中国机床工业综述：过去、现在与将来

2011-09-14同济大学朱志浩樊留群

世界制造技术与装备市场 2011年5期

同济大学张曙朱志浩樊留群

一、十八罗汉的由来(1949～1957）

1949年新中国成立时，没有机床工业，只有上海、沈阳、昆明等地的一些机器修配厂兼产少量皮带车床、牛头刨床等简易机床，如上海明精机器厂生产的D型6′车床等。当年金属切削机床产量仅1582台，不到10个品种。

回顾往事，政府接管有关工厂后，立即投入大量资金，购置设备，恢复和发展生产，开始从修配业向机床制造业转变，仿制英美和前苏联的机床。1952年，全国生产的金属切削机床品种达到30种，年产量1.37万台。建国初期上海生产的皮带车床和工具磨床 (中国第一台近代机床设备）如图1所示。

图1 建国初期生产的机床

1952年9月，原中央重工业部召开了全国工具机会议，对当时的机床产品发展方向和工厂布局作了初步规划。1953年又按照苏联专家建议，确定了全国18家机床厂的分工和发展方向，由于人们对18家机床厂寄予厚望，就称他们为 “18罗汉厂”。

在 “一五”156项重点建设项目中，机床工具工业有3项：沈阳第一机床厂、武汉重型机床厂和哈尔滨量具刃具厂。1955年按照前苏联红色无产者机床厂改建完成，建立了7条流水生产线，年生产1A62普通车床2200台，堪称当时世界一流的机床厂。

1956年，机械工业部又开始对昆明机床厂等27家机床厂、工具厂、附件厂分期分批进行技术改造，初步建立了中国的现代机床工具工业，其中18罗汉机床厂的当时概况见表1。

图2“一五”期间仿制苏联的机床

表1 1957年十八罗汉机床厂的概况

“一五”期间通用机床发展很快，到1957年底，累计生产通用机床204种，年产量达到2.8万台，累计向全国提供了10.4万台机床，满足当时工业需要的80%以上。其中大多是按照苏联图纸生产和仿制苏联机床的产品，例如：1A62车床、255摇臂钻床、6H62万能铣床和3162A外圆磨床等，如图2所示。

这些按照苏联图纸生产的机床，技术相对先进、性能比较可靠。短短几年，从一无所有到掌握20世纪50年代的机床制造技术，使我国机床工业跨越了一个时代，也为以后的发展奠定了基础。时至今日，仍然能够在我国机床产品中找到这些机床的踪迹。

建立一个新的产业需要大量的人才。1952年国家决定在校大学生提前一年毕业，以适应经济发展的需要。同时教育部批准哈尔滨工业大学按照苏联教育体制，学制5年，直接授予工程师学位，设立机床与工具专业。这个专业曾为我国机床工具工业输送了一大批高级技术人才和管理人才。

若从仿制过渡到自主开发，离不开科学研究。1956年机械工业部在沈阳设立第一专业设计处(后迁往大连，改名大连组合机床研究所），在北京成立机床研究所，在济南成立锻压机械设计研究处(后与铸造机械设计室合并为济南铸锻研究所）。1957年在苏州成立电加工研究所，在成都成立工具研究所。1958年在郑州成立磨料、磨具磨削研究所。1959年在广州成立热带机床研究所，引领我国机床和工具的实验研究和产品创新40年。

例如，在济南第一机床厂技术改造中如何借鉴沈阳第一机床厂的经验，第一专业设计处从大连机床厂、北京机床研究所、哈尔滨工业大学、清华大学借调工程师、教师和学生，开展组合机床的设计和研究，为济南第一机床厂设计了整条流水线装备。

我国第一台由大连机床厂自行设计和制造的加工C6132车床主轴箱体的组合机床(笔者是主要设计人员之一）如图3所示。时隔数十年，现在这台机床仍然在济南第一机床厂车间服役。

图3 在车间服役的UT-001组合机床

高等学校不仅要培养人才，还要积极开展科学研究，推动工业技术的进步。1957年，清华大学和哈尔滨工业大学先后研制成功数控铣床。哈工大研制的数控铣床，是电子管计算机编程，磁带记录，主轴采用电磁离合器齿轮变速，进给采用步进电动机—液压马达扭矩放大器—滚珠丝杆驱动，光栅反馈，机械部分由齐齐哈尔第二机床厂制造。这与当时世界先进水平是同一档次，毫不逊色。事实上，我国数控机床的研究起步并不晚，但由于种种原因，未能坚持研究下去，致使今日我国与日本在高端数控技术领域差距甚远，实为终身遗憾。

二、从大跃进到十年动乱 (1958～1978）

正值我国机床进入全面发展时，外部环境发生了变化。一方面，超英赶美，违背客观规律、浮夸成风，产量不断翻番，造成管理混乱、质量急剧下降，大部分机床产品不合格。另一方面，随着国家经济建设的发展，不仅需要普通中小型机床，还需要重型机床、精密机床和自动化机床。我国机床产业在各种外界的干扰下艰难地前进。

1958年156项的武汉重型机床厂建成，1959年自行设计和制造了C681重型卧式车床、B1025龙门刨铣床，开始扭转重型机床主要依靠进口的局面。

1958年，上海机床厂试制成功Y7131齿轮磨床和Y7520螺纹磨床，1959年昆明机床厂试制成功T4163坐标镗床。从此，我国机床制造业跨入了重型和精密加工领域。

当时我国还不能生产高精度精密机床，国外进口没有外汇支持，加以欧美技术封锁、原苏联也中止供货，只能自力更生。1960年，中央召开高精度精密机床会议，成立领导小组，在对重点用户需求调查的基础上，制定了1960～1970年开发56个品种，年产量700～800台高精度精密机床的规划。到1970年，发展了35种高精度精密机床，年产量达到1225台。其中T42100坐标镗床等产品达到当时世界先进水平，我国开始有了自己的高精度精密机床产业。

在研制高精度精密机床的过程中，北京机床研究所会同高等院校和工厂对若干国外样机进行了全面试验，并对精密机床零件用材、冷热加工工艺及其检测技术都进行了比较深入的研究，在保证规划顺利实施上起到了极其重要的作用。

高精度精密机床发展规划的制定策略和具体实施过程都在我国机床发展史上可圈可点，特别是老老实实、脚踏实地有针对性地开展科学实验研究值得继承和借鉴。这一时期有代表性的精密机床产品如图4所示。

图4 高精度精密机床规划的代表性成果

1960年11月25日《光明日报》发表了哈工大机械系机床及自动化专业师生和哈尔滨机联机械厂职工共同署名的 “论机床内部矛盾运动规律和机床积木化问题”的文章，该文在总结机联机械厂积木式机床经验的基础上，以自然辩证法的观点，讨论切削过程中工件与刀具的对抗形态对机床结构配置的影响，引起了毛主席的关注，并作了批示(批示原件见图5）。

图5 毛主席对光明日报发表的文章的批示

将工程实践进行研究总结，并且上升到哲学理念是一项有重大意义的创举和探索。它可以帮助人们从更高、更深的层次来理解工程现象，指导未来的发展趋势。这种思考问题的方法和理论探索今天仍然值得大力提倡。

尽管时代不同了，计划经济已经转变为市场经济，环境各异，体制和价值观发生了明显变化，但是回顾历史、总结过去的产学研经验对解决今天产学研存在的种种问题也许不无帮助。

由于中苏关系的变化，我国工业布局开始从沿海向内地转移。从1964年开始到1974年间，采用有沿海老厂包建、包投产的办法，先后在青海、宁夏、贵州等地建立了17家机床厂，从而改善了我国机床工业的布局，对发展西部工业起到了很大推动作用。

1966年，为了发展汽车工业，国家决定在湖北襄樊建立第二汽车制造厂。机械工业部成立了 “二汽成套设备战役”办公室，制定规划，组织全国力量进行设备的设计与制造。参加的企业、科研单位和高等院校共138个单位，为建设二汽提供了369种7664台高效专用专门化机床，包括组合机床自动线34条、回转自动线6条，到1975年建成投产。尽管在为二汽提供的设备中有30%存在不同程度的质量缺陷，但它标志着中国机床工业有能力提供年产10万辆载重卡车的成套设备，完成从单机到成线、成套的飞跃，积累了许多宝贵的经验，为以后发展自动化成套装备奠定了基础。

1977年金属切削机床的产量达到19.87万台，是1957年的7倍，1979年机床拥有量达到278.4万台，居世界前列。但事后分析，质量好的充其量不过1/3，大多是废铁一堆。期间最突出的案例是1970年沈阳第一机床厂的CW6140A车床改型，不计算、不试验，42天完成设计和样机，投产后发现切槽振动、床头箱发热等严重缺陷，不到一年被迫停产。

大干快上、浮夸成风，无视科学规律、盲目追求速度和数量、不求产品质量的做法留下了极其深刻的教训和后患。前车之鉴，难道不足以为今日之戒乎？

三、进入数控机床发展期(1980-2000）

1979年，济南第一机床厂与日本Mazak公司签订了来图来样加工、合作生产返销车床的协议。此闸一开，迎来80年代对外合作的高潮。

据不完全统计，1980年到1999年，我国机床工业先后从国外引进技术约150项，包括技术转让、许可证生产、合作生产等。借助国际力量，迅速提高了我国机床工业的产品水平、工艺制造水平和管理水平，特别是数控技术的应用。

随着改革开放，打开国门，引进技术，国家和机床企业都认识到数控技术的重要性。从 “六五”开始进行投入，属于数控攻关和数控机床国产化的技改专项，“六五”期间有75项，“七五”期间有58项。从此，我国开始进入发展数控机床为主线的时期，这20年我国数控机床的发展概况见表2。

表2 1981-2000年我国数控机床概况

上世纪90年代我国机床工业生产的典型数控机床如图6所示。

图6 上世纪90年代生产的数控机床

在20余年间，国家投入大量人力物力发展数控机床和数控系统。一方面，在数控机床的设计和制造技术方面有较大提高，培训出一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外的功能部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、五面或五轴联动加工的数控机床。但另一方面，对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与德国、日本数控机床的水平仍然差距很大。

特别是数控系统，从 “六五”到 “九五”屡战屡败。尽管出现了华中数控、广州数控、北京凯恩奇等数十家数控系统制造商，厂多人众，但基础理论研究缺失，把主要注意力放在跟踪国外数控系统方面，加之与机床主机制造厂家结合不紧密，没有形成合力，进展缓慢。时到今日，高端数控系统仍然依赖西门子Siemens和Fanuc这两家霸主。

在技术进步的同时，我国机床产业的结构发生了巨大变化。1980年以后，随着国家政策的放开和改革的深入，吸引了一批民营企业家投资机床行业；部分国有机床工具企业国退民进，转为民营企业。机床工具行业打破了国有一统天下的局面，形成了国有企业、集体企业、民营企业、中外合资企业和外资独资企业多种所有制形式并存的新格局。机床企业的数量急剧增加，大型机床集团开始形成。

1995年沈阳第一、中捷(第二）和第三机床厂合并组建成沈阳机床股份有限公司，成为国营机床企业成功转制的范例，带动了国有机床企业的转制改造。1996年底，我国金属切削机床产业的概况详见表3。

表3 1996年我国机床工具产业概况

1999年底，我国机械系统共有机床工具企业611家，其中重点骨干企业183家，属于国营经济的有344家，集体经济的116家，联营经济的13家，股份制68家，中外合资合作经营的19家，港澳台合资合作经营的7家，其他54家。可以认为，到20世纪末，我国建成了比较完整的机床工业。

四、黄金发展和成熟期(2001-2010）

进入21世纪，国家实施振兴装备制造业的战略，将发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件列为16项重点振兴领域之一。在国家的政策支持的推动和市场需求的拉动下，特别是汽车工业的快速发展致使机床产品需求旺盛。使我国机床工业迅速走出低谷，迎来了前所未有的黄金机遇。

自2002年开始，我国连续8年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，国产机床所占比重逐年提升(如图7所示）。

我国沈阳、北一、大连等大型机床集团率先抓住机遇，迎接挑战，进入世界舞台。它们并购了若干世界著名的机床企业，如Schiess、Waldrich-Coburg、Zimmermann等，并搬离市区在郊区新建厂房，扩大生产基地，建立了世界一流的现代化的机床制造企业。这些大型机床企业在完成搬迁和技术改造后，大力开展产品更新换代的工作，取得了显著的成果。例如，沈阳机床集团通过自主研发，数控机床已经成为主导产品。2010年推出了称为“新五代”的新产品，如图8所示。

图7 我国机床的消费、生产和进口情况

图8 沈阳机床集团的新五代产品

为了探索新形势下的产学研模式，沈阳机床集团牵头组成 “数控机床产业技术创新联盟”，有9家企业、6家大学和1家研究所参加，如图9所示。

图9 数控机床产业技术创新联盟

处在机床产业这个黄金发展期，民营企业毫不示弱，积极参与，强势出击，有的还兼并了大型国有企业。例如，天马集团收购齐齐哈尔第一机床厂，成立了齐重数控装备股份有限公司，江苏新瑞收购了常州多棱机床厂和宁夏长城机床厂，组成江苏新瑞重工科技有限公司，隶属于新誉集团。这些新组建的公司既具有国营企业多年沉淀下来的技术实力，又具有民营企业的经营管理活力，是我国机床产业中不可忽视的力量。

例如，齐齐哈尔第一机床厂是我国最早的重型机床厂，在重型立车和卧车领域具有举足轻重的地位。新瑞重工汇集了新瑞机械、宁夏长城、江苏多棱3个品牌的10个系列的数控机床产品。它目前已成为我国数控机床产品门类较为齐全的大型机床制造企业之一，在常州和银川组建了两大研发、制造基地；以高新技术和前沿技术帮助客户提升传统产业，为客户提供最佳解决方案。齐重和新瑞重工的代表性机床产品如图10所示。

图10 齐重和新瑞重工的机床产品

中国的庞大机床市场使全球的机床企业向往不已，特别是进入黄金发展期以来。国外的著名机床企业，如DMG、GFAC、Mazak、Makino、HAAS等已经不满足于合资合作生产的模式，纷纷在华独资建厂，生产适合中国市场需要的机床。

例如，成立于 2000年的小巨人(LGMazak）机床有限公司，是日本Mazak公司在中国的独资工厂，按照 Mazak智能网络化工厂的构建理念，采用 Mazak的生产装备和软件管理系统，建立起智能网络化的生产环境，成为我国机床工业第一家智能网络化工厂。

该公司总人数 450人，人均劳动生产率为200万人民币，居全国之首。该公司先后分三期扩建，到2010年底完成了年产 4000台数控机床的规模，成为中国最大的、自动化程度最高的数控机床生产基地之一。

高效率的产生有赖于信息技术和制造技术的融合，先进的制造手段、自动化的生产设备确保了高效率的工厂运行和产品质量，技术、销售、生产、管理等各部门的数据在一个网络下流动，信息完全共享，实现缩短生产准备时间、缩短交货周期、提高生产效率、降低成本的目标。

数字化的发展进程要求企业实施组织机构改革，建立以顾客为核心的经营结构，使各部门与客户实现等距离，为顾客提供最佳的技术支持和服务。这就需要将各类信息准确传达和分配，实现高速和高效的信息流，其概念如图11所示。

图11

外资独资企业不仅在国内生产先进的机床产品，而且带来了新的经营管理理念和模式，形成了国企、民营和外资三足鼎立，三分天下的竞争共赢局面。

2010年我国金切机床产量为755779台，其中数控机床产量达到223897台，是2005年的3.6倍，这标志着我国机床产业进入了成熟发展期。

但是，我国机床工业大而不强。在诸多 “大国的桂冠”前面，切勿沾沾自喜。我国是机床生产大国，但却是贸易弱国，从图11所示的机床世界贸易平衡图可见，在28个被统计的国家和地区中，中国屈居末位，是贸易逆差最大(高达54亿美元）的国家。我国是第一进口大国，意味高端数控机床不能自给，主要依靠进口，但事实上高价买来的机床利用率却很差，没有创造应有的价值。我国是机床企业和从业人员数最多的国家，但劳动生产率仅是日本的1/10。图11还显示，日本、德国和意大利是机床的主要输出国，是贸易顺差的前3位，他们是机床制造的强国。我们要真正成为机床强国，还有很长的路要走，任重而道远。

图12 世界机床贸易平衡图

五、“十二五”的悬念

随着我国从制造大国向制造强国迈进，战略性新兴产业的崛起，以及航空航天、军工等国家战略规划的实施，不仅要求机床产业整体转型升级，而且要加快原始创新的步伐。如何抓住机遇、迎接挑战，答案是：蓄势、突破与发力。

蓄势就是以战略眼光确定目标，以科学态度进行规划，以足够的资源为后盾，组织精干团队有目的、有计划地向目的地前进。

蓄势一：国务院 “高档数控机床与基础制造装备”重大专项的出台，是国家层面为促进我国机床产业跨越式发展所做出的重大举措和部署，通过核心技术突破和资源集成，以完成重大战略产品、关键共性技术和重大工程。“专项”指出了当前制造技术的瓶颈，以及机床产品创新的主要方向。

蓄势二：我国许多机床集团都已经建立了研究院或技术中心，并在国内外设立了研究分支机构，积聚了一批科研人才，添置了必要的试验设备和测试手段，正在承担国家项目，开展有关研究。例如，沈阳机床集团除设计研究院外，在德国、北京和上海设立了分中心，分别从事高档数控机床开发、飞机零件加工技术和机床共性技术的研究。

蓄势三：不少高等院校建立了与机床有关的国家、部委和地方的重点实验室和工程中心。例如，湖南大学的国家高效磨削工程技术研究中心，上海理工大学的上海市高端机床测试中心等。

只要下决心、有投入就可以造势。“势”仅是发展的推动力，而并非结果。有势必求有所突破，突破才是初步成果。

突破一：2011年4月在北京举行的第12届中国国际机床展览会上有58项国家重大专项成果展出。例如，北京机床研究所展出的NANO-TM500超精密车铣复合加工机床，大连机床集团展出的VHT系列立式复合加工中心，秦川机床工具集团展出的QMK009数控圆弧锥齿轮磨齿机等。

图13 QMK009弧齿锥齿轮磨床

值得指出的是，QMK009数控圆弧锥齿轮磨齿机弃用了传统的圆柱形砂轮展成磨削法，采用指状砂轮或小直径盘状砂轮，通过多轴联动沿齿廓来磨削大型曲线齿锥齿轮，如图13所示。这台新产品颠覆了传统曲线锥齿轮加工的原理和机床设计的理念，以软制胜，有所突破，属于原始创新，不仅成为企业的核心竞争力之一，并使我国进入了大型硬齿面曲线锥齿轮加工的世界先进行列。

突破二：数控机床的功能部件一直是制约我国机床产业发展的瓶颈，特别是数控系统至今对国外产品依赖度很大。国外提供的数控系统是标准平台，并不包括许多重要的、特定用户需要的、加工关键零件的软件，也没有与机床制造商的产品相匹配。随着机床智能化的进展，越来越多的国外著名的机床制造商采用自己的数控系统，例如Mazak公司的MAZATROL，Mori Seiki公司的MAPPS等。

鉴于数控系统是高端数控机床进一步发展的瓶颈，沈阳机床集团现已组织力量开发为本企业产品配套的飞阳数控系统，以期与机床和用户更好地匹配，集成更多的功能，如图14所示。造势易，突破难。更加令人担心的是 “突而不破”。过去许多攻关成果往往鉴定后就打入冷宫，并不为用户所接受。尽管国家出台了 “首台补贴”政策，用户怎么敢拿停产来冒这个险呢？

图14 飞阳数控人机界面和测量功能

发力就更加难。突破是点，发力是面。发力至少要有足够的市场占有率和能量，至少能够取得国内用户的认同，相信你的品牌，部分挡住高端数控机床的进口。进一步是走向世界市场，与著名机床品牌平起平坐，令人起敬。

衷心期望，到 “十二五”末，在总结 “十二五”规划时我们向这个目标跨近了一大步。

六、未来趋势和展望

我们要成为机床强国，还有一段很长的路要走。我们在探索未来趋势时，不要只认为国外的机床新产品就一定是趋势，知其然不知其所以然，应该多追问为什么。

例如，大约10年前Mori Seiki提出重心驱动，解决办法是双丝杆驱动(其实双丝杆也无法将驱动力完全合成到重心上），并把这一技术作为第一核心技术。可是2010年该公司推出的XClass新系列机床，放弃了双丝杆驱动，改用单丝杆驱动，但在机床配置上并没有放弃重心驱动原则。凡事不能够照葫芦画瓢，多想想有没有更好的办法来解决面临的问题。

最后，从社会、经济发展的大趋势来看，机床作为生产工具和用能产品，其产品创新今后若干年的焦点可以概括为以下4个方面：

(1）生态机床。绿色制造是可持续发展的前提。机床作为制造装备必须体现节能减排、以整体效益为本的评价标准。多年来，精度、速度、功率等测度的机床能力指标是机床产品的主要追求目标。当前在阻止环境恶化的压力下，工业生产需要全方位地降低对环境的负面影响，机床的发展方向也应该从提高能力指标转变为提高效益指标，以更少投入获得更多产出。例如，通过移动部件轻量化可以达到减少驱动功率的消耗，配合先进刀具、工艺过程和切削液可以减少废弃物排放。

(2）聪明机床。基于互联网和计算机技术的智能化是机床进一步延伸人的脑力的体现。智能化可以提高机床工作的稳定性和可靠性。聪明机床能借助各种传感器对自己的状态进行监控，自行分析与机床状态、加工过程以及周边环境有关的信息，然后自行采取应对措施来保证最优化的加工。换句话说，机床已经进化到可发出信息和自行进行思考及调节。例如，能减小振动的主动振动抑制，能控制热位移的智能热屏障，能防止部件碰撞的智能安全屏障、语音提示和短信通知，以及按照加工要求帮助选择切削参数等。

(3）客户化。从大批量生产向大规模定制转变是制造业总趋势，机床产业也不例外。“当好用户的工艺师、为用户创造价值”不是一句空话，用户生产的产品是不同的，对机床设备的要求也当然各异。例如，复合加工机床的目标是一个复杂工件在一台机床上加工完毕，不同工件有不同的工艺过程和加工方法，复合机床的配置就应该有所不同。可以预见，相当一部分只专注生产和销售传统通用机床的企业将被为用户提供模块化、可重构、柔性化的全面解决方案的竞争者所逐步取代。

(4）软硬结合。已经是互联网+物流网时代的今天，机床越来越与信息化和软件有关。机床不仅是一台生产设备，更是工厂网络中的一个接点。在网络中，机床能够与生产管理系统、刀具和物料管理系统，甚至与机床制造商、刀具供应商建立联系，自动处理生产中出现的问题。