通过分析汽车零部件机械加工技术和设备的特征。介绍了我国汽车制造业机械加工的现状，简述了国外先进机械加工技术的动向。阐述了汽车发动机制造技术的发展趋势和变革。
1 我国汽车制造机械加工现状
几十年来，我国汽车制造技术及装备经历了曲折过程。上世纪70年代，为装备第二汽车制造厂（生产载货车）组织了130多个机床生产科研单位研发了117条自动线和1004种5500台高效专用设备，汽车制造国产化率达到96％。上世纪80年代，我们汽车工业重点转入轿车，国内机床工业很不适应，产品及制造技术和装备多数为国外引进。2005年以来，我国汽车行业每年投资超过1000亿元RMB，2007年总产量达888.24万辆，生产能力超过1000万辆。动力总成制造工厂中大部分为机械加工设备，主要精加工设备为欧美及日本等国产品，齿轮加工设备国产机床占了大半江山，沈阳机床集团，北京机电院、北京第三机床厂等已经为一些汽车厂提供了立式加工中心生产线，东风汽车有限公司的设备制造厂也为东风本部，东风康明斯、东风本田、神龙汽车公司及其他国内汽车发动机及总成厂提供了大量的专用机床生产线，中小型加工中心。目前数千台国产数控车床在汽车行业应用并获好评，大连机床集团并购INGERSOLL公司后，近几年为汽车发动机工厂提供了上百台高速加工中心组成的自动线，这些汽车厂家与机床厂家联手开发制造工艺及装备，其生产线的工艺技术及装备部分接近同期世界先进水平。但大部分机械加工设备的刀具（高精度的磨具）及数控元器件依赖进口。
总体来说，我国机械加工设备与世界先进水平还有不少差距，主要表现在以下方面。
（1）硬件：主要是数控机床无法满足汽车对精度、精度保持性、可靠性、寿命的需要。
（2）软件：缺乏将工艺系统、物流系统、信息系统集成为制造单元或流水生产线的技术。
（3）自主创新：我们基本没有制造技术自主创新体系，在现代发动机制造技术，高速加工技术中，由高级复合化机床组成的制造单元等方面差距很大，对现代汽车制造装备特别强调。解决方案“方面差距更大。
2 国外先进机械加工技术动向
（1）柔性制造技术：采用CNC机床和自动化技术，柔性制造系统和制造工厂，设备采用模块化设计，能同时生产多个结构不同的产品。
（2）高速加工技术：应用高速机床及高速刀具技术等大幅提高切削效率，主要涉及到信息技术，自动化技术，经营管理技术及系统工程技术。
（3）高速高效刀具技术：主要表现在高性能刀具材料的研发（含表面涂层材料），刀具制造工艺技术，刀具安全技术及刀具使用技术等领域。
（4）工序集中化：流程简捷化。采用一工位多工序、一刀多刃。或车、铰、铣削替代磨削，以拉削、搓、挤、滚压加工方式替代滚、插、铣削的方式，采用复合工艺，尽可能缩短整条线的工艺流程。
（5）干式切削技术：干式切削分为两种，一种为完全不使用切削液，另一种为用气体混合微量润滑剂的准干式切削，减少切削液对环境和人的不利影响。
（6）珩磨新技术：如发动机缸体缸孔激光造型珩磨、模块化珩磨、柔性夹具，珩磨头自动更换等。
3 汽车零部件机械加工技术和设备的特征
3.1 汽车零部件机械加工生产线的技术特征
一个多世纪以来，流水生产线一直是汽车及零部件生产方式的主体，其根本技术是集成技术——将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线。
（1）工艺系统：即机床-工具-工件系统。现代汽车制造（特别是轿车）生产线的工艺装备已经进入柔性化时代，它由数控机床和智能工具组成。
对机床的主要要求是高速度、高精度、高精度保持性（高机床工程能力指数Cm/Cmk和高可靠性）。用于发动机生产线的高速加工中心，快移速度已达 60-100 m/min，加速度达0.6-1.5g，主轴最高转速达8000-15000 r/min，定位精度/重复定位精度——工作台在1m以下为8μm/4μm（VD I标准），工作台1m以上为10μm/5μm（VD I标准），主轴普遍应用电主轴，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，机床非常筒约，外购件l配套件）比例增加，交货期大大缩短。如我公司大功率发动机生产线引进的CINCINNTI LAMB公司的HPC80hp加工中心，CROSS HULLER公司的”啄木乌“加工中心，以及MAZAK公司新一代UH”瘦身“型加工中心等。
目前国际上的数控机床的工程能力指数Cm/Cmk≥2.0/1.67，平均无故障工作时间（MTBF）达5000-8000 h（受夹具和刀具的影响，该值实际有所降低）。
（2）物流系统：由原材料处理、存贮，上下料装置和机床问传输装置组成。在单台数控机床配备工件库或原材料库以及自动上下料（系统）装置（含机械手、机器人）的条件下，即在与物科存储与传输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科存储和传输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：主要包括生产控制、刀具更换、工装及附件更换、工件调度、自动编程、自动监控、自动补偿、工件质量自动控制、刀具磨损或破损后的自动更换和自动报警等。最新要求是具备CAD，CAM功能，运程生产线管理和维护功能，故障诊断和自动修复功能等。
3.2 发动机制造技术的发展与变革
汽车面世以来。发动机制造技术已经经历了两次变革，现在正酝酿着第三次革命。第一革命发生在20世纪初，美国FORD汽车公司发明了大量生产流水线。其主要方式是由组合机床和专用机床组成的自动生产线TL，也称传统自动线，最大优点是生产效率高和价格低，最大缺点是柔性差，我国汽车行业从诞生起至上世纪 90年代一直沿用TL，一汽和东风的载货车发动机厂都是如此。目前我国轿车行业大多不采用TL，但国外大量生产稳定产品的生产线中，TL仍是最佳选择。
上世纪90年代出现了高转速、高快移速度、高加速度、快速换刀的高速加工中心，由其组成的高速柔性生产线FTL是发动机制造技术的第二次革命，其突出特点是一定程度上克服了高柔性和低效率的矛盾，缺点是投资大，效率受局限，目前是轿车的热点生产线，商用车发动机生产厂也有局部采用，并采用有简单柔性的数控专用（可交换多轴头和夹具）机床组成的TL。
为进一步提高高速柔性生产线的生产效率，FTL的最新发展的敏捷高速柔性生产线AFTL，其目标是对变化的市场需求快速作出反应。满足汽车发动机多品种，大中批量、高效率、低成本生产的需要，符合”精益生产“原则。其主要特点：由通用高速加工中心和专用，组合机床组成的混合型柔性生产线 （HSMC+SPM/TM），按照工序流程排列设备并由自动输送装置连接，全部生产线上机床，输送和工件识别均在一个控制系统中；采用敏捷夹具（柔性夹具可控、可调），采用智能刀具——为特定工件加工设计的一系列专用高速刀具。这种生产线的优点是生产效率高，同时又具有相当的柔性，能够适应大批量生产和变型产品生产，投资较小。缺点是柔性受局限，不能加工不可预见的任意品种的零件。目前，混合型柔性生产线在国外应用广泛，国内一些发动机厂家通过引进国外设备，同时增加部分国产设备组成生产线的应用较多。
现在发动机制造技术正酝酿着第三次革命。发动机研发越来越快，新品开发周期越来越短（从30个月缩短到13个月），车型数量多，生产批量不确定。目前的柔性生产线价格昂贵、投资风险大，同时产能过剩矛盾越来越突出，尤其在我国更加突出。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，以满足变品种、变批量的需要，且兼顾高柔性、高效率、低投资的要求和市场快速反应的能力。同时，也在探讨通过制造系统的革命来解决产能过剩的矛盾。
美国提出了可重构制造RMS，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和生产批量变化。为此，研制克由标准化模块组成的可重构机床RMT。RMS的结构和布置可按需要在用户现场快速重组。RMS的应用基础之一是柔性夹具。美国GM公司已经开发出柔性夹具系统，可以快速（在15min内把一种夹具变成第一种夹具配置）更换以生产不同的发动机缸体或缸盖。日本MAZAK公司开发出市场响应型自独立制造系统MSM，其实质是”单台套件生产“。
目前该项目是国际上热门话题，我国已列入科技发展规划。RMS和MSM投入发动机实际使用虽为时尚早，但却是未来发动机制造的方向。
3.3 高速加工技术的应用及发展趋势
（1）国内主要轿车工厂引进国外高速加工机床及刀具情况
目前，国内汽车发动机及总成工厂大多引进欧美及日本等国厂商的数控生产自动线，处于国际上世纪90年代中后期水平，应用了较多，较突出的高速加工技术（高速加工机床及高速加工刀具技术）。其典型技术特点简要分述如下：
a.机械加工工艺流程反映了当代轿车制造业中最先进的水平，生产节拍30-40s，生产线部分采用风冷干式切削加工技术。
b.刀具材料的选用。以超硬刀具材料为主。采用CBN、SiN陶瓷、Ti基陶瓷、TiCN涂层刀具材料加工高强度铸铁件，铣削速度2200m/min；采用PCD、超细Si-Al铸造件，铣削速度达2200m/min，钻、铰速度达80-240m/min：采用SiN陶瓷、Ti基陶瓷及TiCN涂层刀具加工精锻结构钢零件，车削速度达200m/min；采用高Co粉末冶金表面涂覆TiCN的高速钢整体拉刀、滚刀、剃齿刀以及硬质合金机夹组成专用拉刀，加工各种精锻钢件、铸铁件，拉削速度10-25m/min，滚削速度110m/min，剃齿速度170m/min。
c.刀具典型结构与加工工艺
零件孔加工刀具采用多刀复合式结，以铰、挤削替代磨削，在一次性走刀过程中完成孔的精加工；平面铣削刀具采用密齿、过定位、重复夹紧结构，径、轴向双向可调的高速密齿面铣刀；曲轴颈加工采用双工位车-拉削专用刀具。缸体缸孔镗削采用双工位、机床主轴内置式、轴向往复运动推拉杆结构，往走刀-精镗，复走刀-精镗，切削速度达800m/min。高速、高效刀具结构不胜枚举。
d.高速专用数控机床。现用于加工轿车发动机变速器等关键零件的多数加工工艺，突破了传统的加工理念，机床也突破传统的结构型式。概括讲，其机床结构设计以各种高速多刀，专用成型刀具和加工工艺为主导，以满足整条生产线各加工工位，加工工序生产节拍均衡及稳定的质量与精度要求，在一次往复走刀过程中，高速加工发动机、变速器各种零部件而构成设计和制造的。对机床数控系统，质量与精度、零部件的材料性能等技术参数，根据各加工工位、工序的具体要求，分解成各个单一的指标，因而机床的结构相对简捷，数控系统稳定可靠。其加工技（Know How）数据库固化在数控系统中，因而这些机床一般都具有动态刚度好、主轴回转和行程定位精度高的特性。机床主轴一般在6000r/min以下，快进在 20m/min以内。
由于种种原因，我国一些高速加工技术基础共性技术研究没有优化，集成和推广应用。国内企业大都从外国引进高速加工设备（技术），存在差距理所当然。主要表现在零件毛坯制造技术，高速刀具技术，高速机床技术以及生产技艺数据库等方面的差距。
（2）高速加工技术发展趋势及应用前景
机床技术的发展，就是满足零件（产品）的生产过程中有关零件精度（质量）、生产率、生产成本、刀具（工具）轨迹及其他特种性能等各方面的技术要求。机制科技领域里，零件、刀具与机床三者技术连体，研讨高速加工技术时要三位一体系统分析、考察；在当今信息时代，研讨高速加工技术必须要涉及到信息技术、自动化技术、经营管理技术及系统工程技术。
在全球一体制造环境里，高速加工系统工程技术必然在各类制造企业中得到广泛应用，主要在以下几个方面取得进步和发展。
a.零件毛坯制造技术：快速成型，少、无切削加工。
b.刀具技术：超硬、高速、干式切削、复合刀具。
c.机床技术：高速、复合加工中心模块化。
d.自动生产线：柔性、敏捷制造工程技术。
e.测量技术：数字化、图形处理、随机高速测量技术。
f.网络技术：宽带网及网络安全技术。
4 结束语
近几十年来，机械加工技术的发展很快，各种新技术在不断发展和应用。尤其是以数控机床发展为先导，即以数控机床专机化或者是以专用机床数控化来解决柔性和高效率的矛盾。目前，汽车零部件的生产大多采用高速加工中心组成的敏捷生产系统。欧美及日本等国不仅掌握了设备制造的专用技术，而且都非常重视汽车制造工艺流程的开发，他们能够实现交钥匙工程，拥有自己的系统开发能力，机床可靠性指标极为先进，制造成本不断降低，新产品投放周期大大缩短。
汽车制造机械加工技术的研究应用及装备本地化是我国汽车产业和机床产业共同的历史使命。目前我国机加工新技术的研究应用发展很快，有一批设备厂家生产的装备已接近国际先进水平，如东风公司设备制造厂生产的PM400II高速加工中心，大连亿达，沈阳数控等厂家生产的加工中心及专用数控自动线都已应用到先进发动机总成的零件加工，重庆机床厂生产的数控齿轮加工设备也大量用于高速齿轮加工，还有国内很多机床厂已生产出用于生产的接近国外水平的各种数控机床产品，他们已经掌握了生产线集成技术。我们相信，紧紧抓住汽车产业20年大发展的战略发展机遇，加速汽车制造技术及装备创新体系建设，国内机床制造商真正树立以用户为中心的市场持续改进的思想，我国的汽车制造技术和装备水平赶超先进发达国家就指日可待了。
