未来十年我国汽车整车制造装备探析

未来十年我国汽车整车制造装备探析机械工业第九设计研究院高级工程师车启英、王晓政一、整车制造装备概况汽车制造装备可以分为整车制造装备和零部件制造装备。零部件制造装备主要有金属切削机床生产线、精密锻造生产线及制造单元、铸造生产线、测试设备、激光和焊接设备、数控刀具系统、热处理等。整车制造装备可以分为冲压自动化生产线（冲压）、车身焊接和装配自动化生产线（焊装）、喷涂自动化生产线（涂装）和整车装配自动化生产线（总装），四者共同构成了整车制造的“四大工艺装备”。1、冲压汽车特别是轿车车身绝大部分是冲压件，曲面形状复杂，要求有较高的尺寸精度和较小的表面粗糙度值。此外，汽车冲压件是大批量生产，品种繁多，如顶盖、挡泥板、车身侧护板、地板、发动机罩、保险杠等，为提高生产率，必须采用机械化、半自动化或全自动化流水线生产。冲压生产线通常有两种形式，一种是单机连线，另一种是采用多工位压床生产线。单机连线是将多台压床按工序贯通排列，期间采用机械手、传动装置或机器人完成上、下料和零件传送工作。这种生产线有独立同步式和全自动同步式两种，前者压床的运转各自独立，输送带控制生产节拍，设有柔性中间存储装置使各压床组形成独立同步机组，这种作业线的性能比较灵活；后者给料作业、压床运转等均同步连续进行，工作效率高。近年来，汽车冲压件生产出现多工位压床代替单工位压床的趋势。多工位压床是目前最先进、自动化程度最高的冲压设备，其工位数有5工位、6工位、8工位等。多工位压床占地面积小、电力消耗低、生产效率高，其作业成本比一般压床流水线低很多。先进的多工位压床使用微处理机控制的可编程序控制装置，使得自动化程度更高。1冲压工艺变化趋势2工艺组成变化趋势下料工艺手工火焰切割—手工火焰仿型切割—手工等离子切割—CNC等离子切割—CNC激光切割机械剪板机—液压剪板机—开卷剪切线—CNC开卷剪切线模具状态及制造工艺模具：单工序模具—复合工序模具—多工位级进模具—多点成形加工方法：手工仿型加工—普通NC加工—高速强力NC加工刀具：高速钢刀具—硬质合金刀具—陶瓷刀具—涂层刀具热处理工艺：普通淬火—真空淬火—氮化—涂层压力机普通压力机—NC压力机—高速NC压力机—高效多工位压力机—电动伺服压力机材料普通钢板—涂层钢板—单一厚度钢板—多厚度激光拼焊复合钢板物流方式手工机械搬运—机械手搬运—机器人搬运设计软件手工绘图—二维CAD—三维CAD—CAD/CAE/CAPP/CAM集成生产线状态完全人工机械生产线—半自动生产线—全自动生产线—柔性集成（工艺、物流、检测、信息系统一体化）生产线2、焊装车身焊接通常称焊装，是将车身冲压零件组装和焊接成符合产品设计要求的白车身（即未经油漆的车身）。以轿车为例，在车身焊装过程中，先将整个车身分成几个大的总成进行焊装，如地板总成、发动机舱总成、左侧围总成、右侧围总成、后围总成、顶盖总成、左车门总成、右车门总成、发动机罩总成、行李箱盖总成、左右翼子板总成等，然后再将这几个大的总成焊装成白车身。车身上的小分总成一般在单机上进行焊装，各大总成的焊装和车身焊装则在流水生产线上完成。因此，通常车身焊装需建立十几条生产线，生产线上配备各种焊接设备和工具、定位和夹紧工装、机械化运输系统、生产过程控制和质量检测与控制系统、安全防护设施等。生产线之间的运输通常用悬挂式输送机和搬运机械手等完成。车身焊装所用的焊接方法以电阻焊居多，一般占焊接总量的90%以上，主要是电焊和凸焊，其生产率高、成本低。所用的设备有悬挂式电焊机、固定电焊机、多电焊机、螺柱焊机、焊接机器人等。目前焊接机器人被越来越广泛采用，并出现了机器人焊装线和无人操作机器人焊装车间。采用焊接机器人可使焊接质量稳定，但投资较大，发展中的点焊逆变电源变压器将使焊接变压器的体积大大缩小，进一步推进自动化焊接技术的发展。3为了在同一条焊装线上组织生产几种不同品种而工艺相似的车身，已经出现了混流生产的柔性焊装线，它通常用机器人点焊和更换夹具来实现。焊装工艺变化趋势4工艺组成变化趋势工艺方法手工气保焊—手工电阻焊—机器人电阻焊—压铆连接焊装夹具单个手动夹具—联动机械夹具—PLC控制联动夹具—CNC控制联动三维组合柔性化夹具焊装设备弧焊变压器—电阻电焊机—激光焊设备—压铆设备物流方式手工机械搬运—PLC控制（自行葫芦）机械板链搬运3、涂装涂装生产线是完成对工件表面喷涂保护层或装饰层的工业涂装成套设备。随着我国工业产品生产能力的增强，涂装生产线在生产领域中的应用越来越广泛，技术水平、自动化程度也大大提高。涂装生产线主要由前处理设备、喷涂设备、烘干固化设备、输送设备、电气控制系统等设备组成。各组成设备在输送设备及输送链的串连下，被有序地组织在一起，完成对工件的涂装作业。5为保证喷漆质量，车间厂房环境要求较高的清洁度，并注意将产尘区与喷漆工作区分开。喷漆之前需进行预处理。预处理质量的优劣对整车的耐腐蚀性有重要影响。货车预处理一般设有7-8道工序，而轿车的预处理则多达12-13道工序。预处理的目的是使金属车身脱脂清洗后通过中温低锌磷化，生成一层磷化膜，并经钝化进一步增强其耐腐蚀性。喷漆有好几道工序，先经电泳喷底漆，后喷中间涂料，最后作面漆施工。为了提高漆面质量，加快生产节奏，喷漆生产较多地采用往复式喷涂机、喷漆机器人等装备，构成自动化程度较高的生产线。考虑到轿车面漆的返修率较高，一般在车间设计中安排一条较大的返修生产线，供正常返修使用。6涂装工艺变化趋势7工艺组成变化趋势工艺方法底漆/中涂/面漆—电泳/中涂/面漆—一次电泳/二次电泳/面漆—电泳/面漆—涂层/面漆—喷粉/面漆。涂装设备手工喷涂—机械喷涂—机器人喷涂涂装材料面漆：普通面漆—金属漆—环保纳米漆底漆：普通底漆—电泳漆—涂层—喷粉种类：高分子漆—水性漆—环氧树脂粉末物流方式手工机械搬运—PLC控制（自行葫芦）滑撬自动化搬运4、总装汽车总装配是将汽车各零部件总成根据技术条件装配成一辆合格的汽车的生产过程，是汽车生产的最后一道工序。总装过程客观上对零件起了最终检查的作用，因为装配工人发现变形、损坏、碰伤、不合规格的零件均会将其剔除。在总装配的出口处，汽车要进行严格的检查、调整和整车检测，其中包括发动机综合测试、废气排放测试、灯光测试、前轮定位测试、密封性测试和电器检验等。对一定比例的整车还要在试车跑道上进行抽检。质量保证部门每天从当天总装线上生产出来的车辆中抽出1-2辆车进行全面检验，以此考核各部件质量和总装质量并反馈给生产管理部门和技术部门，以便采取措施，不断提高产品质量。总装配生产线由一系列输送设备构成“立体装配”，并设置许多装配台架和电动、风动工具，根据投资强度和生产批量的不同，总装生产线上安装一定数量的自动化设备，如不少汽车厂安装仪表板、前后挡风玻璃、座椅、车轮、发动机、车桥等实现自动化装配，但与焊装相比，总装仍有不少环节需要靠人工进行。8总装工艺变化趋势9工艺组成变化趋势工艺方法人工手动装配—人工机械装配—含信息系统的自动装配总装设备手动扳手—气动扳手—单头、多头拧紧机及带检测的定扭扳手物流方式手工机械搬运—链式输送系统（或自行小车输送系统）—摩擦式输送系统（或全智能型自行小车系统）二、整车制造装备前景分析1、我国汽车市场发展迅猛进入新世纪以来，我国汽车市场进入全面发展阶段。2000年我国汽车产量只有206.91万辆，到2009年我国汽车产量已经达到1379.10万辆，增长了566%，十年间的年复合增长率达到了23.46%。102010年1-11月，我国汽车累计产销分别达到1640.01万辆和1639.54万辆，同比增长33.71%和34.05%。11数据来源：中国汽车工业协会乘用车占我国汽车比重最大，2009年我国乘用车产量1038.38万辆，占汽车总产量的75.29%，12未来乘用车将是我国汽车产业发展的引擎。《2010年汽车蓝皮书》预测，基准情景下中国乘用车市场自2010-2020年年均增长率将接近10%，至2020年年度总需求将达到2337万辆。13预计2025年中国乘用车年度总需求将达到2924.57万辆，较2020年增长近25.12%；2030年中国乘用车年度总需求将达到3523.31万辆，较2020年增长50.73%。14我国汽车市场火爆的背后是汽车工业固定资产投资的连续高增长。“十五”期间，我国汽车工业共完成固定资产投资2351.6亿元，“十一五”期间有望超过9000亿元。15其中，用于汽车整车制造业的固定资产投资2001年才121.1亿元，到2009年已达到942.85亿元16，增长了678.57%，9年间年复合增长率29.24%。2010年1-9月汽车整车制造业已完成固定资产投资953.23亿元17，预计未来十年仍将处于快速增长期。2、我国汽车制造装备的不足与我国汽车产业蓬勃发展形成巨大反差的是，长期以来我国汽车产业严重依赖欧、美、日等发达国家，汽车制造装备的对外技术依存度一直居高不下。目前在汽车三大总成制造设备中，新型节能环保发动机和变速器成套制造技术及装备完全受制于人，对外技术依存度高达95%左右。在汽车五大关键零部件制造设备中，汽车发动机制造，特别是缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆的精密加工设备，进口依存度为90-95%。18经过多年发展，目前部分本土产汽车整车制造装备以及零部件制造装备虽说基本可以满足汽车工业需求，但由于本土产设备在成套性、可靠性等方面与国外先进水平还有很大差距，有些关键装备的对外依存度还很高。目前，汽车冲压、焊接、涂装、总装使用的主要是进口加工设备，柔性冲压自动生产线等先进冲压装备与国外相比还有较大差距，零部件高效精冲设备仍需大量进口。涂装设备、总装设备、焊接设备的本土化率只有20%左右。其中B级及以上中高档轿车所用设备基本上仍为进口设备。国内个别厂家能够提供涂装线部分设备但性能稳定的高端涂装基本依赖进口，轿车焊接装配线几乎全部依靠进口，整车自动装配线是我国汽车装备最薄弱的环节。19但值得欣慰的是，我国本土整车制造装备的相关厂商已经逐步打破了国外厂商的垄断地位，虽然外资汽车厂商与高端市场仍为国际巨头如德国杜尔（DURR）、德国艾森曼（EISENMANN）、德国西门子德马泰克（SIMENSDEMATIC）、日本大福（DAIKUKU）等所把持，但中低端市场尤其是国内发展迅猛的自主品牌汽车厂商纷纷为本土自动化装备厂商进占，目前我国汽车工业整体对外技术装备依存度约为70%。203、我国整车制造装备的市场前景（1）、2008-2010年我国整车制造装备市场概况汽车工业投资的50%以上一般用于购买制造装备21，我国汽车整车制造业2008年完成固定资产投资653.68亿元，2009年为942.85亿元22，预计2010年将达到1270.97亿元23。根据相关整车厂商经验数据，整车制造四大工艺装备各自占比大致如下：根据2008-2010年汽车整车制造业固定资产投资及整车制造四大工艺装备各自占比来看，2008-2010年我国整车制造装备的市场需求状况大致如下24：自动化生产线2008年2009年2010年冲压市场总量（亿元）65.3794.29127.1其中：进口（亿元）45.766688.97焊装市场总量（亿元）81.71117.86158.87其中：进口（亿元）57.282.5111.21涂装市场总量（亿元）114.4165222.42其中：进口（亿元）80.08115.5155.69总装市场总量（亿元）65.3794.29127.1其中：进口（亿元）45.766688.97（2）、整车制造装备未来发展趋势根据汽车行业“十二五规划”草案，中国汽车“十二五”期间必须做到产业升级，一是产品技术的换代升级；二是在产业链上向技术含量高、附加值高的领域延伸；三是调整产业结构，加快产品创新、加快新能源汽车发展、加快产品联合重组、加快售后市场开发。其中特别提到将提高自主品牌国内份额，到2015年中国自主品牌汽车市场比例将进一步扩大，自主品牌乘用车国内市场份额超过50%，其中自主品牌轿车国内份额超过40%。252011-2020的未来十年是我国由汽车工业