馬為清 石 勇 李 潔 牛江蓉

(①機(jī)械工業(yè)信息研究院，北京 100037;②電子工業(yè)出版社，北京 100036)

汽車制造業(yè)是數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備的最大用戶，約占市場(chǎng)需求總量的40%。“十一五”期間，我國汽車年產(chǎn)量和銷量均超過1 500萬輛，預(yù)計(jì)“十二五”末期我國汽車工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到年產(chǎn)2 000萬輛以上。我國整車制造正面臨著從傳統(tǒng)生產(chǎn)線向現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)線全面過渡，同時(shí)我國正在成為汽車零部件加工工廠，因此，我國汽車制造裝備行業(yè)正面臨著技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)刻。

1 汽車制造的發(fā)展趨勢(shì)

1.1 節(jié)約能源，減少對(duì)環(huán)境的影響

在汽車技術(shù)領(lǐng)域，減少環(huán)境污染是最重要的問題。因此，不僅要提高燃油效率，降低能源消耗，還要求汽車能夠使用多種能源。降低燃油消耗、減少車輛廢氣排放量的終極目標(biāo)是零排放，甚至是能清潔空氣的車輛運(yùn)行，這就是預(yù)期的環(huán)保汽車。

車輛的輕量化既可以降低燃油消耗，又可以減少車輛廢氣排放。通過采用重量輕的材料可以減輕車輛的重量，纖維增強(qiáng)塑料、陶瓷增強(qiáng)鎂、鈦等材料都在考慮之列，未來的各種汽車零部件都有可能采用這些材料。目前這些材料還屬于難加工材料。隨著需求的增加，這些硬質(zhì)材料的加工技術(shù)研究會(huì)逐漸受到重視。

提高汽油的燃燒效率可以使未來汽車每百公里燃油消耗比柴油車還少。為了繼續(xù)改善汽油的性能，除了提高燃燒效率，減小摩擦力也很重要。因此，表面粗糙度成為未來衡量精密加工技術(shù)形狀精度的重要指標(biāo)。

提高汽油燃燒效率的技術(shù)途徑有以下幾種:①直噴發(fā)動(dòng)機(jī)是將高壓燃?xì)庵苯訃娚溥M(jìn)汽缸內(nèi)，噴嘴微孔的加工精度非常重要。②除汽油發(fā)動(dòng)機(jī)外，減少柴油機(jī)氮氧化物及黑煙排放的、以“清潔柴油”為目標(biāo)的其他改良工程也在繼續(xù)發(fā)展。例如，均質(zhì)壓燃HCCI(均質(zhì)·壓燃·帶電)被認(rèn)為是一種有前途的燃燒方式，因?yàn)椴恍枰c(diǎn)火而沒有點(diǎn)火系統(tǒng)，壓縮、加熱燃料和空氣的混合物時(shí)會(huì)減少柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的氮氧化物排放，比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性更好。但是，為此需要發(fā)動(dòng)機(jī)能夠承受高壓縮的強(qiáng)度，面臨的挑戰(zhàn)是如何提高發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的承受壓力。③多級(jí)或無級(jí)傳動(dòng)并不過時(shí)，可以通過選擇最佳齒輪傳動(dòng)比來提高燃燒效率。為了提高傳動(dòng)效率，齒輪、軸承等機(jī)械部件的高精密加工技術(shù)非常重要，尤其是寄希望于齒輪磨削、齒輪珩磨等技術(shù)的長足進(jìn)步。

此外，積極開發(fā)替代生物能源燃料，使用合成燃料代替汽油或柴油燃料可以減少汽車排放對(duì)環(huán)境的污染。因此，電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車的開發(fā)代表了汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

1.2 高性能化和高科技化

當(dāng)代汽車已經(jīng)不僅僅只是一種將人安全、快捷地送達(dá)目的地的機(jī)械，更是能夠?qū)⒙糜巍⑸虅?wù)等包括在內(nèi)的一個(gè)綜合服務(wù)系統(tǒng)，因此，汽車還應(yīng)該具備支持移動(dòng)服務(wù)的各項(xiàng)能力。當(dāng)然，始終保持乘坐人員在各種情況下的安全還是最根本的要求，因此自動(dòng)剎車、自動(dòng)防撞功能發(fā)展得很快。汽車智能系統(tǒng)不僅能將車輛碰撞檢測(cè)的結(jié)果告知司機(jī)，而且已經(jīng)發(fā)展到具有協(xié)助制動(dòng)的能力。

加速度傳感器、剎車和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)上述功能的技術(shù)。在汽車智能系統(tǒng)中，傳感器、攝像機(jī)和通訊設(shè)備負(fù)責(zé)信息采集，輸送至中央處理器，產(chǎn)生的控制信號(hào)傳至電動(dòng)執(zhí)行器，使汽車自動(dòng)剎車或轉(zhuǎn)彎。此外，借助汽車的全球定位系統(tǒng)可以了解地形信息，實(shí)現(xiàn)安全駕駛，附帶滿足增加安全、舒適和便利的需求。對(duì)于智能交通系統(tǒng)，即多功能信息終端，未來的發(fā)展是增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力和安全特性，以幫助避免和預(yù)防發(fā)生交通堵塞和擁擠。同時(shí)，考慮將停車場(chǎng)、快餐店及旅游景點(diǎn)的自動(dòng)計(jì)費(fèi)功能也集成進(jìn)去。

1.3 功能集成

汽車不僅作為滿足人們空間移動(dòng)的工具，還可以成為享受的一種方式。汽車可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的基本性能，轉(zhuǎn)彎或隨意停車，運(yùn)動(dòng)過程中為了使人們能夠享受駕駛的安全性，需要底盤的剛度更高、懸架由輕質(zhì)材料制造、輪胎更耐用。還需要汽車有熱屏蔽及隔離噪聲和振動(dòng)功能，阻止熱量傳遞和降低噪聲和振動(dòng)，使駕駛員更舒適。

為了讓人們?cè)诼猛局邢硎苁孢m和快樂，汽車將添加視頻娛樂功能。另外，人類還需要汽車具備其他額外的功能，如遠(yuǎn)程信息處理和下載視頻，檢索沿途餐飲、泊車、住宿以及購物等信息的功能。

2 汽車生產(chǎn)過程中的制造技術(shù)需求

對(duì)于有大量材料需要移除的工件，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或超薄結(jié)構(gòu)的工件(如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋，汽車覆蓋件模具等)，傳統(tǒng)上需要花相當(dāng)長的機(jī)動(dòng)工時(shí)加工的工件以及設(shè)計(jì)變更快速、產(chǎn)品周期短的工件，通過高速加工中心加工均能顯示出高速切削所帶來的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及其配件的制造技術(shù)

(1)重視成本的柔性生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)

用高速加工中心組成高效率的柔性生產(chǎn)線具有小型化、柔性突出以及易于變更加工內(nèi)容等顯著特點(diǎn)。為了發(fā)揮以車削加工中心和鏜銑類加工中心為代表的高速切削加工技術(shù)和自動(dòng)換刀功能的優(yōu)勢(shì)，提高加工效率，對(duì)復(fù)雜工件的加工盡可能采用集中工序的原則，即要求在一次裝夾中實(shí)現(xiàn)多道工序的集中加工，淡化傳統(tǒng)的車、銑、鏜、螺紋加工等不同切削工藝的界限，充分發(fā)揮設(shè)備和刀具的高速切削功能。

同時(shí)，對(duì)刀具也提出了多功能的新要求，要求一種刀具能完成工件不同工序的加工，減少換刀次數(shù)，節(jié)省換刀時(shí)間，以減少刀具的數(shù)量和庫存量，有利于管理和降低制造成本。較常用的有多功能車刀、銑刀、鏜銑刀、鉆銑刀、鉆－銑螺紋－倒角等刀具。在批量生產(chǎn)線上使用一些針對(duì)性的工藝策略，還需要開發(fā)專用刀具、復(fù)合刀具或智能刀具以提高加工效率和精度，減少投資。在高速切削條件下，有的專用刀具可將零件的加工時(shí)間降至原來的1/10以下，效果十分顯著。

由于產(chǎn)品更新周期不斷地在縮短，品種數(shù)不斷地增加。在這種情況下，如何縮短更換品種的時(shí)間成為一大關(guān)鍵問題;由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改變，其加工設(shè)備如何靈活地與之相適應(yīng)(即具備柔性)又是一大課題。于是又出現(xiàn)了以高柔性的通用加工中心構(gòu)成的柔性制造系統(tǒng)(FMS)。這里所說的高柔性的通用加工中心不同于一般概念下的加工中心，它們是專門為批量生產(chǎn)而開發(fā)的，充分滿足了納入批量生產(chǎn)用的FMS所具備的條件，即高生產(chǎn)率、省面積、易排屑、安裝移位容易及連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能優(yōu)越等，是一種高速緊湊型加工中心。柔性生產(chǎn)線是制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢(shì)，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造中發(fā)揮著無可替代的作用。

(2)用于柴油/汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的蠕墨鑄鐵的加工技術(shù)

蠕墨鑄鐵(CGI，Compact Graphite Cast Iron)兼有球墨鑄鐵(SGI，Spheroidal Graphite Cast Iron)和灰鑄鐵的性能。與灰鑄鐵相比，蠕墨鑄鐵的強(qiáng)度和剛度超過灰鑄鐵75%，抗疲勞強(qiáng)度提高1倍，高溫強(qiáng)度和制動(dòng)特性居于灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。因此，蠕墨鑄鐵具有獨(dú)特的用途，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣管、柴油機(jī)缸蓋、制動(dòng)零件等方面的應(yīng)用均取得了良好的效果。

蠕墨鑄鐵的機(jī)械特性決定了其加工時(shí)的切削速度要低于加工灰鑄鐵時(shí)的切削速度，生產(chǎn)率也相對(duì)低一些。蠕墨鑄鐵在粗加工中可以獲得良好的表面質(zhì)量，但是在精加工中卻存在問題。蠕墨鑄鐵的延展性好，抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度約為灰鑄鐵的兩倍，在加工中更易產(chǎn)生毛刺。國外機(jī)床制造商會(huì)同工具制造商以縮短加工時(shí)間、延長刀具壽命為目標(biāo)共同研究蠕墨鑄鐵的切削技術(shù)和工藝參數(shù)，使用麻花鉆鉆孔和缸體鏜削工藝過程均取得了良好效果。

2.2 汽車覆蓋件及零件模具的加工新技術(shù)

一種型號(hào)的汽車往往需要上千副零件模具，為了盡快適應(yīng)新車型的需要，汽車內(nèi)、外覆蓋件模具和其他成形模具等都必須縮短制作周期和降低生產(chǎn)成本。汽車的內(nèi)外覆蓋件、儀表盤等大都采用注塑模具批量制造，而這些注塑模具一般都是復(fù)雜型腔和薄殼結(jié)構(gòu)，普通的切削加工往往不能同時(shí)滿足表面粗糙度、彎曲度的精度要求，為此還需施以適當(dāng)?shù)氖止ぞ藜庸ぁＲ虼?，高速切削加工是此類模具加工制造的首選工藝方案。模具經(jīng)過高速、少切削精加工后，鉗工修模工作量大為減少，模具制造周期可縮短40%。

(1)高速銑削技術(shù)

高速銑削技術(shù)在加工三維自由曲面、超硬材料方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。用高速銑削(注:用高速切削加工方法加工模具的技術(shù)領(lǐng)域，銑削方式占90%以上，工程界習(xí)慣稱高速銑削)方法加工模具，不僅可采用高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給，且粗、精加工可以一次完成，大大提高了覆蓋件模具的加工效率。采用高速切削加工硬度60 HRC以上，表面粗糙度Ra0.6 μm的淬硬鋼模具時(shí)，可以達(dá)到磨削加工的水平，效率比電加工高數(shù)倍，不僅節(jié)省了大量的修光時(shí)間，還可代替絕大部分的電加工工序。

例如，汽車覆蓋件模具大多由各種自由曲面構(gòu)成，高速銑削用高轉(zhuǎn)速、小切深、大進(jìn)給的加工方法，能提高模具的制造精度，延長模具的使用壽命，從而提高注塑件的質(zhì)量。而且在大進(jìn)給速度條件下，高速銑削機(jī)床具有高精度定位功能和高精度插補(bǔ)功能，特別是圓弧高精度插補(bǔ)。又如，對(duì)于前圍檔板沖壓模具的精加工，主要應(yīng)保證型面的質(zhì)量。一般情況下，大面積精銑時(shí)要求銑削過程中不更換銑刀或刀刃，一次完成整個(gè)型面的銑削，這對(duì)銑刀的精度和耐用度要求相當(dāng)高。利用高速切削的技術(shù)特征，選用高切削速度、微進(jìn)給量和多次切削的精加工工藝，可以滿足覆蓋件模具自由曲面加工的要求。為保證沖壓過程中容易進(jìn)料，應(yīng)使加工刀紋與沖壓材料進(jìn)料方向一致，因此宜采取射狀走刀。

(2)高速進(jìn)給切削技術(shù)

作為提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵技術(shù)，除了高速切削，還有高速進(jìn)給技術(shù)。在切削速度保持不變的前提下，提高進(jìn)給速度可以成比例地提高切削效率。在切削深度比較淺的情況下采用大的進(jìn)給量進(jìn)行切削加工，要求刀具的刃口具有特定的形狀。

為了避免發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)給分力在總切削力中所占的比例不得超過主切削力。在切削深度比較淺，而且工件材料經(jīng)過適當(dāng)熱處理的情況下，進(jìn)給速度可以從380～500 mm/min提高到2 540～7 620 mm/min。

高速進(jìn)給切削技術(shù)的另外一個(gè)特點(diǎn)是，在生產(chǎn)率相同的前提下可以減小機(jī)床載荷，相應(yīng)的功率消耗也少，刀具磨損也會(huì)減少。但是采取高速進(jìn)給切削技術(shù)也免不了必要的投資，也就是說該機(jī)床的工作臺(tái)必須具有高速進(jìn)給功能。

此外，高速進(jìn)給加工技術(shù)的真正優(yōu)勢(shì)在于，在一次性的加工工序完成以后，不需要再使用其他工具進(jìn)行后續(xù)加工。高速進(jìn)給切削技術(shù)的推出，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且提高了投資效益。

(3)電火花加工自動(dòng)化

電火花加工(EDM)在汽車模具加工領(lǐng)域占有重要地位。電火花加工技術(shù)可以加工淬火后的模板，避免熱變形的弊病和鑲拼結(jié)構(gòu)，既簡化了模具結(jié)構(gòu)，又能提高模具強(qiáng)度與壽命。電火花改性技術(shù)在模具表面處理方面有重要的應(yīng)用。為改進(jìn)模具表面的質(zhì)量，利用電火花脈沖放電產(chǎn)生高溫的工作原理，用硬質(zhì)合金(如YG8等)做電極材料，將硬質(zhì)合金材料熔滲到模具及易損件的工作面上，形成一層高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨、高耐溫、又不剝離的硬質(zhì)白色合金強(qiáng)化層，改變表面的物理、化學(xué)性能，是對(duì)模具進(jìn)行表面處理非常有效的方法。

目前，電火花線切割加工機(jī)床已經(jīng)配備了在Windows平臺(tái)上運(yùn)行的加工軟件，實(shí)現(xiàn)了電火花線切割加工技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)的完美結(jié)合。電火花加工技術(shù)具有一系列特色和生產(chǎn)效益方面的巨大潛力，早已成為德、美、日等國競(jìng)相研究的重要技術(shù)領(lǐng)域，不同規(guī)格的各種商業(yè)化高速機(jī)床也已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，應(yīng)用于飛機(jī)、汽車及模具制造等行業(yè)。

總之，汽車產(chǎn)品向節(jié)能化、小型化、電動(dòng)化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)，尤其是汽車產(chǎn)品的多樣化、車型覆蓋的寬領(lǐng)域、大批量生產(chǎn)的快節(jié)奏，這些特點(diǎn)對(duì)制造工藝和裝備提出了更高的要求。