從基礎制造裝備發展現狀看行業發展思路??

袁志勇 韓 行 吳進軍 焦 炬 聶軍剛 朱宇宏

(①中機生產力促進中心，北京100044；②工業和信息化部，北京100804)

基礎制造裝備是關系國民經濟和國防安全的戰略性基礎行業。2009年以來，在“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項(簡稱04專項)等政策支持下，我國基礎制造裝備產業發展迅速，取得了積極成效。但整體來看，行業大而不強，發展快而不優、產品多而不精等問題依然突出，明顯制約著行業的進步，不能適應制造強國發展要求。

1 行業現狀

1.1 產業規模不斷擴大

根據課題組調研統計，鑄造裝備，以國內整體銷售額(單位:萬元)來看，高真空智能精密壓鑄島、高緊實度高效粘土砂造型生產線、智能化3D打印砂型造型設備、低壓/差壓鑄造設備、廢砂再生處理設備等重點鑄造裝備，2009 年分別為 5、700、10、1 000、100，2016年分別增長至 30、1 000、200、2 000、200；鍛壓裝備，以企業典型產品銷售數據(臺套數)來看，濟二機床的沖壓生產線及壓力機大型高效數控全自動沖壓生產線、江蘇亞威的數控沖壓機、重慶江東機械有限責任公司的壓力機、泰安華魯鍛壓機床有限公司的大型高檔數控成形機床等重點鍛壓裝備，2009年分別為146、1 500、86、69，2017 年分別增長至 168、3 400、138、131；焊接裝備，以國內市場占有率來看，電弧焊機、電阻焊機、特種焊接設備、專機自動化、焊接中心自動化、輔機具及配套件等重點焊接裝備，2009年分別為56%、55%、50%、45%、48%、60%，2016年分別增長至 72%、68%、60%、62%、68%、75%。大部分裝備類型市場占有率均有大幅度的提高，產業規模不斷擴大。

1.2 創新能力穩步提升

以鑄造裝備領域為例:一是突破了關鍵技術并取得重要進展。突破了大型鑄件成分優化、材料冶煉、成型控制等關鍵技術，為8萬噸壓機等專項主機建造提供支撐；大型鑄、鍛、焊部件的材料精確控制技術及材料組織缺陷控制技術，提高了大型鑄鍛件的質量和成品率；輕合金冷/熱沖壓、充液、擠壓、鑄造、冷溫鍛等成形工藝取得突破，在航空航天、汽車領域獲得應用；大型關鍵件模鍛工藝技術，解決了大型模鍛工藝基礎共性技術和關鍵技術問題，實現了大型鈦合金、鋁合金鍛件的整體成形；圍繞汽車車身制造，開展了鋁合金材料冷/熱沖壓、充液、擠壓和鑄造四種成形工藝的研究[1]。二是主機產品取得突破，部分達到國際領先水平。04專項部署了26種基礎制造主機(表1)，完成的8萬噸模鍛壓力機、3.6萬噸黑色金屬垂直擠壓機等21種主機達到或接近國際先進水平，部分達到國際領先水平[1]。三是創新體系初步形成。在行業研究機構、重點企業、重點高校設立了7類創新能力平臺[1]，見表2，一批國家工程實驗室、重點實驗室等為行業創新發展提供了支撐[2]，見表3。

1.3 支撐保障能力明顯增強

04專項確立了十大標志性設備，其中4項屬基礎制造裝備，取得了顯著社會經濟效益，見表4。[1]

表1 26種基礎制造主機任務部署和完成情況

2 主要問題

2.1 研制攻關基礎能力薄弱

目前，我國基礎制造裝備業關鍵零部件、關鍵材料主要依賴進口，導致裝備的研制攻關基礎能力薄弱，高性能滾珠絲杠、滾動直線導軌等關鍵功能部件70%仍需要進口，2018年7月，工信部對30多家大型企業130多種關鍵基礎材料調研結果顯示，32%的關鍵材料在我國仍為空白，52%依賴進口。

表2 7類創新能力平臺

課題組研究發現:在鑄造裝備領域，僅少數企業具有自主設計制造鑄造設備的能力，其余企業主要依靠在國外鑄造設備基礎上修改關鍵部件和參數來制造，關鍵設備、大型成套設備及重要檢測裝置仍然依靠進口；在鍛造裝備領域，高精高效專用設備少，國產設備故障率高、配件質量差，中小型鍛造設備研制嚴重落后；在熱處理裝備領域，實用型熱處理工藝技術數據不完善，國產熱處理裝備缺乏工藝軟件配置，影響熱處理數字化進程，國產傳感器、控制儀表、閥門、真空泵等元器件水平低。

2.2 標準體系不健全

我國基礎制造裝備產業在基礎標準、產品標準、工藝標準、管理標準、可靠性標準等方面已經有了基本的標準體系，但仍存在以下問題:一是部分領域已有標準體系已遠不能適應行業快速發展步伐。如鑄造行業，現有標準體系其設置配套的不完善、覆蓋領域局限等缺陷，已不能適應鑄造行業快速發展的步伐及國內外瞬息萬變的市場競爭之需求，也不能體現為新型和中高端產品開發、延伸產業鏈提供技術支撐的基本效力。二是行業標準制訂周期長、標齡長、各級標準體系的不完整和不一致等現狀，嚴重制約了產業轉型升級和創新發展。三是部分領域行業標準不健全。在產品設計開發階段、產品制造過程階段以及產品營銷推廣階段還未形成相應標準體系。關鍵零部件、核心基礎材料、先進制造工藝和安全可靠性等基礎共性技術標準缺乏。增材制造行業，標準缺失情況較為普遍。四是對于標準的一些研究、試驗及驗證工作有待深入，影響了標準的實施效果和提升質量的指導性作用[3]。

表3 基礎制造裝備領域國家級創新平臺構成分析

2.3 創新平臺建設有待加強

一是創新平臺布局有待優化。部分領域創新平臺建設缺失，如尚未建立起有效的國家層面的增材制造產業創新平臺；部分領域和地區平臺建設滯后，孵化器、實驗室等公共服務平臺及面向技術研發測試、標準實驗驗證和創新應用驗證的公共測試床、供應鏈協同專業化服務平臺等支撐能力較弱。二是創新平臺體制機制亟待完善。缺乏國家級層面的整體規劃協調機制，統籌發改、科技、產業等各部門創新平臺，形成合力，避免重復鋪攤子；部分創新平臺的管理體制與運行方式不適應創新平臺建設的要求，企業內部條塊分割，各部門之間相對封閉，平臺利用率低；部分創新平臺缺乏前瞻性技術的研究開發，較多停留在眼前產品的改進上，未能很好地與產業結構調整相結合，在產品更新換代、產業技術升級和培育新的經濟增長點中，未能發揮創新平臺的重要作用。三是產學研結合有待加強。多數平臺參與企業產學研活動仍停留在短期接觸與一般的協作關系上，其深度、力度、緊密度還遠遠不夠，單項合作或就某個項目中的個別環節技術攻關進行合作多，完整項目合作少，沒有形成長期、穩固的良好關系。

表4 基礎制造裝備標志性設備

2.4 制造模式有待優化

一是裝備在綠色化、節能節材等不足，造成行業粗放式生產模式居多，鑄鍛焊件綜合質量較低、能源和材料消耗高、廢棄物排放量大等問題。鑄造行業接近一半、超過1萬家鑄造企業仍采用落后的生產工藝和設備，污染物排放、能耗、物耗等技術經濟指標遠高于鑄造行業的平均水平[3]。二是數字化水平偏低，數字車間/工廠建設開始起步，但成組成套工藝及系統集成能力有待提高。大部分中等規模的鑄造廠只在某一工步采用不同程度自動化或機械化的裝備或生產線，其他工步仍采用手工操作，整個生產環節應用檢測裝置不多；成組成套工藝薄弱，汽車等行業的成套生產線基本依賴進口；工業發達國家熱處理生產線等先進裝備占熱處理設備總量的75%～85%，而我國熱處理行業僅達到30%左右；美國目前擁有鍛壓自動線5 085條，日本擁有9 000條，德國擁有6 130條，多工位鍛壓機、電動、液壓螺旋壓力機等先進鍛壓設備也已在上述國家廣泛應用，而我國鍛壓自動線僅有300余條。

2.5 缺乏世界知名的品牌和跨國企業

在04專項支持下，一批“專精特”企業已具一定國際競爭力。如濟南二機床汽車自動沖壓生產線連續贏得通用、福特、大眾等國外汽車企業高端市場訂單。但總體來看，缺乏世界知名的品牌和跨國企業，品牌化建設滯后，品牌設計、品牌建設和品牌維護方面投入嚴重不足。課題組在高檔數控機床與基礎制造裝備自主化率研究中，對國內產品從產品技術性能水平、產品質量與可靠性、產品品牌認可度、產品性價比、產品持續服務能力五個方面與國外產品進行優劣勢的比較分析。以鍛壓產品為例，在性價比、持續服務能力方面，70%的企業認為國內相關產品是高于國外裝備的水平的，其它近20%的企業認為是與國外水平持平的。在產品技術性能水平和產品質量與可靠性這兩個維度上，約60%的企業認為國內相關產品是與國外裝備的水平持平的，其它近20%的企業認為是低于國外水平的，同時有15%的企業是高于國外水平的。在產品品牌認可度這個維度上，國內只有15%的企業認為是高于國外水平的，可見在品牌的建立與維護方面上尚需提高。

3 技術缺口分析研究

課題組共檢索出領域2006～2015年的鑄造技術1 026篇論文、鍛壓技術領域1 193篇論文、焊接技術領域980篇論文、熱/表處理技術領域711篇論文，按照被引頻次排序，結合行業專家對于當前基礎制造領域熱點技術的解讀，課題組篩選出了各細分領域高被引論文top10。通過對論文進行梳理解讀，結合我國現狀，整理出基礎制造裝備領域核心技術缺口。

3.1 需要突破的關鍵技術

精密鑄造成形過程數字化、網絡化、智能化技術。重點突破高精度、高效率的鑄造缺陷定量化預測技術、流場/溫度場/溶質場/組織場/應力應變場等多物理量耦合模擬技術、宏觀/介觀/微觀的多尺度耦合模擬技術、工藝/組織/力學或使用性能的耦合數值模擬技術、鑄造過程全流程數值模擬技術、智能化仿真技術等關鍵技術。

塑性成形過程智能化形性精確調控技術。重點突破裝備運行狀態和環境的感知與識別技術、基于大數據的多條件約束下的精確成形工藝規劃與自動編程技術，大數據驅動的高可靠性智能化成形加工單元/系統，伺服直驅的分散多動力技術，重型鍛壓成形裝備及自動鍛造線在線遠程監控及故障自診斷技術等關鍵技術。

輕量化及異種材料智能化綠色焊接技術。重點突破電子束偏轉技術、多束流電子束焊接技術，超窄間隙激光焊接技術，強物理場材料組織調控技術，超短脈沖激光技術等關鍵技術。

數字化、網絡化與智能化熱處理技術。重點突破熱處理動態滲碳/滲氮控制數學模型與計算機模擬技術，熱處理遠程監控與服務技術，熱處理工廠少(無)人化智能控制(FAMAS)技術，基于互聯網的熱處理工藝數據庫積累和專家工藝在線服務技術等關鍵技術。

3.2 需要開展的基礎應用技術

材料結構性能設計一體化制造基礎研究。主要研究方向:材料-結構-功能多尺度建模、智能設計與一體化制造方法，異質材料構件的界面行為與結構精確制造耦合作用關系，材料組織演化與結構變形的形性精確調控機理，發展高性能構件整體制造新原理與新裝備。

綠色、智能凈成形方法基礎研究。主要研究方向:無余量整體塑性凈成形、特種能場塑性成形方法，大型鑄鍛件零缺陷成形控制方法，大型構件小無變形連接機理，輕合金多場耦合控形控性及輕合金、異種材料連接，超高功率激光與微納連接方法及實現原理。

多工藝、多材料柔性復合成形制造方法及理論研究。主要研究方向:多能量場復合制造、冷熱復合一體化成形機理研究，多材料復合增材制造方法(金屬-非金屬一體化成形)，增材與等靜壓/鍛造/鑄造/切削復合制造方法與形性控制。

基礎制造工藝數字化智能化基礎技術研究。主要研究方向:真三維場景人機交互技術及多機器人自主協同制造與控制建模，基于大數據的工藝感知、性能預測、智能運行可控和主動維護方法及裝備原理，人工智能技術、復雜產品設計制造一體化智能工廠實現原理，感知、物聯網與工業互聯網技術、大數據、云計算與制造知識發現技術、建模、大批量、定制智能制造系統。

4 國際制造業發展策略與經驗教訓

2010年8月，美國總統奧巴馬簽署了《美國制造業促進法案》，致力于提升“美國制造”的競爭力。該法案降低或暫停美國企業在進口生產原材料時必須支付的部分關稅，以幫助美國制造業降低成本，恢復競爭力，而機床工業從該法案中受益[4]。

機械制造業是德國的重要支柱產業，由于數控機床在機械行業的戰略地位，德國政府從多方面給予大力扶持。如堅持“以人為本”，鼓勵師徒相傳，不斷提高科研、技師等人員的素質。如在大力發展自動化生產線的同時，對數控機床的共性問題進行深入研究，為高端機床研發提供技術支撐[4]。

日本曾通過規劃和制訂法規(如“機械法”，“機電法”和“機信法”)，提供充足的研發經費，鼓勵科研機構和企業大力發展數控機床。日本政府還重點扶持發那克公司，使其逐步發展成為世界上最大的數控系統供應商，該公司的數控系統在日本的市場占有率超過80%，占到世界銷售額的50%左右[4]。

歐洲機床工業合作委員會(CECIMO)有15個成員國，覆蓋了絕大部分歐盟機床制造企業。CECIMO推出的一系列措施以提高其機床企業市場競爭力。如投資120億歐元在企業中推行“未來工廠”計劃，用于歐洲技術平臺建設。積極推行各種工業政策，使歐洲機床工業能夠持續發展，從而保持其國際地位。組織歐洲國際機床展。成立技術部以支持機床技術研發。此外，歐盟提出的“歐盟第7框架計劃”、“下一代生產系統”等多項研究計劃中都包含有機床部分[4]。

機床裝備是制造強國戰略的必爭之地。國際上，機床裝備市場競爭加劇，機床裝備巨頭通過整合、聯盟等方式進一步鞏固領先地位，并以國家意志對我國進行技術封鎖、產品禁運和市場打壓，前有“巴統協議”，后有“瓦森納協定”。蘇聯解體后，俄羅斯對機床工業放任自流，直接導致機床工業體系崩塌，嚴重制約國防軍工發展，教訓發人深省。

5 提升路徑

5.1 加強頂層設計和統籌協調

加強科技、產業、財政、金融、保險、軍民融合等政策銜接，構建有利于高端基礎制造裝備創新研發及產業化應用的政策體系；設立高端基礎制造裝備產業發展戰略咨詢委員會，以用戶需求和技術創新為目標，提供準確的國內外競爭情報和產業數據分析；確立主管政府部門，牽頭從制度層面協調基礎研究、應用研究、產業化等創新鏈政策資源，打好重大項目2030、首臺套、強基工程等政策、規劃、標準組合拳，形成合力。

5.2 接續實施04專項

圍繞聚焦基礎支撐能力建設，深入開展基礎制造關鍵共性技術研究，掌握關鍵核心技術；聚焦基礎制造裝備創新，突破一批國際領先水平的大型、精密、復合、智能基礎制造裝備研發與創新，持續進行功能改進和性能優化。

5.3 構建新型標準體系

從國家層面上建立高效權威的標準化統籌協調機制。一是充實與完善基礎制造裝備標準體系，以成熟的與國際接軌的技術法規及技術標準做支撐。二是加強基礎標準的制定。在產品設計和開發各階段的指導性標準、產品制造過程的控制性標準、產品營銷過程的戰略性標準方面以及檢測評價等監督產品質量的有效性標準等。三是對已有的標準體系中的標準做進一步的深入研究、試驗和驗證工作。努力提高標準技術含量，促進行業的技術進步和產業升級，提高產品的市場準入門檻，為產品產業化打好基礎，提高標準的實施效果和提升質量的指導性作用。

5.4 完善創新平臺建設

一是繼續完善國家實驗室、國家重點實驗室、工程技術研究中心布局。聚焦未來新型制造重大需求，圍繞基礎研究、關鍵共性技術攻關、新產品研發、工程化驗證、產業化應用全產業鏈布局創新平臺。二是籌建一批鍛造、熱處理、先進連接等國家及地方創新中心，集中攻克數字化設計技術、高速高精加工技術、全數字化智能型數控系統、高性能功能部件以及主機可靠性、精度保持性等長期制約行業瓶頸性難題。三是建立產業情報服務平臺。提供在全球競爭中的各類熱點和敏感情報信息；關注各國產業重要的政策變化、重大事件等；及時披露與產業相關的貿易摩擦、知識產權壁壘、預警等各類信息[5]；跟蹤國內外產業新產品、新技術、新專利、新的研發工具與手段、新的發展動向等情報。四是建設一批新產品示范應用基地。形成若干典型成套裝備及生產線為基礎的系統解決方案，推動傳統產業轉型升級，建立示范基地，推進創新成果推廣應用。

5.5 加速制造模式轉變

一是通過行業準入管理的產業政策引導，加強環保及淘汰落后產能政策的制定，推進地方相關產業發展配套政策實施，通過市場驅動，積極化解行業產能過剩矛盾，引導產能向優勢產能集中，加快淘汰落后產能[3]。二是推進行業“兩化融合”深度實施。實現信息技術的全面滲透、綜合集成和深度融合。加快關鍵生產設備的數字化和網絡化，運用信息技術優化裝備、設備功能，提高工裝備信息化水平。利用信息技術改造傳統工藝和生產流程，實現生產流程的自動化和智能化，提高生產效率和能源綜合利用率，減少污染排放。三是加大先進節能環保技術、工藝和裝備的應用，推進企業將綠色理念貫徹于生產全過程，降低物耗、能耗及廢棄物產生量，走低碳化、循環化和集約化綠色發展道路。

5.6 培育專精特企業

大力支持企業向專業化生產方向發展，繼續支持骨干企業跨行業、跨地區、跨所有制的聯合、兼并、重組，培育一批具有國際競爭力的科工貿一體化大型企業集團和“專精特”優勢中小企業。重點支持“百強和分行業排頭兵企業”、“千家重點骨干企業”做優做強，形成標桿示范。[3]培育一批具有核心競爭力的特色產業集群(園區)和基地。推進產業集群(園區)內的企業以產業特性作聯結，在企業之間實行專業分工和協作，引導產業集群(園區)內企業的專業化發展，防止企業間的低水平、同質化的惡性競爭。

5.7 建設高水平人才隊伍

一是加強領軍人才隊伍建設。培養和遴選具有前瞻性和國際視野的戰略型首席科學家團隊；培養一批專業能力強、善于凝聚力量、具有統籌協調特長的綜合型科技領軍人才隊伍；全方位培養產業技能大師，發揚工匠精神，為提升產品的高質量和高可靠性負責。二是實行更加靈活的人才培養和更加開放的人才引進政策。高校的專業設置要與產業特點對接；重視技術工人和產業工人的培養，提升專科學校的技能培訓水平和能力。三是鼓勵企業通過事業與機制吸引和留住人才。以企業的發展帶動人才的發展，形成尊重人才、愛護人才、培養人才的正向和諧氛圍。