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04专项在航空航天领域的实施进展情况综述

发布:2019-09-12 点击:1916

 

04专项在航空航天领域的实施进展情况综述

 


  “高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(以下简称“04专项”)是和制造业最为密切的专项,也是其他重大专项发展的基础,具有基础性、通用性和战略性的特征,是国家创新资源布局中发展战略性新兴产业的切入点和制高点,涵盖了高速、精密、智能和复合等功能的高档数控机床,以及利用热加工、表面处理工艺对材料和零件进行成形、改性处理的基础制造装备。实施9年多以来,在党中央、国务院的坚强领导下,取得了一系列重大突破和标志性成果,形成了重点领域十大标志性成果,基本代表了我国高档数控机床与基础制造装备研发与应用的最高水平,逐步增强了我国高档数控机床和基础制造装备创新发展能力。面向航空航天、汽车、发电设备和船舶等四大领域的装备保障能力显著增强,有效支撑了国家重大战略任务的顺利实施,促进了我国制造能力和工业水平的持续提升。
 
  04专项总体进展情况
 
  “十一五”期间,04专项通过支持八大类、57种主机产品部署课题任务,重点解决“有无”问题。“十二五”期间,专项任务聚焦高档数控系统、功能部件及成套装备和生产线的研发。“十三五”期间,专项重点聚焦航空航天、汽车两大领域,着力攻克数控系统与功能部件、可靠性和精度保持性技术、加工效率与工艺水平的提升等3方面的问题。建立了由产业部门牵头、多部门参与的部际联动机制,聚焦国家战略目标,集中全行业、全社会力量,突破一批急需的高端机床装备,重点服务于航空航天、汽车、发电设备和船舶四大领域。总体上,专项课题部署覆盖了实施方案确定的重点任务,涵盖了重点领域急需的关键制造装备,部分先进企业在专项实施过程中充分了解了用户需求,由此催生出一批关键制造装备,具备了一定的国际竞争实力。
 
  截至2017年底,专项共安排596项课题,批复立项总经费289.95亿元,其中中央财政资金110.58亿元;研发各类新产品、新技术和新工艺2996项,申请发明专利4267项,形成国家及行业标准459项,直接新增产值近千亿元,迫使国际同类产品大幅降价;涌现出济南二机床、四川普什宁江、秦川机床和大连光洋等一批具有一定国际竞争力的“专、精、特”企业。
 

济南二机床的大型立式五轴联动加工机床
 

秦川机床的锥齿轮磨齿机
 
  为航空航天领域提供重大装备,实施示范应用
 
  围绕航空航天装备研制需求,04专项部署了一系列基础制造装备和共性技术课题。通过专项支持,为航空装备增加复合材料的用量提供了保障,研制了复合材料铺带机、铺丝机等自动化复合材料结构制造装备,形成了航空航天复合材料结构制造工艺及装备整体解决方案,实现了国内航空大型翼面类复合材料结构铺带装备、大型复杂曲面结构自动化铺丝装备零的突破。
 
  另外,04专项促进了国产数控机床和数控系统在航空航天制造领域的示范应用。在航空航天制造领域,先后建成了国产数控机床和数控系统示范应用生产线,实现了以五轴联动立式加工中心为代表的154台国产数控机床(95台三轴加工机床、52台五轴加工机床、7台特种加工机床),以“华中8型数控系统”为代表的149套数控系统的示范应用。
 
  04专项课题在航空航天领域取得的进步可以归纳为以下几点:
 
  1. 技术水平有效提升,创新能力显著增强
 
  在04专项支持下,先后为大飞机、核电等国家科技重大专项和新型战机、运载火箭等一批国家重点工程提供了关键制造装备,多项关键技术和装备打破了国外垄断。围绕航空航天等重点领域所需的57181型高档数控机床与基础制造装备,部署完成了159型,品种满足度达到87.8%57种主机中,45种达到或接近国际先进水平,部分产品达到国际领先水平。“五轴联动机床用S形试件”标准通过ISO国际标准化组织审定,实现了我国高档数控机床国际标准“零”的突破。
 
  2. 系统功能部件打破垄断,配套体系逐步完善
 
  高档数控系统关键技术指标已有阶段性突破,实现了数控系统跨越式发展。高档、中高档数控系统国内市场占有率分别由专项启动前的不足1%10%提高到约7%45%。高端数控系统已经在航天、汽车、机床工具和3C领域得到广泛应用,打破了进口机床数控系统对我国的钳制,有力保障了航空航天关键零部件的生产。滚珠丝杠副、导轨副和动力刀架等关键功能部件在中高端数控机床市场中的占有率由大约5%提高到20%,迫使进口产品降价20%50%;航空航天和汽车领域使用的刀具国产化率达40%以上,迫使进口产品降价30%
 
  3. 重点领城应用快速推进,支撑能力稳步提高
 
  重点领域制造装备基本做到了立足国内,有力支撑了国家的重大战略部署和重要型号的研制需求。在航空领域,围绕航空典型零部件的制造需求进行了布局,研制了龙门及卧式五轴加工中心等重点设备,并在重点型号飞行器的整体壁板、“眼镜框”等大型结构件加工中得到应用验证;8万吨模锻压力机为大飞机、大运工程和航空发动机等重点项目建设提供了有力支撑。在航天领域,针对载人航天、高分、高超和重大武器装备等航天重大专项的迫切需求,研制了焊接、高温铸造和自动化装配等装备,其中搅拌摩擦焊装备解决了高分运载火箭储箱、大型相控阵雷达面板的焊接难题;卧式加工中心和高档数控系统等成果已成功应用于载人航天、运载火箭等复杂结构件的批量加工中。
 
  多种能力全面提升
 
  1. 整体研发能力方面(包括软硬件)
 

  04专项采取“主机牵引、用户导向、工艺先导”的创新研发组织模式,通过组建创新战略联盟、建立长期的合作关系以及组织生产单位工艺培训等,加强产、学、研、用的合作,研发各类新产品、新技术2300余项,实现了部分关键制造装备在重点用户企业的示范应用,提升了机床行业的技术创新能力。
 
  通过与极大规模集成电路、大飞机和核电等重大专项进行对接,实现了军民融合发展,提供的五轴龙门加工中心等一批数控装备,在一定程度上满足了航空航天领域国家重大工程的需求。编制的专项成果数据库与成果目录,在航空、汽车等重点领域用户中得到推广。
 

大连光洋的高速桥式龙门加工中心
 
  2. 人才队伍建设和储备方面
 
  在行业研究机构、重点企业设立了1923项创新能力平台,在重点用户处部署了48个示范基地,重点针对装备开发、应用工艺以及重大装备应用验证等需求,开展关键共性技术研究和行业技术服务,技术创新体系逐步形成和完善,初步形成多层面梯次互补的创新型团队。截至目前,形成42个由技术领军人才、研发骨干和高水平技工组成的多层次研发团队;培养人才5652人,其中博士2291人。
 
  3. 整体管理方面
 
  根据科技部、财政部和发改委出台的8项科研项目、资金、税收和知识产权管理制度,工信部牵头制定和修订了10项工作制度和工作细则,形成了较为完善的科技管理制度,为04专项的规范管理和系统推进提供了制度保障。
 
  4.市场竞争力方面
 
  自04专项实施以来,我国的数控机床在产品种类、技术水平、质量和产量上都取得明显进步,一些关键技术取得重大突破,行业创新研发能力不断增强,满足了重点领域对高端机床装备的需求,促进了我国制造能力的持续增强和工业水平的持续提升。中国机床产值自2009年一跃成为世界首位以来,一直保持着世界第一机床生产大国的地位。
 
  5. 新业务开拓方面
 
  数控机床产业链长、技术覆盖面广,关键技术既涉及基础性的核心零部件、先进工艺、关键材料及产业技术等共性基础技术,也涉及先进产品的设计制造、自动控制、数字控制、传感感知和信息处理等先进工业技术,产业链上游涉及原材料、各种功能部件,下游涉及航空航天、汽车、船舶、发电、电子和工程机械等重点领域。我国数控机床装备工业基础薄弱,必须坚持国家需求牵引和技术创新驱动的发展战略,建立“产、学、研、用”深度融合的新体系和“研发-工程化-产业化”的创新平台,构建高端机床装备产业生态的新模式,持之以恒地推进机床装备行业长远发展。
 
  6. 对航空航天行业未来发展带来的意义重大
 
  在航空领域,机床主机及部件厂家围绕航空典型零部件制造需求,对装备结构作了布局优化,研制了龙门及卧式五轴加工中心等关键装备,并在航空领域重点型号的整体壁板、“眼镜框”等大型结构件加工中进行了应用验证;8万吨模锻压力机和万吨级铝板拉伸机的成功研制,标志着我国航空构件制造步入世界先进行列。涌现出了基于“S形试件”的五轴联动机床加工复杂型面关键精度检测方法、具有自主知识产权的基于特征的快速数控编程技术及系统软件等亮点。
 
  在航天领域,针对载人航天、高分、高超和重大装备等重大专项的迫切需求,研制了焊接、高温铸造和自动化装配等装备。搅拌摩擦焊接装备已全面应用于运载火箭主体结构制造,并完全替代进口。国内首台、世界最大的150MN充液拉深装备,完成了四角拼焊板的充液拉深成形,并制备出合格的3800mm直径火箭整体箱底。涌现出了“火箭等航天结构件制造装备”、“航天结构件高档数控加工示范应用”等亮点。
 

济南二机床的大型翻板卧式加工中心
 
  存在的差距
 
  自2009年专项实施以来,高档数控机床和基础制造装备的创新发展能力不断增强,中国机床产值已稳居世界第一。但与国外先进产品相比,国产产品在动态性能、一致性、可靠性和精度保持性方面仍存在差距。在高端应用领域,始终是欧洲、日本和美国企业占据主导地位,中端市场则面临中国台湾、韩国机床的激烈竞争。
 
  1. 与国外先进水平相比存在的差距
 
  一是技术成熟度有一定差距。在04专项支持下,多项关键技术和装备打破了国外垄断,但是相关技术成熟度与国外先进水平相比还有一定差距,此外,国产量仪技术进步缓慢,与国外差距进一步扩大。
 
  二是产品数量种类不及国外企业。一方面,我国中高档机床在部分领域还存在空白,关键功能部件品种满足度仍徘徊在80%左右;另一方面,零部件个性化产品种类整体缺乏竞争力。
 
  三是综合性能存在较大差距。由于缺乏测试、应用和验证的机会,产品可靠性、精度保持性等仍与国外存在较大差距,综合性能、稳定性和产品一致性均有很大的提升空间。
 
  四是市场认同度对比悬殊。虽然相比04专项实施前,国产机床及零部件的市场在逐步打开,但在市场认同度方面,仍与国外产品存在巨大差距。以功能部件为例,高档关键功能部件的市场占有率只有5%左右,中端关键功能部件的市场占有率也仅约20%
 
  2. 高档型数控系统配套能力不足
 
  自04专项实施以来,尽管数控系统取得了明显进步,高档数控系统国内市场占有率由1%提升至7%,但是距离配套率20%的专项目标仍然差距较大。一是高档数控系统核心算法、机电耦合动力学设计等关键技术成熟度有待提高,用户对国产高档数控系统的性能还存有疑虑,需要较长时间培育市场。二是伺服驱动及电机、关键功能部件的性能和稳定性有差距,部分核心技术尚未掌握,机床主机企业在采购时基本还是选择进口产品,难以打破国外产品的市场生态圈。
 
  3. 基础共性技术研究深度不足,未形成成果共享机制
 
  一是在机床设计过程中,多数企业并未掌握先进设计理论方法,仍在沿用传统的设计方法与手段。二是目前机床的静态精度指标基本达到世界先进水平,但在可靠性和精度保持性方面显示出与进口机床的差距,这主要是因为机床制造企业尚未建立动态性能设计和机床动态测试条件,以及没有掌握测试方法。三是在对机床进行设计、制造、装配、动态测试及整机评价的过程中,全链条研究不深入,有所缺失。四是共性技术的研究出现分散、不深入和共享程度低的问题。
 
  未来展望及几点建议
 
  综上所述,国产高档数控机床与基础制造装备行业正处于爬坡过坎的关键时期,随着国家后续专项的持续大力扶持,完全有理由相信,未来10年左右,国家机床装备行业将形成“研发-工程化-产业化”的良好的可自我造血的工业生态,最终实现机床从“能用”到“好用”的蜕变。
 
  在对未来充满信心的同时,我认为,后续高档数控机床与基础制造装备的发展需重视以下几点:
 
  1. 重视核心技术。保障共性技术、关键技术的研究和产品开发,建立及完善创新平台,提供高端试验研究条件。
 
  2. 重视工艺验证。在组织实施过程中,注重制造企业与用户企业的紧密结合、工艺与装备的紧密结合,不断提升装备的精度保持性与可靠性。
 
  3. 重视系统设计。高度重视系统集成,使主机与刀具、量具和模具,主机与检测和物流设备,多台主机的集成联线等,均能实现系统优化,确保功能部件与检测系统的有效匹配。
 
  4. 重视系统部件。数控系统、关键部件是数控机床与基础制造装备发展的关键瓶颈,必须加快发展,放在与主机同等的研发地位,提高专业化、批量化生产技术水平和能力。
 
  5. 重视两化融合。制造技术与信息技术深度融合,实现产品的信息化和数字化,提高其性能、质量和自动化水平,使之具有“智能”和柔性,从而满足用户个性化和多样化的需求。
 
  6. 重视应用示范。加强用户牵头和主导的应用示范,通过示范工程提高装备-工艺的一体化水平,提升国产制造装备的可靠性和精度保持性,展现国产制造装备的水平和能力,提升用户使用国产制造装备的信心。

 

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