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社长专栏 丰田访谈 赛事活动 专题报道
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社长专栏 丰田访谈 赛事活动 专题报道
“支撑起日本造车业的匠人们”第2回 铸造匠人 元木清秀

目录

代表丰田的铸造工师傅
向赛车发动机制作发起的挑战
将铸造的“源头技能”传递向未来
我想传达“铸造的乐趣”

在当今这个以3D打印、AI技术为代表的数字化备受瞩目,造车行业的一线其实还存在着一些依靠“老手艺”而运转的部门。

TOYOTimes将聚焦这些用其自身精湛技艺支撑起汽车行业的“匠人”们。并开启一个直指日本制造业精髓的新特辑“支撑日本汽车制造业的匠人们”。

这次我们采访的是有着“铸造匠人”之称的元木清秀先生。

第2回 沉醉于铸造技术的“铸造匠人”元木清秀

丰田汽车 明知工厂 素形材*(以铸锻冲工艺制作而成的材料通称,下文通称素形材)技术部 样品研发课 专家组(SX)

代表丰田的铸造工师傅

在汽车制造中,许多零件都需要使用铸造工艺完成。

譬如气缸体、气缸盖等发动机的主要零件,像气缸体、气缸盖等;像变速驱动桥壳、离合器壳等把动力从发动机传递到车轮时所需要的动力驱动零件。另外像铝合金轮毂、盘式制动器等行驶性能的零件;以及部分车身零件与HEV的电池箱等,均需要用到铸造工艺。

丰田一向倡导采用“物美价廉的制造方法”。如果想要保证成品既高品质,又价格亲民,那么就少不了使用高精度的铸造技术。

早在5000多年前,人类使用金属造物时,最基本的工艺手法就是铸造。其中砂型铸造是最具有代表性的一种。

砂型铸造首先是用铸造砂做出一个铸模,然后将高温熔解的金属液体倒入铸模的空洞部分,待金属冷却定型后将铸模破坏,这样便可获得一个与铸模空洞部分一模一样的金属制品。

因为这是一种可以将金属做成自己所要形状的加工手法,所以无论是多么庞大或复杂的形状,都可以使用铸造工艺完成。譬如在奈良县东大寺大佛殿内的铸卢舍那佛,从佛像的底座开始算起,全身高约18米,这座被誉为世界上最大的青铜佛像•卢遮那佛,也是使用铸造工艺建造的。从底座到头顶共8段,分别造好后组装搭建完成。

上图为工厂内所展示的模型,以便大家更清晰地了解使用铸造手法建造大佛的过程

而在丰田里就有着这么一位铸造工艺方面的专家——就职于爱知县三好市明知工厂的元木清秀先生。他主要负责铸造样品的制作,同时担任检验量产铸造零部件是否有残次品的顾问,另外他还肩负着人才培养、教导新员工有关铸造技艺基本知识的重任。

元木先生生于1962年6月27日,现年58岁。自1981年3月1日入职丰田汽车后,常年倾注铸造事业至今。

2020年,元木先生作为拥有优秀技术技能的铸造技术楷模,得到了致力于振兴发展日本素形材制造非营业性组织——素形材中心的嘉奖。他被授予了“素形材产业优秀员工奖”。

另外,元木先生在铸造技术的进化与发展方面也做出了极大贡献,因此他也是众多获奖人员中唯一荣获“久保田长太郎奖”的人。

在这里向大家简单介绍一下久保田长太郎奖项。久保田长太郎(1882~1964),是一位建立了丰田汽车铸造部门,并为之倾其一生的铸造技术传奇人物。当年丰田佐吉看中他的才能,招他进入了丰田织机。随后,他成为铸造部门的负责人,开始致力于铸造机械的研发与制造,在1927年久保田长太郎成功研制了日本第一台国产砂型造型机。在铸造业界里,他是被称为“铸造之神”的人物。

上图为丰田佐吉制造的自动织布机,其中有许多零件运用铸造工艺制成

现在,丰田量产的发动机铸造零件,一般是使用自动砂型造型机与铸造机(压力铸造、低压铸造等)制造生产。

而元木先生的部门并不是负责这种批量生产线的铸造工作,而是在对精度及品质的要求极高的样品试做部门,负责一些诸如F1赛车发动机的零件等各种样品的铸造工作。“我第一次接触铸造,是在丰田工业学园二年级的时候。其实最初我的志愿是进入批量生产线工作。但在最终审查的时候我被挑选出来并分配到了样品部门。那时,部门里有许多同事在入职之前,就在其他工厂中有很丰富的铸造经验,已经是很有经验的行家了,我就是在这种环境中学习成长起来的。”

上图中的元木先生握着铸造砂,用手去判断砂中的含水量。因为含水量也会随着气温而有所变化

虽然元木先生笑着打趣自己没有被分配到理想的部门,但想必当时已经有同事从他身上看到了“铸造匠人”的潜质,才会强行改变他的志愿吧。

后来,元木先生被各位前辈们的高超技术所打动,不断学习有关铸造的各种技艺和知识,最终成长为一位能够代表丰田的、名副其实的铸造技术工作者。元木先生说道:“时至今日我也没有‘这样就够了’的心态,在工作的时候依然还是不能以百分百自信的姿态去面对。”

“铸造这种工作,每天都要在反复试验中摸索,时刻都要学习。铸造工艺是一门很深的学问,许多东西都要依靠个人的技能及知识经验去把握与判断,是很难马上被机械取代的。我想大概在金属加工技术中,这应该是最难被取代的一种工艺。”

挑战制造赛车发动机

对于“铸造匠人”元木先生来说,在以丰田F1计划(2002~2009)为首的赛车运动中,赛车发动机气缸盖与气缸体的制造是极具吸引力的。

上图为元木先生亲手制造的F1赛车用发动机气缸体

F1赛车基本上都是选取搭载集当下最高端科技制造而成的发动机。元木先生当初制造的发动机,其最高转速可达到每分钟约18000~19000次。这个超高速发动机的转速,超出了市面上普通发动机转速的三倍,最大可达到700马力以上。

发动机的本体由气缸盖与气缸体构成,是决定汽车动力、特性与耐久度的最重要零件。由于这个零件要转化出强大的动力,所以内部的金属结构如果不能保持精准一致,就会从最弱的部分开始损坏。

另外,为了使发动机更有效地燃烧,就要确保活塞高速顺畅运转。制造气缸盖与气缸内部零件时,精准程度必须达到微米单位。这样才能保证燃烧室处于密闭状态,并将摩擦减小到极限。

由于赛车发动机转速是普通发动机的三倍,所以在燃烧时所产生的热量大约也是三倍。因此气缸体内部就要预留可灌入降温用冷水的水套,以保证发动机不会因为过热而烧坏。

面对这些严苛的课题,铸造工艺是唯一能够全面应对的制造方法。而且如果想要在比赛中取胜,车身的重量与强度也是需要考量与平衡的。

元木先生及其同事们将所有课题从铸造的角度重新审视了一遍后,开始着手制造气缸盖与气缸体。在这一过程中,他们摸索出了许多铸造手法,这些手法日后成为了丰田独有的专利技术。

元木先生及其同事们在明知工厂制造赛车用发动机时所开发的技术,为今后市销车与赛车的研发、制造提供了很大的帮助

另外,因为贯彻落实了严格的质量管理,如通过CT扫描保证金属内部没有“空隙”(铸造过程中由于凝固收缩造成的细小空洞),通过纤维镜确认水套内不遗漏哪怕一粒的铸造砂等,所以良品率达到了100%,也就是零次品,并收获了团队坚定的信赖。

通过赛车这样的项目,元木先生等人开发的铸造技术不仅运用到了IndyCar等赛车发动机中,还用到了市销车的发动机制造上。在丰田汽车内部,从赛车活动中获取的技术延续至今,并不断进化发展。

将铸造的“源头技能”传递向未来

用常用的小匙压实木型边缘的铸造砂,这便是“分割”作业。同时这也是决定上型和下型在哪里分割的重要工序。照片上的木型是悬架部件的缩小版,作为教材使用

现在,元木先生正在向肩负着丰田汽车未来的年轻员工们传授铸造的“源头技术”。

铸造的基本手法是“砂型铸造”,要用到与目标金属零件相同形状的木型和以铸造砂作为材料的铸模(砂型)。

元木先生为我们演示了一部分向年轻员工传授的手工砂型铸造,又称“手工铸造”。开始工作后,元木先生的表情完全变了个样,他调动五感,全身心地投入了工作。

将嵌有木型的上下砂箱重叠,牢牢压实铸造砂。铸造砂中央突出来的是浇口棒

所谓用砂型来铸造,就是在填满铸造砂的上下两个砂箱中埋入木型,在去除木型后的空间中浇入熔化后的金属(熔汤)。

首先在装有铸造砂的下砂箱中埋入木型,让铸造砂凝固,同时为了制造出砂型内部熔汤通过用的空洞,要在铸造砂中竖一根棒,它被称为“浇口棒”。

接着,把上面的砂箱与下面的砂箱重叠起来,再把铸造砂牢牢地填进里面,然后拔出浇口棒,在上下砂箱重叠的情况下,保持垂直90°的状态,再移开两个砂箱。

然后从下面的砂箱中取走木型,在砂型内部形成的熔汤流动通道(浇道)中,用小匙仔细地刮去铸造砂,后再次将上下砂箱重叠。

砂型最终完成工序:分割上砂箱和下砂箱,去掉木型

铸造砂中形成了与结构复杂的木型相同形状的空间。在这里倒入金属并凝固

用舀子舀起熔汤倒入已完成的砂型浇口,等待金属凝固后破坏砂型,就会出现与木型相同形状的金属零件。

看准砂型中铝合金凝固后,元木先生取下木框并将砂型破坏,铸造零件便呈现在了我们面前。接着在工作中一脸严肃的元木先生表情一转,笑了起来。

元木先生将电炉熔化的铝合金一口气倒入砂型。合金是一边收缩一边凝固的,所以倒入熔汤的诀窍是“沉住气,一气呵成”

从砂型中取出的铸造零件。用夹子夹着的部分是在浇口和浇道凝固的金属。把它取下来并做最后的加工,零件就完成了

我想传达“铸造的乐趣”

对“铸造匠人”元木先生来说,铸造并不是单纯的工作。他认为没有比这更有趣、更快乐的生产方法了。

“铸造的魅力在于它可以从金属材料一下子变成有形的东西,实现从无到有。取出铸模后,成品就会显现,这个时候的兴奋感会带来无与伦比的快乐。而且,和其他的制造方法不同,铸造是可以重头再来的。铸模能立刻重新制作,金属也是熔了便可,所以即使失败了也可以立即开始重新挑战。我想将铸造生产的乐趣和技能都传达给年轻人们。”

元木先生笑着说:我想把铸造生产的快乐传达给年轻员工们

在铸造作业中,因为要使熔汤渗到铸模的空心部分,并且在金属凝固的时候不能有“空隙”,所以铸模前的计划和设计是很重要的。我们把这称为“铸造方案”。

和其他部门一样,大型自动机械是现在丰田铸造生产的主角,并且其铸造方案是通过计算机模拟制定的。尽管如此,元木先生认为对于操作机器的铸造技术人员来说,掌握无法数值化的铸造“源头技能”是必不可缺的。

“熔化的金属是什么样的、如何让熔化的金属按预定道路流淌?这些如果不靠感觉去记忆,那么机器发生问题的时候就无从解决。为此,重要的是要学会依靠手和感觉学会手工铸造技术,并以此完成所有的铸造工业。”

丰田“铸造生产的未来”,取决于年轻的员工能否继承元木先生的“源头技能”。而元木先生现在正通过“手工铸造”的技术传承,与年轻的员工们共同创造未来。

(文•涩谷 康人、照片•前田 晃)