面向汽车行业基础制造装备创新进展

作者:04专项技术副总师 王德成 点击数:15 发布时间:2019-08-20
通过04专项的实施,汽车行业急需的基础制造装备取得了显著成效,形成了以全自动冲压生产线为代表的一系列标志性成果,自主化创新保障能力基本形成。
面向汽车行业基础制造装备创新进展

04专项面向汽车行业基础制造装备任务部署

高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(以下简称“04专项”)实施以来,围绕汽车整车制造“四大工艺”、汽车发动机和变速器等关键零部件制造需求,在冲压、焊接、涂装、关键零部件制造以及检测与试验装配等成套设备的创新方面,共安排了课题50余项,经费总投入超过25亿元,取得了显著的经济和社会效益。

冲压作为汽车制造的四大工艺之一,主要用于生产汽车覆盖件。汽车制造的质量与效率,要求冲压生产线必须具有高生产效率、高可靠性和高稳定性的特点。04专项前期,在单机、生产线、创新平台和示范工程等方面开展了系列任务部署。在车身覆盖件方面,围绕“形成具有国际先进水平的系列化汽车车身自动化冲压生产线”这一目标,先后开展了大型快速高效数控全自动冲压生产线、大型多工位压力机自动化生产线、大型数控单双动薄板液压机、大型伺服压力机和全伺服冲压生产线等任务的攻关。在车身结构件方面,重点安排了内高压成形、高强钢冷热冲压成形技术与装备等课题,满足了关键瓶颈性装备的急需,填补了国内空白。围绕汽车发动机与变速器关键零部件的制造,加强了高速精密数控冲床、大公称力行程冷锻成形压力机、精冲压力机和冲压模具等产品的攻关部署,形成了全面的自主化保障能力。

在焊装方面,部署了焊接自动化成套装备、点焊机器人、弧焊机器人、全自动激光拼焊生产线以及基于国产激光器和机器人的白车身焊接自动化生产线等任务,主要为了解决长期制约国产焊接生产线的核心装备和关键工艺瓶颈问题。

在涂装方面,聚焦了涂装机器人、乘用车车身环保柔性涂装生产线和多材质车身柔性涂装生产线等任务,为形成自主化整线能力提供核心装备支撑。

在发动机关键零部件制造方面,以填补空白为导向,部署了发动机铸件砂型近净成形成套设备、铝合金低压铸造成套装备以及3500t精密卧式实时控制压铸机、数字化无模铸造成形装备和大型精密压铸模具等任务,以满足关键瓶颈装备的自主化急需。

在检测与装配方面,部署了汽车变速器在线检测设备、汽车精密液压系统(ABS/ESP)智能化检测与装配系统和柴油发动机柔性自动化装试生产线等任务,以满足汽车发动机、变速器关键检测与装配装备的自主化急需。

同时,04专项还设立了精密塑性成形和大型精密复合冲压两个创新能力平台,以技术开发、技术推广和工艺研究为基础,为汽车企业及装备开发企业提供持续的技术支撑。

到2020年,通过04专项的深入实施,面向汽车行业的基础制造装备将形成从无到有、从低端到高端以及从单机到成套设备的自主创新能力,为汽车行业快速发展提供关键的装备保障支撑。

基础制造装备取得显著成效

自2009年起,通过9年的实施,面向汽车行业的基础制造装备在产品设计、制造与应用方面的能力均显著增强,取得了显著成效,具体表现在:

1. 整车制造“四大工艺”装备取得重大突破,部分装备实现了出口应用

目前,我国自主制造的冲压生产线已在市场中占据主导地位,覆盖件冲压设备的国产化率已达到80%。国内主要冲压设备制造企业已经能够成套提供单机联线自动化生产线。例如,济南二机床集团有限公司开发的“大型快速高效全自动冲压生产线”,突破了多项关键核心技术,生产节拍最快可达15件/min,整线全自动换模时间仅为2.8min,达到国际先进水平。该公司累计承接的91条大型快速全自动冲压生产线订单,装备了国内几乎所有自主品牌、合资品牌的汽车企业,国内市场占有率达到70%以上,并获得了福特美国工厂9条生产线、日本日产美国工厂和日本九州工厂2条生产线以及雪铁龙汽车公司法国工厂一条生产线的订单。


济南二机床集团有限公司的大型快速高效全自动冲压生产线

齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司研制的2500t多工位自动冲压生产线,应用于汽车薄板冲压零件的全自动高效加工,可代替由4~6台压力机组成的冲压生产线,冲压节拍最高可达25次/min,与同等吨位多工位压力机相比,冲压生产效率提高了2~3倍,大幅降低了能耗,节省生产作业面积40%左右,达到国内领先水平。


齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司的2500t多工位自动冲压生产线

在04专项的支持下,济南二机床集团有限公司、中国第一重型机械集团公司开展了大型伺服压力机技术的研究和应用工作,在此基础上,开发出了国产全伺服高速自动冲压线,与传统全自动冲压线相比,生产节拍达到18次/min,生产效率提高了20%,生产柔性也更加优越,可实现“绿色、智能、融合”的全伺服高速冲压生产。


国产首条全伺服高速自动冲压生产线

合肥合锻机床股份有限公司研制的大型数控单双动薄板液压机,解决了形状复杂、大拉伸比和高精度的覆盖件成形难题,打破了德国舒勒、日本川崎等国外产品的技术封锁和市场垄断,产品在比亚迪股份有限公司、安徽江淮汽车集团股份有限公司和南京依维柯汽车有限公司等50余家汽车整车企业及其零部件企业得到了批量应用,价格仅为国外价格的1/3,性能达到了国际先进水平。


合肥合锻机床股份有限公司研制的大型数控单双动薄板液压机

国产点焊机器人、弧焊机器人也取得了突破,并在焊装生产线上得到了示范应用,解决了长期制约国产焊接生产线的核心装备瓶颈问题。开发的全自动激光拼焊生产线,可焊接厚度0.5~3mm的板材,最大焊接速度达9m/min,最大焊接效率5件/min,多组同时拼焊数≥3,满足了250~2200mm焊缝长度的焊接要求,打破了国外板材激光拼焊生产线对我国的垄断。


新松机器人自动化股份有限公司的点焊机器人


为奇瑞汽车股份有限公司装备的点焊机器人

涂装生产线的核心装备——涂装机器人实现了自主开发,为整线的国产化奠定了基础。多材质车身柔性涂装生产线的研发,将满足不同材质和多车型车身、短工艺等对节能环保、高效智能的柔性涂装生产线的需求,实现国产涂装生产线的完全自主可控。

2. 零部件核心制造装备自主保障能力显著提升,实现了进口替代

由机械科学研究总院集团有限公司研制的高强钢热冲压及连接技术、模具及成套装备,为汽车轻量化、节能减排提供了关键的工艺技术支撑,并在北汽福田新能源汽车迷迪样车上获得应用,从而显著提高了轻量化及碰撞安全性能,填补了国内空白。

合肥合锻机床股份有限公司开发的超高强度汽车结构件热冲压技术和装备生产线,具有超高强度、高硬度、轻量化(厚度比普通钢板减薄达35%)和几乎无回弹(制造精度高)等诸多优点,技术优势十分明显。


机械科学研究总院集团有限公司的高强钢热冲压及连接成套技术

一汽铸造有限公司联合苏州三基铸造装备股份有限公司共同研制了3500t精密卧式实时控制压铸机及配套模具,主机最大空压射速、增压建压时间等性能均达到国际同类产品的先进水平,并在中国第一汽车集团有限公司建立了3500t全自动压铸生产示范线,实现了重卡15档变速器壳体、红旗轿车7档自动变速器壳体及EA211 1.6L发动机缸体等大型复杂压铸件的生产。


3500t精密卧式实时控制压铸机

机械科学研究总院集团有限公司自主开发的数字化无模铸造精密成形设备,改变了对传统铸造所需木模的依赖,解决了关键复杂零部件制造周期长、成本高、尺寸精度低和加工余量大等瓶颈问题,缩短了开发流程,如105系列柴油机缸盖,常规需6~9个月,现在缩短至60天。


数字化无模铸造精密成形设备

济南铸造锻压机械研究所有限公司研制开发的轿车铝合金缸盖低压铸造成套设备,打破了国外在低压铸造生产轿车铝合金缸盖、缸体领域的技术垄断,满足了我国汽车行业的需要。

安徽江淮汽车集团股份有限公司自主开发了50000kN 轿车车身铝合金覆盖件充液成形成套设备,掌握了面向批量化生产的充液成形装备以及充液-局部冲压成形模具设计和制造关键技术,解决了铝合金成形性差、表面易划伤和成品率低等难题,填补了国内空白。

扬州锻压机床股份有限公司开发的10000kN精冲压力机、高速精密数控冲床,解决了多项高速冲压关键技术瓶颈,填补了国内空白,使我国精冲压力机总体水平跨入国际先进行列。

北京机械工业自动化研究所有限公司研发的汽车AMT变速器智能化在线检测试验装备,在国内多条汽车变速器生产线上获得了应用,填补了国内空白。

3.共性技术和创新平台成果引领作用凸显,行业可持续支撑能力基本形成

04专项布局实施的共性技术和创新能力平台建设取得了系列突破,掌握了一批基础制造装备前沿技术和关键技术,显示出共性技术和创新能力平台对汽车行业的持续支撑和引领作用。

大型精密复合冲压成形机床创新能力平台,建立了大型冲压成形机床自动化系统试验平台、冲压装备分析与仿真平台和控制系统技术平台,提高了高端冲压生产线重大成套技术的自主开发、原始创新能力,使中国冲压装备走进了国际高端前沿技术领域,奠定了在国际市场的竞争基础。

精密塑性成形技术与装备创新能力平台,建立了精密塑性成形领域数字化设计、先进成形工艺和成形设备 8 个专业实验室,开展了 28 项专题技术研究,开发出一批核心技术,累计为企业提供 20 余台套关键成形设备,为 50 余家企业提供了重要技术服务。

由机械科学研究总院集团有限公司牵头的铝合金车身零部件典型成形工艺及关键装备技术研究,开展了铝合金材料冷/热冲压、充液、挤压和铸造等4种成形工艺的研究,开发了型材挤压-弯曲-淬火成形装备、500t级多功能压挤铸造设备等装备,实现了前盖和底板、车门防撞梁等典型产品的装车应用。

一汽轿车股份有限公司研制的首台大吨位(6000t)多轴数控内高压成形装备,填补了国内空白,打破了发达国家的技术封锁和装备垄断,解决了限制内高压成形技术应用的瓶颈问题,使国内大吨位内高压装备的设计及工艺开发水平提升到国际领先地位。

北京机电研究所有限公司开展了铝合金覆盖件超塑成形技术研究,突破了铝合金覆盖件难成形、生产效率低的难题,形成了快速超塑成形新工艺和新技术,开发了国产商业铝板覆盖件,并在长城汽车股份有限公司实现了推广应用。

专项实施对汽车行业的发展带来的影响

04专项的实施,不仅推动了单一企业、单一产品的提升,更重要的是,建立并完善了整个创新体系,为我国汽车产业的自主化提供了关键技术和装备的支撑,提升了我国汽车企业、装备制造企业的国内外市场竞争力和话语权。总之,04专项的实施对汽车行业带来的影响主要体现在以下几个方面:

第一,在研发模式上的创新。04专项采取了“产、学、研、用”相结合的任务攻关模式,以市场需求为导向,形成了“市场考核产品、主机考核部件和部件考核工艺”的创新方式,通过市场层层考核,解决了“长期以来基础制造装备研发成果难以在汽车领域形成应用”的瓶颈,确保了专项研究成果取得实效并得到应用。  

第二,国产基础制造装备的自主化能力大幅提升。汽车制造所急需的基础制造装备,一部分领域实现了从无到有、一些重点产品实现了由弱到强以及市场份额实现了由小变大的逐渐转变过程。在专项平台的支撑、制造企业的努力及用户的支持下,汽车整车厂对国产装备的认可度正在逐渐提升。

第三,完善了行业创新体系。通过04专项的实施,推动了汽车装备制造骨干企业联合用户、高校和院所开展联合开发,搭建了基础制造装备企业与汽车领域需求对接的平台,促进了产、学、研的合作,逐渐形成了长效合作机制,使企业能够充分利用公共科技资源。同时,专项所布局的共性技术与市场需求紧密结合,具有很强的市场和技术前瞻性,为整个行业的持续发展奠定了基础。

第四,树立了中国装备制造的新形象。多家企业通过承担04专项课题,形成了具备国际先进水平的机床产品,占据了部分国际市场,树立了中国装备的新形象。例如,济南二机床集团有限公司制造的多条冲压生产线出口国外,使之成为世界公认的最高水平的冲压装备制造商之一。

存在的主要差距

与我国汽车行业快速发展的需求相比,目前,基础制造装备仍然有很大的不足,主要表现在:

第一,国产装备的成套性和工艺研究尚需加强。虽然在04专项的支持下,通过开展示范工程,加强了已有装备的应用验证,促进了制造工艺与装备的深度融合,但仍然存在很多装备开发完之后还不能成套,或者不能适应高效的联班大批量生产等问题,因此,必须加强工艺研究,提高国产装备的成套性和制造效率。

第二,国产装备的可靠性仍有差距。很多装备在短期内好用、长时间不好用,或者精度保持时间不够长,可靠性与进口高端装备相比还存在差距,导致汽车制造关键装备大量进口的局面仍未得到有效改变。

第三,难以满足轻量化、智能化的制造需求。轻量化已经成为汽车制造的重要发展趋势,轻合金、复合材料的应用比例将大幅提升,对新的成形工艺、新装备的需求将不断涌现,从而对04专项带来了新的挑战。与国外先进制造装备相比,我国多数基础制造装备处于数控化、自动化阶段,智能化程度有待提高,难以适应汽车行业个性化、柔性化和智能化制造的需求。

总体而言,通过04专项的实施,汽车行业急需的基础制造装备取得了显著成效,形成了以全自动冲压生产线为代表的一系列标志性成果,自主化创新保障能力基本形成。但国产装备在精度、效率、可靠性和成套性方面仍有差距,有待通过课题项目的持续实施,满足汽车行业个性化、柔性化和智能化制造的新需求。