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网上关注六代机,关注航母的下水,关注各种新技术和新产品的下线,但是你有没有想过,制造上述产品所需的设备,它们又是被怎么制造出来的呢?
在工业和制造业领域,能够制造大型设备的设备又被称之为工业母机。顾名思义,这种大型设备就是机器的机器。
国内的工业母机近年来已取得了阶段性突破,不但国产率攀升到了一个新台阶,而且大规模的产品还用于出口。
但我们也要看到一个清晰的事实,由于国内的工业母机才刚刚取得突破,很多大型设备的精度和一些高端产品还存在差距。
具体的情况是什么样?先来看一下工业母机在制造业领域发挥的作用究竟是什么。
工业母机:既是基础,也代表精度
通俗一点说,工业母机是机器的机器,但在现实层面,比如制造战斗机的机械设备本身,并不是依靠工业母机直接将这些设备生产出来的。
工业母机的关键作用,是对一些基础金属以及其他材料的坯料或者工件进行加工,经过初步加工以后,这些材料能够获得所需的形状和尺寸。
然后再使用这些被加工过了的材料,经过组装和制造,最终形成可以生产飞机的大型设备。说白了,工业母机就是基础的基础。工业母机并不直接生产终端产品,而是为其他设备生产基础零部件和模具。
而这些基础零部件,则直接关系到所需设备的精度以及质量,所以工业母机在制造业领域又代表着极高的精度。
简单一点来理解,工业母机所需的精度是不能出现丝毫的差错,尤其一些基础部件的形状往往很复杂,在进行深加工时,图纸上的尺寸是什么样的,最终生产出来的产品也必须是什么样。
例如工业生产所需的车床,一根直径0.5米的金属圆柱外圆,误差要保持在5μm,这从精度上看就算得上是精密加工了。
高精度的工业母机,能精准调控细节,设备材料的定位、尺寸、形状的完美塑造都可以做到精准无误。产品的整体质量和一致性能够有效保证。
工业机床我们在现实生活中很少见到,但是大到汽车、飞机,小到金属外壳、屏幕,包括摄像头、镜片等等,都要靠工业机床来加工。而这些工业机床,又是靠工业母机生产出来的。
国产机床市场占有率达到31.9%
1949年以前,我国没有工业制造能力,更不知道工业母机是何物。因此,在新中国成立之初,不要说制造飞机、坦克,就连民用领域的卡车、拖拉机等,我们同样没有能力制造。
正因为如此,国家在制定第一个五年计划时,将生产骨干机床以及筹建机床企业列为了重点,国内18家骨干型机床企业以及相关的研究机构都是在这期间完成的。
从第一台机床,再到大中型龙门刨床,还有第一台磨床等等,都是在这期间完成的。到了上世纪70年代,国内又启动了数控机床的研制生产。
高端数控机床与基础制造装备之前曾被国家列为科技重大专项,经过十几年的攻关,国内在工业母机的核心技术和产品上取得了突破。
正因为有这个前提,我国的装备及制造业发展才能更上一层楼。比如大飞机的制造,既然被称之为“大”,机身的结构件、起落架等关键部件,本身的体积就十分巨大,而且还是一个整体。
不是,拼接的部件需要一整块儿生产,那么在生产的时候就要使用到超大型的模锻压机。为了研制出该设备,我国之前专门展开了技术攻关。
经过自主设计,制造了8万吨级的末段压机,飞机的起落架模锻件、发动机模锻件,包括机身结构都能实现自主制造,满足了国内大飞机的急迫需求。
除了大飞机,船舶制造也需要用到工业母机。大型船舶的螺旋桨制造技术要求极高,它的直径可以达到十几米。螺旋桨外表本身就存在复杂的弧度和曲面,尤其还要保证每个桨叶的光洁度。
如果技术不过关,大型螺旋桨的使用寿命将会大大缩短,同时船舶行驶过程中的噪音也会很大。
制造大型螺旋桨需要用到多轴联动数控机床这种高端装备,我国同样进行了研制攻关,目前可以加工8米巨型螺旋桨。
同样需要运用工业母机的设备还有核电站的核电汽轮机,它的结构包括低压内缸和高压外缸等部件,整体结构的尺寸很大,结构很复杂,而且对精度要求很高。
如果制造技术不过关,将会直接影响汽轮机的安全系数以及使用性能,同样需要运用高端多轴联动数控机床。
我国已经研制出了数控重型桥式龙门五轴联动车铣复合机床,这些设备是世界上最大规格的龙门机床之一,可以轻松制造超重型零部件以及其他大型设备。
根据工信部2022年公布的数据,国内的工业母机无论是技术还是市场占有率都取得了重大突破。
国产化的高端数控系统设备过去没有,现在已经大批量投入生产以及使用,市场占有率过去不到1%,现在的国产机床占有率则提升到了31.9%。
数字化的刀具市场过去的占有率不到10%,现在的国产化率则提升到了45%。随着一系列设备的完善和技术上的攻克,国内重点行业制造装备的需求都完成了自主化生产。
比如汽车冲压生产线,国内新增的市场占有率达到了80%,世界新增占有率达到了40%。再比如发电设备的制造,过去相关设备主要依靠进口,现在我们不但自己生产,而且也从进口转变成为了出口。
未来的方向是超高精度以及复合化发展
工业母机的发展从无到有,国内在技术上取得的突破,由点慢慢形成了面,然后又从低端逐步转型为高端,最终打开了制造强国的大门。
未来发展的道路还在延伸,围绕工业母机下一步的主要方向是高性能化发展,所有设备效率不但要高,而且要保证超高精度。
因为下一步要满足的产品制造需求,主要是面向航空航天等更高端的发展领域,技术上要求高性能以及高复合化,同时还要保证智能化以及绿色化的发展。
工业互联网、新一代人工智能等技术接下来也会和工业母机等产品加速融合,设备要拥有适应、学习、组织、感知等智能化的能力。
而且从另外一个角度去看,工业母机等设备如果不能继续提升技术含量,如果不能继续攻克更新的技术,其本身的精度还会下降,尤其是在持续使用的情况下。
工业母机的精度问题
工业母机如果长时间使用,就会出现精度下降的情况,这是因为设备本身的螺栓连接界面随着工作时间的延长,会一点点发生磨损,也会发生螺母旋转松动、螺栓蠕变等问题。
类似于结构部件以及连接处的松动,在接下来的使用过程中就会导致精度的减退,也会使得生产出来的产品出现形变。
可能有人会觉得,既然使用会导致精度下降,那如果不用,是不是就意味着磨损会降低呢?实际的情况并不是如此。
工业母机本身制造的结构件都是大型甚至超大型的,而且制作工序很多,基础界内部也会残留大量的应力。如
果没有经过充分的时效处理,工业母机在使用过程中应力会渐渐释放,所以不管有没有在工作,都会导致安装基准改变,从而引起精度的下降。
一旦工业母机的精度出现问题,生产出来的产品就会面临各种各样的风险。
不够精准的零部件如果安装使用,设备本身就会出现磨损、震动、噪音增加等一系列问题,而这些问题不但会降低机器的寿命,还会引发事故隐患。
尤其是像汽车制造、航空航天、国防军工等行业,对精度的要求极高,一丝一毫的差距能都会带来严重的安全隐患。
所以,工业母机的精准问题以及精度维持的问题,对机器本身来说至关重要。但是在现实层面,精度的维持,尤其是长时间维持恰恰很难。
国产精度维持不足一年
从整体来看,国内工业母机产品虽然取得了重点突破,但是要保证设备的精度维持,目前依然需要做进一步的技术攻关。
市场上半数以上的国产设备精度维持存在明显不足,保持的时间往往不够1年。对比之下,国外生产的一些高端同类设备,精度维持可以达到5年以上。
这种明显的差距会影响到高端制造业产品的整体质量,所以工业母机下一步的技术攻关和发展之路确实还很长。
我们需要正视存在的差距,在发展中解决精度维持的问题,尤其是对精度维持性的系统研究。接下来在新的技术发展中,应该建立自身的技术体系,全方位的去看待和解决问题。
结语
从时间上来看,德国、日本、瑞典等国家的工业母机产品,至少经历了一个世纪的技术迭代升级,所以在精度维持上,他们的技术已经达到了较高水平。
国内的技术层面,我们现在是取得了生产的重大突破,但是对于工业母机本身精度的退化规律,以及背后存在的机制等问题,在研究上还远远不够。
也因此,我们不能只取得阶段性突破就止步不前,还要正视发展中存在的其他问题。只有在发展中去解决问题,我们的技术进步才能持续。