都说中国机床不行,到底是哪里不行?

制造界 2021-08-02 23:22

来源/东西智库(ID:dongxizhiku2025)

作者/张乃琳、单锡林、赵文岳、陈琛

封面/图虫创意



本文主要观点来自于瑞士托纳斯机床大中华区总经理单锡林先生。

2020年世界贸易组织全球机床行业数据出炉,中国机床产值和消费额分别为169.5亿欧元与186.1亿欧元,均为世界第一。这是中国机床产业自2009年首次成为世界产值第一之后,再一次向世界证明,我们是一个机床大国。


然而,人们不禁疑问,从2009年到2020年,中国是否已经从机床大国,变为机床强国?


2008年,世界机床产值排名前十分别为:德国通快、日本山崎马扎克、德国吉德曼、日本大隈、日本天田(AMADA)、美国MAG、日本森精机、中国沈阳机床、日本捷太格特(Jtekt)、中国大连机床。前10当中,德国2家,日本5家,美国1家,中国有2家。


13年之后,世界前10大连机床床企业中,德日依旧霸榜,两家中国大陆的机床企业却被台湾企业所取代。更令人唏嘘的是,中国机床行业的四大支柱企业——沈阳机床、大连机床、秦川机床、昆明机床驶向了穷途末路。沈阳机床、大连机床纷纷破产,昆明机床也已退市,只余秦川苦苦支撑,离世界前10的距离越来越远……为什么在产值、消费额均为世界第一的今天,我国机床依然“大而不强”?


机床行业的意义重大。对于高科技行业而言,机床是现代工艺技术的集大成者,没有先进的加工技术,就没有现代制造的核心竞争力;对于国家而言,机床行业是国之重器,属于立国之本,没有自主创新的高端机床就没有做世界一流强国的资格。



1/ 短暂的辉煌


我国机床行业起步并不晚。1949年新中国成立后,在苏联专家建议下,“一五”时期,国家对部分机修厂进行改造并新建了一些企业,其中有18家企业被确定为机床生产的重点骨干企业,被业内称为“十八罗汉”。它们代表了当时我国装备制造业乃至整个工业发展“母机”最高水平,也曾创造出了无数个机床行业的第一:新中国第一台车床(沈一机)、第一台卧式铣镗床(沈二机)、第一台数控龙门铣(齐二机)、第一台三座标数控龙门移动式铣床(北一机)……全都是“十八罗汉”们的杰作。


“十八罗汉”及专业分工


1958年的秋天,当朝鲜劳动党主席金日成在周恩来总理的陪同下兴致勃勃地来到清华大学的车间参观时,等候多时的师生们热烈欢迎了这位异国客人:没有用鲜花,没有用掌声,而是聚精会神的操作着一台结构复杂的机床,加工着什么。


不一会儿,一块刻有“金日成万岁”五个字的钢板被递到了金日成的手里,他立刻饶有兴致地接过来,抚摸着,询问着。随后,又一块写着“毛主席万岁”的钢板被递到了周恩来总理的手中。金日成主席对这一先进的技术赞不绝口,立刻题词留念。这台完成了刻字的设备就是我国第一台由清华大学和北京第一机床厂联合研制的数控机床:X53K1。


1958年我国第一台数控机床X53K1


彼时,掌握“数控”这种尖端技术的工业发达国家对中国采取绝对封锁的政策,在没有样机和可供参考的技术资料的前提下,平均年龄只有24岁的科研人员,包括教授、工程技术人员、工人、学生等,只凭着一页“仅供参考”的资料卡和一张示意图,仅仅用了9个月的时间便攻下了一道又一道的难关,研制成功了数控系统,由它来控制机床的工作台和横向滑鞍以及立铣头进给运动,实现了三坐标联动。


设计出我国第一台数控机床的团队成员


这不能不说是一个奇迹。要知道,研制成功数控机床,美国用了4年,英国用了两年半,而日本当时尚且没有完全掌握技术,还在摸索中


在这之后,上世纪80年代,北京工业大学又成功开发了我国第一个工控单板机,至上世纪90年代初期,我国仍在紧紧追赶欧美发达国家的步伐。以五轴机床为例,德国在1987年才开始生产五轴加工机床并进行市场化,我国沈阳机床厂也在1991年的北京机床展览会上推出了“台对台”式的五轴四联动加工机床。在控制系统方面,当时我国清华大学已有相关研究,北工大也在进行8080单板机的开发,而西方仍以飞利浦和博世系统为主,西门子等尚未诞生


可以说,当时,我国与工业发达国家在机床领域的差距仅在五年左右。然而,自上世纪90年代中后期开始,我国机床行业与发达国家差距被逐步拉大。



2/ 苏联解体的30年


在这里,不得不提二十世纪最大的事件之一,苏联解体。1991年12月25日,苏联宣告解体,这个曾经的超级大国彻底从世界舞台中消失,全球军工市场出现了失衡,间接导致世界机床行业发生变革。


为什么?机床是制造业的基础,制造业是军事工业的基石。军工市场需求的突变,导致无人采购高端机床生产军工用品。1994年,德国最大的三家机床厂德克尔、马豪吉特迈纷纷出现亏损和倒闭的情况。在此之前,德克尔是知名的车床品牌,马豪是知名的铣床品牌,吉特迈则既生产车床也生产铣床。为了挽救危机,吉特迈整合德克尔和马豪两家公司,合并组建了德马吉机床集团。三大厂商的“捆绑”带来了技术优势和规模优势,在市场化的推动下,德马吉不仅很快将技术转化为新的生产力,而且走出了萧条的欧洲市场,迅速在全球市场攻城略地。


在市场需求发生重大变化时,供给侧的调整会给企业带来机遇和挑战,如果需求变化十分剧烈,产业甚至会发生重构。


西方工业力量重构之时,远在东亚的中国刚刚结束了计划经济体制。1992年,党的十四大明确提出“我国经济体制改革的目标是建立社会主义市场经济体制,以利于进一步解放和发展生产力”。党的十一届三中全会后,我国确立了国有企业改革的方针,强调以扩大企业自主权为主要形式,调整国家与企业之间的生产管理权限与利益分配关系,在企业内部建立各种形式的经济责任制。


到1990年前,我国机床行业共有8个综合性研究院所、37个专业研究所与企业设计部门,已经形成了机床工具行业科研开发体系。在国有企业改革的浪潮下,建国初成立的十八家国有机床骨干企业不是改革转制,就是破产重组,“七院一所也转型为企业,各谋生路。原有的机床科研开发体系被打碎。


为了推动市场化发展,1998年,拥有4600多人,管理900 多家企业的机械工业部也被撤销。


经济体制改革之后,为了生产更具市场竞争力的产品,中国一些企业不惜高价大量引进日、德、美等国的数控技术,以缩小与发达国家的差距。如济一机床日本山崎马扎克率先合作,开创了机床业国际合作的先河。之后,沈二机与德国沙尔曼齐一机与德国瓦德里希·济根等纷纷合作……学习国外先进技术,让“十八罗汉”一度功力暴涨。


这种引进其实是一把双刃剑,一些企业获得了技术,但原有的机床体系受到了冲击,自主创新能力的进化受到一定程度的扭曲,大跨步前行的同时,也给未来的可持续发展打来了隐忧。


2001年,中国加入世界贸易组织(WTO),制造业井喷,机床需求暴涨。作为中国机床业“领头羊”的沈阳机床赶上前所未有的好时代,一路高歌猛进:2004年吞并云机、昆机,垄断车床、镗铣床市场;2005年,再并购德国希斯力图掌握数控机床高端技术。


2008年,沈阳机床、大连机床在世界机床企业产值排名TOP10中,分别位列第8、第10。济二机床成了“世界三大数控冲压装备制造商”之一,让中国大型汽车冲压产线,闯入了美国福特、日产北美、法国标致雪铁龙的制造车间。值得一提的是,在2012年的全球机床排行榜上,沈阳机床已以180亿元的销售额,问鼎世界第一。


“虽然从表面上看,2001年之后我国机床业迎来‘黄金十年’,行业总产值暴涨10倍,但是大多数企业片面追求数量和规模,把技术研究放在了第二位,而且原来的学徒制没有了,工人都是合同工,过度追求经济效益,工匠精神也都丢失了。更可惜的是,原来完整的工业研究体系因为改制土崩瓦解,只剩航空航天和军工的研发体系较为完整。导致我国机床与国外先进国家的差距越来越大,原来可能差5年,现在要差15年。”单锡林说。


但当中国市场告别井喷式增长,重新回到增量有限且全球企业激烈竞争的常态,中国机床业的各种短板再度暴露无遗。曾经快速发展的几家领军企业,转眼成为衰落最快的反面典型,并在最近两年集体进入“告别演出”时代


数据显示,2019年,中国规模以上机床企业15.1%亏损;2020年上半年,这个数字进一步扩大到24.1%。中国机床业曾经的“四大天王”,老大(沈阳机床)、老二(大连机床)破产重整,老三(秦川机床)也陷入严重亏损


此外,从整个行业来看,中国高档数控机床的国产化率不到10%,90%以上靠进口,我国机床在高端领域被国外企业全面压制。五轴及以上加工中心自给率不到10%,其中龙门式加工中心立式加工中心等的自给率甚至不到1%,材料、刀具、冷却液等绝大部分依赖进口。




3/ 众手扼喉


中国机床行业出现这样的结果,有以下几点原因。


1)核心技术缺失


1996年,沈阳机床耗资上亿元,引入美国桥堡的数控技术,但外方只发来一个源代码数据包,却不告知核心技术原理及使用原理,由此开发的数控机床成了废品;1999年,大连光洋进口日本机床时,日方强加了一串“霸王条款”:装机地点、用途要限定,擅自挪动机床,会被自动锁死,机床直接变废铁;2005年,沈阳机床买下德国希斯,以为技术到手。没想到,德国法律规定,“本土知识不得外移”,五轴以上机床技术更对中国禁运。2007年,沈阳机床打算用6000万欧元,买下一套数控系统源代码,但专家一论证,解读要5年,产业化再5年,技术都过时了。


其实,出于政治和科技安全考虑,德国联邦经济和出口管制局一直对机床出口有着严格的限制。一方面,严格限制出口机床的精度。比如,2013-2014年,德国机床定位精度小于5微米重复定位精度小于2微米的机床不可以向中国出口;另一方面,对出口机床用途加以严格限制,实行“三不原则”。德国规定高精度机床不向我国军工企业、教育机构和机床厂出售。


日本通商产业省(MITI)也有类似政策,并且日本企业也有相应的保护措施。比如日本机床在出售之前,就会派专人到访中方采购企业,对车间进行实地考察、拍照、上传车间的GPS定位,确定未来机床的工作位置和环境,如果未来机床偏离预设工作的位置,机床就会死机无法正常工作。如采购方需挪动机床至新的车间,则需要再度向日本进行申请,获得日本专员现场确认解锁后,方可在新车间进行加工。


2)外国企业打压


凡是中国不能自主制造的,国外品牌便高价出售或禁售;凡是中国实现自主突破的,国外企业立刻低价倾销,让中国企业巨额的研发费用打水漂。于是,中国企业陷入“高端畏难,中端乏力,低端仿制”的尴尬境地。


在高端领域,我国机床企业对于一些高端行业的需求,连碰都不敢碰。比如在近年的主机厂招投标过程中,有大量的生产纲领及CPK、CMK(CPK,Complex Process Capability index,是现代企业用于表示制程能力的指标。CMK,Machine Capability Index,称为临界机器能力指数,这些指标主要考量的是对生产设备能够满足要求及稳定性的能力评价)等条件严格的验收指标,导致大陆厂商知难而退,参与产线机床竞标的企业几乎全部为德国、日本或瑞士企业偶尔可以见到中国台湾和韩国企业,但极少有中国大陆企业参与竞标。


在中端领域日本机床以其可靠耐用的性能以及较便宜的价格牢牢占据了我国的中端市场。以卧式加工中心为例,日本森精机、山崎马扎克、日本大隈等企业占据了我国超过80%的市场。在吉利、长城国产汽车品牌的产线中,十余年前便已是德国、日本机床的天下。


在低端领域,一边是大量中小民营机床企业,聚集在山东滕州(中国中小机床之都)、浙江玉环(中国经济型数控车床之都)等地,陷入低端混战。另一边是,企图打破国外垄断的大型企业,他们在投入巨资研发成功后,产生不了利润,陷入“越创新、越破产”的困局。比如,沈阳机床快速发展的几年,销量大增的背后,利润却没多少。数据显示,沈阳机床一台卖35万的机床仅是购买德国西门子、日本发那科的数控系统就要花28万,如果再加上后续的系统维护、升级费用,沈阳机床基本无利可图。可以说,在低端领域,我国机床行业整体处于“还在自动化的路上,智能化刚刚起步”的阶段,主要以仿制为主,技术含量低、技术门槛极低、价格战狼烟四起。


3)违背产业规律


机床行业是高技术门槛、高专业分工而且需要长期积累的典型。德国拥有完整的工业体系,学徒制、双元制等教育体系为制造业提供了源源不断的高质量“新鲜血液”,同时企业严谨务实,追求在“窄领域”做强。在这一基础上,德国诞生了1300余家单项冠军企业,为德国高端机床行业的发展提供了“丰沃土壤”。


日本企业更加崇尚代际传承、技术传承,不做自己不熟悉的领域,追求精益求精。在这一文化的主导下,日本现有长寿企业数量高达3900家。其中,大量著名机床企业的寿命已超百年,绵延几代人,历久不衰,比如山崎马扎克(成立于1919年)、发那科(成立于1956年)、森精机(成立于1951年)、小松(成立于1945年)等。


而中国的机床企业,但凡有了一定的成绩,就会走上“贪大求快”的道路,沈阳机床、大连机床都是因此走入“万劫不复”的艰难处境。比如,沈阳机床曾砸出10多亿打造出世界上第一款智能化、互联化数控系统——i5,并在i5推出后推出i5数控机床。时任沈阳机床集团董事长关锡友甚至提出要把i5锻造成机床业的“苹果”颠覆机床业商业模式的宏图,但最终却被证明是步子迈太大:到2016年年初,i5已获得10000台超级订单,但当年沈阳机床却巨亏14亿元。


导致巨亏的原因集中于两点:一方面,为了快速占领市场,沈阳机床定下以租代售的策略,结果导致入不敷出;另一方面,沈阳机床还长期短债长投搞研发与扩张。仅2017年,沈阳机床实施了92.51亿债转股,依然难解现金流枯竭和债务暴雷。


而完成了混合所有制改革的大连机床,则不但打着“像造汽车一样造机床”的口号,大干快上,导致财务融资出了大问题,最终捅出数百亿债务窟窿。


4)工业基础薄弱


我国工业基础不牢、“养分”贫瘠,自上世纪90年代后期开始,我国缺失了完整的机床产业研发体系,严重制约了我国机床行业的发展。在上游设计、制造端,我国在材料、零部件以及经验等方面基础薄弱,难以支撑我国高端机床领域实现全面自主;在下游应用端,离开了进口原料,高端机床在我国如同“废铜烂铁”一样无用武之地。


仅以材料为例,我国基础材料均质性、切削性能等指标较国外有较大差距,不仅高端刀具依赖进口,大量下游应用端的高端材料也严重依赖进口。北京某厂曾斥巨资购买瑞士机床,但使用国产料进行验收测试时(棒料,公差h7级),经过三个月尝试,无论如何无法通过测试。与厂家接洽后,厂家用瑞士材料进行加工测试,一切正常。


在这种“内忧外患”的情况下,我国机床行业被欧美日等国迅速甩开,赶超乏力。




4/ 拆解“着力点”


目前,发达国家在机床行业全面领先,而我们在许多基础共性领域仍然出现明显短板。根据我国机床工具协会数据,从技术上看,我国与国外机床的差距主要体现在以下六个方面:加工精度可靠性;机床内部的电、气、控制系统等装置;加工速度;外形;智能化。


1)加工精度


机床是一个复杂的机电信息系统,在加工过程中会受到静力学、动力学、振动以及热的影响。仅以内部热影响为例,它包括电机转动切割磁感线生热、丝杠导轨运动摩擦生热、切削过程生热等数十甚至数百项影响因素,而产生的热量又会造成零件的受热变形,造成刀具及材料性能的变化,最终叠加体现在加工误差上。


欧洲在这方面已经能够建立起对应的物理模型,能够通过高精度仿真的方式,模拟分析加工误差来源,并加以补偿,提高加工精度,但目前我国企业甚至对电机转动切割磁感线生热这一热源项尚无有效研究


2)可靠性


德国德玛吉(DMG)的返修率有着严格的质量控制体系,数年前,德玛吉公司允许的年返修率已低至1.8次/(千台*年),这一数据低于我国目前返修率至少一个数量级。


3)电、气、控制系统


有效、完备的控制系统是机床实现高加工精度和智能化的前提,而完善、合理的传感器系统则是控制系统的核心硬件基础。


德瑞日美等国机床企业在漫长的发展过程中,积累了大量Know-How,了解所需传感器的数量、种类、精度、安装位置等相关信息,以德玛吉目前市场上的五轴削铣加工中心DMC 80 FD duo BLOCK为例,一台机床在关键部位配备了包括温度、力、振动、润滑液流量、冷却液温度等在内的超过60个传感器。通过传感器,所需的机床及加工信息可以被精准实施的收集,通过适当的控制方法,及时完成在线的修正补偿。


4)加工速度


我国机床加工速度慢可以部分归因于我国的机床设计能力的不足。目前,我国存在大量中小型工厂,其中使用的设备仍为沈阳机床厂的CA6150等简单机床设备,在一些著名的单项冠军上榜企业中,车间中大量使用的也是较为落后的90年代的数控机床,生产效率低下。有消息透露,2019年中国台湾地区的机床企业已全部淘汰手动机床的生产,而沈阳机床1/3的生产线仍然在生产售价仅5万元的手动机床,没有全面数控化,导致没有精力攻关前沿技术,逐渐被中国台湾地区和韩国的机床企业赶超。


相比之下,欧洲的机床厂商则能够针对应用场景对机床进行有针对性的设计和改进。以瑞士著名机床托纳斯(Tonors)为例,该厂开发了大量针对细长棒料和针对钟表中高精度小尺寸零件的加工中心。该公司用于生产汽车发动机喷油嘴的机床,可以完成自动上下料,加工一个喷油嘴只需几秒钟,可实现每年数百万零件的加工量,在保证高精度的同时确保生产效率。


5)外形


过去机床设计都是方方正正的,三十多年前,汽车也是那样的风格。但是以德国德马吉为代表的机床制造商,在2000年开始请意大利法拉利汽车的设计师来设计机器的外形,突出流线型,考虑人机工程学的应用,不再“傻大黑粗”,不再方方正正,虽然也是启用黑色和深灰色,但是一改过去不是白就是绿以及橙色等颜色,给人一种高档艺术品的感觉,使操作人员心理稳定,静下来,不再感觉是在做工业加工。这些年,我国国产机床虽然外形也在改进,在颜色设计上进步很多,但流线型设计还没做到。


6)智能化


我国机床行业部分从业者对机床智能化的认识仍较浅,某位机床行业的资深专家曾在接受访谈时公开表示,自家机床的智能化就体现在通过手机可以控制机床的运转。这种将智能简单等同于“遥控”的思想是不足以指导我国在机床智能化领域完成突破,实现机床“自学习、自适应、自诊断”甚至是“自决策”的。


目前,欧洲的机床企业在智能化的路上已经领先我们许多,以德玛吉的Celos为例,目前这款机器已经能够大幅优化人机交互,将机床功能组块化,开发成类似App的功能,用户可以在面板上更加简便快捷的进行加工编程操作。此外,Celos已实现加工过程的高精度仿真,加工中心在接收到加工指令程序段后,可首先将加工过程通过建模仿真的方式直接可视化呈现给操作者


机床智能化的另外一些工作,则需要在完善的传感器系统的基础上,叠加以大数据、人工智能等方法实现加工过程、参数、路径、速度曲线的自动优化,对可能产生的冲突做出提前预警,对内外部干扰因素做出修正补偿,保证精度等功能。但不论是大数据还是现阶段在机床领域应用的人工智能,都要以大量的经验数据为基础。以刀具的智能优化为例,我们可以通过传感器对其扭矩加以实时监测,并通过扭矩监控破损,如果刀具损坏,切削阻力和扭矩会迅速增大。但是,如果想再进一步对刀具寿命进行预测及磨损进行提前预警的话,则需要大量刀具磨损前的扭矩曲线作为经验基础,这项研究在欧洲开展已久,成果显著。


智能化的背后是知识和经验的数字化、可编辑化。没有数据基础,机床的稳定性和高精度就不能实现,智能化控制就是一句空话。



5/ 出路


机床行业在欧洲受到的重视程度远超我国,至少体现在高层重视度、行业重视度和社会重视度三个层级。


高层的重视除了体现在常规的科研院所资助、企业研发赞助外,德国总理或总统几乎每届都会亲临在德国汉诺威举办的欧洲机床博览会(EMO)。


行业层面,仅以欧洲机床博览会的规模和专业性为例,在德国汉诺威展览中心举办的欧洲机床博览会拥有27个场馆,占用49.6万平米室内场馆面积,是中国国际机床展览会(CIMT)的近四倍。同时,高达数十欧元的门票价格也限定了专业人士的范畴,提高了展会参观人员的范畴。并且每年提出相应的主题,点明了机床行业的发展重点。


2010年德国总理默克尔出席汉诺威工业展


社会教育层面,德国有着完备健全的多级教育体制,学徒制、双元制、应用科技大学(德:Fachhochschule)和大学(德:Universitaet)为工业领域各岗位提供了人才保障,工厂职工有着丰厚的薪酬待遇(2020年德国机械本科毕业生薪资甚至高于IT、经济和金融),从业者、学生、家长、亲朋均对工人及工程师有着高度认同感。


但是,国外机床产业健康发展的共性特征都是成熟的市场化环境。从产业生态角度看,德国国内拥有大量的汽车工业,因为汽车生产需要可以规模化生产的机床,因此,德国很多机床厂便主攻更适合大批量生产的产品,而瑞士则以钟表和精密制造业闻名于世,因此瑞士的机床厂以生产高精度机床为主。相比之下,我国国有机床企业的企业家大都是行政指派,企业发展往往以完成政治任务为导向。


“中国国内的机床市场,是奥运会赛场,本质上是剧烈的全球化竞争,我们要想走出国门,首先要实现在国内市场的领先。”  单锡林给出了“三化一创新的建议。


1)市场化。我们要大力培养企业家,按照市场规律办事。企业要首先成为经济人,钻研前沿技术,专注于解决“卡脖子”的事情,一切以经济效益为中心。只有做到产品质量好,给用户解决实际问题,企业才有利润。同时也要稳住员工队伍,这样才能有传承。


2)国际化。我们要从全球挑选最一流的运动员组成足球队,这样才能做一流的事情。国际化的企业需要国际化的人才,我们除了要从法国、德国、日本引进大量的人才以外,还要去研究德国市场、日本市场、越南市场都需要什么,要思考你在国外市场销售产品是否也能提供良好的售后服务,与外国企业同台竞争是否有信心?


3)法制化。尊重人才、尊重知识方面,我们差得太多,要按照市场规律和国家通行的准则去行事。我们要重视知识产权,重视公平竞争。


4)只有依靠差异化和创新才能赢得市场。未来机床行业有两个重要的发展方向,“以智能化生产为目标”和“提高单机标准”为目标。“以智能化生产为目标”即机床将具备通讯功能,实现机床与机床,机床与其它生产设备以及机床与管理中心的实时互联互通。“提高单机标准”的核心是“更高,更快,更强”。机床的发展始终紧紧围绕着精度、速度和性能三个核心指标的提升展开,最终达到能够满足新材料、新工业的加工需求,实现降低成本和提高效率的目的。因此,增材制造、单机功能的复合化、专用化都是未来的创新着力点。


总而言之,本土机床企业要紧盯国际一流企业,将国际一流人才为我所用,专业的事让专业的人来干,无论国企、民企还是外企都要遵循市场规律


。END 。


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