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淺析轎車零部件機械加工技術和設備特征
流水生產線
一個多世紀以來雖然幾經革命，它卻一直是汽車及零部件生產方式的主體。
流水生產線根本技術是集成技術——將工藝系統、物流系統、信息系統集成為流水生產線。
（1）工藝系統：即機床——工具——工件系統。
現代轎車流水生產線的工藝裝備，已經進入柔性化時代，由數控機床和智能工具組成。
對機床主要要求是：高速度、高精度、高精度保持性——高機床工程能力指數（Cm/Cmk值），高可靠性等。
用于發動機生產線的高速加工中心：快移速度60～100 m/min，加速度0.6～1.5g；主軸最高轉速8,000～15,000 r/min；定位精度/重復定位精度——工作臺1m以下，8μm/4μm (VDI標準)，工作臺1m以上，10μm/5μm/M (VDI標準)。
目前，國際上這類加工中心的最新發展是，主運動普遍采用電主軸，進給運動愈來愈多采用直線電機。同時，普遍運用三坐標模塊化和箱中箱結構，機床非常簡約，外購件（配套件）比例增加，交貨期大大縮短。日本MAZAK公司最新一代的UH“瘦身”型加工中心，采用雙X軸進給方式，機床寬度縮短38～57%，大大減少生產線占地面積和投資。
用于模具加工的3～5軸床身式、龍門式數控/仿形高速銑床（加工中心）：主軸最高轉速20,000～40,000 r/min；
機床工程能力指數/工序能力指數Cmk/Cpk值≧2.0/1.67 。
平均無故障工作時間MTBF，日本遠州2002年資料目標為5 000小時。
（2）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。
（3）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。最新要求是具有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。
流水生產線又是制造技術與管理技術結合的典范。二十世紀影響了人類制造業的幾大管理技術多產生于汽車生產線。如福特生產方式、豐田生產方式、準時制（JIT）、精益生產等。這里不再闡述。
發動機制造技術的發展與變革
正像發動機是汽車的心臟一樣，發動機制造技術是汽車制造技術的集中體現。
（1）汽車面世以來，發動機制造技術已經經歷了兩次革命。
第一次革命發生在二十世紀初，美國福特汽車公司創始人福特發明了大量生產流水線。其主要方式，是由組合/專用機床（special purpose machine/ Transfer machine ）組成的自動生產線 TL(Transfer Line) ,也稱為傳統自動線。其最大優點是高生產效率——幾十甚至上百把刀同時加工，其效率是任何其他類型生產線無法比擬的；低價格——特別是我國，組合專機價格甚至低于批量生產的通用數控機床。最大缺點是柔性差，一旦產品變型和更換品種即基本無法使用。我國汽車行業從誕生至二十世紀九十年代初期，一直沿用TL。目前我國轎車行業生產大多不采用TL。但在國外大量生產穩定產品的生產線中，TL仍是最佳選擇。
為了解決產品的變型生產和便于更換品種，柔性生產技術被引進了汽車生產。二十世紀九十年代出現了高轉速、高快移速度、高加速度、快速換刀的高速加工中心。由其組成的高速柔性生產線FTL（Flexible Transfer Line）是發動機制造技術的第二次革命。其突出特點是一定程度上克服了高柔性和低效率的矛盾。這種生產線不僅可加工同樣產品范圍內的零件，而且可加工變型產品、換代產品以及新產品，真正具備了柔性的意義。缺點是投資較大，效率受局限。目前是我國轎車企業的熱點生產線。
為了進一步提高高速柔性生產線的生產效率，更快地適應市場變化，FTL的新發展是敏捷高速柔性生產線——AFTL（Agile Flexible Transfer Line），目標是：
對變化的市場需求快速做出反映；
滿足現代轎車發動機“多品種、大中批量、高效率、低成本”的需要；
符合“精益生產”原則——用最小投資贏得最大經濟效益。
AFTL的主要特點是：
由通用高速加工中心和專用/組合機床組成的混合（Hybrid）型柔性生產線（HSMC+SPM/TM）。按照工序流程排列設備并由自動輸送裝置連接，全部生產線上機床、輸送和工件識別均在一個控制系統中；
采用敏捷夾具（柔性夾具-可控、可調夾具）；
采用“智能刀具（Smart Tools）”——為特定零件加工設計的一系列專用高效刀具。
這種生產線的優點是生產效率高同時又具有相當的柔性，能夠適合大批量生產和變型產品生產，同時投資較小。缺點是柔性受局限，不能加工不可預見的任意品種零件。目前，混合型柔性生產線在國內外汽車行業應用廣泛。
（2）目前發動機制造技術正醞釀著第三次革命
背景：一方面，隨著技術進步，發動機研發速度越來越快，新產品開發周期從30個月縮短到13個月；同時，日益發展的多樣性需求，使車型數量急劇增加。如，我國第一汽車集團在2000～2004年期間開發出920種新車型；日本豐田公司10年中車型數量增加兩倍。另一方面，在發動機市場競爭愈發激烈情況下，發動機生產批量不確定性增大。目前流行的柔性生產線，由于價格昂貴，投資風險加大。同時，產能過剩矛盾日益突出——尤其是我國更加嚴重。近年來，人們一直在探討解決多樣性與經濟性日益突出的矛盾，滿足變品種、變批量的需要，兼顧高柔性、高效率、低投資的要求和對市場的快速反應能力；同時，也在探討以制造系統的革命來解決產能過剩的世紀矛盾。
美國提出了《可重構制造系統RMS（Reconfigurable Manufacturing Systems）》。美國國家研究委員會1998年將RMS列為未來20年制造業必須優先解決的10大關鍵技術之首。RMS著眼于發展制造系統的結構快速調整能力，原理是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。為此研制了可重構機床RMT（Reconfigurable Machine Tools）。RMT由標準化的模塊組成。與傳統模塊化機床（如，組合機床）本質性區別是它的使用中的可重構性。RMS的結構和布局可依需要在用戶現場快速重組。
RMT的應用基礎之一是柔性夾具。GM公司已經開發出柔性夾具系統，可以快速的更換以生產不同的發動機缸體或缸蓋，包括4、6、8缸直列和V型發動機，從而減少更換的時間和成本。這是一個帶有電控永磁臺面的夾具，上面集成了夾緊、支撐、定位元件。用調節器把這些元件準確地固定在棘爪上來組成特定夾具。在15分鐘內即可把一種夾具配置變為另一種配置。
目前RMS在國際上是熱門話題，我國也已列入科技發展計劃。目前，RMS還有一些關鍵技術有待突破，如，RMT機床重構后的精度和可靠性還有待解決。
日本MAZAK公司開發出了市場響應型自獨立制造系統《MSM（Market Responsive Self-contained Manufacturing）》。其實質是“單臺套件生產”——可以應對各種不同零件加工的通用性模塊生產方案。
MAZAK公司用幾臺INTEGREX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。目前，用MSM技術制造的發動機樣機已經面世，雖然尚處于實驗階段，但理論和實踐的禁區已經突破。
流水線（包括TL，FTL，AFTL）工藝特點是工序分散型，每臺機床原則上只執行一道工序。工件在全線“流完”，才完成全部加工；設備排列特點是串聯式。優點是效率高——工序分散，等價于單件多工序同時加工。即，每一生產節拍（以分鐘計算）都會生產出來一個零件，目前是大批量生產的唯一方式。缺點是投資大，并且全線機床不能獨立工作，一臺機床故障，生產線全線停產。
MSM生產線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。因此，MSM生產線的突出特點是《雙柔性》——設備和生產線。但是效率很低。
為提高效率和緩解一臺機床故障對生產線的影響，目前國外已經有發動機工廠應用并串聯混合式。
（3）幾點結論性意見
結合我國實際，筆者認為：提倡但不盲目追求使用高速柔性生產線FTL。應該在充分考慮到產品生命周期、科學預測產品更新期前提下，結合企業投資能力和回收周期，因工件而異選擇不同類型生產線。
對于生產批量大且產品生命周期長，相對穩定的工件，如發動機缸體、變速箱殼體、離合器殼體等，優先選用組合專機生產線TL。
對于更新速度快的產品，如發動機缸蓋，采用高速柔性生產線FTL。
大力發展具有敏捷思想的混合型柔性生產線AFTL，其中注意選擇國內能夠提供的組合/專用機床；大力發展三坐標模塊式高速加工中心。
雖然預言RMS或MSM成為發動機制造技術第三次革命的標志為時尚早，但我國立志于成為世界汽車強國，要求我們研制自己的發動機，自然必須密切注意國際上RMS、MSM技術發展，并且發展具有我國自主知識產權的RMS和MSM。
高效專用機床
機床的高效專用性，是汽車制造裝備的又一大特征。如，汽車齒輪加工，應用高速滾齒機，高速插齒機，高速磨齒機。英國LANDIS公司生產的曲軸磨床，磨削速度高達120 m/s，用“扒皮法”一次裝夾從毛坯到精磨完畢，耗時僅幾分鐘。
“高效專用”，對機床的基本要求是高剛度、高速度、大功率。一律配備超硬刀具。如，上述高速滾齒機，高速插齒機要求配備整體硬質合金或硬質合金涂層滾刀、插齒刀；LANDIS曲軸磨床配備CBN砂輪。
高效專用機床基本特征是《量體裁衣》型。即，按照用戶需要提供個性化產品。
高效專用機床屬于“精益機床（lean machine）”——去除冗余功能，具有高效率和極強針對性特點。可通俗的解釋為“瘦肉”型機床。
現代高效專用機床的供貨方式是《整體解決方案——TOTAL SOLUTION》。
要求從設備研制到投產后都采用《協同工程——Collaborative engineering》——與上下游合作夥伴（供應商及用戶），通過異地設計建立動態聯盟。聯合研制貫穿于全過程，為用戶服務貫穿于產品全生命周期。
要求供應商熟悉用戶產品（包括預測中期發展的新產品），熟悉用戶工藝，具有編程能力，設備優化使用能力，具有工藝裝備成套能力，具有集成能力，即，可將工藝系統、物流系統、信息系統集成為制造單元及相應的人員培訓。
要求供應商具備自主技術創新能力。提供的不僅是全面的，還必須是當代技術水平可達到的“最佳”方案。促使供應商實現用戶需求“拉動”的自主創新。同時，與用戶聯合研制過程中積累大大小小的創新，為開發的產品“原創性”打下基礎。
還要求供應商具備經濟分析能力。能夠根據用戶資金（包括動態資金），提出幾個方案及報價。并且為用戶提出投資回報周期及盈利分析。
要求用戶提供擬加工工件組圖紙，或它們的典型工件的圖紙、技術要求；提出應達到的生產率（單件加工工時）和質量水平（均應適當高出現有的水平）；工件在本機床加工前后工序的情況；使得機床一到廠即可立即投入生產，而且加工效率和加工質量均能立刻穩定可靠地符合或高于用戶原來提出的要求，立即開始創造效益。
由此可見，完美的《整體解決方案》，絕不是一個或幾個人能夠完成的，必須有一個由有關部門組成TVM團隊。當然，這已經跨入管理范疇，詳見下段。
《量體裁衣》型的高效專用機床，技術附加值及設備利潤率很高。由于不同于大量生產的機床，其價格也高得多。正像手工縫制的西服比流水線西服價格高得多。但是只要能夠縮短用戶投資回報周期并盈利，用戶就會認為“物有所值”，不會斤斤計較價格。當然，也要幫助用戶轉變采購設備的理念和習慣。
整體解決方案首先是營銷理念的革命——從賣設備到幫助用戶盡快收回投資并盈利。它追求的目標是“顧客完全滿意-TCS（Total Customers Satisfaction）”。它遵循美國管理大師波特的理念“一個企業贏利能力的關鍵，是企業是否能收取其為買方創造的價值”。《整體解決方案》的最新發展是福特公司創造的企業管理的第三次革命——“團隊價值管理TVM（TeamValue Management）”。這項2003年才大規模推廣的TVM系統，內容是消除企業內部壁壘，各個有關部門組成TVM團隊，不再是只對標準和合同負責，而是對終端顧客負責。只有在最終顧客這里才制造效益。因此，整體解決方案的營銷方式，使設備制造商從技術范疇延伸至管理范疇；從工業領域擴展到服務領域。
我國汽車制造裝備發展之路——國產化和本地化
汽車制造裝備的本地化是我國汽車產業和機床產業共同的歷史使命。
中國實現汽車強國夢想，不可能建筑在裝備長期依賴進口的沙灘上。一方面，對汽車企業而言，激烈的市場競爭要求不斷降低制造成本。統計資料表明，汽車裝備進口率每提高1%，裝備總投資增加2-3%。可以說，裝備本地化是企業生存競爭的需要；另一方面，隨著我國汽車工業開始進入微利階段，企業將無力長期支付進口設備的高額外匯。
實現汽車制造裝備本地化的根本措施是，加快汽車制造技術及裝備創新體系建設。
二十世紀七十年代，為裝備第二汽車廠，機械工業部組織了130多個機床生產科研單位，提供了117條自動線，1004種5500臺高效、專用設備，裝備國產化率96%。受到鄧小平同志的贊許，稱為“聚寶盆”。而現在我國計劃經濟體制下的機床科研體系已經“轉企改制”，但取而代之的適合于市場經濟體制下的科研創新體系卻未建立起來。美國是市場經濟發達的國家，他們組織NCMS的經驗和做法似乎可以作為建立我們的汽車制造技術及裝備創新體系的參考。即，政府資助，機床產業和汽車產業聯手，組織汽車制造裝備研發中心，由高校執行課題。目前建立研發隊伍最可行的辦法就是產學研合作，尤其是產學合作。這也符合我國科技發展戰略的十二字方針：協同集成、自主創新、重點跨越。
同時，機床產業要緊緊抓住汽車產業二十年大發展的戰略機遇期，瞄準汽車裝備市場需求（包括中長期需求），特別是從進口熱點中尋求突破點；瞄準世界汽車制造技術及裝備發展前沿技術，如，可重構制造系統——RMS；特別要掌握生產線集成技術。進口生產線中有許多工夾具和非標設備，國內能夠制造并且成本大大降低，關鍵是集成技術。目前，大連機床集團等單位已經掌握了生產線集成技術，應該在機床行業全面推廣。 |
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