汽车零部件制造推动机床技术革新

ainet.cn 2009年11月24日

在最近一次召开有关汽车装备的论坛上，中国汽车工程学会装备部部长陈长年就汽车发展对机床装备的需求谈了自己的看法：“汽车制造的水平和质量取决于装备水平，同时，汽车工业的国际竞争力又取决于装备的先进性和制造成本。”
　　“汽车装备支撑着汽车产业和机床产业的半边天。”对于这个说法，陈长年认为有三个理由：
　　“第一，我国汽车业消费约占装备制造业产值和利润的一半；第二，从2002年开始，中国汽车产业首次超过电子产业，成为拉动工业增长的第一动力；第三，汽车工业的发展既依赖于机床工业的技术进步，又引领机床工业的发展。近十几年来，我国汽车工业已经成为机床消费主体，约占我国机床消费总量的70%。同时，汽车工业投资的一半以上又用于购买金属加工机床，其中进口机床约占80%。”
　　回顾汽车的发展历史，不难看出先进装备以及制造工艺在其中的作用。
　　上个世纪，组合机床自动线以其高效率统治了汽车工业的生产。伴随汽车工业竞争加剧，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。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。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，这就是现在我们可以看到每年有几十种新车上市的原因之一。
　　引爆第三次发动机技术革命
　　陈长年认为，随着技术进步，汽车发动机的研发速度将越来越快，新品开发周期从30个月缩短到13个月，同时，日益发展的多样性需求，使车型数量急剧增加；同时在发动机市场竞争愈发激烈的情况下，生产批量的不确定性增大。而目前流行的柔性自动线，由于价格昂贵，又使得汽车制造业的投资风险加大，同时，产能过剩矛盾日益突出。这正是第三次发动机制造技术革命的背景。
　　近年来，人们一直在探讨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，兼顾高柔性、高效率、低投资的要求和市场快速反应能力；同时，也在探讨以制造系统的革命来解决产能过剩的世纪矛盾。
　　因此，陈长年判断酝酿中的发动机制造技术第三次革命正在到来。而这场技术革新也必将是由先进的机床加工技术引爆。可重构制造系统RMS或许可以成为导火索。
　　可重构制造系统RMS在1998年被美国国家研究委员会列为未来20年制造业必须优先解决的十大关键技术之首。
　　RMS着眼于制造系统结构的快速调整能力，原理是通过对制造系统中机床配置的调整和机床功能模块的增减，迅速构成适应新品生产或生产批量变化的市场环境。由此也诞生了可重构机床RMT。RMT由标准化的模块组成。与传统模块化机床（如组合机床）本质性区别是它在使用中的可重构性。RMS的结构和布局可依需要在用户现场快速重组。
　　据此日本马扎克公司开发出了分型制造系统。其实质是“单台套件生产”，即可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案。其原理是“一次装卡完成加工”。即用几台INTEGREX机床，分别完成发动机五大件全部加工，进行“套件生产”，并随即装配成一台发动机。使得在发动机设计完成后即可以用最小的投资、最快的速度生产出来。非常适用于新发动机研发，分型制造系统把复合性机床技术的软件、硬件发挥得淋漓尽致。
　　分型制造系统工艺特点是工序集中型，一台机床“独立”完成全部加工，在生产批量加大时增加机床，并配备物料存储和传送装置。设备排列特点是并联式，一台机床故障，生产线照常运行。
　　陈长年认为，分型制造系统可以应对各种不同零件加工的通用性模块生产方案，比较适合多品种小批量多样式的生产。但如果上批量效率优势就不是很明显了。
　　多样化汽车时代提出新要求
　　多品种大批量制造系统是多样化时代新生的汽车零部件制造系统，是制造技术应对兼顾多样性和经济性要求的最新技术创新。
　　多品种大批量制造系统包括工件送进式机床和紧凑型柔性自动流水线。至今只有两家德国公司能够提供成熟的技术，但只适用于小型复杂零件的多品种大批量制造。一个是德国Ex-Cell-O公司开发的兼有组合机床和加工中心特性的XG系列加工中心；另一个则是德国Witzig&Frank公司的紧凑型柔性自动流水线。
　　对于专业变速器厂和发动机缸盖厂，由于面对不同用户的要求，必须提供中等尺寸和重量的变速器壳体和发动机缸盖的多品种变批量制造系统。瑞典MODIG公司的工件送进式制造单元TransFlex，是对机床运动方式的颠覆式创新。我国企业正在进行技术引进。预计2010年左右可提供产品。
　　工件送进式机床也称为工作台倒置式机床。原理是：主轴装于机床上部并携带工件倒置。各个运动轴（3~5轴）全部或大部集中于主轴。刀具装于机床下部，加工时主轴按数控软件指令将工件运送到刀尖。
　　陈长年介绍说，这类机床最早出现于十几年前的“倒立车”。而工件送进式机床在此之上又有了革命性发展：从立车式发展到加工中心式；具有一组排列式刀具、或动力刀具轴。这些刀具皆为模块化的，根据加工要求设置，加工对象变更时更换刀具很方便。如放置卧式数控车床的转塔刀架，转塔转位就实现了换刀，转塔刀架中还可以包含动力刀架，如铣刀轴、占头轴、丝椎轴等，还可放置独立的大功率铣刀轴、外圆磨头、内圆磨头、珩磨头、激光头、直刀齿轮、涡轮滚刀轴等。这样一台多功能或复合加工机床就可实现除装夹基面以外的全部加工。不再只限于加工回转体类零件，还可加工非回转体类零件，即菱柱体类零件，如板、壳、箱体、缸盖等及其它异形零件。
　　他认为，工件送进式机床有下列优点：一是可实现自动上下料，不需丝毫额外的投入，从而由单机升级为制造单元，实现自动化无人生产。同时排屑方便，适合于大批量自动化生产。
　　二是加工对象变更时可快速调整：工件与刀具相对位置及其精度靠智能数控软件保证，既节省了定位和对刀时间，又在加工对象变更时很容易调整，适合新产品研发和量产。此外，在加工对象变更时还可变更模块化刀具。
　　三是夹具相对简单，原则上不需设计制造复杂的专用夹具。因而加工新品的周期大大缩短，费用大大降低。同时换刀时间短，省略了传统加工中心换刀的大部分动作，因而节省了换刀时间。
　　同时，由于工件与刀具的运动链大为缩短，简化了机床结构，降低了机床各部件间相对位置精度要求，因而降低了机床制造难度。
　　除此以外，一般一台工件送进式机床可以满足生产节拍一分钟左右的要求。显然投资小的多，也不存在产能过剩问题。如果生产节拍要求更短，可以再加一台工件送进式机床，以此类推。与传统生产线相比，省略了工件自动传输系统，占用车间面积小，安装费用低。
　　除了工件送进式机床，多品种大批量制造系统还有紧凑型柔性自动流水线。相对于传统柔性自动流水线来说，其物流系统（原材料处理、存储、上下料装置、机床间工件传输装置）十分简约，工作台（托盘）、八角头回转刀库也十分简约。
　　德国Witzig&Frank公司的TRI鄄FLEX是一条占地面积很小的紧凑型柔性自动流水线，由围绕在中央集中式物流装置四周的4台模块化加工中心组成。适合小型精密汽车零部件多品种大批量流水线生产。上料机器人将毛坯送到中央集中式物流装置，然后至第一台加工中心。在完成这道工序后，中央集中式物流装置只需旋转90度（如配置6台加工中心则旋转60度），即可将置于其上的工作台（托盘）送到第二台加工中心，依此类推，完成全部加工。每台加工中心都按节拍流水加工，每一生产节拍（以分秒计算）都会生产出一个零件。

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标签：机床技术

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