“支撐起日本造車業(yè)的匠人們”第2期 鑄造匠人 元木清秀

目錄

? 代表豐田的鑄造工師傅
? 向賽車發(fā)動機(jī)制作發(fā)起的挑戰(zhàn)
? 將鑄造的“源頭技能”傳遞向未來
? 我想傳達(dá)“鑄造的樂趣”

在當(dāng)今這個以3D打印、AI技術(shù)為代表的數(shù)字化備受矚目，造車行業(yè)的一線其實(shí)還存在著一些依靠“老手藝”而運(yùn)轉(zhuǎn)的部門。

ToyotaTimes將聚焦這些用其自身精湛技藝支撐起汽車行業(yè)的“匠人”們。并開啟一個直指日本制造業(yè)精髓的新特輯“支撐日本汽車制造業(yè)的匠人們”。

這次我們采訪的是有著“鑄造匠人”之稱的元木清秀先生。

第2期 沉醉于鑄造技術(shù)的“鑄造匠人”元木清秀

豐田汽車 明知工廠 素形材*（以鑄鍛沖工藝制作而成的材料通稱，下文通稱素形材）技術(shù)部 樣品研發(fā)課 專家組（SX）

代表豐田的鑄造工師傅

在汽車制造中，許多零件都需要使用鑄造工藝完成。

譬如氣缸體、氣缸蓋等發(fā)動機(jī)的主要零件，像氣缸體、氣缸蓋等；像變速驅(qū)動橋殼、離合器殼等把動力從發(fā)動機(jī)傳遞到車輪時所需要的動力驅(qū)動零件。另外像鋁合金輪轂、盤式制動器等行駛性能的零件；以及部分車身零件與HEV的電池箱等，均需要用到鑄造工藝。

豐田一向倡導(dǎo)采用“物美價廉的制造方法”。如果想要保證成品既高品質(zhì)，又價格親民，那么就少不了使用高精度的鑄造技術(shù)。

早在5000多年前，人類使用金屬造物時，最基本的工藝手法就是鑄造。其中砂型鑄造是最具有代表性的一種。

砂型鑄造首先是用鑄造砂做出一個鑄模，然后將高溫熔解的金屬液體倒入鑄模的空洞部分，待金屬冷卻定型后將鑄模破壞，這樣便可獲得一個與鑄模空洞部分一模一樣的金屬制品。

因?yàn)檫@是一種可以將金屬做成自己所要形狀的加工手法，所以無論是多么龐大或復(fù)雜的形狀，都可以使用鑄造工藝完成。譬如在奈良縣東大寺大佛殿內(nèi)的鑄盧舍那佛，從佛像的底座開始算起，全身高約18米，這座被譽(yù)為世界上最大的青銅佛像?盧遮那佛，也是使用鑄造工藝建造的。從底座到頭頂共8段，分別造好后組裝搭建完成。

上圖為工廠內(nèi)所展示的模型，以便大家更清晰地了解使用鑄造手法建造大佛的過程

而在豐田里就有著這么一位鑄造工藝方面的專家——就職于愛知縣三好市明知工廠的元木清秀先生。他主要負(fù)責(zé)鑄造樣品的制作，同時擔(dān)任檢驗(yàn)量產(chǎn)鑄造零部件是否有殘次品的顧問，另外他還肩負(fù)著人才培養(yǎng)、教導(dǎo)新員工有關(guān)鑄造技藝基本知識的重任。

元木先生生于1962年6月27日，現(xiàn)年58歲。自1981年3月1日入職豐田汽車后，常年傾注鑄造事業(yè)至今。

2020年，元木先生作為擁有優(yōu)秀技術(shù)技能的鑄造技術(shù)楷模，得到了致力于振興發(fā)展日本素形材制造非營業(yè)性組織——素形材中心的嘉獎。他被授予了“素形材產(chǎn)業(yè)優(yōu)秀員工獎”。

另外，元木先生在鑄造技術(shù)的進(jìn)化與發(fā)展方面也做出了極大貢獻(xiàn)，因此他也是眾多獲獎人員中唯一榮獲“久保田長太郎獎”的人。

在這里向大家簡單介紹一下久保田長太郎獎項(xiàng)。久保田長太郎（1882~1964），是一位建立了豐田汽車鑄造部門，并為之傾其一生的鑄造技術(shù)傳奇人物。當(dāng)年豐田佐吉看中他的才能，招他進(jìn)入了豐田織機(jī)。隨后，他成為鑄造部門的負(fù)責(zé)人，開始致力于鑄造機(jī)械的研發(fā)與制造，在1927年久保田長太郎成功研制了日本第一臺國產(chǎn)砂型造型機(jī)。在鑄造業(yè)界里，他是被稱為“鑄造之神”的人物。

上圖為豐田佐吉制造的自動織布機(jī)，其中有許多零件運(yùn)用鑄造工藝制成

現(xiàn)在，豐田量產(chǎn)的發(fā)動機(jī)鑄造零件，一般是使用自動砂型造型機(jī)與鑄造機(jī)（壓力鑄造、低壓鑄造等）制造生產(chǎn)。

而元木先生的部門并不是負(fù)責(zé)這種批量生產(chǎn)線的鑄造工作，而是在對精度及品質(zhì)的要求極高的樣品試做部門，負(fù)責(zé)一些諸如F1賽車發(fā)動機(jī)的零件等各種樣品的鑄造工作。“我第一次接觸鑄造，是在豐田工業(yè)學(xué)園二年級的時候。其實(shí)最初我的志愿是進(jìn)入批量生產(chǎn)線工作。但在最終審查的時候我被挑選出來并分配到了樣品部門。那時，部門里有許多同事在入職之前，就在其他工廠中有很豐富的鑄造經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)是很有經(jīng)驗(yàn)的行家了，我就是在這種環(huán)境中學(xué)習(xí)成長起來的?！?/p>

上圖中的元木先生握著鑄造砂，用手去判斷砂中的含水量。因?yàn)楹恳矔S著氣溫而有所變化

雖然元木先生笑著打趣自己沒有被分配到理想的部門，但想必當(dāng)時已經(jīng)有同事從他身上看到了“鑄造匠人”的潛質(zhì)，才會強(qiáng)行改變他的志愿吧。

后來，元木先生被各位前輩們的高超技術(shù)所打動，不斷學(xué)習(xí)有關(guān)鑄造的各種技藝和知識，最終成長為一位能夠代表豐田的、名副其實(shí)的鑄造技術(shù)工作者。元木先生說道：“時至今日我也沒有‘這樣就夠了’的心態(tài)，在工作的時候依然還是不能以百分百自信的姿態(tài)去面對?！?/p>

“鑄造這種工作，每天都要在反復(fù)試驗(yàn)中摸索，時刻都要學(xué)習(xí)。鑄造工藝是一門很深的學(xué)問，許多東西都要依靠個人的技能及知識經(jīng)驗(yàn)去把握與判斷，是很難馬上被機(jī)械取代的。我想大概在金屬加工技術(shù)中，這應(yīng)該是最難被取代的一種工藝?！?/p>

向賽車發(fā)動機(jī)制作發(fā)起的挑戰(zhàn)

對于“鑄造匠人”元木先生來說，在以豐田F1計(jì)劃（2002~2009）為首的賽車運(yùn)動中，賽車發(fā)動機(jī)氣缸蓋與氣缸體的制造是極具吸引力的。

上圖為元木先生親手制造的F1賽車用發(fā)動機(jī)氣缸體

F1賽車基本上都是選取搭載集當(dāng)下最高端科技制造而成的發(fā)動機(jī)。元木先生當(dāng)初制造的發(fā)動機(jī)，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘約18000~19000次。這個超高速發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，超出了市面上普通發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的三倍，最大可達(dá)到700馬力以上。

發(fā)動機(jī)的本體由氣缸蓋與氣缸體構(gòu)成，是決定汽車動力、特性與耐久度的最重要零件。由于這個零件要轉(zhuǎn)化出強(qiáng)大的動力，所以內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)如果不能保持精準(zhǔn)一致，就會從最弱的部分開始損壞。

另外，為了使發(fā)動機(jī)更有效地燃燒，就要確保活塞高速順暢運(yùn)轉(zhuǎn)。制造氣缸蓋與氣缸內(nèi)部零件時，精準(zhǔn)程度必須達(dá)到微米單位。這樣才能保證燃燒室處于密閉狀態(tài)，并將摩擦減小到極限。

由于賽車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速是普通發(fā)動機(jī)的三倍，所以在燃燒時所產(chǎn)生的熱量大約也是三倍。因此氣缸體內(nèi)部就要預(yù)留可灌入降溫用冷水的水套，以保證發(fā)動機(jī)不會因?yàn)檫^熱而燒壞。

面對這些嚴(yán)苛的課題，鑄造工藝是唯一能夠全面應(yīng)對的制造方法。而且如果想要在比賽中取勝，車身的重量與強(qiáng)度也是需要考量與平衡的。

元木先生及其同事們將所有課題從鑄造的角度重新審視了一遍后，開始著手制造氣缸蓋與氣缸體。在這一過程中，他們摸索出了許多鑄造手法，這些手法日后成為了豐田獨(dú)有的專利技術(shù)。

元木先生及其同事們在明知工廠制造賽車用發(fā)動機(jī)時所開發(fā)的技術(shù)，為今后市銷車與賽車的研發(fā)、制造提供了很大的幫助

另外，因?yàn)樨瀼芈鋵?shí)了嚴(yán)格的質(zhì)量管理，如通過CT掃描保證金屬內(nèi)部沒有“空隙”（鑄造過程中由于凝固收縮造成的細(xì)小空洞），通過纖維鏡確認(rèn)水套內(nèi)不遺漏哪怕一粒的鑄造砂等，所以良品率達(dá)到了100%，也就是零次品，并收獲了團(tuán)隊(duì)堅(jiān)定的信賴。

通過賽車這樣的項(xiàng)目，元木先生等人開發(fā)的鑄造技術(shù)不僅運(yùn)用到了IndyCar等賽車發(fā)動機(jī)中，還用到了市銷車的發(fā)動機(jī)制造上。在豐田汽車內(nèi)部，從賽車活動中獲取的技術(shù)延續(xù)至今，并不斷進(jìn)化發(fā)展。

將鑄造的“源頭技能”傳遞向未來

用常用的小匙壓實(shí)木型邊緣的鑄造砂，這便是“分割”作業(yè)。同時這也是決定上型和下型在哪里分割的重要工序。照片上的木型是懸架部件的縮小版，作為教材使用

現(xiàn)在，元木先生正在向肩負(fù)著豐田汽車未來的年輕員工們傳授鑄造的“源頭技術(shù)”。

鑄造的基本手法是“砂型鑄造”，要用到與目標(biāo)金屬零件相同形狀的木型和以鑄造砂作為材料的鑄模（砂型）。

元木先生為我們演示了一部分向年輕員工傳授的手工砂型鑄造，又稱“手工鑄造”。開始工作后，元木先生的表情完全變了個樣，他調(diào)動五感，全身心地投入了工作。

將嵌有木型的上下砂箱重疊，牢牢壓實(shí)鑄造砂。鑄造砂中央突出來的是澆口棒

所謂用砂型來鑄造，就是在填滿鑄造砂的上下兩個砂箱中埋入木型，在去除木型后的空間中澆入熔化后的金屬（熔湯）。

首先在裝有鑄造砂的下砂箱中埋入木型，讓鑄造砂凝固，同時為了制造出砂型內(nèi)部熔湯通過用的空洞，要在鑄造砂中豎一根棒，它被稱為“澆口棒”。

接著，把上面的砂箱與下面的砂箱重疊起來，再把鑄造砂牢牢地填進(jìn)里面，然后拔出澆口棒，在上下砂箱重疊的情況下，保持垂直90°的狀態(tài)，再移開兩個砂箱。

然后從下面的砂箱中取走木型，在砂型內(nèi)部形成的熔湯流動通道（澆道）中，用小匙仔細(xì)地刮去鑄造砂，后再次將上下砂箱重疊。

砂型最終完成工序：分割上砂箱和下砂箱，去掉木型

鑄造砂中形成了與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的木型相同形狀的空間。在這里倒入金屬并凝固

用舀子舀起熔湯倒入已完成的砂型澆口，等待金屬凝固后破壞砂型，就會出現(xiàn)與木型相同形狀的金屬零件。

看準(zhǔn)砂型中鋁合金凝固后，元木先生取下木框并將砂型破壞，鑄造零件便呈現(xiàn)在了我們面前。接著在工作中一臉嚴(yán)肅的元木先生表情一轉(zhuǎn)，笑了起來。

元木先生將電爐熔化的鋁合金一口氣倒入砂型。合金是一邊收縮一邊凝固的，所以倒入熔湯的訣竅是“沉住氣，一氣呵成”

從砂型中取出的鑄造零件。用夾子夾著的部分是在澆口和澆道凝固的金屬。把它取下來并做最后的加工，零件就完成了

我想傳達(dá)“鑄造的樂趣”

對“鑄造匠人”元木先生來說，鑄造并不是單純的工作。他認(rèn)為沒有比這更有趣、更快樂的生產(chǎn)方法了。

“鑄造的魅力在于它可以從金屬材料一下子變成有形的東西，實(shí)現(xiàn)從無到有。取出鑄模后，成品就會顯現(xiàn)，這個時候的興奮感會帶來無與倫比的快樂。而且，和其他的制造方法不同，鑄造是可以重頭再來的。鑄模能立刻重新制作，金屬也是熔了便可，所以即使失敗了也可以立即開始重新挑戰(zhàn)。我想將鑄造生產(chǎn)的樂趣和技能都傳達(dá)給年輕人們?！?/p>

元木先生笑著說：我想把鑄造生產(chǎn)的快樂傳達(dá)給年輕員工們

在鑄造作業(yè)中，因?yàn)橐谷蹨珴B到鑄模的空心部分，并且在金屬凝固的時候不能有“空隙”，所以鑄模前的計(jì)劃和設(shè)計(jì)是很重要的。我們把這稱為“鑄造方案”。

和其他部門一樣，大型自動機(jī)械是現(xiàn)在豐田鑄造生產(chǎn)的主角，并且其鑄造方案是通過計(jì)算機(jī)模擬制定的。盡管如此，元木先生認(rèn)為對于操作機(jī)器的鑄造技術(shù)人員來說，掌握無法數(shù)值化的鑄造“源頭技能”是必不可缺的。

“熔化的金屬是什么樣的、如何讓熔化的金屬按預(yù)定道路流淌？這些如果不靠感覺去記憶，那么機(jī)器發(fā)生問題的時候就無從解決。為此，重要的是要學(xué)會依靠手和感覺學(xué)會手工鑄造技術(shù)，并以此完成所有的鑄造工業(yè)?！?/p>

豐田“鑄造生產(chǎn)的未來”，取決于年輕的員工能否繼承元木先生的“源頭技能”。而元木先生現(xiàn)在正通過“手工鑄造”的技術(shù)傳承，與年輕的員工們共同創(chuàng)造未來。

（文?澀谷 康人、照片?前田 晃）