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智能制造 | 中国焊割行业 未来发展趋势

时间: 2022-04-26 浏览次数:734

我国工作母机产业发展情况一直是国内相关产业研究的重点内容。

发展智能制造是我国制造强国建设的主攻方向,工作母机是发展智能制造的基础。工作母机以高档数控机床为代表,具有基础性、通用性和战略性;在航空、航天、船舶、高精密仪器、车辆、医疗器械等产业领域得到广泛应用,处于制造业价值链和产业链的核心环节。本文所指的工作母机不仅包括传统定义的各类机床,如切割机床、铣床、刨床、钻床、镗床、磨床、制齿机以及各类加工中心,还包括增材制造(3D打印)装备、增减材复合制造装备。信息技术与制造技术的高度融合,推动了工作母机新的发展和创新。以工作母机为标杆的智能制造装备,融合了新一代人工智能(AI)、工业互联网、工业大数据等新兴技术,被视为工业强国重塑制造业优势、抢占竞争制高点的重要方向。

我国工作母机产业发展情况一直是国内相关产业研究的重点内容。《中国机床产业发展蓝皮书(2018)》分析了机床产业的国内外发展状况、技术和产业发展趋势、重点应用领域的用户需求、主要国家产业政策环境等。沈烈初针对“新一代智能制造发展战略研究”主题,重点探讨了我国数控机床与数控系统方面的问题与建议。陈惠仁对中国机床工业40年来的发展历史、当前问题和存在差距进行了客观全面的评估分析。


当前,世界经济增长乏力、我国汽车产业首次出现年度负增长,这不仅给以数控机床为代表的我国工作母机市场带来了发展不确定性,还对制造装备企业的投资和经营带来直接冲击。工作母机装备产业作为智能制造的主战场,技术密集、资金密集、人才密集的特征凸显,需要开展深刻变革。为此,本文主要进行以工作母机为代表的高档数控机床产业宏观发展研究,分析产业国际国内发展形势,研判产业发展存在问题,分阶段提出我国产业发展的方向和建议。


二、全球工作母机产业发展现状

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(一)全球高档数控机床装备产业发展趋势


当前,高档数控机床技术朝着高速、高精度、高可靠、功能复合、极端制造、绿色制造、网络化和智能化的方向发展。发展智能数控机床、提高数控机床装备产业的智能化水平,成为机床产业强国的一致选择美国、德国、日本等国在持续积累形成技术优势的基础上,集中力量提升装备智能化水平,进而增强未来竞争能力。瑞典、瑞士、意大利、西班牙和法国等国,因机床制造产业竞争力减弱,中小机床行业(欧洲机床产业中的80%由中小企业组成)正在开展数字化转型,探索智能化解决方案。


工业技术领域创新发展的主线体现为:数控机床与新一代AI结合形成的智能机床,以智能机床为核心的智能制造单元,结合机器人与控制等软硬件形成的智能生产线、智能制造车间、智能制造工厂、智能制造生态系统。此外,融合减材制造、增材制造和激光加工等多功能为一体的复合加工机床,对工作母机产业的发展带来深刻变化,已成为全球机床产业发展的重要方向。


汽车产业是机床产业重要的下游产业,也是中高档金属切削机床的主要消费市场之一。世界各国纷纷加速新能源汽车的普及和产能布局,而依赖数控系统制造的动力总成有可能是颠覆性的,这将直接影响机床产业的发展方向。全球航空制造产业对金属切削机床的需求量较大,但诸多企业都在面向全球采取转包生产以解决产能问题,也将间接影响机床产业的分布格局。


(三)全球增材制造装备产业发展趋势


随着航空、航天、海洋、新能源及新能源汽车、智能产品、高端医疗器械等领域对增材制造技术与装备的需求趋于旺盛,增材制造已经成为工业领域的主流制造手段,进入了批量化应用阶段。这标志着全球增材制造装备产业进入快速发展阶段。全球增材制造产业的产值2020年有望达到158亿美元,2022年可升至239亿美元,2024年则有可能达到356亿美元。麦肯锡公司预测,到2025年,世界增材制造产业的经济效益可达2000~5000亿美元。


工业强国纷纷加快增材制造产业布局。美国率先将增材制造产业视为战略性产业,2019年市场规模约为48.3亿美元。德国《国家工业战略2030》将增材制造列入未来重点发展的九大关键工业领域。根据全球增材制造文献、专利以及装机量统计数据,全球增材制造产业已基本形成了以美国、欧洲等发达国家和地区主导,亚洲国家和地区后起追赶的发展态势。


中国增材制造装备产业的技术应用发展速度较快,产业链已初具规模,增材制造与传统制造在诸多行业进行着深度结合。根据赛迪顾问统计,2019年中国增材制造产业规模达157.47亿元,装备产业规模为70.86亿元,占比达到45%。中国在增材制造领域的专利、论文数量已经领先,但在原始创新和重大技术创新方面仍显薄弱。


三、我国工作母机产业发展情况

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(一)高档数控机床装备产业链


“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项(简称04专项)实施以来,我国机床行业取得了显著进展。机床行业实现了由普通机床为主向数控机床为主、高档机床从无到有的重大转变,初步建立了高档数控机床装备的完整产业链,基本实现了航空、航天、汽车等产业领域战略性需求的自主可控。我国企业主持修订的“S试件”国际标准已获国际标准化组织(ISO)批准并正式发布,实现了我国在高档数控机床检测领域国际标准“零”的突破。但由于市场需求变化和行业自身基础不牢,我国机床行业的结构失衡问题尚未完全消除。对照04专项实施完毕后的状态来判断,我国机床行业与国际先进水平仍有15年左右的差距。


(1)自2012年起,04专项支持研发的高档型数控系统已累计销售超过2000台(套),标准型数控系统已累计销售超过10万台(套);但国内市场亟需的高档数控与伺服驱动系统仍有90%依靠进口,而高端基础部件(如精密轴承、高精密光栅等)仍是“卡脖子”问题。机床行业整机正向设计能力仍有所缺乏,针对用户需求定制的工艺研究以及相应的整机、生产线设计能力更显不足。机床可靠性和精度保持性技术还处于推广应用阶段,数控系统、伺服系统、精密光栅等核心元器件仍未形成连通配套,领域用户认可度不高。


(2)主要功能部件和关键零部件的发展水平有了较大提升,如高性能主轴单元、精密摆头、精密回转工作台、光栅等测量反馈元件、自动换刀机构、精密滚动导轨、精密丝杠单元、高精度轴承、液气润滑装置等。但从产业链角度来看,高端部件仍然滞后于高档数控机床主机的发展需求,如主要功能单元和关键零部件90%以上仍然依赖进口,尤其是电主轴、直线电机、主轴轴承和高精密光栅。


(3)在整机方面,我国精密卧式加工中心等30多类重点产品达到了国际先进水平,保障了国家装备制造业的持续发展能力。在04专项支持下,国产高档数控系统大规模进入航空、航天、兵器、船舶等领域并开展示范应用。25m立柱移动立式铣车床的技术参数、技术等级达到世界领先水平,体现了我国高档数控重型机床的最高水平。但国产机床的性能可靠性、精度保持性与国际先进水平相比尚有不小差距。


(4)在下游高档数控机床应用方面,得益于汽车、航空、航天、船舶、电力设备、工程机械等行业的快速发展,国产数控机床的生产量较大。通过04专项的引领和带动,国产高档数控机床为核电、大飞机等国家重大专项和重点工程提供了关键制造装备,解决了相关领域所需关键装备的“有无问题”,实现了多项关键技术和装备的突破。例如,航天领域建立了多条采用国产数控装备的示范生产线,实现“备胎转正”性的规模化应用;汽车大型覆盖件高效自动冲压生产线达到国际领先水平,全球市场占有率超过40%。然而,国内的汽车动力总成制造装备的产业化配套能力与国际领先水平仍然有较大差距,80%以上依赖设备进口;航空发动机等高端装备领域所需的高速精密及复合材料制造等的工作母机仍然不能满足需求;尚未形成应对新能源汽车等热门行业的多样高效解决方案。


(5)国内数控机床市场出现了以外资企业本土化为代表的新形势。随着国内数控机床产品替代进口能力的不断提升,同时受政策、市场、成本、竞争四大因素影响,纯进口设备的比例正在减小。面对中国巨大的市场需求,本土化成为外资企业参与中国市场竞争的主要方式。大批跨国机床企业进入中国,加快实施制造和营销的本土化,甚至建设世界最大工厂、反向供应全球市场。例如,德国埃马克集团金坛工厂2018年生产机床超过600台,供应范围覆盖中国、欧洲、美国、日本等市场。


(二)高档数控机床装备产业集群


我国数控机床产业凭借全球最大的市场、研发、制造和供应体系,形成了从材料、功能部件、整机、现代服务体系到诸多领域应用覆盖的完整产业生态链。目前,珠江三角洲地区、环渤海地区、长江三角洲地区、西北地区等四大产业集群趋于形成,重点省市包括:辽宁、山东、北京、上海、江苏、广东、浙江、陕西。应对国家经济高质量发展要求,数控机床产业正在改变过去简单追求规模、数量和增长速度的发展模式,朝向高质量发展模式转变。


客观来看,国内数控机床产业集群的发展水平和发展质量不平衡问题较为突出,亟待未来产业调整和优化。受国际贸易争端、汽车产销量下滑等因素的影响,数控机床产业延续了低增长态势。一方面,国内机床企业发展出现分化,部分企业因经营模式盲目扩张等原因导致债务危机,出现经营困局、甚至破产重组;而部分企业注重技术创新、市场深耕,抓住细分市场发展机会得以快速成长壮大。另一方面,部分外资企业扩大在华投资,对产业集群分布构成重大影响。


在我国四大机床产业集群内,机床企业竞争态势为:以技术实力雄厚的跨国企业组成的第一阵营,以大型国有企业或国有控股企业和少数技术实力较强的民营企业组成的第二阵营,以及以大量技术含量较低、规模较小的民营企业组成的第三阵营。在当前经济增长速度放缓的形势下,第二和第三阵营面临行业洗牌的风险,预计未来我国机床产业的集中度将进一步提高。


(三)增材制造装备


得益于《增材制造产业发展行动计划(2017—2020年)》的推动,我国增材制造装备产业发展迅速,在产业创新能力、工艺技术和装备、关键零部件配套、产业应用等环节的关键核心技术方面取得了系列突破,已成为飞机、运载火箭、舰船、核能等战略领域的先进制造手段。国初步建立了涵盖增材制造金属材料、元器件、制造工艺、装备技术、重大工程应用的全链条的技术创新体系,整体技术水平接近国际先进,在部分领域达到国际先进。


整体来看,我国增材制造领域相关专利和论文数量已全球领先,但在核心元器件、关键技术方面存在短板,原创技术缺乏,特别是高光束质量激光器、长寿命电子枪、高性能扫描振镜、阵列式高精度微纳增材制造头等核心器件严重依赖进口。另外,我国增材制造标准建设相对滞后,在国际上话语权不高。近年来的国际贸易摩擦更是凸显了我国增材制造产业在原始创新、关键元器件等方面的薄弱环节。后续应瞄准关键共性技术实施突破,破解产业发展中的“卡脖子”问题,尽快实现产业关键核心技术的自主可控,从而把握产业创新和发展的主动权。


我国已初步形成了以环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区为核心,中西部地区为纽带的增材制造产业空间发展格局,涌现出具有市场竞争力的骨干企业,形成了若干产业集聚区。长江三角洲地区具备良好经济发展优势、区位条件和较强的工业基础,已初步形成了包括增材制造材料制备、装备生产、软件开发、应用服务及相关配套服务的增材制造产业链。在珠江三角洲地区,随着粤港澳大湾区建设的推进,增材制造产业将得到进一步集聚。中西部地区,如陕西、湖北、湖南等省份成为我国增材制造技术和产业化的重要发展区域。


四、我国工作母机产业面临的问题

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我国工作母机产业尽管在战略需求领域已经初步形成了自主保障能力,但是在高端数控机床方面整体竞争能力不强、产业规模化程度低、技术创新能力薄弱,高端产品对外依存度仍然较高。我国中档数控机床国产化率为60%,国产高档数控系统的市场占有率不到15%。在下游行业应用领域,大部分精加工数控机床仍依赖于进口。机床产业整体上与先进国家的差距大为缩小,但国产机床的加工效率、可靠性、精度和使用寿命等与世界先进水平还有差距。我国机床产业整体上仍然处于全球产业价值链的中低端,缺乏有国际竞争力的企业及产品。


我国工作母机产业的自身基础不牢,面临激烈的市场竞争,特别是高档数控机床面临市场化机制失灵的竞争形态。我国数控机床在正向设计、基础共性技术、产业前沿技术研究方面,与世界先进水平的差距呈现进一步扩大的趋势。为满足高质量、高可靠性、低成本的制造目标,我国机床产业对于数控系统及核心数控装备的依赖程度趋于提升;而目前相关核心元器件、关键工业软件、高档数控系统、高端功能部件及其制造装备依赖进口,严重制约了国产高性能装备的设计和制造水平。整体上,我国高端数控加工装备距离世界先进水平大概存在10~15年的差距。在增材制造装备的技术方面,我国整体上处于跟跑状态,增材制造装备产业化发展势头良好,但受限于核心器件及专用软件的薄弱,我国高档增材制造装备,特别是高性能金属增材制造整机装备相比世界先进水平具有一定的差距,装备的质量、性能和稳定性仍待提升。

五、工作母机产业发展重点方向

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智能制造正在快速发展,以智能制造为引领的全球制造业竞争加剧。围绕我国经济社会发展和国家安全的重大战略需求,抓住新一轮科技革命和产业变革的机遇,着力解决关键领域的“卡脖子”问题。我国工作母机装备产业通过整体竞争力的大幅提高,在高端机床装备领域跻身国际发展前沿,构建产业竞争比较优势,支撑制造强国战略目标。


(一)发展目标


1.“十四五”发展目标


以高档数控机床为代表的工作母机装备系列产品国际竞争力明显提高,解决一批高档数控机床的数控系统、关键功能部件制造的“卡脖子”问题,研发一批重点领域亟需的工作母机装备。高度重视各工业领域的工作母机、生产线的智能化改造,实施规模化验证,提升工作母机的智能化水平,促进行业的市场开拓及高速发展。


到2025年,核心元器件和材料基本实现国内供应,形成国产高档数控机床完整的产业发展链;基本满足航空、航天、海工、国防以及新能源汽车领域的重点需求,启动国产新一代信息电子制造装备的攻关研制。增材制造在国产重大装备中实现工程化应用,成为大型复杂关键构件的重要制造手段。


2.2035年发展目标


我国步入工作母机装备先进国家行列。以国产高档数控机床为主体的成套成组装备,支撑智能工厂建设,形成行业级解决方案,助力诸多重大装备领域的创新发展,支持制造业装备的换代升级,保障制造强国目标的实现。


(二)发展方向


1.航空、航天和航空发动机制造工艺装备


在宇航及深空探测制造装备方面,解决新一代中型、大型运载火箭量产对成套装备的亟需,突破飞行器大型构件和复杂构件批量高效精密制造的技术瓶颈,满足深空探测飞行器对复杂构件轻量化、结构功能一体化的重大需求。


在大型飞机制造装备方面,突破大尺寸钛合金、碳纤维复合材料以及异性材料叠层的航空结构件高速切削、增减材复合以及大部件高精度互换性制造等技术问题,实现航空装备的高性能、高精度、高效率、低成本制造。


在航空发动机制造装备方面,产业化推广发动机典型部件制造的国产化装备,突破航空发动机关键零部件高温合金、高强度合金、复合材料的集成设计制造、高效和高精制造技术瓶颈,解决进口依赖问题。


2.新型舰船及深海探测制造工艺装备


继续完善船舶及海工大型柴油机缸体、曲轴、齿轮和船用燃气轮机叶片、涡轮轴、叶盘等先进成套技术装备。突破大型舰船关键部件制造技术、大型船用螺旋桨推进器整机加工装备、深海焊接/探测及深海工作站制造装备等,推进舰船增材制造现场维修成套装备发展,实现关键装备自主可控。


3.轨道交通车辆和新能源汽车关键零部件加工成套装备及生产线


针对动车组车体、客车车体等大型复杂型面加工需求,研制智能磨抛系统和柔性打磨工具;针对转向架、变速箱、轮对等关键零组件制造需求,开发专用高效加工成套装备及生产线。重点开发新能源汽车变速箱高效加工、近净成形装备及成组工艺生产线,研制高效加工与成形、在线检测与装配成套装备及生产线


4.国家重点领域亟需的超精密加工装备


超精密加工技术是军民领域高端装备制造的核心技术,超精密机床是实现超精密加工的基础。面向新一代惯性仪表制造、多目标红外探测及高精度智能导引等领域亟需,集中优势力量快速突破超精密加工机床技术瓶颈,推动超精密制造领域相关基础理论、测量技术、超精密机床制造技术、在线测量与智能控制技术的重大发展。探索形成超精密加工及高端机床自主研发的高效创新模式。


六、对策建议

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瞄准2035年建成科技强国的战略目标,围绕战略新兴产业发展对工作母机装备的亟需,发挥社会主义市场经济条件下关键核心技术攻关新型举国体制的优势,壮大以工作母机为代表的高端装备产业,为制造强国战略实施提供基础和保障。产业发展过程中,有效打破行业壁垒,充分引入市场竞争,打牢国家大工业基础,以产品配套能力、价值链和创新链为中心,重构军民装备融合发展的产业体系,实现社会化配套。


(一)国家各类科技计划有效衔接


结合工作母机产业发展特征,完善对基础性、战略性、前沿性科学研究和共性技术的支持机制,实现国家各类科技计划的有效衔接。发挥国家自然科学基金在基础研究和原始创新研究方面的引导和支持作用,倡导先进工艺多学科交叉研究、母机装备原始创新研究。相关原始创新研究的部署应接续支持重点研发计划、科技重大专项,基础研究成果应结合有关专项的攻关任务进行贯彻、扩散及融入。重点研发计划的具体成果,如样机、工艺等应在有关专项中持续开展应用验证和推广示范。


建议启动04专项的接续计划,延续我国高端制造装备的创新发展节奏,总体任务目标应从“跟跑”转向“并跑”。专项接续计划由探索领域重要用户(即业主)牵头,实行“产学研用”联合体大平台协同攻关的新举国体制,重点解决我国航空、航天、军工、核能动力、信息产品、新能源汽车等行业高端制造装备的自主可控和与时俱进的持续发展能力。


将数控机床和基础制造装备(“铸锻焊”)研究内容聚焦在高效、精密、可靠性和精度保持性方面,进而拓展到超精密机床、大型复合材料制造装备、大尺寸高效金属增材制造装备、冷热加工、宏微纳结构制造、高能束工艺复合装备及制造装备智能化。注重专项研究成果的产业和企业应用,在配套政策支持下,进一步巩固创新成果、提升经济效益。


(二)国家政策配套及评价体系协同


优化国家科技成果采购体系,将各类科技成果编制目录简介进行宣传推广。国资企业技改采购应优先使用国家科技成果、优先采购国产高端装备,或者确定一定比例对成果产品实现税费补贴,切实减轻制造业企业的负担和经营成本。改革调整企业涉费比例,降低公共服务价格,探索新的制造业融资方式,引导金融机构降低制造业企业的融资成本。制定优惠政策,改变制造业企业留人难、人才流失的困境。


改革高等院校和职业院校的学科评估指标体系,在学科评估、人才选拔、人才培养的各项指标方面,倡导注重实效、解决亟需。通过科研实践培养勇于创新、善于创新、献身实业的工程技术人才,加强论文、专利等研究成果的工程化导向。针对制造专业人才培养,在打牢基础、淡化专业的同时,应加强智能制造传感器、软件及大数据等方面的知识内容与研究实践。


(三)构建以工作母机为代表的高端制造装备共性技术协同创新体系


我国高端制造装备产业的发展模式应由“跟踪引进吸收”逐步向“并行自主创新”以及进一步的“原始创新领跑”转变。进一步深化国家科技体制改革,针对航天、航空、军工等国家重大需求,探索高端制造装备全产业链协同创新模式。梳理核心技术、关键元器件、工艺和装备的短板问题以及“缺链”“断链”环节,以高端制造装备协同创新中心为基础组建“产学研用”联合体。组织全产业链协同创新、技术攻关,建立上游/中游/下游分工合作、利益共享的产业链组织新模式