中國(guó)機(jī)床已經(jīng)創(chuàng)造了很多“世界第一”——2009年實(shí)現(xiàn)機(jī)床產(chǎn)值世界第一(產(chǎn)值接近德國(guó)、日本的總和,且多年穩(wěn)居世界第一),2016年成為世界數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)份額第一(占據(jù)全球數(shù)控機(jī)床1/4以上份額),包括世界最大模鍛液壓機(jī)、世界最大超重型數(shù)控臥式機(jī)床、世界最大數(shù)控龍門(mén)鏜銑床、世界最大高精度數(shù)控軋輥磨床、世界最大加工直徑螺旋槳加工機(jī)床、世界最大油壓機(jī)、世界最大立式車(chē)銑床、世界最大齒輪數(shù)控加工設(shè)備等都產(chǎn)生在我們國(guó)家。
值得一提的是,2010年,由上海機(jī)床廠有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海機(jī)床”)研制的世界最大的數(shù)控軋輥磨床,最大磨削直徑為2500mm,有效磨削工件長(zhǎng)度為15m,最大磨削工件重量250噸,并配以具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng),標(biāo)志著我國(guó)重載高精度數(shù)控機(jī)床躋身世界頂尖水平。
磨床:加工精度之王
機(jī)床要做的事情主要是“車(chē)鉗銑刨磨”,就是將原材料中不需要的部分一點(diǎn)點(diǎn)減掉,通過(guò)鉆孔、切削、彎折、打磨,得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的物理零部件,代表了傳統(tǒng)工業(yè)社會(huì)“減材制造”思維。長(zhǎng)期以來(lái),衡量機(jī)床好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)還是經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)——速度、精度和壽命。比如,我國(guó)機(jī)床產(chǎn)品的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)里有一個(gè)“平均無(wú)故障時(shí)間MTBF”概念,這是引進(jìn)自日本的經(jīng)驗(yàn)指標(biāo),在歐洲的機(jī)床行業(yè)沒(méi)有這一概念。
如果要追求機(jī)床工具的加工精度,不僅取決于其機(jī)械結(jié)構(gòu)形式和精度,還要通過(guò)最基礎(chǔ)的電子元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。如,要實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)繪,就繞不過(guò)“光柵”測(cè)量元件。時(shí)至今日,幾家德國(guó)和英國(guó)公司幾乎可以壟斷光柵技術(shù)的全球市場(chǎng),真正高精度的光柵,有錢(qián)也買(mǎi)不到,外國(guó)公司一般只會(huì)出口基本測(cè)量水平的光柵器件。
如果想在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)兼顧速度、精度兩個(gè)指標(biāo),也不容易實(shí)現(xiàn)。比如, 銑床屬于效率型機(jī)床,要求速度快;磨床屬于精度型機(jī)床,要求極端精確。對(duì)于追求效率的銑床來(lái)說(shuō),電主軸溫升通常能達(dá)到60~70攝氏度(高速運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備都有摩擦生熱問(wèn)題),這就很難兼顧精度了(因?yàn)椴牧蠒?huì)熱脹冷縮),所以對(duì)精度要求也不高,誤差在1%毫米左右就行。
但對(duì)于追求精度的磨床來(lái)說(shuō),其要求的精度是0.1%毫米級(jí)別,要特別考慮熱剛性問(wèn)題,主軸溫度絕不能超過(guò)20攝氏度,否則會(huì)出現(xiàn)熱傳導(dǎo)效應(yīng),微小的熱脹冷縮就會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生很大影響。為此,磨床主軸電機(jī)的載荷一般只能使用一半功率,避免出現(xiàn)發(fā)熱問(wèn)題。所以,我國(guó)對(duì)于精密型的磨床和效率型的銑床,都是層層技術(shù)分解,由不同企業(yè)分頭去攻關(guān),因?yàn)槎叩牟町愋员榷叩南嗤c(diǎn)顯著得多。
上海電氣下屬的機(jī)床業(yè)務(wù)主攻“加工精度之王”——磨床。我國(guó)絕大多數(shù)類(lèi)型的磨床首臺(tái)產(chǎn)品都是由上海機(jī)床打造的。20世紀(jì)80年代,我國(guó)第一臺(tái)可磨2m直徑的Y70200大型齒輪磨床,第一臺(tái)可磨8m長(zhǎng)、回轉(zhuǎn)直徑1250毫米的M82125大型曲軸磨床,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的可磨直徑800mm、圓度0.001mm的高精度萬(wàn)能外圓磨床MG1480/H,國(guó)內(nèi)最小的納米精度微型數(shù)控磨床Elite,國(guó)內(nèi)最大的頂磨加工250噸工件的數(shù)控軋輥磨床MK84250,以及國(guó)內(nèi)首臺(tái)進(jìn)入汽車(chē)主機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的雙砂輪架隨動(dòng)曲軸磨床MK8220/SD,都出自上海機(jī)床。
以上這些僅僅是上海機(jī)床產(chǎn)品體系的冰山一角,如今上機(jī)公司已擁有10余種大類(lèi)、400余種系列的產(chǎn)品,覆蓋外圓、平面、軋輥、曲軸、雙端面、花鍵軸、齒輪、螺紋、凸輪軸等各類(lèi)通用、大型、精密、專(zhuān)用、數(shù)控等磨床品種。
上海機(jī)床發(fā)展的前期已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品面的寬度,近些年來(lái)則更強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整,突出重點(diǎn)以提升整體實(shí)力。針對(duì)上海特殊的產(chǎn)業(yè)布局,優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)包括航天技術(shù)、飛機(jī)制造、汽車(chē)制造、船舶制造、港口機(jī)械和電子元件等,上海機(jī)床不再側(cè)重發(fā)展規(guī)?;a(chǎn)業(yè),而是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行整體的梳理,以用戶(hù)為導(dǎo)向,重點(diǎn)關(guān)注汽車(chē)及配套加工、能源、鐵路裝備領(lǐng)域,做專(zhuān)、做精,突出大型高精、外圓磨床。
上海電氣對(duì)未來(lái)的機(jī)床制造業(yè)有過(guò)一個(gè)基本判斷——產(chǎn)品做精+技術(shù)領(lǐng)先,即繼續(xù)穩(wěn)固市場(chǎng)占有率,進(jìn)一步調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu),做專(zhuān)、做精、做高質(zhì)量產(chǎn)品,擴(kuò)大在中高端市場(chǎng)的份額,選定細(xì)分市場(chǎng)進(jìn)行深入挖掘;這里“技術(shù)領(lǐng)先”的含義更加廣泛,要兼顧產(chǎn)品可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性、維修性、操控性、經(jīng)濟(jì)性,以及良好的用戶(hù)體驗(yàn)等多個(gè)維度。
人機(jī)融合實(shí)現(xiàn)諸多創(chuàng)新突破
機(jī)床作為“工業(yè)母機(jī)”,是一切機(jī)器的來(lái)源。如果進(jìn)行細(xì)分,還能進(jìn)一步區(qū)分為“工業(yè)母機(jī)”和“工作母機(jī)”。各種加工中心、車(chē)床、銑床都可以歸于“工業(yè)母機(jī)”,這類(lèi)機(jī)器并不都是我們的技術(shù)軟肋。“生產(chǎn)機(jī)床的機(jī)床”即“工作母機(jī)”,是更高精度的機(jī)床,需要實(shí)現(xiàn)匠人技藝與機(jī)器設(shè)備的有機(jī)融合(人機(jī)融合),往往更考驗(yàn)高精度。如加工精度需要在微米級(jí)(千分之一毫米),而“工業(yè)母機(jī)”的加工精度只需達(dá)到百分之一毫米的精度。高精度機(jī)床自身的零部件往往就需要“工作母機(jī)”來(lái)制作。
要提高加工精度,也不完全只靠設(shè)備,畢竟設(shè)備是死的,現(xiàn)在高端裝備制造業(yè)有很多高精度的加工還是靠人工來(lái)主導(dǎo),往往是人工把精密的東西做出來(lái)以后,再把這個(gè)過(guò)程固化,變成設(shè)備的精度。國(guó)內(nèi)外都是如此,先技能,后設(shè)備,再技能,再設(shè)備,兩者形成一個(gè)螺旋上升的過(guò)程。而上海機(jī)床最大的財(cái)富其實(shí)就是一些技術(shù)精湛的老師傅,可以將人的技藝非常好地融入機(jī)器之中。
比如,MK8220/SD機(jī)床是專(zhuān)門(mén)為上海通用汽車(chē)配備的設(shè)備,尾架頂尖使用的圓弧頂尖過(guò)去從瑞士進(jìn)口,每個(gè)需要一萬(wàn)多元。但上海機(jī)床的師傅通過(guò)自制圓弧測(cè)量工裝,在一定程度上改進(jìn)了修正圓弧砂輪的方法,完工后的零件各項(xiàng)技術(shù)均達(dá)標(biāo),成功替代進(jìn)口。
還有,國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目H402-AZ數(shù)控專(zhuān)用平面磨床砂輪架主軸的磨削加工,是上海機(jī)床有史以來(lái)加工技術(shù)要求最高的零件,其對(duì)精度要求極高。小到砂輪的選用、磨削參數(shù)的選擇,大到輔助工裝的自制,那里的師傅們都一絲不茍,保證了零件外圓及外錐體一次加工完成,其磨削操作法達(dá)到了非常高的水平。
在技術(shù)、工藝沒(méi)有出現(xiàn)革命性突破的情況下,制造業(yè)的提升主要靠匠人的經(jīng)驗(yàn)積累和長(zhǎng)時(shí)間的專(zhuān)注。機(jī)床跟其他制造領(lǐng)域不同,其有很多傳統(tǒng)工藝一直在發(fā)揮作用。比如,手工刮研這道工序,哪怕在不少工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也會(huì)保留下來(lái)作為最后一道工序。機(jī)床行業(yè)的很多規(guī)律都是以10年作為周期閃現(xiàn)一次,外行人短時(shí)間很難悟透。尤其是機(jī)床行業(yè),基本上都是面向?qū)I(yè)市場(chǎng),而越是往高端發(fā)展,客戶(hù)的專(zhuān)業(yè)化程度越高,市場(chǎng)細(xì)分也就越明顯。
例如,2008年,上海機(jī)床參與某核心零件的制造,需要實(shí)現(xiàn)極高的精度,尤其是關(guān)鍵部位的外圓及錐度誤差、跳動(dòng)要求、表面粗糙度3個(gè)數(shù)據(jù)中,不能有任何一個(gè)超出范圍,否則就前功盡棄。這個(gè)級(jí)別的加工精度,就相當(dāng)于在一根頭發(fā)絲里造一幢摩天大樓,難度非常高。接下任務(wù)以后,上海機(jī)床的師傅們每天跑圖書(shū)館查資料,埋頭苦干,用心設(shè)計(jì)加工方案和工具,經(jīng)過(guò)近千次的試驗(yàn),才找到解決辦法。
“工業(yè)母機(jī)”用于成形或切削金屬,以及其他剛性材料,為裝備制造業(yè)提供生產(chǎn)設(shè)備。而“工作母機(jī)”則助力機(jī)床工業(yè)實(shí)現(xiàn)“根技術(shù)”的突破,是匠人技藝與機(jī)器設(shè)備進(jìn)行有機(jī)融合的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。加上下游工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景、商業(yè)回報(bào)的持續(xù)反哺,即工業(yè)母機(jī)+工作母機(jī)+下游應(yīng)用,構(gòu)成了機(jī)床工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的三大引擎。
下游應(yīng)用支撐產(chǎn)業(yè)高端化發(fā)展
大概20多年前,中國(guó)制造業(yè)的處境是,生產(chǎn)出口8億件襯衫換回來(lái)的利潤(rùn)才夠買(mǎi)到一架波音飛機(jī)。時(shí)至今日,中國(guó)國(guó)產(chǎn)的C919大型客機(jī)已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)階段。這已經(jīng)是中國(guó)制造業(yè)從低端向高端轉(zhuǎn)型的經(jīng)典范例??墒?,為何中國(guó)的機(jī)床產(chǎn)業(yè)從低端向高端的轉(zhuǎn)型沒(méi)有其他行業(yè)那么順利?
國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為,中國(guó)的各種優(yōu)勢(shì)在機(jī)床這個(gè)品類(lèi)上難以累積,是因?yàn)闄C(jī)床是客戶(hù)需求多樣且市場(chǎng)規(guī)模很有限的產(chǎn)品類(lèi)別,這個(gè)觀點(diǎn)非常符合實(shí)際情況。2022年,在中國(guó)33.5萬(wàn)億元的制造業(yè)增加值中,機(jī)床行業(yè)直接撐起了超過(guò)10萬(wàn)億元的產(chǎn)出。但機(jī)床是制造業(yè)成功的結(jié)果,而不是原因,不可能指望做強(qiáng)機(jī)床產(chǎn)業(yè),來(lái)?yè)纹饛?qiáng)大的制造業(yè)。相反,要靠下游(制造業(yè))的諸多應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)反哺機(jī)床行業(yè)。
舉個(gè)例子,20世紀(jì)80年代,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)CNC開(kāi)始在機(jī)床領(lǐng)域逐漸滲透,最早發(fā)明計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的,是美國(guó)麻省理工學(xué)院,而第一代計(jì)算機(jī)控制機(jī)床系統(tǒng)也誕生于美國(guó)機(jī)床廠Bendix。為什么最后日本企業(yè)反而領(lǐng)先了?看看目前數(shù)控機(jī)床的下游應(yīng)用領(lǐng)域,汽車(chē)行業(yè)占到40%,是機(jī)床行業(yè)的第一大應(yīng)用,也是對(duì)機(jī)床要求最高的行業(yè),代表了機(jī)床行業(yè)的最高技術(shù)水準(zhǔn)。另外,工程機(jī)械、航空航天、模具分別占到10%~20%不等的應(yīng)用市場(chǎng),也可以不同程度反哺機(jī)床行業(yè)。
當(dāng)年,日本汽車(chē)行業(yè)迅速崛起,追平甚至反超了美國(guó)、歐洲的汽車(chē)行業(yè),因?yàn)槠?chē)行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景極其豐富且商業(yè)回報(bào)豐厚,對(duì)日本機(jī)床行業(yè)也是一次極大的反哺。哪怕是前幾年崛起的韓國(guó)機(jī)床,也明顯受益于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)。起初韓國(guó)機(jī)床是沒(méi)有什么名氣的,但韓國(guó)的汽車(chē)、船舶零部件制造商將生產(chǎn)基地轉(zhuǎn)到中國(guó)以后,所有的工藝和設(shè)備都照搬原廠,企業(yè)主也會(huì)選擇從韓國(guó)進(jìn)口設(shè)備,所以韓國(guó)的機(jī)床產(chǎn)業(yè)也開(kāi)始在中國(guó)有了很多布局機(jī)會(huì)。
無(wú)疑,上海機(jī)床的發(fā)展紅利也明顯受益于下游應(yīng)用領(lǐng)域的反哺作用。2016年,作為國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)成果的“MK8220/SD雙砂輪架數(shù)控切點(diǎn)跟蹤曲軸磨床”已經(jīng)成功應(yīng)用于上海通用汽車(chē)有限公司,進(jìn)行汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零部件——曲軸的加工。這款機(jī)床設(shè)備也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)能夠進(jìn)入汽車(chē)主機(jī)廠發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)控磨床。
據(jù)悉,汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)加工生產(chǎn)線(xiàn)對(duì)機(jī)床的要求是高效、高精和高可靠性,而磨床又承擔(dān)著所有工業(yè)零部件加工的最后一個(gè)關(guān)鍵工序——磨削,承擔(dān)著保證加工的尺寸和形位精度的重大責(zé)任。因此,之前通用公司,乃至整個(gè)國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)一直進(jìn)口德國(guó)或英國(guó)造的磨床來(lái)承擔(dān)這一任務(wù)。
“MK8220/SD雙砂輪架數(shù)控切點(diǎn)跟蹤曲軸磨床”研發(fā)期間,上海電氣與上汽通用汽車(chē)緊密聯(lián)系,在下游應(yīng)用廠商的協(xié)同配合下,上海電氣深入研究汽車(chē)企業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、加工工藝等信息,交付后快速并線(xiàn)生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)了與汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)各環(huán)節(jié)的無(wú)縫銜接。設(shè)備上線(xiàn)不久,恰巧德國(guó)機(jī)床出現(xiàn)故障,上海電氣的磨床設(shè)備及時(shí)頂上,順利并線(xiàn)生產(chǎn),承擔(dān)并保質(zhì)保量完成大量任務(wù),避免了交期滯后帶來(lái)的損失。從2016年4月交付用戶(hù)使用開(kāi)始,這臺(tái)機(jī)床已經(jīng)在通用的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸LGE生產(chǎn)線(xiàn)上使用了多年時(shí)間,各項(xiàng)性能都達(dá)到了他們的預(yù)期。
除了在汽車(chē)制造這個(gè)最大應(yīng)用領(lǐng)域不斷開(kāi)拓,上海機(jī)床的產(chǎn)品線(xiàn)已經(jīng)覆蓋到國(guó)內(nèi)高端制造業(yè)的多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是航空航天、核電、軌道交通等極端制造領(lǐng)域,這是上海機(jī)床實(shí)現(xiàn)技術(shù)迭代和商業(yè)正反饋的基石。
高端制造業(yè)的用戶(hù)有很大黏性,生產(chǎn)廠家?guī)缀醪豢赡芤驗(yàn)閮r(jià)格更換設(shè)備。對(duì)他們來(lái)說(shuō),投資設(shè)備的錢(qián)都會(huì)作為固定成本攤銷(xiāo)到每一個(gè)產(chǎn)品上,只要訂單穩(wěn)定,設(shè)備投資攤銷(xiāo)占總成本比例是不大的。而設(shè)備不穩(wěn)定、不可靠,則會(huì)嚴(yán)重拖累生產(chǎn)線(xiàn)效率,制造商的損失就難以估計(jì)了。
機(jī)床產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展
上海機(jī)床可以依靠豐富的產(chǎn)品線(xiàn),滿(mǎn)足多細(xì)分領(lǐng)域客戶(hù)的多樣化需求,但是這也特別考驗(yàn)企業(yè)的研發(fā)實(shí)力。很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),國(guó)產(chǎn)機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)是膠著的,但激烈的競(jìng)爭(zhēng)也是一種市場(chǎng)的選擇和調(diào)整,在研發(fā)創(chuàng)新、品質(zhì)服務(wù)方面扎根特別深的企業(yè),會(huì)更具競(jìng)爭(zhēng)力。
中國(guó)機(jī)床從傳統(tǒng)的機(jī)械控制時(shí)代向現(xiàn)代的數(shù)控系統(tǒng)時(shí)代發(fā)生轉(zhuǎn)變,還是近20年的事,要比歐美國(guó)家和日本晚一些。但國(guó)內(nèi)機(jī)床企業(yè)的研發(fā)邏輯和設(shè)計(jì)思維,不可避免地受到這些歷史因素的影響。機(jī)械控制時(shí)代的做法是以單軸為主,幾個(gè)單軸做線(xiàn)性疊加,很適合簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)景,而且精度、速度都很有限,對(duì)機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性要求也不高。數(shù)控系統(tǒng)時(shí)代則是一個(gè)“多軸同步插補(bǔ)”的時(shí)代,對(duì)刀具的行程要做出更加細(xì)致的運(yùn)動(dòng)分解,動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求很高,否則就很難保證多軸的同步。
以前,我們因?yàn)殚L(zhǎng)期停留在機(jī)械控制時(shí)代,對(duì)動(dòng)態(tài)特性理解不深。研發(fā)工程師們往往將機(jī)械部分、數(shù)控系統(tǒng)相互隔離,習(xí)慣先設(shè)計(jì)好機(jī)械部分,然后配上數(shù)控系統(tǒng),而數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)的影響未得到足夠重視,導(dǎo)致一臺(tái)機(jī)床作為一個(gè)系統(tǒng)的完整性受到很大損害。
上海機(jī)床是國(guó)內(nèi)最早進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)時(shí)代的機(jī)床企業(yè)之一,不僅在硬件上的自主研發(fā)已有很多突破,比如,多年來(lái)對(duì)靜壓主軸、靜壓電主軸、閉式靜壓導(dǎo)軌、高精度轉(zhuǎn)臺(tái)等高檔數(shù)控機(jī)床的核心功能部件進(jìn)行深入研究,積累了一批精密加工、裝配、檢測(cè)等工藝技術(shù),精密靜壓/動(dòng)靜壓主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度、閉式靜壓導(dǎo)軌重復(fù)定位精度均已達(dá)到百納米級(jí),而且在系統(tǒng)和軟件層面也同步取得不少成就,比如,開(kāi)發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“磨削之星”機(jī)床軟件,運(yùn)用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)磨削工藝封裝、參數(shù)化編程、磨削過(guò)程可視化等功能,人機(jī)交互界面友好。

上海機(jī)床深耕研發(fā),尤其聚焦磨削工藝。決定機(jī)床磨削性能的主要是動(dòng)態(tài)特性,而提高動(dòng)態(tài)特性需要積累豐富的工程數(shù)據(jù),每臺(tái)機(jī)床要有兩百多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。上海機(jī)床很早就意識(shí)到建立起機(jī)床參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要性,并持續(xù)推動(dòng)對(duì)剛性、頻率等關(guān)鍵參數(shù)按照嚴(yán)格的工程化標(biāo)準(zhǔn)來(lái)優(yōu)化。
歸根到底,上海電氣及其下屬機(jī)床業(yè)務(wù),在很大程度上是以精度和可靠性取勝,幫助客戶(hù)在各類(lèi)細(xì)小、精密的零件生產(chǎn)加工中,最大限度提升空間利用率,確保生產(chǎn)流程穩(wěn)定。而機(jī)床行業(yè)所有的創(chuàng)新突破最終都會(huì)達(dá)到一個(gè)效果——把簡(jiǎn)單帶給制造業(yè)客戶(hù),把復(fù)雜留給機(jī)床設(shè)計(jì)者自己。