機床網
中國機床能翻身嗎?
2023-05-04 14:11:12

文 | 林雪萍

在中國國際機床展覽會現場轉了一圈,感觸良深。大家的感慨都是基礎理論缺乏深耕,共性技術缺乏行動。但是,堂堂機床大國,對于“什么是一個好機床”這樣的問題,各家卻并無定論。對于中國機床而言,如果連精度、精度保持性、一致性和可靠性等這些最基本的概念都沒有形成共識,如何能夠搞好搞強機床。起點的樁子如果打歪了,后面再多錢搭出來的梁,也很難走正。


1、好機床何來?

定義一臺機床的好壞,中國的評定標準里有一個“平均無故障時間MTBF”概念。奇怪的是,在德國和意大利的機床設備中,研發人員并沒有這種指標。當中國機床界跟德國、意大利等機床廠家交流這個概念時,歐洲人往往一臉的困惑。機床平均無故障時間MTBF,最早是來自日本。

這是一個從“全面質量管理”角度而提出來的概念,后來也成為國際標準的一種。中國大概是2000年前后,也慢慢接受了這個概念,并且將這個指標作為機床考核的重要依據。日本機床的發展,本身是通過實驗加上理論分析。它跟用戶有著非常緊密的聯系??梢哉f,它是靠著一線反饋回來的數據,反復迭代從而完善起來的體系。

而對于質量體系,日本自然更是有一套成熟的做法。而德國的機床發展,則跟日本完全不一樣。德國的產業界和學術界都是直接打通,大學教授一般都是在企業呆過一段時間,對機床的使用情況天生就非常了解。而德國亞琛工業大學和斯圖加特大學,是德國機床工業的搖籃,簡直就是一個機床工廠與實驗的聯動中心。它從基礎理論出發,再加上很熟悉應用場合,于是就容易設計出高精度、高可靠性的機床。

如此看來,機床的發展路徑對一個國家的機床工業體系的形成,有著非常大的影響。要了解當下機床的短板,看看歷史走過的路徑,很多病灶就會清清楚楚。


2、歷史的裂痕

中國大陸機床的水平,現在是遠遠落后于日本和德國,也在韓國和中國臺灣地區的機床之后。上世紀八九十年代,計算機控制系統CNC開始在機床領域逐漸滲透,日本就是在這個時候異軍突起。實際上最早的控制系統是在麻省理工學院發明的,而第一代計算機控制機床系統,也是在美國機床廠Bendix誕生。

但是,美國機床廠整體都沉醉在傳統機械控制的大好河山之中。日本則完全不同,彼時日本制造正在自信滿滿地全線復興。政府大力發展機床,推行標準化并且堅決鼓勵數控機床。在1970年的時候,就制定了未來五年數控機床比例占比一半的雄心。采購數控機床的用戶,也會得到補貼。

而且,它只扶持一家來自富士通自動化分離出來的公司,讓所有企業都使用該公司的數控系統。日本在本土掀起了數控機床熱潮,正好也趕上日本汽車大發展的時候。因此,在日本市場得到歷練的機床廠商,在美國市場也徹底擊潰了分散零落的美國機床廠商。

這些廠商往往各自為政,而數控系統廠商如通用電氣、羅克韋爾則熱衷于專用控制系統。根本無法應對靈活好用、低成本的日本機床。在1980年初期,美國機床產量還是全球最大,占比超過20%。當時全球TOP10全部都是美國機床。然而只過了10年,美國機床就迅速衰落,產量只占全球比例的7%,而且開始大量進口日本和德國機床。

錯過了數控系統,對用戶需求響應不足是美國機床產業大敗而退的重要原因。就在這次機床數控系統轉型的大浪潮中,中國機床仍然停留在前蘇聯機床的機械控制時代。蘇聯的做法是以單軸為主,幾個單軸做線性疊加,很適合簡單運動的場景。即使是曲線軌跡,也采用仿形原理。

這就像是用一個圓度板畫半圓,刀具就像筆尖一樣貼著既定的模板往前行走。而此時,精度要求較低,速度也并不高,對機床的動態特性要求不高。但進入數控系統時代,就徹底進入了多軸同步插補的時代。需要對刀具的行程做更加細致的運動分解。它采用了振型設計的原理,動態響應特性要求很高。否則無法保證多軸的同步。

二者是完全不同的方式。很長時間,中國機床界一直停留在機械控制時代,對動態特性認識不足。研發工程師們往往先設計好機械部分,然后再配上數控系統。這種將機械與控制系統相互隔離的理念,完全無視數控系統對于機床設計的影響,嚴重地損害了一臺機床作為一個系統的完整性。

可以說,當中國機床的腿已經邁進數控系統的時代大門,而大腦卻還留在傳統機床的空間里徘徊。中國在上個世紀九十年代,連一本像樣的數控機床設計的教科書都沒有,所有教科書的內容都是蘇聯機械傳動時代的機床。

一代人就在這樣的機床理念下成長。而此時,打敗了美國機床的日本、德國同行們,則早已進入加速奔跑的階段。到了2012年前后,德國制定了動態特性的國際標準。然而,在國內很少有組織能夠有能力對此進行研究。

中國機床設計師的大腦,一直沒有進入指定陣地。


3、搞不清楚是設計問題,還是質量問題

逆向工程給中國制造的帶來惡果影響正在逐漸顯現。逆向工程就是按照實物測繪,然后照貓畫虎進行仿制。這種方式,很容易導致知其然但不知其所以然。對于簡單機床還可以輕松突破,但對于高尖端機床則很難奏效。

以品質著稱的瑞士機床的機構部件,有時候薄,有時候厚。肋條厚薄分布不均,這是有意為之還是偶然巧合。從逆向工程的角度看,很難搞得清楚。如果對這樣的原理搞不清楚,就會導致“什么是一個好機床”成為一種玄學。中國機床的研制,由于設計理念跟不上,對于很多參數的設計根本就無法考慮周全。

對機床床身強度進行設計的時候,往往都是經驗值直接估算,這種設計造成的機床精度不夠往往是致命性的。德國的機床采用了“輕質高剛”的策略,就是質量要輕,剛度要高。為什么是這種設定?因為每一個零件都有固有頻率。當機床開始高速運轉形成振動的時候,它必須小心地避開這些零部件的頻率,以免形成共振。正如大部隊過橋不能采用齊步走一樣,這樣才能避免引起大橋的共振。很好,這聽上去像是一個輕量化的命題。

于是,有些機床廠就想將床身輕量化。

但在德國機床界看上去這毫無必要,因為只有運動的零部件,才需要輕薄以避開振動頻率。對于固定件而言,并不需要輕量化。這就是對于動態剛性的要求。如果不能理解這一點,那么在設計機床的時候,就會只是根據靜態剛性的要求去設計,這些都是致命的隱患。

它保證了一臺機床的精度,如果有的話,也不會保持很久。然而雪上加霜的是,設計師留下的系統性漏洞,與另外一種缺陷進行了疊加。在生產過程中,由于操作規范的不同,很難保證每一臺產品的一致性。不同的技工安裝,會形成不同的產品性能。

高端的機床數量,往往都并不高。行業里有這樣的看法,“安裝100臺機床都是一樣的好,這是很難做到的;但要安裝100臺機床都是一樣的壞,那也是萬萬做不到的”。這個苦澀的笑話,其實正是中國制造的質量通?。骸爸圃觳灰恢滦浴?。這是一個質量問題,它在制造過程出現了偏差,也就是質量大師戴明在七十年前指導日本的時候所提出來的“變異”。

然而,這種由于制造過程形成的質量變異,跟它在前端的設計理念形成的缺陷完全不同類。但當基本概念不明確的時候,兩者造成的失誤就混在一起了。豆腐掉到鍋灰里,吹撣不得,豆腐自身的雜質也就無從考量了。這些不同原因疊加的結果,導致了機床在用戶端形成故障的原因往往無法解釋清楚。

而用戶,只能稱其為“可靠性不足”而敬而遠之,遠離這些容易生病的機床。

質量是一致性的制造,是變異問題;而可靠性首先是系統性的設計,是認知問題。但在實際過程中,卻沒有人能區分出到底是什么原因。一把最小單位是厘米的尺子,是無法測量出毫米空間的多樣性。不能識別真相,就無法解決困境。


4、咬文嚼字是有必要的

機床被稱之為“工作母機”,這彰顯了它的重要地位,它是一切機器的來源。然而這個稱呼依然不準確。

如果可以細分,還可以進一步區分為“工業母機”和“工作母機”。工業母機是最常見的機床,各種加工中心、車床、銑床都可以歸于這類。這類機器并非中國的技術軟肋,但中國機床也沒有做好。這類機床,最需要做好的就是質量規范。在這個層面,中國大陸機床廠家面對的對手,正是韓國和中國臺灣機床。

富士康有上萬臺高速鉆攻機,用于加工蘋果手機各種材料的表面,基本都是中國制造。最早發明這種機床的日本發那科,也并沒有占據太大的優勢。當然,高速加工的保持性,同樣也是非常重要。瑞士肖柏林的車床,一刀下去,金屬切削量很大,能達到中國同樣車床的三倍。除了這種高效率,精度保持很高,幾乎無需后面的精加工工序。這也是中國機床需要認真琢磨的地方。還有一種是“生產機床的機床”,也就是更高精度的機床,這被稱之為“工作母機”。

它往往考驗的是高精度,例如加工精度需要在微米級(千分之一毫米)。而工業母機加工精度往往只需要達到“道”或者“絲”的精度,這是百分之一毫米的精度。高精度機床自身的零部件,往往就需要“工作母機”來搞定。中國最需要攻關的,正是這類機床。

這兩年,中國資本界對于中國機床有足夠的好感。救贖心切之下,去年兩家基金選了50家上市公司,編制了一個“中證機床指數”。兩個機床基金產品都獲得批準。其中權重最大的就是大族激光。這真的是一個天大的玩笑。大族激光固然也有機床部分,例如加工電路板的高速鉆攻機。

但其實很多這類機床,并不需要太多的技術攻關。這個行業更需要解決的是功率更大的激光器、光學振鏡等問題。大族激光對標的是德國通快。通快固然有機床激光切割部分,但它真正厲害的是極紫激光源。它是唯一能夠為光刻機巨頭阿斯麥提供大功率二氧化碳激光器的廠家。

現在用大族激光掛帥的“機床指數”,來反應中國機床攻關的睛雨表,真的是文不對題。對效率型的機床如銑床,它要求的是速度。對于機床的靜剛性和動剛性要求很高。它對于精度要求往往并不高,在1%毫米左右就夠用。這個時候,熱應力的剛性問題就可以忽略。

但對于精度型的機床如磨床,它要求的是精度,如0.1%毫米級別。這種精度,熱剛性就成為關鍵考慮的元素。二者的差別會帶來何種結果?可以對兩種機床進行對比。對于效率型的銑床而言,電主軸溫升達到60-70攝氏度是非常正常的。

但對于精度型的磨床而言,主軸速度絕不能超過20攝氏度,否則就會產生熱傳導效應,微小的熱脹冷縮,就會對精度產生巨大的影響。因此磨床主軸電機的載荷,一般就只能使用一半功率。如果用滿功率,會導致發熱問題。對于精密型的磨床和效率型的銑床,就需要層層分解,然后分頭去攻關。

二者的差異性,比二者的相同點,更要顯著得多。很顯然,所有的機床都可以叫做“工業母機”,但不是所有的機床都可以叫做“工作母機”。

當然,這二者的差別也沒有那么重要。重要的是,中國機床大振興之前,不妨先定神聚焦:到底是在做大機床產業,還是在做強機床補齊短板,這兩種是完全不同的思路。機床短板其實很容易找到,它總是坐在冷板凳的位置上。那些無人問津的概念,就像疲乏的花生米一樣,嚼起來了無滋味。

然而這些毫無新意榨不出油來的概念,卻正是定義“強大機床”的起點。一臺好機床,就是由基本概念所定義。智能制造、智能機床都跟機床攻堅之戰毫無關系。沒有好機床,啥智能都不管用。

中國機床的攻關方向,不妨先從咬文爵字開始。


5、造不出來與用不起來

一臺高端機床要做到精度的保持性,自身的剛性非常重要,這對于機床床身的鑄件要求非常高。而床身鑄件剛性,往往取決于一種用來衡量材質抗拉或者抗壓的“楊氏彈性模量”。這個老掉牙的命名,是200多年前一位英國醫生提出的。他呼應了更早100多年前的胡克定律,就是我們熟悉的那個彈簧定律。

好機床的奧秘,就是如此執拗地依賴于那么多古老的科學定律之中。機床研發工程師需要有清晰的材料數據支撐,才能做好機床的設計,但國內的鑄件材料并不提供這樣的數據。實際上,國標也并無這樣的要求。而那些國際機床廠商往往是經歷了多年的沉淀,已經找出了企業內部標準來解決。

國內的機床廠要得到這樣的彈性模量就需要鑄鐵廠花費大量的金錢去做試驗研究。測量材料的參數,需要進行各種測試。而且需要不斷調整熔煉方式、澆鑄溫度、微量元素的比例。然而,真正想做好機床、有這種需求的廠家,卻又少的可憐。這些有需求的機床廠家數量太少,根本無法支撐鑄鐵廠的研發成本。

這就是那個 “中國為什么無法制造圓珠筆芯”的經典之問。

制造筆芯鋼珠的材料,并沒有什么特別難以攻克的地方,它就是費錢不討好而已。這種鋼材用量實在太少,沒有鋼廠愿意做。全球的圓珠筆芯基本都是日本秋山和下村精工這兩家,早已形成穩定的局面。它是經過市場檢驗的平衡。

但太鋼最后決定攻克難關,終于制造出鋼珠材料。但國內圓珠筆廠商根本不愿意使用。原因有以下三點:

第一,要加工這種新鋼材,需要調整精密機床的加工方式,不同材料會影響機床的使用方式。而那些昂貴的機床往往來自瑞士米克朗,要在鋼珠基座上加工出五個微槽,調試起來非常不容易;

第二,筆芯鋼珠要跟油墨配合。油墨又是日本或者德國進口的,二者適配起來,非常麻煩;

第三點也是最關鍵的一點,鋼材的配方需要根據圓珠筆廠的體驗而不斷進行調整。于是,太鋼廠需要再來一鍋。而對于鋼鐵廠,再來一鍋這種小批量的生產是最不經濟的方式。這種改善無休止,而產出又相當少的事情,只會越來越萎縮。最后整個產業,就會放棄這種努力。

同樣,鑄鐵廠“無法”提供至關重要的“楊氏彈性模量”參數,其實是基于同樣的“規模不經濟”的道理。

中國制造有兩個軟肋,一個是“造不出來”,這是技術上的真卡脖子;

還有一個是“用不起來”,這往往卡在非技術壁壘之上。圓珠筆芯鋼和床身鑄鐵,都是這樣的原因。

進一步推斷,中國絕大部分所謂“造不出來”的機床,其實都不是真正的技術卡脖子。


6、論文飽和區正是寶藏地帶

做基礎性研究的專家,在哪里?

上海機床廠曾一直困惑于加工大型凸輪軸的時候,磨床的砂輪一直磨損得厲害。

一位德國機床專家被請到現場。這位德國博士一來就是建立模型,確立結構剛性方向;其次就是公式推導,列出一堆相關參數。這就是基礎研究的功底。

2012年美國哈佛商學院教授曾經出過一本產業反思的暢銷書——《制造繁榮:美國為什么需要制造業復興》。

這本書談到,產業公地的缺失是造成美國制造大面積潰敗的原因。這種產業公地解決的正是單元塊的基礎共性問題,在傳統機械控制的機床時代,中國也有機床的兩大“產業公地”。

在上個世紀九十年代初,北京有機床所可以解決結構問題;而廣州機床所則主要解決液壓與潤滑密封問題。每個機床企業,都可以帶著問題來,帶著答案走。機床行業里邊還有多家企業院所的聯合設計。實際上就是集中大家的智慧,包括邀請院校一起參加。

然而這件事情在機械工業部1998年撤銷之后,聯合設計、產業公地都已逐漸消退。機床也經歷了大起大落的風云變幻,時間像是清刷了過去所有的痕跡。那些曾經行之有效的法器,撿也撿不回來了。

如今,每家機床企業都成了農田地里的自耕農,各顧各的活路。誰也沒有能力從基礎概念入手,解決底層基礎研究問題。即使如此,人們也很容易將求助的目光轉向大學。然而,大學成果的轉化往往差強人意。

大學對機床的研究為什么會容易出現問題?大多數情況下,由于受到課題資助的要求,這些研究者必須要發表論文。然而那些最基礎的概念是很難發表論文的?;A概念的研究出現“論文飽和”的現象。任何一個大學教授都會避開這些飽和區,而選擇更容易出現成果的新概念地帶。

然而這些“論文飽和”地帶,雖然很難發表論文,但對于中國機床這樣的追趕者而言,恰好是應用技術的寶藏礦山。

我們對新鮮概念追逐太多,而對基礎概念的了解則是太少。

當前中國機床界大都參考了德國標委會DIN標準,或者日本標委會JIS標準。但這些標準,都有不全項。按照這些標準是無法做出高精度、高質量的機床。國外機床大廠,都有自己的內部標準,這也是嚴格對外封鎖的。

精度涉及到基礎概念如圓度、圓分度、直線度等,這曾經是老牌坐標磨床美國摩爾公司所提出來的。至今仍然基本管用。

但國內也基本沒有人用,因為如何搞清楚這之間的關系并不容易,涉及大量底層的基礎研究。想一想,現在機床已經高度市場化了,整體行業的協調性只會越來越弱,基礎研究的公共支撐能力早已經退化。

中國機床的標準,也很難有足夠的資金支持跟隨時代進行演化。于是,那些機械、電氣、控制等最基礎學科,不僅僅是沒有熟練掌握,反而越來越生疏。

然而,只有將基礎概念與應用研究、技術開發、使用方式,都貫穿在一條供應鏈之上,機床才真的可以攻破技術堡壘。

這需要大學研究、機床企業和使用機床的用戶,這三者一定要三聯動起來。沒有這種聯動的機床命運共同體,就無法真正實現工程化,機床就難以翻身。

中國過去發展機床的科技戰略,現在看上去并不成功。簡單地說,基本都是各自為政,各舞大刀。周期太短、論文至上,解決了不少問題,但并沒有真正打通創新的鏈條。


7、到底什么是好機床

這個問題現在還不能一口氣地給出答案。

但要找到這個問題的答案所需要的路徑,看上去已經清晰可見。

首先是機床設計理念。

這一點決定了一切。

這可能是中國機床廠所有總工都需要補的一課。大家需要坐下來,平心靜氣地想一想,到底是什么“定義了一臺好機床”。靜態剛性、動態剛性和熱剛性,這三點是如何充分地進行了考量。機床制造商,往往迷信數控系統的智能熱補償算法來解決熱應力的問題,這其實已經是馬后炮了。

只有溫度是線性變化的熱應力,才可以補償。而那些非線性的熱應力,是無法補償的。真正的設計高手,應該在一開始盡量去消除非線性的熱應力——雖然這很難。只有殘余的熱應力問題,才會留待數控系統去做動態補償。一些民營企業的企業家兼技術狂人,在這些方面還真是下了功夫。

第二是計量體系和檢測手段。

如果只是有了標準而無法檢測,那無法實現達到合適的精度。需要圍繞已經確立了的機床設計理念,定義好標準。然后建立起一套完善的檢測體系。機床的切削性能往往主要取決于動態特性,在德國,動態特性是機床設計的重點考慮因素。

德國機床界一直得到各大高校、院所的支撐,德國斯圖加特大學的機床所,曾經對幾十臺機床進行測試,每臺機床測點200多個,形成德國機床設計的內部指南。

這樣體系化的工作在國內非常少見。

第三是評價體系。

如何對一個有定義有成品的機床,進行好壞的評價?

即使定義、標準和檢測結果都有了肯定的答案,但在用戶使用過程中,老是出現故障。這到底算誰家的問題?

中國有一家加工企業,給出了一個令人拍案的好方法:他們制作了一個S件。一臺機床拿過來,如果能夠將這個S件平滑地加工過去,那就是好機床。

否則,什么標準也白搭。唯一遺憾的是,這個S件也無法說清楚,為什么有的看上去是一個好機床,但就是加工不過關。這又回到了第一個問題。這些都需要時間的沉淀。說到時間,如果可以客觀地認識到這些攻關問題是一定需要很長周期的,那么我們可以心平氣和地列出一個“十年機床路線圖”。

用十年的時間,徹底解決機床的短板問題。少于這樣的期限,往往就會急功近利地帶有水分。過去中國機床攻關的方式,大都采用三年結題的方式,最多也就是五年。

這些時間真的是太短了。三個三年和一個九年,是完全不同的技術逼近范式。

當然,上面的路徑,漏掉了一個非常重要的問題:質量。

機床在制造過程中的一致性是如何保障的?如何保證“一百臺機床要么都做好,要么都做壞”。這個問題是最不應該拿出來回答的。

這是質量管理的普遍性問題,根本就與機床攻堅無關。只有質量穩定了,才能真正從設計角度徹底從根子上去解決問題。


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