吴昊阳

全铝车身（AFS Aluminum Frame System）概念是奥迪首先提出（也有意见认为是其他厂商）并在93年第一个应用在A8上的。到目前为止，全铝车身技术已经十分成熟，AFS也已经成为高端车及跑车车体结构的标配。
尽管在国内铝合金车体零件才刚刚兴起，欧洲在这方面已经走在亚洲和美洲汽车厂商的前列，积累了丰富的经验。本文中笔者将分享MAKA公司的AFS加工解决方案。

奥迪AFS

图为奥迪TT早期的全铝车身

先看一段视频



该项目是MAKA公司2008年为法拉利量身定做的全铝车身加工系统。从技术角度分析，该方案具备以下特色：
1. 高精度旋转夹具，翻转后无需再次定位。此外，夹具本身也优化了结构设计，避免大跨度和自重产生的弯曲变形；
2. 高精度电主轴，由于需要采用超常刀具加工零件底部，因此对刀具和主轴的动平衡都提出了极高的要求；
3. 加工路径优化，避免干涉；
相信所有业内人士都会对该方案印象深刻，但决定采用这套方案背后的商业逻辑却是技术人员不易觉察的，而这恰恰是中国制造企业在决心走转型升级之路以前必须考虑清楚的。本文将试图从生产模式变革的角度分析法拉利全铝车身加工案例。
1. 创新的生产工序引发生产效率的提高和投资规模的降低
通常在零件精度设计时要考虑尺寸链的概念，即所有零部件尺寸误差和装配误差会在敏感方向进行累计，而在规划零件公差时就要在最终产品符合精度要求的前提下，合理分配每个零件的公差。简单说就是假如一个产品由10个零件首尾连接而成，其最大误差为0.1mm，那么平均每一个零件允许的误差就小于0.01mm。而全铝车身框架最终靠焊接和铆接工艺把所有零件连接在一起，焊接的误差通常比较大，而焊接铝合金就更加不靠谱。
所以问题来了：法拉利这种土豪才开得起的车其车身框架的精度要求自然高出同类标准，而焊接工艺又难以保证精度，因此就必须要求每一个小零件都具有较高的精度才能保证最终AFS的尺寸精度。那么这就带来了无穷无尽的烦恼，首先需要采购大量高精度小型五轴联动CNC加工小型铝合金零件，这是不小的一笔投资。其次，小零件需要进行检测已确保精度达标，这个过程极大限制生产效率；第三，需要想尽办法降低最终铝合金焊接工艺的误差。
为了避免这种麻烦，法拉利走了一条捷径：先进行铝合金结构件的焊接，释放应力后再对整车进行加工。这样，小型铝结构件的公差可以放大，因此也就无需投入大量高精度加工设备，无需零件检测，生产效率得到保障，也无需纠结如何提高铝合金焊接精度。只需要投入一台大型高精度机加设备，大幅降低了技术改造的资金投入。
这个案例给亟待转型升级的中国制造企业更多的应是思维方式上的启发：通过调整生产工序和步骤，调整现有制造流程和工艺就可以使现有生产系统发生结构性改变。

2. 生产规模决定生产方式，生产方式决定生产设备
法拉利这种豪车产量极低，基本上属于钳工凿制出来的，所以法拉利工厂几乎没有现代化设备，而且也确实欠缺资金（法拉利是看上去很美但盈利能力不佳的企业）进行设备投入。法拉利全铝车身的焊接全部靠手工完成，由于产量低所以采用这样一种柔性制造单元的方式进行最后的机械加工。
相比之下，保时捷的生产节奏就快得多。保时捷的铝合金车身是机器人焊接，之后由传输系统将车身推入机加-检测站，由两个五轴联动CNC同时对车体两侧进行加工，加工结束后进行精度测量。下图是保时捷全铝车身生产线


保时捷是目前世界上唯一量产的跑车（奔驰AMG正在开始挑战保时捷的地位，去年开始也要量产其跑车），因此在方案设计时就要考虑与焊接线的集成和加工效率，以满足整个产线的生产节拍。
中国企业在设备选型或决定技改方案的时候，往往仅着眼于标准设备或现有的成套设备，缺乏根据自身生产特色设计非标专业设备的经验和意识，因此在制造模式上也难以有新的突破，只能跟亦步亦趋地追随欧美制造商。

3. 铝合金部件模块化整体加工
由于铝合金结构件在制造过程中存在难以克服的工艺缺陷，因此现在欧洲制造商通常大都会采用先连接（焊接/铆接）再机加的策略。

下面的视频是铝合金部件供应商Dura宝马车门部件的整体加工方案，其技术特点是：双五轴CNC同时加工，单数控双通道控制，两个加工单元独立运行两套程序同时对同一个零件进行加工，采用防碰撞机制，效率和可靠性都极高；旋转工作台配合零点装夹系统设计以便于实现自动化，零件及夹具通过机器人整体更换。

除了铝合金热变性敏感的属性决定未来汽车铝合金零部件大型化发展方向，复合材料成型技术的成熟和复合材料部件的大范围应用也使得高端车非金属零件越来越大。下面视频为迈巴赫大型玻璃钢零件的加工，此外还有保时捷碳纤维座椅加工以及兰博基尼碳纤维驾驶室加工视频，但是由于保密原因无法展示。


下图为MAKA系统制造的碳纤维排气系统和玻璃钢覆盖件


因此，中国制造企业如果要转型升级，比较行之有效的思路就是从零件代工向部件集成发展，当然这也需要一定的设备投入。但是更重要的是企业需要看清由于工艺变革和技术进步使得生产模式发式转变的趋势，在这个大趋势下适当进行技改投资，而不是盲目地引进设备或者进入自己完全不熟悉的领域。

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作者简介：
吴昊阳，德国智能制造系统（MAKA Systems GmbH）中国区负责人，技术顾问。
负责专用自动化制造系统的方案设计与项目实施，在航空航天，铁路，汽车等行业的复杂零件自动化生产专用设备的系统开发和概念设计方面具有丰富的理论和实践经验；目前开始针对工业4.0/中国制造2025/中国制造转型升级等概念和课题开展理论性研究，并针对实际项目提供咨询服务和技术解决方案