装备制造的关键技术需要自主开发

内容提要：改革开放以来，我国的装备制造业有了很大发展，企业的发展要依靠引进装备、引进技术、引进资金，但更主要的是要依靠自主开发。

关键词：装备制造业；引进；自主开发

中图分类号：F424文献标识码：A文章编号：1003-4161(2009)01-0012-04

1.巨大而宝贵的国内市场培育了我国的制造业

我国的制造业发展势头非常好。改革开放以来我国制造业的发展历程，大致有这么几次高潮。第一次是家电业的发展。仅仅经过十年的时间，我国的家庭几乎都有了电视机。第二次浪潮是以汽车为代表的装备产品的发展。这得益于改革开放的政策和观念的更新。采用的主要办法是引进技术、引进全套设备。下一个浪潮，应该在重大装备制造上。

我国制造业的发展，首先得益于我国人口众多这个最大的资源。市场大是我们非常重要的资源，我们应该珍视它。我国广大的市场培育了我们的制造业。我国谈不上地大物博，尤其按人口来平均资源还很匮乏。无论是能源还是钢铁、水，我们都达不到世界的平均值，有的只占到百分之十几、二十几，最多只占到三分之一。但是人口众多的确还是我们的特点。这众多的人口要消费就是一个很大的市场，这个巨大的市场培育了我们的制造业。我们应该珍视这个市场。温州能从最小的产品做起并发展，如打火机，几家企业分工做打火机，先占领当地的市场，然后占领浙江的市场，再占领中国的市场，中国的市场占领了以后世界的市场自然就占领了。由于我们有这么大的市场，就可以把产品做得非常精，分工很细，而且非常便宜。打火机上有一个光杆，大概就十几毫米长、一个毫米粗，其圆度、不直度都非常好，居然可做到一角钱十几个。可以说世界上没有哪个国家能做到这个程度。汽车产业也是这样。我国的制造业，以前大都是通过引进装备、引进技术、引进资金，依靠便宜的劳动力、依靠消费者的资金发展的。这样虽然发展了，但也带来了一些问题。低廉的劳动力使人民的生活不能得到完全的改善，使社会不够和谐。发展中牺牲了一部分消费者的利益，是消费者的资金支持了制造业的发展。例如在刚开始时，家电的价格非常高。汽车也是这样。引进技术在使我们很快发展的同时，也使我们很多企业失去了自主权利，大部分利益被国外企业抽走了。2007年以来，原材料、能源及劳动力价格的上升，使许多低技术的加工企业遭遇了极大困难，面临倒闭，充分说明了企业的长期发展，还必须依靠先进装备和技术创新。

为什么我们的制造业发展了、做大了，却并没有做强。不强的重要标志是我国制造业产品主要占据的是市场价值链的低端，附加值、利润都低。而产品在价值链中所处地位、自主开发能力均取决于装备制造（如IT产业、机床）能力和水平。譬如我国的手机市场规模绝对是世界第一，但是我们做手机的企业赚到的利润却很少。为什么？就是因为我们的装备制造业不行，手机核心的东西——芯片是国外制造的。我国生产芯片的大规模集成电子设备几乎全是进口的。生产芯片的国外装备制造商有一个明确的理念，就是一定要把供给中国的芯片生产设备同他们自己的保持两到三代的功能、技术差距。例如国外现在45纳米的光刻机已经做出来了，65纳米的光刻机已经装备生产线了，但是给中国只提供90纳米的光刻机。目的就是保持这种技术差距。国内外的微电子行业经营表明：IC行业的利润来自先进装备。芯片的水平差，手机的功能就比别人的差。我们生产的手机，必须用国外的芯片，我们只是做个壳子。我们的手机厂、芯片厂都不赚钱，类似的例子很多。我们的造船业已经可以生产200万吨的大船了，成了造船第一大国，但实际主要是做船的壳体，船舶电子我们不行，船的大曲轴也做不了，因为我们没有做大曲轴的装备。我们的机床现在发展的比较好了，但是数控系统是人家的，高速电主轴也是人家的。轴承、滚动导轨都竞争不过国外。我们的铸造产业发展起来了。铸造产业是一个污染大、消耗资源的产业，这与可持续发展有矛盾。我国现在面临着可持续发展的重大问题。发达国家指责我国消耗了能源、污染了环境。当然我国也有我们的说法，说美国人均能源消耗比我们大多了。但实际上世界能源消耗中增量多的是中国，我们在替发达国家背污染的黑锅。为了可持续发展，必须纠正这个问题。这就必须提高产品的价值，占据价值量的高端。而这些都有赖于装备制造业的提高。

我国要发展大飞机，自身拥有巨大的市场是一个很重要的因素。预计到2020年，我国将需要民用飞机1.700多架，需要的运输机也非常多，这就是我们发展的基础。我们有理由坚信我国的飞机制造业肯定也能发展起来。

很多口号都是以市场来换这个换那个，这些口号值得商榷。当然，在一定的历史发展阶段，我们不得不这样去做。但我们不能照顾了近期的利益，却牺牲了长远的利益。因此，在制造业发展的同时，要想得到最好、最大的利益，就必须重视和发展装备制造业。由于我们的装备制造业发展没有同步跟上制造业的发展，实际上丧失了很多很难弥补的发展机会。像手机，我们培育了新兴市场，但芯片制造装备没有发展起来，结果培育手机装备制造业的机遇也丧失了。

现在我国的装备制造业已有一定发展能力了，但是自主开发能力、自主知识产权还差得比较多。很多装备我们能做但是水平不高，在国际竞争的时候处于很软弱无力的地位。现在都提倡发展装备制造业要靠政府支持，希望销售的时候政府能保护我们的市场，实际上就是因为我们竞争力差。究竟差在哪里呢？我们的装备制造企业和产品很多，但都是以仿制为主。

发展装备制造业有不同的观念。创新大家都认为很重要。在把创新分为原始创新、继承创新、消化再创新的同时，还可以从另外一个角度把创新分为知识创新、技术创新和产品创新。知识创新是创新的源泉，它是从基础研究、基本理论开始的。回顾一下人类的历史，蒸汽机是原始创新的东西，飞机也是原始创新的东西；机床数控也是原创的东西，属于知识创新。技术创新属于研发范围，就是把一些原理性的东西化为工艺、化为制造方法应用于产品制造。产品创新就是把知识创新、技术创新应用到某一个产品上。产品的功能设计、外观设计、工业设计都是产品创新，产品创新会引起市场细分。知识创新是研究院所、大学所追求的，是他们的定位分工；技术创新是企业和科研单位一起共同做的；产品创新主要是企业担负的任务。企业只有通过产品创新才能把自己的技术创新转化为财富。

2.快速制造技术与产品自主开发能力的提升

快速制造技术是一项提升产品自主开发能力的新技术。它包括快速原型、快速模具、超高速切削等。快速原型的原理是把三维制造任务变成二维制造，通过一个软件把CAD的三维数据转化为两维的剖面数据，推动照射到振镜的激光在液体树脂表面上进行扫描使液体树脂固化累加制造。它的好处是把很多不同的制造任务化为一个模式，不再需要复杂的工装制造生产准备工作。我们以这个技术为核心发展了一套产品快速开发系统，包括CAD以及三维反求，然后化为一个物理原型，结合快速制造模具技术，分别制造出适合不同批量生产需要的模具，完成产品开发任务。这个制造模具的方法和以前的不同，先制造好一个物理原形，通过复模任务来制造模具，把制造任务简化，制造成本降低了。这个技术已经推广到全国。出现了一个高技术制造服务业，为一些制造业企业产品开发尤其是中小企业的产品开发服务。服务对象有家电、轻工产业，也有汽车、摩托车产业，也包括飞机制造业。摩托车、手机、汽车零部件都可以直接制造，进行装配。新式飞机的风洞实验原型，能很精确地体现出设计者的意图，通过风洞实验结果来修改设计，大大缩短了产品设计制造周期。

三维反求技术包括三维数据技术测量和三维重构。它是用激光传感器、三角法测量，获得复杂表面的三维轮廓数据进行重构。像飞机这样的大型产品，对大飞机的各个部位进行精密测量，在曲面曲率变化不大的地方少测一些数据，对空气动力学影响密切的细部结构，用精密的传感器进行细节测量。整个飞机测量、激光跟踪仪定位后，再通过局部坐标对全局坐标的转换重构其三维模型。

发动机的内部轮廓对产品的开发设计影响非常大。虽然气体燃烧仿真软件可以采购，但是我们单纯依靠这些软件，仍然无法开发发动机，因为燃烧计算有很多前提条件和边界条件，而我们不完全掌握。美国人做了近二百年的汽车，积累了很多实验数据和计算经验，这是他们的设计知识，不会卖给我们。

我们现在可用反求的办法，站在别人的肩膀上来进行开发。拿几款发动机解剖，获得数据，把这些数据用我们理解的假设条件来计算，发现结果与这款发动机的性能不吻合再修改自己的前提假设，最后达到性能吻合良好。拿几款进行对比以后，就可以有自己的经验，几年内可以掌握人家两三百年的设计经验，迅速提升自己的开发能力。这是典型的消化知识再创新的技术手段。对于内部轮廓，我们采取切削一层、照相一层，通过数据整理或识别，得出内轮廓和外轮廓的数据进行三维重构。有了数字模型，发动机还要样机验证，一般开发过程需要两三百台来验证。制造两三百台发动机样机的难度很大，很多工装都得准备。快速原型技术可以和精密铸造技术结合。比如把一个快速原型埋在型砂里面，然后把高温熔化的金属一起浇铸进去，树脂的原型汽化了，连一点灰都没有，金属零件浇铸出来了。快速原型和精密铸造技术相结合，可以很快得到设计出的样机，这样就可以进行产品试验。直升机涡轮盘、汽车减速器我们都做过实际案例。我们用这个原理，把快速原型和快速模具相结合，用金属喷涂法制造了一些简易的模具，做了四十副汽车模具，三个半月完成了两款汽车的工程样车，一辆轿车、一辆商务车，成本很低。加快了汽车的开发过程。

快速原型具有广泛的用途和广阔的发展前景。例如农业节水滴灌中的流道，用快速原型做出样件，可以很快进行一体化试验，几个月的开发任务几天内就完成了。同时我们发现以色列的一些流道设计也不是很合理，用我们发明的主流道设计方法可以避免速度死区，避免滴灌期间泥沙的堵塞。这个技术获得了国家技术发明二等奖。把快速原型技术和人类骨骼修复相结合，还可以用于人类健康。例如骨组织的修复、配颅骨、置换瓣关节等，效果非常好。

3.关于高速、超高速加工技术装备

机床是工业的工作母机。国家重大领域迫切需要超高速机床，发展超高速机床对国家至关重要。航空航天领域的大型复杂薄壁曲面加工，船舶、发电设备等的叶轮叶片加工，汽车工业等都需要超高速机床。它是提高工业效率和竞争力的重要技术。这里主要讲高性能工作母机的一部分即高速、超高速加工技术装备，其他的如超精密和工作连动的不再论述。

超高速机床市场广阔，经济效益巨大。2001～2005年，我国汽车工业消费了1.000亿元的机床，其中进口机床占800多亿元。国产高档数控机床仅占数控机床总价值量的2.5%。

超高速机床首先要实现超高速切削。按照国际CRIP的定义，超高速切削基本上是现有的切削速度的五到十倍。例如铝合金的切削速度国外已经达到每秒6.000米甚至8.000米以上，铸铁达到了每秒1.000多米。超高速切削概念是由索罗门假设提出来的。用超高速切削可以直接对变速钢进行加工，加工表面粗糙度降低1～2级，可直接加工淬硬模具钢，模具可以实现一次成型，不需要修磨、打磨。飞机的壁板肋板，95%的材料被铣掉了；机翼的内胆铝合金95%被切削掉了。飞机制造厂有很多切削任务，机床又少，成为制造的一个瓶颈。

超高速切削技术可以满足越来越高的技术要求，同时可以大大降低制造和投入成本。像汽车工业，日本的汽车加工中采用高速切削，转速每五年提高28%。我们有些企业进口了上万转甚至三四万转以上的机床，因为不掌握它的加工编程，在车间只使用到几千转，不敢用到那么高的速度，还是处于低速度切削状态。因为很多人不太了解超高速切削的概念。

高速切削机床有巨大的市场。近些年来国家进口的机床中，高速机床越来越多。东莞地区民营、外资及台资企业逾3.000家，其中55%以上引进了高速机床，并大量采用高速切削刀具。因为他们尝到了甜头。他们做模具发现效率非常高，划得来。这就给机床行业开辟了一个很大的市场。

发展自己的超高速切削技术和技能，关键要有核心技术。达到6万转甚至10万转的机床，主轴必须平衡稳定。这时稍有一点不平衡，就会造成失稳，轴承边界摩擦就会损伤。我们在这方面做了比较好的研究。可以在机床主轴处于旋转状态下，很快找到不平衡的问题在那里，很快采取措施解决。以前发现一个完全高速的动平衡需要一两个星期的时间，现在一两个小时就可以完成。

变速轴的支撑技术也很重要。我们有的轴承可以胜任二三万转的机床，但是使用寿命有限，保证寿命都是两三千个小时。我们在发展自己的流体润滑技术。现在我们研究一种动静压复合的轴承，优点是可以重载、刚度高，达到上万小时的寿命，难点在润滑空间小、转速高。高剪切率就会引起润滑介质发热。解决途径是用水润滑，使用超光滑的表面等，使得摩擦力非常小。

高速机床的动态特性就变得非常突出，机床轻微的震动就会造成失稳，无法工作。超高速度切削机床被认为是集机床设计、机床研究各项成果的大成。按我们以前机床动态性概念，提高刚度的措施，就是把横梁加宽、加粗，材料多用一点。在震动情况下，这样并不见得是有益的。我们发现国外很多机床做得很轻，但是刚度很好。我们以前的刚度停留在静刚度上，震动是造成刚度损失的一个重要原因，而减轻重量就可以提高这种频率。我们提出了一个更轻的、超轻的结构。这是我们学校进行973研究的重要方面。这种结构的材料不仅可以用于飞机、汽车，也可以用于机床的动态部分，尤其是超高速切削机床。机床那么大的工作台，那么大的质量，要求加速度在2个G以上，需要超轻的材料去做它。

影响机床动态性的一个重要方面是机床的结合面。机床构件刚度、动静刚度都可以计算，仿真可以做得很好。但实际上光有计算机的仿真是不行的。我们发现很多薄弱环节是在结合面。影响刚度的50%是由结合面决定的，阻力的50%～80%来自于结合面。所以怎样做好结合面，提高它的阻力又增加刚性，是一个很重要的任务。这个研究很复杂，不仅和结合面的表面粗糙度有关，和加工材料的表面粗糙度有关，而且和加工工艺方法有关，铣出来与磨出来的不同，还和温度、方向有关系，所以是一个很复杂的问题。要有精细的研究。结合面研究好了，整机的动态特性才能预测的很准确。

对机床来说，光靠提高零部件的精度，不能够完成设计的目标。必须进行在线检测和精度补偿。整机设计时应考虑负荷机床的各种不同功能，包括复杂切面的加工。要整合在一起才能减少工件加工时定位面的转换，依次安装就可以加工出来。

数控系统可以用国外的，但要真正提高机床的性能，必须对数控系统进行二次开发。要成为机械行业的总工艺师，针对各个行业的需要和工艺需求，根据积累的工艺知识，开发出的机床才真正是性能高的。为此必须了解各行各业如发电装备、飞机制造、汽车制造的工艺。把它们的工艺吃透了，做出来的机床才能有广阔的市场，才能提高机床的附加值。另外还有在线检测、故障诊断。只有把国外的硬件、软件继承了并消化转化成我们的数控系统，才能提高数控系统性能。不是简单地靠买西门子的数控系统就可以做出高性能机床和高性能机床数控系统的。

4.关于风力发电机的自主开发问题

风电产业现在业内形容是风起云涌，各地都在上风电。这是国家鼓励的产业，也是发展前景非常好的行业。国家给了很多鼓励政策。风力发电机制造目前国内企业主要采用的是技术跟进的办法。有的在做整机，有的在做核心零部件。

叶片对风力发电机至关重要。叶片不仅是风电装备的瓶颈，对其他装备如飞机也是非常重要的。我们在做大飞机技术方案计划的时候，机身怎么做，机翼怎么做，数字化设计规划怎么做，工装怎么做，这些方面都做了很多规划。但是飞机发动机现在还没有很好的方案，关键就卡在叶片制造上。飞机发动机的耐温要达到1.800度，它需要晶体定向生长甚至是单晶的叶片。不仅如此，它里面的形状也很复杂，有很多通冷却流道的孔，叶片形状的精度要求也很高，铸造精度要达到5个μ。因此，叶片制造面临着很艰巨的挑战，而国外的这些技术对我们又是高度封锁的。目前我们一个工序的成功率是百分之十几，百分之八十几是废品。发电设备的叶片价格非常高。日本卖给我们一个新叶片价格是40万元，维修叶片的价格是80万元，翻1倍。而且他要求我们把损坏的叶片完整无缺的拿回去，防止我们进行解剖研究。

陕西的一家工厂做了一个非常好的节能装备，用钢铁工业、化工工业的尾气来发电。这种设备卖的很好。但它的效率没有日本的高，功能没有人家的好，和国外竞争还不行。问题就在风机的叶片、叶轮的形面设计技术不过关，性能有差距，因此价格有很大差异，主要是缺乏分析设计能力。

风电的叶片我们国家也没有自己的设计技术。我们现在以反求再设计方案来支持消化再创新。先用激光跟踪仪加上流星测量臂进行测量。流星测量臂就像一个机械手一样，在表面上滑过以后就把数据记录下来了，然后通过激光跟踪仪来定位它，大型的物体也可以用小的测量仪器一部分一部分地测量出来，然后把数据综合在一起，就把叶片的数据全部反求下来了。一个截面一个截面地构建出来，构建成一个截面的叶型，再构建成三维的，最后用快速成形技术做出一个三维的叶片。这样就可以进行风洞实验来验证我们的一些设计。

对获得的叶片数据要进行流场计算、空气动力学分析。为什么要这么做？因为风力发电机不像汽车那里都可以跑，它是根据风场来设计叶片型面的。不同的风场叶片型面数据是不一样的。新疆的风场和甘肃的就不一样。型面设计不合理，不仅消耗了有效的能量，而且会造成叶片的振动，破坏叶片，需要仿真分析。我们还可以运用计算对叶片进行载荷分析防止疲劳。叶片设计涉及它的结构，它不是一般的金属结构，而是复合材料结构，是纤维加上树脂一层一层铺在上面的。这种材料是各向异性而不是同性的，给力学分析造成一定困难。制造叶片也是一个特殊的任务。制造得不好或者复合材料拼接的不好，都会影响它的刚度和强度，搞不好一些大叶片在转的时候就会发生故障甚至断裂。

大风力发电机各方面都可能会有故障。发生一次故障，吊装下来再吊装上去就要花费好几万元，维修也很困难。风力发电机上有很多技术，如故障诊断技术、增速器、发电机、控制线路等，需要的零部件很多。复合材料结构我们以前的经验比较少，这是个新任务。

5.重型燃气轮机研究——973计划

先进燃气轮机是先进的国防动力装备，乃国防安全之急需。燃气轮机、柴油机——燃气轮机和蒸汽机——燃气轮机等混合动力系统是新一代战机、舰船、坦克等先进动力装备必需的，代表了现代武器系统先进动力装备的发展方向。

对重型燃气轮机，目前我国缺核心零部件如叶片和叶轮的制造，缺乏整个系统的动力学设计和综合实验。由于缺少这些技术，以至于国家在前些年曾经设想把我们需要的重型燃汽轮机打包以后一次订购20台，用市场来换技术。跟国外谈判了很久没有成功。人家情愿放弃这个市场，也绝不把核心技术卖给我们。20台就是二三十亿元，这么大的市场也换不来技术，这说明了技术的重要性。

重型燃气轮机里面有叶片，每一排都有上百个叶片，其中最核心的是高温叶片。高温叶片工作在1.400多度的环境，寿命要达到25～30年。我们对这些核心技术进行研究，希望通过和企业的结合，掌握核心技术，逐渐形成自己的设计制造能力。高温叶片的表面有一层热涂层，可以隔热200度。再通过叶片内部的很多孔将冷气喷出来，绕叶片进行环流，形成一个气体保护膜，可以隔热500度。这样就降低了700度温度。这样1.400度的材料耐热要求变成耐受700度就行了。但叶片内部剖开以后可以看到有很复杂的流道，流道通过表面的小孔流出来。小孔的形状圆的、椭圆的、星形的、三棱的都有。我们的设计就是让它能够出来形成一个很均匀很薄的气体保护膜。如果保护膜不稳定，叶片就经受不了500度的高温，叶片就损坏了。这是一个核心制造技术，因此它的价格比黄金还要贵。用包括激光成形的办法或用复合材料结构来制造它。

那么多的叶片装配在一起，对整个系统进行集成，要能够形成很高的旋转精度，还能够避免它振动，在气体的气压下很稳定的工作，必须对它整体运转的稳定性和可靠性进行综合分析、试验。东汽准备作出大笔投资，与我校联合建立一个综合试验台，体现了企业要成为自主创新技术的主人，企业不仅要用这个技术，而且要通过产学研结合，研发这个技术，成为技术开发和开发投入的主体。

［作者简介］卢秉恒（1945-），男，中国工程院院士，西安交通大学教授、博士。

［收稿日期］2008-12-20

（责任编辑：启方）