走进数控机床新时代中国数控机床行业现状及未来发展探析

走进数控机床新时代中国数控机床行业现状及未来发展探析

游鹏 罗旋

成都航利航空科技有限责任公司 ， 四川省成都市 ， 611930

前言

20世纪末开始，我国制造业就开始了，逐渐由制造大国制造强国迈进了脚步，机床制造业取得了数控机床快速增长的业绩。机床是先进制造技术和制造信息集成的重要元素，既是生产力要素，又是重要商品。机床的发展和创新在一定程度上能映射出加工技术的主趋势。我国在数控机床和机床工具行业对外合资合作进一步加强，无论在精度速度，性能还是智能化方面都取得了相当的成绩。¹

数控机床是中国制造业发展的支柱，中国“十四五”规划纲要提出，培育先进制造业集群，推动集成电路、航空航天、船舶与海洋工程装备、机器人、先进轨道交通装备、先进电力装备、工程机械、高端数控机床、医药及医疗设备等产业创新发展。此外，数字机床被写入12个省市十四五规划纲要（3个省份纲要提出发展智能制造），山西、宁夏、辽宁十四五规划意见稿提出发展数控机床。这就预示着中国数控机床技术进入了发展的新时代。

当前我国正处于由制造大国向制造强国转型的重要阶段，在新一轮的产业升级中，高端制造业会逐步取代简单制造业，制造业也将从劳动密集型产业逐渐转变为技术密集型产业。随着中国制造业加速转型，精密模具、新能源、航空航天、轨道交通、3D打印、生物医药等新兴产业迅速崛起，其生产制造过程高度依赖数控机床等智能制造装备，这将成为数控机床行业新的增长点。预计到2026年，中国数控机床市场规模将达到5148亿元。

在如此巨大的市场需求之下，中国数控机床行业必须认真分析现状，准确研判发展，制定合理方案，不断研发行业新技术、探索经营新业态、开发集成新模式，创造中国数控机床行业的新时代，为国民经济发展贡献力量。本文以数控机床技术在飞机零部件生产中的应用为例，探究新时代中国数控机床应用的未来发展之路。

关键词：新时代 中国数控机床 现状及未来发展

一、中国数控机床行业现状分析

1.市场规模情况

在国家政策的支持以及国内企业不断追求创新的背景下，中国数控机床行业发展迅速，行业规模不断扩大。2019年，中国数控机床产业规模达3270亿元。未来随着5G设备、新能源汽车、智能穿戴设备等新兴领域的发展，数控机床产业将迎来新的发展机遇。预计到2022年，产业规模将达到4024.3亿元，以8.2%增速的快速增长。预计到2026年，中国数控机床市场规模将达到5148亿元。

2.国内品牌分析

国产品牌崛起，告别国际品牌独大的局面中国作为制造业大国，市场需求巨大，吸引了大批国际品牌数控机床企业入驻抢占中国市场。德马吉、马扎克、大隈等国际数控机床品牌具备先发优势，技术水平和品牌知名度较高，在全球数控机床产业中高端市场占据较高份额。国产数控机床产业经过几十年的发展，不断自主研发和汲取国外经验，从无到有、不断壮大，产生了如沈阳机床、秦川机床等体量巨大、规模位于世界前列的老牌企业，也出现了如科德数控等一批具有核心设计技术和制造工艺，能够针对自身专注的应用领域和产品类型提供高性能、高品质的高度定制化产品，具有广泛市场影响力和较高品牌价值，发展迅速，具有活力的新型中高端机床厂商。近年来，此类新兴厂商借助我国制造业转型、中高端数控机床需求上升、进口替代空间巨大等有利市场条件，在努力发展自身产品和技术水平的同时，通过公开融资等手段，增强资金实力，实现了显著的发展，市场份额迅速提升。

3.新增长点预测

机床产业是国民经济发展的基础，。装备制造业发展的重中之重。高档数控机床与基础制造装备已经确定为16个科技重大专项之一。²

随着中国制造业加速转型，精密模具、新能源、航空航天、轨道交通、3D打印、医疗器械等新兴产业迅速崛起，其生产制造过程高度依赖数控机床等智能制造装备，故而将成为数控机床行业新的增长点，有力推动适用于上述领域的高速、高精、高效、高稳定性、智能化、多轴化、复合化等金属切削数控机床的发展。

4.数控技术在飞机零部件生产中的应用

数控技术以及效率高、质量好、稳定性强等优点得到了制造企业的广泛青睐。近年来，随着国内外数控工艺装备和数控技术的快速发展，数控加工技术得到了广泛普及应用，尤其在飞机机体零部件的制造中发挥着举足轻重的作用。飞机大部分零部件具有结构复杂、轮廓尺寸大、协调位置多、加工精度要求高等特点，这些特点对数控机床的选择与使用提出了很高的要求。近年来随着我国航空工业的大力发展，国产数控机床取得了很大成就。国产数控机床不仅在制造质量、外观造型和产品可靠性等方面得到了很大提升，而且成功研发了国外对中国实行禁运的五轴联动高档数控龙门镗铣床、五轴联动高档数控车削中心，极大的促进了国产数控集团在航空制造业中的应用及发展。随着现代航空制造业的高速发展，飞机零件设计向着整体化、复杂化方向发展，如何高质量、高效率、低成本的完成大型零件的设计加工已成为该行业必须攻克的难题。近年来随着国内各类军民机的研制，国产数控机床在航空制造业中，已初步形成了以飞机大型复杂结构件的制造为代表的关键技术优势，特别是在飞机典型零件的加工制造中，国产数控机床的优势就表现的更为显著。

5.国产数控机床在飞机零件生产应用中存在的不足

（1）缺乏大型国际集团，市场竞争力弱，中国虽然有世界上数量最多的机床制造厂家，但还缺少著名的跨国机床集团和世界级的“精”“特”“专”企业。目前我国机床行业发展较好的大型企业包括沈阳机床集团、大连机床集团、济南一机床集团，重庆机床集团、陕西秦川机床工具集团等，还很难与世界顶级机床集团比肩。

（2) 在飞机机身零件加工中，材料利用率仅为5%~10%左右，形成了原材料去除量大的问题。为了提高加工效率，国产数控机床复合加工技术有了一定程度发展，其中车铣复合加工技术较为典型。车铣复合加工通过一次装夹就可以完成大部分的表面加工，为飞机机身零件的加工提供了先进的解决方案。但在实际应用中，此项技术的发展却面临着很多困难和挑战。其中加工方法决策技术、加工工步排序技术和干涉碰撞检测技术尚处于探索阶段，由于这些核心问题还未解决，阻止了国产数控机床复合加工技术的发展。

（3）近几年随着航空制造业的快速发展，典型飞机复杂零件的加工，对高档数控机床的需求量在不断增加。虽然国产高档数控机床的发展也取得了很大的成就，但与国外先进水平相比，其在稳定性等方面还存在着显著差距。目前已经投入使用的国产高档数控机床一般采用国外进口的数控系统和关键功能部件，虽然在加工性能方面没有太大差距，但机床辅助部件却出现了较高的故障率，同时由于部件装配、调试水平还存在的不足，因此严重影响了国产高档数控机床的稳定性。

（3) 伴随着超高强度钢、钛合金、耐高温合金、复合材料的不断引入，航空产品对刀具的性能和质量也提出了更多要求。目前面对航空典型零件的加工，国产数控机床的刀具还主要是以进口为主。由于国产刀具与进口刀具质量水平差距较大，高端产品质量不够稳定，种类规格较少，制造工艺较差，无法进行刀具性能验证等原因，国产刀具的采购量始终处于较低水平。

二、中国数控机床发展的未来趋势

1.行业新技术——五轴联动加工技术将成为行业未来的发展方向

工业上需要加工复杂的曲面，舰艇、飞机、火箭、卫星、飞船中许多关键零件的材料、结构、加工工艺都有一定的特殊性和加工难度，用传统加工方法无法达到要求，必须采用五轴联动、高速、高精度的数控机床才能满足加工要求。

2、经营新业态——多工序的柔性制造单元需求逐步增加

柔性制造单元是为满足多品种、小批量零件高效加工，以单台或多台五轴加工中心或复合化加工中心配合小型自动化物流装置组成的制造单元。随着下游生产企业竞争加剧以及成本上升，尤其是劳动力生产成本急剧上升以及劳动力短缺情况愈加频繁，开始导致更多无人化或少人化制造系统的出现，下游客户对多品种小批量快速响应加工市场的柔性制造单元需求将上升。柔性制造单元将以“数控机床+小型物流装置（工业机器人、自动交换托盘库、桁架机械手等）”成套设备出现，及时解决劳动力生产成本急剧上升的痛点，实现无人化或少人化。

3、新模式——智能制造系统集成方案将成为新的解决方案

长期以来，国内大多数数控机床企业只专注于生产某一领域的机床产品，并不具备提供自动化生产线的解决方案的能力。近年来，下游企业对机床供应商提出了新的需求，趋向于与具备成套的设备生产能力、提供全套解决方案或承担更为复杂的工程总承包项目能力、自动化系统改造能力的供应商合作。拥有自动化、柔性化、智能化生产线“交钥匙”工程能力的智能制造系统集成商将可以满足客户个性化、定制化、差异化的生产需求，进而提高客户黏性。此外，国家和地方政策对制造业进行自动化生产线建设的鼓励也必将推动智能制造装备供应商向智能制造系统集成方案提供商转变。

三、数控机床在飞机零部件生产中应用的新路径建议

随着现代设计技术的发展和飞机性能提升的需求，飞机结构件也呈现出一些新的变化，对于中国数控机床技术在飞机零部件生产中的应用，我们必须不断探索新的路径。

1.推动国内技术研发

现代飞机材料已经从以前的铝合金独霸天下变成了铝合金、钛合金、复合材料三分天下的局面，而且复合材料、钛合金还有进一步扩大的趋势，基于飞机结构件所呈现出的多种材料、大尺寸、高精度复杂曲面的发展趋势，未来飞机结构件数控加工将面临大型复杂曲面高精度五轴加工、钛合金高效加工、复合材料绿色制造等技术难题，数控加工机床也将围绕解决这三个问题而进行相应的研发工作。飞机结构件是飞机的主要受力部件，零件外形与飞机的气动外形相关，周边轮廓与其他零件具有复杂的装配协调关系，槽腔、薄壁、筋、肋及高精度孔等是其主要的结构特征，大量的空间复杂曲面需要五轴联动数控加工，因此飞机结构件数控加工装备的基本需求为高精度五轴联动。以高精度五轴联动加工为特点的航空制造业既是高端制造业技术水平的标志，又是一个国家高档数控创新与发展的策源地。因此，各国竞相在航空制造业方面展开竞争，各国数控设备、数控系统、数控刀具等企业均针对航空制造业的需求提出了专用解决方案和发展规划。我国2009年开始实施的《高档数控机床与基础制造装备》国家科技重大专项也把航空制造业作为重点目标对象予以支持，以推进国产高档数控机床在航空制造业的生产应用，实现关键制造装备的自主研发、生产和供给。

2.改进关键技术

为了推进国产数控机床的发展，满足国产数控机床在航空制造业中的使用需求，进一步提高我国典型飞机零件的生产质量，国产数控机床必须结合自身存在的不足，在总结以往经验的基础上，促进国产数控机床在复合加工技术、可靠性技术、刀具切削效率方面的发展。

（1）车铣复合加工技术改进方法

车铣复合加工技术作为一种高效率、高精度的先进数控加工技术，在航空制造业中得到了广泛的应用，因此通过对车铣复合加工技术先进工艺设计方法的改进，可以极大的提高设备的使用功能。

①改进加工方法决策技术。首先通过从加工方法知识库中获取加工方法信息，再将知识库中给定的属性值与特征数据进行比较，然后与几何特征、材料、精度及热处理等信息进行匹配，最终得出符合条件的可行加工方法，选择最优的加工方法作为决策结果，进而实现加工方法决策技术的改进，实现工艺设计的智能化水平。

②改进工步排序技术。根据产品特征之间的拓扑关系和工艺知识准则，利用人工智能技术进行工艺排序的研究，设计工步有向图，以有向图的形式表达工步之间的优先关系，使同步工步之间的加工时间差最小，减少刀架的等待时间，进而实现工序排序技术的改进。

③改进碰撞检测技术。通过基层次包围盒的碰撞检测算法对车铣复合工艺方案中可能存在的碰撞进行实时跟踪检测，快速剔除不发生碰撞的对象，借助双基时差定位方法提高测量精度，进而提高检测效率，帮助工艺设计人员及时修正运动参数或工艺方案，提高修正效率，实现碰撞检测技术的改进。

（2）可靠性技术改进措施

为了促进国产数控机床可靠性的发展，需要从可靠性建模、故障分析、可靠性设计与实验等方面进行改进。

①通过修复如旧的假设和时间动态模型的建立，使机床可靠性的建模更加逼真，为数控机床可靠性的设计提供重要依据。

②通过研发数控机床故障分析的应用软件，实现数控机床的故障数据管理及可靠性评估等功能。

③ 通过完善可靠性准则，优化可靠性分配设计和基于故障分析的可靠性增长设计等，促进数控机床可靠性综合理念与方法的改进。

3.借鉴欧美发达国家经验

在欧美发达国家，航空制造企业的高档数控机床基本形成了由本国的一家或几家主要供给的格局，并在数控加工机床方面代表相应的发展方向。如美国波音、洛马等公司的装备供应商主要为CINCINNATI、INGERSOLL，德宇航数控机床主要供应商为DST，法宇航数控设备主要供应商为FOREST-LINE。这些机床制造商与机床用户形成了长期的技术合作联盟，密切关注用户需求，针对用户新的需求、采用联合研制的方式进行新产品的研发。通常其新产品的技术签定由用户技术人员完成，并根据用户建议进行完善和改进。如INGERSOLL公司新开发的POWERMILL卧式加工中心，在样机安装完成后由波音公司技术人员在INGERSOLL安装现场进行了长达3周的测试，给出了详细的测试报告。INGERSOLL公司根据测试报告完成设计定型，自此波音公司才与INGERSOLL签订采购合同。国外航空装备研发模式值得我们借鉴，机床企业和用户企业“抱团发展”应该成为我国高档数控机床研发的主要模式：通过与用户企业的合作研发，可以了解和明确用户工艺需求，解决对用户需求不清的问题；用户参与设计和技术方案评审，可以了解用户关注点，解决设计与应用现场脱节的问题；用户参与产品设计、制造、安装等过程，通过用户把关，解决产品质量控制问题；用户对研制产品进行性能检测，可以获取先进检测技术和经验，解决新产品检测标准缺乏的问题；双方技术合作，获取用户市场，解决高档机床制造经验缺乏问题。

结束语

要实现《中国制造2025》的目标，落实“十四五规划”，形成“中国智造”的核心竞争力，避免关键设备和原材料被“卡脖子”，离不开数控系统、伺服驱动、伺服电机等关键技术的自主创新和安全可控 。数控系统是先进高端制造装备的“大脑”，是装备制造业中的核心技术，是我国加快转变经济发展方式，是实现我国机械产品从“制造”到“创造”升级换代的关键技术之一。数控机床国产化的产业升级之路上，关键产业链还需要一步步夯实。机遇与挑战并重，我们坚信：长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。

参考文献

1 曾国伟 .我国数控机床的发展现状余对策.现代经济信息，150—151

2《国家中长期科学和技术发展纲要（2006~2020年）》

作者简介：

游鹏 ：（1989.3），男，汉族，籍贯： 四川省彭州市，学历：大专，单位：成都航利航空科技有限责任公司，职称：技师，研究方向：数控机床现状及未来发展

罗旋：(1987.12) ，男，汉族，籍贯：四川省自贡市，学历：大专，单位：成都航利航空科技有限责任公司，职称：技师，研究方向：数控机床现状及未来发展

1 曾国伟 .我国数控机床的发展现状余对策.现代经济信息，150—151

2 《国家中长期科学和技术发展纲要（2006~2020年）》

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