工業(yè)母機(jī)面臨的困境及突破路徑探討

       工業(yè)母機(jī)是“生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)備”，為裝備制造業(yè)提供智能的生產(chǎn)設(shè)備和零件，是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的工具之一，在整個(gè)工業(yè)體系中處于基石的地位。

　　2020年全球機(jī)床產(chǎn)值不足5000億元，跌幅達(dá)到16.3%。多年來(lái)，我國(guó)占據(jù)全球第一生產(chǎn)和第一消費(fèi)大國(guó)的席位。然而，我國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)仍面臨基礎(chǔ)能力薄弱、進(jìn)口依賴度高、人才難集聚等問(wèn)題。

　　01機(jī)床行業(yè)面臨的困境

　　自20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)原有機(jī)床產(chǎn)業(yè)研發(fā)體系瓦解，面向市場(chǎng)的新型研發(fā)體系一直沒(méi)有建立起來(lái)。

　　在上游設(shè)計(jì)、制造端，在材料、零件以及經(jīng)驗(yàn)等方面基礎(chǔ)薄弱，難以支撐我國(guó)在高端機(jī)床領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面自主；在下游應(yīng)用端，離開了進(jìn)口原料，高端機(jī)床在我國(guó)無(wú)用武之地。

　　僅以材料為例，我國(guó)基礎(chǔ)材料均質(zhì)性、切削性能等指標(biāo)相對(duì)國(guó)外有較大差距，不僅高端刀具依賴進(jìn)口，大量下游應(yīng)用端的高端材料也嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級(jí)，中高檔數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越發(fā)普及，產(chǎn)品需求越來(lái)越大，供給卻難以滿足需求。低端產(chǎn)品貿(mào)易增加值低，向高端轉(zhuǎn)型刻不容緩。數(shù)據(jù)顯示，2018年我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床，如五軸及以上加工中心自給率不到10%，其中龍門式加工中心及立式加工中心等的自給率不到1%。

　　在高端領(lǐng)域，我國(guó)機(jī)床企業(yè)對(duì)于一些高端行業(yè)的需求難以觸碰，甚至不敢觸碰。在中端領(lǐng)域，日本機(jī)床以其可靠耐用的性能以及較便宜的價(jià)格牢牢占據(jù)了中端市場(chǎng)。以臥式加工中心為例，日本森精機(jī)、山崎馬扎克、日本大隈等企業(yè)占據(jù)了我國(guó)超過(guò)80%的市場(chǎng)。在低端領(lǐng)域，大量中小民營(yíng)機(jī)床企業(yè)聚集在山東滕州（中小機(jī)床之都）、浙江玉環(huán)（經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床之都）等地，陷入低端混戰(zhàn)。

　　機(jī)床行業(yè)是高技術(shù)門檻、高專業(yè)分工而且需要長(zhǎng)期積累的典型。機(jī)床行業(yè)進(jìn)步僅靠資本驅(qū)動(dòng)是難以成功的，需要的是市場(chǎng)化的機(jī)制。據(jù)估算，機(jī)床的市場(chǎng)容量?jī)H相當(dāng)于其生產(chǎn)對(duì)象市場(chǎng)容量的2.5%，而真實(shí)數(shù)據(jù)恐怕連1%都還不到。機(jī)床與高鐵、核電設(shè)備之類的裝備制造有本質(zhì)的不同：機(jī)床行業(yè)是完全市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)的，意志最多能夠維持幾家重點(diǎn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)，但發(fā)揮不了決定性作用。

　　02“脖子”卡在哪

　　目前我國(guó)機(jī)床行業(yè)核心“卡脖子”產(chǎn)品在于高檔數(shù)控機(jī)床。

　　1.加工精度

　　機(jī)床是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電信息系統(tǒng)，在加工過(guò)程中會(huì)受到靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)以及熱的影響。僅以內(nèi)熱影響為例，它包括電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線生熱、絲杠導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)摩擦生熱、切削過(guò)程生熱等數(shù)十甚至數(shù)百項(xiàng)影響因素，而產(chǎn)生的熱量又會(huì)造成零件的受熱變形，造成刀具及材料性能的變化，最終疊加體現(xiàn)在加工誤差上。

　　歐洲在這方面已經(jīng)能夠建立對(duì)應(yīng)的物理模型，能夠通過(guò)高精度仿真的方式，模擬分析加工誤差來(lái)源，并加以補(bǔ)償，提高加工精度，但目前我國(guó)企業(yè)甚至對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線生熱這一熱源項(xiàng)尚沒(méi)有扎實(shí)的基礎(chǔ)性研究。

　　2.可靠性

　　德國(guó)德瑪吉（DMG）公司對(duì)其生產(chǎn)的機(jī)床有嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系，公司允許的返修率在數(shù)年前已經(jīng)低至1.8次/（千臺(tái)?年），比目前國(guó)內(nèi)的返修率低至少一個(gè)量級(jí)。

　　機(jī)床的可靠性主要分為三個(gè)方面，分別是靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和熱特性，而機(jī)床的切削性能則主要取決于動(dòng)態(tài)特性。正是這個(gè)動(dòng)態(tài)特性幾乎被國(guó)內(nèi)機(jī)床界所忽略。

　　這個(gè)看似“疏忽”的根本原因其實(shí)是我國(guó)缺乏對(duì)于基礎(chǔ)機(jī)理的研究，對(duì)機(jī)床特性的工程數(shù)據(jù)庫(kù)積累不足，從而無(wú)法對(duì)這些尺寸機(jī)型正確標(biāo)定。工程化經(jīng)驗(yàn)不足，又沒(méi)有行業(yè)共性技術(shù)的支撐。

　　3.傳感器技術(shù)

　　有效、完備的控制系統(tǒng)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)高加工精度和智能化的前提，而完善、合理的傳感器系統(tǒng)則是控制系統(tǒng)的核心硬件基礎(chǔ)。

　　以德瑪吉目前市場(chǎng)上的五軸削銑加工中心DMC80FDduoBLOCK為例，一臺(tái)機(jī)床在關(guān)鍵位配備了包括溫度、力、振動(dòng)、潤(rùn)滑液流量、冷卻液溫度等在內(nèi)的超過(guò)60個(gè)傳感器。通過(guò)傳感器，所需的機(jī)床及加工信息可以被精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地收集，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒?，及時(shí)完成在線修正補(bǔ)償。

　　4.智能化

　　智能化是實(shí)現(xiàn)機(jī)床“自學(xué)、自適應(yīng)、自診斷”甚至是“自決策”的一個(gè)完整過(guò)程。目前，歐洲的機(jī)床智能化水平較高，以德瑪吉的CELOS為例。目前這款機(jī)器已經(jīng)能夠大幅優(yōu)化人機(jī)交互，將機(jī)床功能組塊化，成類似App的功能，用戶可以在面板上更加簡(jiǎn)便、快捷地進(jìn)行加工編程操作。

　　此外，CELOS已實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的高精度仿真，加工中心在接收加工指令程序段后，可首先將加工過(guò)程通過(guò)建模仿真的方式直接可視化，呈現(xiàn)給工業(yè)機(jī)床的操作者。

　　機(jī)床智能化的核心是需要在完善的傳感器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，疊加以大數(shù)據(jù)、人工智能等方法，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程、參數(shù)、路徑、速度曲線的自動(dòng)優(yōu)化，對(duì)可能產(chǎn)生的沖突做出提前預(yù)警，對(duì)內(nèi)外干擾因素做出修正補(bǔ)償，保證精度等功能。

　　03“卡脖子”突破路徑

　?。ㄒ唬┗A(chǔ)研究

　　工業(yè)母機(jī)是性、基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，事關(guān)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化和制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，因此，首先要關(guān)注基礎(chǔ)研究，建立自己的原創(chuàng)工業(yè)體系。

　　我國(guó)需要結(jié)合工作母機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展特征，完善對(duì)基礎(chǔ)性、性、前沿性科學(xué)研究和共性技術(shù)的支持機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各類科技計(jì)劃的有效銜接，發(fā)揮自然科學(xué)基金在基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新研究方面的引導(dǎo)和支持作用，倡導(dǎo)先進(jìn)工藝多學(xué)科交叉研究、母機(jī)裝備原始創(chuàng)新研究。

　　相關(guān)原始創(chuàng)新研究的署應(yīng)接續(xù)支持重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科技重大專項(xiàng)，基礎(chǔ)研究成果應(yīng)結(jié)合有關(guān)專項(xiàng)的攻關(guān)任務(wù)進(jìn)行貫徹、擴(kuò)散及融入。重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的具體成果，如樣機(jī)、工藝等應(yīng)在有關(guān)專項(xiàng)中持續(xù)開展應(yīng)用驗(yàn)證和推廣示范。

　?。ǘ?yīng)用研究

　　我國(guó)高端制造裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展模式應(yīng)由“引進(jìn)吸收”逐步向“并行自主創(chuàng)新”以及進(jìn)一步的“原始創(chuàng)新領(lǐng)跑”轉(zhuǎn)變。

　　我們要進(jìn)一步深化科技體制，針對(duì)航空、航天、軍工等重大需求，探索高端制造裝備全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新模式。要梳理核心技術(shù)、關(guān)鍵元器件、工藝和裝備的短板問(wèn)題以及“缺鏈”“斷鏈”環(huán)節(jié)，以高端制造裝備協(xié)同創(chuàng)新中心為基礎(chǔ)組建“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合體。要組織全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新、技術(shù)攻關(guān)，建立上游、中游、下游分工合作、利益共享的產(chǎn)業(yè)鏈組織新模式。以正在的制造業(yè)創(chuàng)新中心為基礎(chǔ)，我國(guó)要對(duì)現(xiàn)有分散在高等院校和科研院所的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心等進(jìn)行優(yōu)化重組，建立“產(chǎn)學(xué)研用”長(zhǎng)效合作機(jī)制，形成分布式、網(wǎng)絡(luò)化的新型科研機(jī)構(gòu)集群。

　?。ㄈ┊a(chǎn)業(yè)化

　　我國(guó)要培養(yǎng)一批技術(shù)先進(jìn)、世界領(lǐng)先的企業(yè)，使其發(fā)揮“龍頭”作用。引導(dǎo)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)的機(jī)床企業(yè)實(shí)施轉(zhuǎn)型，使之成為民生領(lǐng)域或國(guó)防軍工領(lǐng)域?qū)Ｓ醚b備的提供商、制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)與智能化改造的領(lǐng)頭羊、制造業(yè)整體解決方案的一體化供應(yīng)商。引導(dǎo)中小企業(yè)向“專精特”方向發(fā)展和成長(zhǎng)，通過(guò)稅收優(yōu)惠或金融支持鼓勵(lì)其深耕基礎(chǔ)零件、材料、元器件、傳感器、各類工業(yè)軟件以及專用裝備等細(xì)分領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。

　?。ㄋ模?yīng)用場(chǎng)景

　　在宇航及深空探測(cè)制造裝備方面，解決新一代中型、大型運(yùn)載火箭量產(chǎn)對(duì)成套裝備的迫切需求，突破飛行器大型構(gòu)件和復(fù)雜構(gòu)件批量、高效、精密制造的技術(shù)瓶頸，滿足深空探測(cè)飛行器對(duì)復(fù)雜構(gòu)件輕量化、結(jié)構(gòu)功能一體化的重大需求。

　　在大型飛機(jī)制造裝備方面，突破大尺寸鈦合金、碳纖維復(fù)合材料以及異性材料疊層的航空結(jié)構(gòu)件高速切削、增減材復(fù)合以及大件高精度互換性制造等技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)航空裝備的高性能、高精度、高效率、低成本制造。

　　在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造裝備方面，產(chǎn)業(yè)化推廣發(fā)動(dòng)機(jī)典型件制造的國(guó)產(chǎn)化裝備，突破航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件高溫合金、高強(qiáng)度合金、復(fù)合材料的集成設(shè)計(jì)制造、高效和高精制造技術(shù)瓶頸，解決進(jìn)口依賴問(wèn)題。

　　繼續(xù)完善船舶及海工大型柴油機(jī)缸體、曲軸、齒輪和船用燃?xì)廨啓C(jī)葉片、渦輪軸、葉盤等先進(jìn)成套技術(shù)裝備。突破大型艦船關(guān)鍵件制造技術(shù)、大型船用螺旋槳推進(jìn)器整機(jī)加工裝備、深海焊接/探測(cè)及深海工作站制造裝備等，推進(jìn)艦船增材制造現(xiàn)場(chǎng)維修成套裝備發(fā)展，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵裝備自主可控。

　　針對(duì)動(dòng)車組車體、客車車體等大型復(fù)雜型面加工需求，研制智能磨拋系統(tǒng)和柔性打磨工具；針對(duì)轉(zhuǎn)向架、變速箱、輪對(duì)等關(guān)鍵零組件制造需求，專用高效加工成套裝備及生產(chǎn)線。重點(diǎn)新能源汽車變速箱高效加工、近凈成型裝備及成組工藝生產(chǎn)線，研制高效加工與成型、在線檢測(cè)與裝配成套裝備及生產(chǎn)線。

　　面向新一代慣性儀表制造、多目標(biāo)紅外探測(cè)及高精度智能導(dǎo)引等領(lǐng)域，亟須集中優(yōu)勢(shì)力量，快速突破超精密加工機(jī)床技術(shù)瓶頸，推動(dòng)超精密制造領(lǐng)域相關(guān)基礎(chǔ)理論、測(cè)量技術(shù)、超精密機(jī)床制造技術(shù)、在線測(cè)量與智能控制技術(shù)的重大發(fā)展，探索形成超精密加工及高端機(jī)床自主研發(fā)的高效創(chuàng)新模式。

　?。ㄎ澹┕膭?lì)政策

　　優(yōu)化科技成果采購(gòu)體系，將各類科技成果編制目錄、簡(jiǎn)介進(jìn)行宣傳推廣。

　　調(diào)整企業(yè)稅費(fèi)比例，降低公共服務(wù)價(jià)格，探索新的制造業(yè)融資方式，引導(dǎo)金融機(jī)構(gòu)降低制造業(yè)企業(yè)的融資成本。制定優(yōu)惠政策，改變制造業(yè)企業(yè)留人難、人才流失的困境。

　　針對(duì)制造專業(yè)人才培養(yǎng)，在打牢基礎(chǔ)、淡化專業(yè)的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)智能制造傳感器、軟件及大數(shù)據(jù)等方面的知識(shí)積累與研究實(shí)踐。

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