 
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