中国数控机床技术创新策略初探(上)
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发展装备制造业,数控机床是基础。本文首先分析了数控机床巿场发展的动力和中国数控机床产业面临的挑战,其后着重评述了数控机床的发展趋势,并对数控机床的技术创新进行了探讨。
数控技术以其高效柔性化和加工精度稳定的特点已成为一项应用广泛的先进制造技术,它的深化发展将促进数控机床性能和质量的进一步提升,为国民经济和国防建设发展提供优异、适用的基础制造设备。
从1999年起中国数控金切机床(简称数控机床)产量一直保持较高增长速度,至2005年7年内平均年增长超过35%,2004年产量为51860台,同比年增长飙升至40.8%,处于“十五”期末的2005年增幅虽回落至15%,但产量仍高达59636台,与1980年的600台产量相比,25年间数控机床的产量已增至100倍。2005年数控机床的消费量86000余台,同比年增长约15%。数控机床消费金额达64.3亿美元,同比年增长16.3%。2006年为“十一五”起始年,数控机床产销呈现出高开高走的良好态势,预计增幅将超过25%。
但是另一方面,进口数控机床数量也在逐年增加,而且进口数控机床金额的增长趋势更快。2005年数控机床的进口数量同比年增长仅1%,而进口金额的增长却达11%,从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例仍仅30%左右。这一现象的主要原因在于,国内市场对技术和附加值高的高效精密数控机床和高性能大重型数控机床需求增长,要依靠进口解决。
本文将在分析中国数控机床持续平稳快速发展形成原因的基础上,探讨所面临的挑战,并从振兴中国数控机床市场占有率的角度着重于剖析数控机床及由其组成的制造系统(生产线)的技术现况及发展趋势,并初步探讨使其能适应变批量、多品种、高效优质、低成本以及具有快速响应的柔性的技术创新道路。

一、数控机床市场发展的动力剖析

促进中国数控机床市场发展的条件是国内经济建设的平稳快速增长和进入WTO参与全球化市场竞争的大环境。中国已成为制造大国,并在政策和“十一五”规划引导下正向着具有创新活力的制造强国迈进。为此将从国内制造业发展需求拉动和产业投资拉动两方面来分析数控机床持续快速增长的一些内在原因。

    图1 中国各制造业消费的数控机床金额比例
  1. 汽车工业高速发展的需求拉动分析
    现代汽车工业为适应全球化竞争对制造装备的选用趋向于更加高效柔性化的数控机床。“十五”期间中国数控机床累计总消费金额为205.8亿美元,同期汽车工业购置机床消费金额约1000亿元人民币,其中90%为数控机床,折合为112.5亿美元,约占国内数控机床消费的55%,居各制造业消费数控机床之首(图1)。
    汽车工业的快速发展不仅占有了中国数控机床市场消费的“半壁江山”,而且其销售收入的排名序位已由1990年的第15位跃升至2002年的第5位,仅次于信息电子、电力、冶金和化工之后,成为国民经济的一个主要支柱。因此汽车工业的增长必然会有力地拉动数控机床的市场消费的增长。表1列出了自1996年至2005年10年内汽车产量和数控机床消费量的数据。
    表1 1996-2005年历年的汽车产量和数控机床消费量
    年份1996199719981999200020012002200320042005
    汽车产量
    (万辆)
    148158.3164.1184.5207.7234.2325.1444.4507.1570.7
    数控机床消费
    (台)
    18001143291230215532276242853539980560637533486539
    表1中可看出,进入1999年以后汽车的产量和数控机床的消费量均出现持续平稳的快速增长,汽车产量的年增幅大于20万辆,数控机床消费量也未再出现负增长现象,两者间具有明显的相关性。
    通过对历年汽车产量的年增长率(A)和数控机床消费量年增长率(B)间的回归分析得出数控机床年消费量的增长率为:
    B=1.35A(1)
    2006年汽车产量预计可达700万辆,增幅超过20%,按上述关系式预测数控机床的消费量的增幅大于28%。
  2. 产业投资拉动分析
    数控机床作为先进的基础制造装备,它可广泛用于各个制造领域来提高制造业的劳动生产率,因此它与产业的投资存在着非常密切的关系。将从以下两个步骤得出投资与数控机床消费量增长率的关系。

    图2 制造业生产率增长率与产业投资的关系(资料引自日本工业调查会1982)
    首先,分析投资率对提高劳动生产率的关系。
    其次,再推导出为获得一定的劳动生产率的增长率需要有相应的数控机床年消费量的增长率。
    投资率与劳动生产率增长率的关系是通过对世界各先进工业国在发展制造业阶段的综合分析后得出。为了在宏观上有一定的相似性和可比性,选取了欧美先进工业国在大力发展制造业时期(上世纪60~70年代)的平均数据,图2示出了一些国家的劳动生产率的增长率与产业投资占GDP比例间的关系。由此可得出:
    1. 制造业生产率的增长率Pr与产业投资占GDP比率Ie间存在线性关系,对图2数据进行回归分析,其方程式为:
      Pr=(60Ie-8)/100(2)
      随着产业投资比率Ie的增加将提升生产率的增长率。这里的产业投资不仅包括购买制造设备投资,也包括生产技术与设备创新研究开发的投资。从1998年以来中国产业投资比例一直保持在38%~40%,高于韩国的35%和日本在上世纪70年代的33%和90年代的30%。较高的投资率必然会拉动与制造业增长密切相关的先进的基础制造装备——数控机床的较快增长。
    2. 从式(2)可知当投资率为40%时,生产率增长率可达16%,而当生产率为零增长,即Pr=0时,则投资率Ie仍需13%,这说明即使不扩大再生产,仍需有一定的投资以补偿由于设备损耗和人口增长等降低劳动生产率的因素。
      设备的投资对生产率增长率的作用,反映出作为加工设备的机床的消费量也将随生产率增长率作相应的增长,为简化分析在不考虑机床的创新所引起其生产能力提升的条件下,则机床消费量的增长率(a)将包含生产率增长率Pr以及补偿机床更新所需的机床消费量增加率(g),即:
      a=Pr+g(3)



      g=


      b 1/b(1+a)'
      S
      i=0
      (1+a)t0+1/b-1
      (4)
      式中,b为机床更新率,如b=0.1,则为每年更新1/10使用至年限t0后的机床。由于a=f(Pr)为指数方程式,为便于直观分析在图3示出了t0=10年,b1=0.1和b2=0.2的两条曲线。根据式(2)和图3可以预测机床消费量的增长率α。例如:当投资占GDP比率Ie=40%,预计制造业生产增长率Pr=16%,并可由图3推出机床消费量的增长率a≈24%。

      图3 机床消费量增长率与制造业生产率增长率的关系
      通过需求拉动和投资拉动分析,均表明它们是形成中国数控机床消费量强劲增长的主要原因,使中国数控机床产业得到快速发展的最好机遇。但是在这大好形势下,同样面临着数控机床市场消费中进口比例居高不下的局面。
表2 各技术档次国产数控机床占年产量比例
按技术水平归类2000年2002年2004年
高档0.2%0.5%1.5%
中档(普及型)24.8%39.5%43.5%
低档(经济型)75%60%55%

二、快速发展的数控机床产业所面临的挑战

从20世纪90年代后期起,由于工业现代化和国防与高技术工业的快速发展,对表徵先进制造装备的数控机床提出了旺盛的需求。在数控机床的技术水平方面,由于市场需求的拉动和国家科技计划引导与支持,中高档数控机床的开发也取得了较大的进展,在五轴联动、复合加工、高速加工、超精密加工和数字化设计等一批关键技术上取得了突破,自主开发了包括大型、五轴联动数控机床,精密及超精密数控机床和一些成套生产线,并形成了一批中档数控机床产业化基地。表2示出中档数控机床在产量中的比重由2000年的25%增至2004年的43.5%,提升了74%,同时高档数控机床也取得了可喜的进展。
在上述提及的良好发展形势下,一些统计数据也预示着需要注意的现象:
首先,从2000年起数控机床的产量虽有大幅增长,但从数量的满足率来讲,近年来一直徘徊在60%左右,而未呈现进一步增长的趋势。
其次,从市场消费额来看,进口数控机床的金额近几年一直约占消费额的70%左右(表3),进口的高档数控机床占全部进口金额的75%,达中国数控机床消费总额的57.5%。
表3 进口数控机床的数量和金额占市场消费的比例
按技术水平归类市场消费量比例市场消费金额比例
国产进口总量国产进口总量
高档1%25%26%2.5%55%57.5%
中档(普及型)24%20%44%21%18%39%
低档(经济型)30%-30%3.5%-3.5%
编者注:由于对高档和低档数控机床的划分缺乏统一的标准等原因,不同人对高、中、低档在数控机床消费量和额中所占的比重的估算存在较大差异
大量的高档数控机床的进口,主要由于以下三个领域发展的需求:
  • 高新技术和国防工业领域,如航空航天、舰船、轨道交通和核工业等关键零件加工需用的五轴联动高速大重型专门化或专用数控机床,涡轮盘高速铣床、激光陀螺和核聚变用镜片的超精密数控机床等。
  • 重大基础装备制造领域,如大型发电设备、大型工程机械、石化和冶金装备所需的大重型复合加工数控机床、高效五轴联动叶片加工数控机床等。
  • 国民经济支柱产业领域,如汽车制造业、IT制造业和模具制造业等关键零件加工需用的高效精密数控机床、高速五轴联动模具铣床和磁盘磁鼓超精密数控机床等。
上述领域中汽车发动机及关键零件加工的成套生产线设备80%以上消费金额用于进口,一些大重型专门化或专用的高性能数控机床基本上从国外引进。
为此,突破高档数控机床及相应的高性能功能部件的关键技术,加强高性能大重型数控机床和高效精密数控机床以及超精密数控机床的研发和生产能力建设将成为“十一五”期间急需关注的任务。
本文作者:北京机床研究所 盛伯浩
原载:雅式工业专网
上载于:2007-8-14 15:17:13

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