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中国机床能否打赢翻身仗?

中国国际机床展CIMT盛大开幕了。如此热闹的盛会,满心希望中国机床挺直腰杆的诸多灼念又回响心头。

中国机床能翻身吗?

现场转了一圈,感触良深。大家的感慨都是基础理论缺乏深耕,共性技术缺乏行动。但是,堂堂机床大国,对于“什么是一个好机床”这样的问题,各家却并无定论。对于中国机床而言,如果连精度、精度保持性、一致性和可靠性等这些最基本的概念都没有形成共识,如何能够搞好搞强机床。起点的桩子如果打歪了,后面再多钱搭出来的梁,也很难走正。

一、好机床是咋来的

定义一台机床的好坏,中国的评定标准里有一个“平均无故障时间MTBF”概念。奇怪的是,在德国和意大利的机床设备中,研发人员并没有这种指标。当中国机床界跟德国、意大利等机床厂家交流这个概念时,欧洲人往往一脸的困惑。

机床平均无故障时间MTBF,最早是来自日本。这是一个从“全面质量管理”角度提出来的概念,后来也成为国际标准的一种。中国大概是2000年前后,也慢慢接受了这个概念,并且将这个指标作为机床考核的重要依据。

日本机床的发展,本身是通过实验加上理论分析。它跟用户有着非常紧密的联系。可以说,它是靠着一线反馈回来的数据,反复迭代从而完善起来的体系。而对于质量体系,日本自然更是有一套成熟的做法。

而德国的机床发展,则跟日本完全不一样。德国的产业界和学术界都是直接打通,大学教授一般都是在企业呆过一段时间,对机床的使用情况天生就非常了解。而德国亚琛工业大学和斯图加特大学,是德国机床工业的摇篮,简直就是一个机床工厂与实验的联动中心。它从基础理论出发,再加上很熟悉应用场合,于是就容易设计出高精度、高可靠性的机床。

如此看来,机床的发展路径对一个国家的机床工业体系的形成,有着非常大的影响。要了解当下机床的短板,看看历史走过的路径,很多病灶就会清清楚楚。

二、历史的裂痕

中国大陆机床的水平,现在是远远落后于日本、德国、韩国。

上世纪八九十年代,计算机控制系统CNC开始在机床领域逐渐渗透,日本就是在这个时候异军突起。实际上最早的控制系统是在麻省理工学院发明的,而第一代计算机控制机床系统,也是在美国机床厂Bendix诞生。但是,美国机床厂整体都沉醉在传统机械控制的大好河山之中。

日本则完全不同,彼时日本制造正在自信满满地全线复兴。政府大力发展机床,推行标准化并且坚决鼓励数控机床。在1970年的时候,就制定了未来五年数控机床比例占比一半的雄心。采购数控机床的用户,也会得到补贴。而且,它只扶持一家来自富士通自动化分离出来的公司,让所有企业都使用该公司的数控系统。

日本在本土掀起了数控机床热潮,正好也赶上日本汽车大发展的时候。因此,在日本市场得到历练的机床厂商,在美国市场也彻底击溃了分散零落的美国机床厂商。这些厂商往往各自为政,而数控系统厂商如通用电气、罗克韦尔则热衷于专用控制系统。根本无法应对灵活好用、低成本的日本机床。在1980年初期,美国机床产量还是全球最大,占比超过20%。当时全球TOP10全部都是美国机床。然而只过了10年,美国机床就迅速衰落,产量只占全球比例的7%,而且开始大量进口日本和德国机床。

错过了数控系统,对用户需求响应不足是美国机床产业大败而退的重要原因。

就在这次机床数控系统转型的大浪潮中,中国机床仍然停留在前苏联机床的机械控制时代。苏联的做法是以单轴为主,几个单轴做线性叠加,很适合简单运动的场景。即使是曲线轨迹,也采用仿形原理。这就像是用一个圆度板画半圆,刀具就像笔尖一样贴着既定的模板往前行走。而此时,精度要求较低,速度也并不高,对机床的动态特性要求不高。但进入数控系统时代,就彻底进入了多轴同步插补的时代。需要对刀具的行程做更加细致的运动分解。它采用了振型设计的原理,动态响应特性要求很高。否则无法保证多轴的同步。

二者是完全不同的方式。

很长时间,中国机床界一直停留在机械控制时代,对动态特性认识不足。研发工程师们往往先设计好机械部分,然后再配上数控系统。这种将机械与控制系统相互隔离的理念,完全无视数控系统对于机床设计的影响,严重地损害了一台机床作为一个系统的完整性。

可以说,当中国机床的腿已经迈进数控系统的时代大门,而大脑却还留在传统机床的空间里徘徊。中国在上个世纪九十年代,连一本像样的数控机床设计的教科书都没有,所有教科书的内容都是苏联机械传动时代的机床。一代人就在这样的机床理念下成长。而此时,打败了美国机床的日本、德国同行们,则早已进入加速奔跑的阶段。到了2012年前后,德国制定了动态特性的国际标准。然而,在国内很少有组织能够有能力对此进行研究。中国机床设计师的大脑,一直没有进入指定阵地。

三、搞不清楚是设计问题,还是质量问题

逆向工程给中国制造的带来恶果影响正在逐渐显现。逆向工程就是按照实物测绘,然后照猫画虎进行仿制。这种方式,很容易导致知其然但不知其所以然。对于简单机床还可以轻松突破,但对于高尖端机床则很难奏效。以品质著称的瑞士机床的机构部件,有时候薄,有时候厚。肋条厚薄分布不均,这是有意为之还是偶然巧合。从逆向工程的角度看,很难搞得清楚。如果对这样的原理搞不清楚,就会导致“什么是一个好机床”成为一种玄学。

中国机床的研制,由于设计理念跟不上,对于很多参数的设计根本就无法考虑周全。对机床床身强度进行设计的时候,往往都是经验值直接估算,这种设计造成的机床精度不够往往是致命性的。

德国的机床采用了“轻质高刚”的策略,就是质量要轻,刚度要高。为什么是这种设定?因为每一个零件都有固有频率。当机床开始高速运转形成振动的时候,它必须小心地避开这些零部件的频率,以免形成共振。正如大部队过桥不能采用齐步走一样,这样才能避免引起大桥的共振。很好,这听上去像是一个轻量化的命题。于是,有些机床厂就想将床身轻量化。但在德国机床界看上去这毫无必要,因为只有运动的零部件,才需要轻薄以避开振动频率。对于固定件而言,并不需要轻量化。

这就是对于动态刚性的要求。如果不能理解这一点,那么在设计机床的时候,就会只是根据静态刚性的要求去设计,这些都是致命的隐患。它保证了一台机床的精度,如果有的话,也不会保持很久。

然而雪上加霜的是,设计师留下的系统性漏洞,与另外一种缺陷进行了叠加。

在生产过程中,由于操作规范的不同,很难保证每一台产品的一致性。不同的技工安装,会形成不同的产品性能。高端的机床数量,往往都并不高。行业里有这样的看法,“安装100台机床都是一样的好,这是很难做到的;但要安装100台机床都是一样的坏,那也是万万做不到的”。这个苦涩的笑话,其实正是中国制造的质量通病:“制造不一致性”。

这是一个质量问题,它在制造过程出现了偏差,也就是质量大师戴明在七十年前指导日本的时候所提出来的“变异”。然而,这种由于制造过程形成的质量变异,跟它在前端的设计理念形成的缺陷完全不同类。但当基本概念不明确的时候,两者造成的失误就混在一起了。豆腐掉到锅灰里,吹掸不得,豆腐自身的杂质也就无从考量了。这些不同原因叠加的结果,导致了机床在用户端形成故障的原因往往无法解释清楚。而用户,只能称其为“可靠性不足”而敬而远之,远离这些容易生病的机床。

质量是一致性地制造,是变异问题;而可靠性首先是系统性的设计,是认知问题。但在实际过程中,却没有人能区分出到底是什么原因。一把最小单位是厘米的尺子,是无法测量出毫米空间的多样性。不能识别真相,就无法解决困境。

四、咬文嚼字是有必要的

机床被称之为“工作母机”,这彰显了它的重要地位,它是一切机器的来源。然而这个称呼依然不准确。如果可以细分,还可以进一步区分为“工业母机”和“工作母机”。

工业母机是最常见的机床,各种加工中心、车床、铣床都可以归于这类。这类机器并非中国的技术软肋,但中国机床也没有做好。这类机床,最需要做好的就是质量规范。在这个层面,中国大陆机床厂家面对的对手,正是中国台湾的机床。富士康有上万台高速钻攻机,用于加工苹果手机各种材料的表面,基本都是中国制造。最早发明这种机床的日本发那科,也并没有占据太大的优势。当然,高速加工的保持性,同样也是非常重要。瑞士肖柏林的车床,一刀下去,金属切削量很大,能达到中国同样车床的三倍。除了这种高效率,精度保持很高,几乎无需后面的精加工工序。这也是中国机床需要认真琢磨的地方。

还有一种是“生产机床的机床”,也就是更高精度的机床,这被称之为“工作母机”。它往往考验的是高精度,例如加工精度需要在微米级(千分之一毫米)。而工业母机加工精度往往只需要达到“道”或者“丝”的精度,这是百分之一毫米的精度。高精度机床自身的零部件,往往就需要“工作母机”来搞定。

中国最需要攻关的,正是这类机床。这两年,中国资本界对于中国机床有足够的好感。救赎心切之下,去年两家基金选了50家上市公司,编制了一个“中证机床指数”。两个机床基金产品都获得批准。其中权重最大的就是大族激光。

这真的是一个天大的玩笑。大族激光固然也有机床部分,例如加工电路板的高速钻攻机。但其实很多这类机床,并不需要太多的技术攻关。这个行业更需要解决的是功率更大的激光器、光学振镜等问题。大族激光对标的是德国通快。通快固然有机床激光切割部分,但它真正厉害的是极紫激光源。它是唯一能够为光刻机巨头阿斯麦提供大功率二氧化碳激光器的厂家。现在用大族激光挂帅的“机床指数”,来反映中国机床攻关的睛雨表,真的是文不对题。

对效率型的机床如铣床,它要求的是速度。对于机床的静刚性和动刚性要求很高。它对于精度要求往往并不高,在1%毫米左右就够用。这个时候,热应力的刚性问题就可以忽略。但对于精度型的机床如磨床,它要求的是精度,如0.1%毫米级别。这种精度,热刚性就成为关键考虑的元素。

二者的差别会带来何种结果?可以对两种机床进行对比。对于效率型的铣床而言,电主轴温升达到60~70摄氏度是非常正常的。但对于精度型的磨床而言,主轴速度绝不能超过20摄氏度,否则就会产生热传导效应,微小的热胀冷缩,就会对精度产生巨大的影响。因此磨床主轴电机的载荷,一般就只能使用一半功率。如果用满功率,会导致发热问题。

对于精密型的磨床和效率型的铣床,就需要层层分解,然后分头去攻关。二者的差异性,比二者的相同点,更要显著得多。

很显然,所有的机床都可以叫做“工业母机”,但不是所有的机床都可以叫做“工作母机”。当然,这二者的差别也没有那么重要。重要的是,中国机床大振兴之前,不妨先定神聚焦:到底是在做大机床产业,还是在做强机床补齐短板,这两种是完全不同的思路。

机床短板其实很容易找到,它总是坐在冷板凳的位置上。那些无人问津的概念,就像疲乏的花生米一样,嚼起来了无滋味。然而这些毫无新意榨不出油来的概念,却正是定义“强大机床”的起点。一台好机床,就是由基本概念所定义。智能制造、智能机床都跟机床攻坚之战毫无关系。没有好机床,啥智能都不管用。

中国机床的攻关方向,不妨先从咬文嚼字开始。

五、造不出来与用不起来

一台高端机床要做到精度的保持性,自身的刚性非常重要,这对于机床床身的铸件要求非常高。而床身铸件刚性,往往取决于一种用来衡量材质抗拉或者抗压的“杨氏弹性模量”。这个老掉牙的命名,是200多年前一位英国医生提出的。他呼应了更早100多年前的胡克定律,就是我们熟悉的那个弹簧定律。好机床的奥秘,就是如此执拗地依赖于那么多古老的科学定律之中。

机床研发工程师需要有清晰的材料数据支撑,才能做好机床的设计,但国内的铸件材料并不提供这样的数据。实际上,国标也并无这样的要求。而那些国际机床厂商往往是经历了多年的沉淀,已经找出了企业内部标准来解决。

国内的机床厂要得到这样的弹性模量就需要铸铁厂花费大量的金钱去做试验研究。测量材料的参数,需要进行各种测试。而且需要不断调整熔炼方式、浇铸温度、微量元素的比例。然而,真正想做好机床、有这种需求的厂家,却又少得可怜。这些有需求的机床厂家数量太少,根本无法支撑铸铁厂的研发成本。

这就是那个 “中国为什么无法制造圆珠笔芯”的经典之问。制造笔芯钢珠的材料,并没有什么特别难以攻克的地方,它就是费钱不讨好而已。这种钢材用量实在太少,没有钢厂愿意做。全球的圆珠笔芯基本都是日本秋山和下村精工这两家,早已形成稳定的局面,它是经过市场检验的平衡。但太钢最后决定攻克难关,终于制造出钢珠材料。但国内圆珠笔厂商根本不愿意使用。

原因有以下三点:第一,要加工这种新钢材,需要调整精密机床的加工方式,不同材料会影响机床的使用方式。而那些昂贵的机床往往来自瑞士米克朗,要在钢珠基座上加工出五个微槽,调试起来非常不容易;第二,笔芯钢珠要跟油墨配合。油墨又是日本或者德国进口的,二者适配起来,非常麻烦;第三点也是最关键的一点,钢材的配方需要根据圆珠笔厂的体验而不断进行调整。于是,太钢厂需要再来一锅。而对于钢铁厂,再来一锅这种小批量的生产是最不经济的方式。这种改善无休止,而产出又相当少的事情,只会越来越萎缩。最后整个产业,就会放弃这种努力。

同样,铸铁厂“无法”提供至关重要的“杨氏弹性模量”参数,其实是基于同样的“规模不经济”的道理。

中国制造有两个软肋,一个是“造不出来”,这是技术上的真卡脖子;还有一个是“用不起来”,这往往卡在非技术壁垒之上。圆珠笔芯钢和床身铸铁,都是这样的原因。进一步推断,中国绝大部分所谓“造不出来”的机床,其实都不是真正的技术卡脖子。

六、论文饱和区正是宝藏地带

做基础性研究的专家,在哪里?

上海机床厂曾一直困惑于加工大型凸轮轴的时候,磨床的砂轮一直磨损得厉害。一位德国机床专家被请到现场。这位德国博士一来就是建立模型,确立结构刚性方向;其次就是公式推导,列出一堆相关参数。

这就是基础研究的功底。2012年美国哈佛商学院教授曾经出过一本产业反思的畅销书——《制造繁荣:美国为什么需要制造业复兴》。这本书谈到,产业公地的缺失是造成美国制造大面积溃败的原因。这种产业公地解决的正是单元块的基础共性问题,在传统机械控制的机床时代,中国也有机床的两大“产业公地”。

在上个世纪九十年代初,北京有机床所可以解决结构问题;而广州机床所则主要解决液压与润滑密封问题。每个机床企业,都可以带着问题来,带着答案走。机床行业里边还有多家企业院所的联合设计。实际上就是集中大家的智慧,包括邀请院校一起参加。然而这件事情在机械工业部1998年撤销之后,联合设计、产业公地都已逐渐消退。机床也经历了大起大落的风云变幻,时间像是清刷了过去所有的痕迹。那些曾经行之有效的法器,捡也捡不回来了。

如今,每家机床企业都成了农田地里的自耕农,各顾各的活路。谁也没有能力从基础概念入手,解决底层基础研究问题。

即使如此,人们也很容易将求助的目光转向大学。然而,大学成果的转化往往差强人意。大学对机床的研究为什么会容易出现问题?

大多数情况下,由于受到课题资助的要求,这些研究者必须要发表论文。然而那些最基础的概念是很难发表论文的。基础概念的研究出现“论文饱和”的现象。任何一个大学教授都会避开这些饱和区,而选择更容易出现成果的新概念地带。然而这些“论文饱和”地带,虽然很难发表论文,但对于中国机床这样的追赶者而言,恰好是应用技术的宝藏矿山。

我们对新鲜概念追逐太多,而对基础概念的了解则是太少。

当前中国机床界大都参考了德国标委会DIN标准,或者日本标委会JIS标准。但这些标准,都有不全项。按照这些标准是无法做出高精度、高质量的机床。国外机床大厂,都有自己的内部标准,这也是严格对外封锁的。

精度涉及到基础概念如圆度、圆分度、直线度等,这曾经是老牌坐标磨床美国摩尔公司所提出来的。至今仍然基本管用。但国内也基本没有人用,因为如何搞清楚这之间的关系并不容易,涉及大量底层的基础研究。

想一想,现在机床已经高度市场化了,整体行业的协调性只会越来越弱,基础研究的公共支撑能力早已经退化。中国机床的标准,也很难有足够的资金支持跟随时代进行演化。于是,那些机械、电气、控制等最基础学科,不仅仅是没有熟练掌握,反而越来越生疏。

然而,只有将基础概念与应用研究、技术开发、使用方式,都贯穿在一条供应链之上,机床才真的可以攻破技术堡垒。这需要大学研究、机床企业和使用机床的用户,这三者一定要三联动起来。没有这种联动的机床命运共同体,就无法真正实现工程化,机床就难以翻身。中国过去发展机床的科技战略,现在看上去并不成功。简单地说,基本都是各自为政,各舞大刀。周期太短、论文至上,解决了不少问题,但并没有真正打通创新的链条。

七、到底什么是好机床

这个问题现在还不能一口气地给出答案。但要找到这个问题的答案所需要的路径,看上去已经清晰可见。

首先是机床设计理念。这一点决定了一切。这可能是中国机床厂所有总工都需要补的一课。大家需要坐下来,平心静气地想一想,到底是什么“定义了一台好机床”。静态刚性、动态刚性和热刚性,这三点是如何充分地进行了考量。机床制造商,往往迷信数控系统的智能热补偿算法来解决热应力的问题,这其实已经是马后炮了。只有温度是线性变化的热应力,才可以补偿。而那些非线性的热应力,是无法补偿的。真正的设计高手,应该在一开始尽量去消除非线性的热应力——虽然这很难。只有残余的热应力问题,才会留待数控系统去做动态补偿。一些民营企业的企业家兼技术狂人,在这些方面还真是下了功夫。 

第二是计量体系和检测手段。如果只是有了标准而无法检测,那就无法实现达到合适的精度。需要围绕已经确立了的机床设计理念,定义好标准。然后建立起一套完善的检测体系。机床的切削性能往往主要取决于动态特性,在德国,动态特性是机床设计的重点考虑因素。德国机床界一直得到各大高校、院所的支撑,德国斯图加特大学的机床所,曾经对几十台机床进行测试,每台机床测点200多个,形成德国机床设计的内部指南。这样体系化的工作在国内非常少见。

第三是评价体系。如何对一个有定义有成品的机床,进行好坏的评价?即使定义、标准和检测结果都有了肯定的答案,但在用户使用过程中,老是出现故障。这到底算谁家的问题?中国有一家加工企业,给出了一个令人拍案的好方法:他们制作了一个S件。一台机床拿过来,如果能够将这个S件平滑地加工过去,那就是好机床。否则,什么标准也白搭。唯一遗憾的是,这个S件也无法说清楚,为什么有的看上去是一个好机床,但就是加工不过关。这又回到了第一个问题。

这些都需要时间的沉淀。

说到时间,如果可以客观地认识到这些攻关问题是一定需要很长周期的,那么我们可以心平气和地列出一个“十年机床路线图”。用十年的时间,彻底解决机床的短板问题。少于这样的期限,往往就会急功近利地带有水分。过去中国机床攻关的方式,大都采用三年结题的方式,最多也就是五年。这些时间真的是太短了。三个三年和一个九年,是完全不同的技术逼近范式。

当然,上面的路径,漏掉了一个非常重要的问题:质量。机床在制造过程中的一致性是如何保障的?如何保证“一百台机床要么都做好,要么都做坏”。这个问题是最不应该拿出来回答的。这是质量管理的普遍性问题,根本就与机床攻坚无关。只有质量稳定了,才能真正从设计角度彻底从根子上去解决问题。

什么,这个也做不好?

那,那咱们还是回家吃面吧。

 

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发布时间:2023-07-28 14:21:03

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