绿色汽车制造与高端装备制造的协同发展_绿色汽车制造对高端制造装备的需求

绿色汽车制造与高端装备制造的协同发展

——绿色汽车制造对高端制造装备的需求

中国汽车工程学会 （北京 100055） 陈长年

二、汽车是拉动机床发展的火车头，机床技术的发展来自需求（即市场）的驱动

一个多世纪以来，世界制造技术最重要的发明，如自动流水线、数控机床、高速加工、柔性制造、敏捷制造、各种高效制造技术、精益生产及可重构制造系统等，大都发源于汽车和航空制造业。汽车制造又是制造技术与管理技术结合的经典。20世纪改变了世界的几大管理技术都源于汽车业：大量生产方式、精益生产方式、敏捷制造及工业工程等。

同时，考察工业发达国家，我们发现，凡是能全面满足汽车工业需求的机床工业，必定是世界一流的机床工业。世界汽车产业四大国——中、美、日、德，同时也是世界机床产业四大国。这些国家机床工业40%～

最近，国务院公布了振兴七大新兴产业目录，节能50%由汽车工业带动。反之，曾经的机床强国英、法，环保、新能源汽车和高端装备制造名列其中。其实，他也随其汽车工业一起沉沦。

们相辅相成，只有协同发展才能共同振兴！

三、制造技术是汽车工业由大变强的瓶颈

一、世界汽车制造技术面临新技术革命

在实施《高档数控机床与基础制造装备》重大专的前夜

项（下称04专项）和发展高端制造装备中必须破解制造世界汽车制造技术目前正处于第四次技术革命的前技术这一瓶颈。

夜——特点是绿色制造和智能制造。

我国汽车产量2010年可能达到1 700万辆，2020年“当今世界正处在科技创新突破和新科技革命的可能达到3 000～4 000万辆。能否从汽车大国转变为强前夜，科技革命的发生取决于现代化进程强大的需求拉国，不仅关系到汽车产业的可持续发展，而且关系到国动，源于知识与技术体系创新和突破的革命性驱动。这家的可持续发展。大国转变为强国必须的条件之一是应次金融危机将加速科技创新与进步的步伐，在今后的10对世界汽车绿色革命：绿色汽车（新能源和节能环保汽～20年，很有可能发生一场以绿色、智能和可持续为特车）制造技术，制造过程的绿色制造技术。

征的新的科技革命和产业革命。这是对我们的巨大挑温家宝总理在2009年初省部级领导培训班的讲话战，也是中华民族实现伟大复兴的历史机遇。”（摘自 中谈到我国装备制造业大而不强时说：“我国汽车产销《创新2050：科学技术与中国的未来》 ）

超过美国，但是制造汽车的关键装备仍然依赖进口。”

冷加工

1. 发动机制造装备大多依赖进口

发动机制造装备可谓第一汽车制造装备，是现代汽车零部件集成制造的经典，目前对外依赖度约90%，而且还有上升趋势。

（1）高精度发动机缸体、缸盖、曲轴、变速箱壳体加工柔性自动线（FTL）95%以上进口 国内机床企业不具备提供现代轿车发动机制造必须的FTL的集成制造能力，特别是国产高速加工中心精度一致性、可靠性与国外差距20年以上；国产曲轴数控铣床、数控磨床由于精度、效率、精度一致性、可靠性与国外差距20年以上。

令人担忧的是，目前正在进行的04专项中与发动机缸体、缸盖、曲轴有关的“示范工程”可靠性指标与国际先进水平相距甚远。造成与《高档数控机床与基础制造装备》重大专项进行的同时，这类高端汽车制造装备进口热潮一浪高过一浪。

（2）国内外一流车企发动机轮轴、连杆制造，已经完成从切削向成形的战略转移，属于绿色、轻量化制造技术 ①发达国家普遍采用装配式凸轮轴制造技术，目前已经发展到第三代。凸轮轴是发动机的高速旋转部件，减轻其重量可以明显降低发动机的油耗。装配式凸轮轴可以将重量减轻30%左右，同时在性能和使用寿命上也比铸造或锻造的整体式凸轮轴要高。经过20年的发展，装配式凸轮轴已经被大批量应用到各类发动机上，并逐渐取代整体式凸轮轴。现在，在华的合资车业已经全部采用装配式凸轮轴，国内自主品牌轿车发动机凸轮轴也势必采用装配式凸轮轴制造技术。问题是，其成套制造装备目前只能全部进口。②粉末锻造连杆技术。粉末连杆属于轻量化连杆。同时连杆重量精度可达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1 000万件。

2. 属于“微机械”的汽车电子产品，需求微纳制造技术和微纳级精密制造装备

20世纪末汽车产业进入汽车电子时代——第三次汽车制造技术革命。最重要的汽车零部件都属于汽车电子零部件，特点是“复杂、精密、小型”的“微机械”，需求微纳制造技术和微纳级精密制造装备。

其中柴油高压共轨喷油器精密加工最具代表性。为保证极高密封性和滑动性，配合间隙3μm左右，孔

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和轴零件圆柱度1μm，表面粗糙度值Ra＝0.05μm，密封锥面圆度0.5μm。 因而，对制造装备的基本要求是微纳级复合加工中心、复合数控车床、数控磨床、珩磨机、数控电加工机床，以及精密装配和检测装备等。电控共轨喷油系统制造装备，汽油机缸内直喷系统制造装备，代表了汽车电子零部件要求的成套精密数控机床，如实现集群式重点突破，我国机床工业将可取得跨越式发展。

下面对三类最重要的汽车电子零部件市场需求作简要分析：

（1）绿色柴油发动机的关键零部件——柴油电控高压共轨系统 柴油机比汽油机节约燃料1/3以上，但传统的机械控制式柴油机排放差，振动、噪声大。柴油机电控共轨燃油系统应用于柴油机之后，大大降低了其振动、噪声，同时也提高了排放和节能水平。由于其节能、环保的优势，发展速度惊人，成为汽车工业的一次革命性突破。全球商用车几乎都是柴油车，欧洲轿车的50%为柴油车。鉴于电控共轨系统的使用范围除了汽车外，还包括各类军车、舰船、农机，长期市场需求将达到1 000万套以上，因而制造系统的设计、装备的逐渐国产化是重大关键。对微纳级精密制造装备需求有数百亿元之巨。

（2）绿色汽油发动机的关键零部件——汽油发动机涡轮增压 + 缸内直喷（TDI）系统 由于能源危机和环境污染越来越引起人们的关注，各国法规控制也越来越严格，增压技术被作为一种改善汽车燃料经济性以及减少排气污染的一种重要手段而得到迅速发展。汽油机缸内直喷概念产生于20世纪30年代，几十年来一直未能应用，只是由于后来电子计算机及其他新技术的发展近年该技术才得以应用，特别是汽油直喷加涡轮增压技术目前只有极少数国外巨头掌握。但是从2010年开始，TDI的应用可能出现爆发式增长。

TDI系统是节能环保汽车动力最经济实用的技术路线。其节能环保效果与混合动力、柴油化接近。且投资最小、市场覆盖率最大、成本增加不大，老百姓买得起。特别在我国乘用车柴油化困难重重，新能源车技术和经济不定因素太多情况下，国际TDI技术已经成熟，国内也初步具备产业化基础。发达国家和国内主力汽车企业对TDI技术路线已经形成共识，国家有关部门也肯定了传统能源汽车在未来节能减排中的地位。

目前，国内外车企正在掀起TDI热潮。上海通用提出了“绿动未来”5年战略——未来5年将推出12款新发动机，全部集中在1.4～2.5L区间，先进的缸内直喷、涡轮增压技术和六速自动变速箱将进一步普及；现代汽车集团以2010年为起点，10年将内燃机的燃油效率提高30%；宝马3系列2012年动力将配备双涡轮增压直喷4缸汽油发动机。有关专家预测，未来5～10年，我国TDI系统的市场需求量将达到数百万套。

（3）自动变速器 自动变速器是汽车五大关键总成之二，我国严重依赖进口，自主品牌汽车的自动变速器装车率非常低，自动变速器产业落后。造成这一现状的主要原因是自动变速器的关键零部件多由跨国公司垄断和主导，以及其关键零部件制造技术与装备落后。

配置自动变速器已经成为国际汽车发展重要趋势。欧洲自动挡汽车已超过50%，日、韩已达80%以上，北美甚至超过90%，但我国很多国产品牌汽车根本采购不到自动变速器，只能依靠进口产品，造成目前我国自动挡乘用车占有率不到30%。据预测，2015年我国乘用车产销将超过2 000万辆（自主品牌将接近60%），如果自动变速器装车率达到45%，将需要自动变速器超过900万台，自主品牌产品将需求500万台以上，市场空间巨大！据测算，建造一个年产10万台自动变速器工厂，关键零部件制造装备的投资约需3亿元，也就是说到2015年，自主品牌自动变速器企业的关键零部件制造装备需求在150亿元（500/10×3亿元）以上。

3. 对精密成形装备的需求

精密成形装备属于绿色制造装备。在制造过程的绿色制造方面，我国与世界差距巨大。我们制造零部件主要采用切削方式，欧美日主要采用成形方式。美国汽车产量达到1 100万辆时拥有自动锻造线5 000条，我国目前只有20～30条。如欧美日汽车后桥齿轮已经完成了从切削向近净成形（冷热温锻）的过渡。我国如果采用这项绿色制造技术，即可节约钢材十几万吨；节电十几万千瓦时，减少CO2排放几十万吨。是典型的高耗能、高耗材、高污染的“三高”制造模式——制造技术的初级阶段。

轿车重要零件毛坯一直应用锻件。预测汽车锻件总需求量将从2008年的200万t达到2015年的约300万t。

（1）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%，力学性能提高15%～30%冷精锻（冷挤压）生产线或制造单元。

（2）冷挤压 美国每年生产冷挤压件100万件以上，80%为汽车零件。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。

（3）温精锻生产线或制造单元 温锻技术应用范围广泛，汽车锻件热、温、冷锻件的品重量结构比约为90∶5∶5。我国近年精密温热锻件总产量不足10万t，与德国、日本等国家60∶20∶20的发展水平差距明显，许多在中国设厂的外资企业的高附加值关键零部件进口。在未来5年左右，国内需要多工位温锻压力机约50余台套，由于中国目前还不掌握多工位温锻压力机设计制造技术，没有国内制造企业参与市场竞争，完全依赖进口。

（4）模锻机/制造单元 汽车零部件锻造毛坯皆属模锻件，其中的模具和上下料装置等为国内薄弱环节。国外还发展了铸造毛坯模锻技术。

（5）粉末成形技术 金属或陶瓷粉末注射成形技术结合了注塑工艺和粉末冶金技术的优点，是新兴的净成形制造技术，可以大批量经济高效地生产三维复杂形状的零部件。

（6）内高压成形 近年飞速发展，欧美日空心轻体件占新型轿车结构件已近50%。2004年美、欧内高压成形产值各约100亿美元，截至2006年底，欧洲约有120条内高压成形线，北美约有100条线。预计国内近年至少需要50条，2020年前需要150～200条，进口一条线价格高达1亿元。

（7） 铝合金超塑成形技术与装备 铝质零件减重效果可达30%～40%。每使用1kg铝，可使轿车寿命期减少20kg尾气排放。目前，几乎所有北美、欧洲及日本的著名汽车制造商都在新车型上尽可能利用铝合金材料。1999年，奥迪公司推出的A2车型，与相当的钢质车型相比，减重43%，后来出现的A8 ，通过激光焊和铆接的方法把铝合金钣金件连接到铝合金空间框架上，减重近50%。在福特公司为纪念成立100周年生产的Ford GT纪念车上，采用了全铝结构车身，而几乎所有的覆盖件都是用超塑性成形技术生产的。在欧洲每辆轿车的轻合金用量已超过120kg，占轿车自重的10%，在某些结构部位呈现出“以铝代钢”的趋势。用铝合金板材代替钢板制造汽车覆盖件已是当前汽车行业的重要发展趋势之一。我国目前每辆汽车铝合金精密塑性成形零件更少、只有国外的1/3。

（8）复合材料零部件成形技术与装备 美国和欧洲

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汽车工业已经成为复合材料最大的用户，2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万t，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万t。今后发展潜力仍十分巨大。

选用碳纤维复合材料制作结构件、覆盖件，可减轻质量达30%左右。随着碳纤维价格的不断降低，使用碳纤维复合材料的车型不断涌现（尤其适合小批量、多品种车型），很多汽车制造厂商生产的高档、豪华轿车（如奔驰、宝马、奥迪、福特、大众、本田、日产等）几乎都开始试应用或已经采用了各种碳纤维复合材料。福特公司2007年所作的研究证明了碳纤维复合材料可以将零部件种类减为原来的8%，加工费用相对钢材降低60%，粘结费用相对焊接减少25%～40%，而且具有极好的韧性和抗冲撞性能。目前已开始批量用于汽车等领域，如制动盘制动器衬片、离合器面片等，并有望大规模应用。

用结构陶瓷代替高强度合金制造涡轮增压发动机、燃气轮机和绝热发动机，可以将发动机的燃烧温度从700 ～800℃提高到1 000℃以上，热效率提高1倍以上。结构陶瓷质量为铁的一半，节能效果非常显著，同时还能减少环境污染，节约钢材等金属材料。

4. 对智能制造装备的需求

多样化时代汽车零部件制造新兴了一种多品种单件小批制造系统，对高端制造装备的需求可以概括为智能装备。

（1）新品研发的需求 面临节能环保的巨大压力，我国每年要研发上百种新发动机，需求巨大。一汽“十二五”将投资55.7亿元新建研发中心，每年新发动机研制任务繁重。奇瑞公司已经研发了30余种新发动机，试制需求为500～800台/年。实施快速柔性制造技术是突破国外技术垄断的重要途径。 发动机主要零部件（缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆及异形件）的试制已经严重制约了发动机设计水平的提升，矛盾主要体现在质量、成本、周期。目前，多数发动机试制车间仍然使用通用型加工中心试制复杂壳体，质量差、周期长。

汽车发动机新品研发对多品种单件小批制造系统的自动化、柔性化、高效率要求越来越高，是21世纪机床智能化发展的重要方向。Mazak公司新开发的多托盘制造单元（palletech manufacturing cell），是由多达几十个托盘组成的制造单元，可自动加工出几十种几何形状各异的零件。笔者近年参观Mazak公司时，对其展示中心的大厅陈列一台F1跑车不解，主人解释说，这台

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车设计完成后，他们用一台多托盘制造单元，可对由多达十几种零件组成的多种总成实施自动化“单台套件生产”，完成了F1赛车的多种关键总成的单件小批制造，成为汽车复杂部件快速研发的有力装备。多托盘制造单元其实是20世纪80年代出现的由多托盘组成的柔性制造单元（FMC）的最新发展，FMC的设计思想即是解决多品种零件混流生产，但是传统的FMC效率太低，生产实际鲜有超过8托盘的，很难实现复杂零部件的“单台套件生产”。为了满足如F1跑车这样复杂的多总成的多种复杂、精密零部件“单台套件生产”的需要，他们制造了由16台多托盘制造单元组成的柔性制造系统（FMS），三层共有240个托盘（3×80），可以说是当代智能制造系统的杰出代表。

（2）多品种变批量制造模式的需求 20世纪90年代敏捷制造的出现，使人类经济步入“多样化时代”，多品种变批量成为新兴汽车零部件制造系统的特征。特别是专业化发动机和变速器企业，生产中面临多达几十种品种和变批量的需求。对生产线或制造单元的柔性要求非常高，智能制造装备的需求将越来越多。

四、结语

国家重大专项，是改变汽车制造技术落后、装备依赖进口的重大或惟一机遇，笔者担忧错失良机。如果不幸言中，一方面，有可能在未来我国汽车大发展的十几年间，仍然被迫进口新一代生产线生产中国汽车，长期掌握不了核心制造技术，无法在采用世界先进汽车技术同时降低制造成本（占总成本1/3多），使我国由汽车大国转变为强国的愿望化为泡影；另一方面，我国机床产业将再次与汽车产业大发展失之交臂。

我国汽车产业“十一五”投资将超过万亿元，是过去10个五年计划投资总合的两倍多。 “十二五” 是我国产量跃居世界第一后实现由汽车大国向强国转变的关键时期，投资还会增加。在04专项实施期间，汽车业购买装备的资金将超过2万亿元! 目前对外技术依存度约70%，如2020年能够降低到中央提出的30%的目标，从“十一五”到“十三五”平均达到50%，则汽车工业为国内机床及相关装备制造产业提供约万亿元市场。这是我国机床及相关装备制造产业大面积进入汽车产业最后的机遇期。一旦失去万亿元订单，中国装备制造业何其谈振兴！

（收稿日期：20100917）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0xt4.html