1500毫米大口径非球面超精密车磨复合加工机床。
西安交通大学供图
8万吨模锻压机。
图片来源：中国机械工业集团有限公司官方网站
2018年9月，习近平总书记在东北三省考察时指出：“制造业特别是装备制造业高质量发展是我国经济高质量发展的重中之重，是一个现代化大国必不可少的。”纵观世界史，各个经济强国背后都有一个强大的装备制造业作为支撑，而工业母机作为制造业的“心脏”，已成为当今世界科技竞争的关键领域。
在制造业中，机床是制造机器的最基本设备，是生产一切工业装备的必要工具，因此被称为“工业母机”。党的十八大以来，我国工业母机领域攻关取得阶段性成果，先后突破一批关键核心技术，有力推动制造业转型升级，为建设制造强国奠定坚实基础。
制造机器的机器，工业基础的基础
虽然我们在日常生活中很少见到机床，但它却与我们的生活息息相关。比如手机的金属外壳、屏幕和摄像头镜片，汽车的发动机缸体、缸盖、曲轴等，都是用数控机床加工出来的。又如航空、航天、船舶等领域的关键零件需要使用高端数控机床进行制造。可以说，没有高端数控机床，就不会有鹰击长空的歼—20，不会有巨如鲲鹏的运—20、C919，更不会有劈波斩浪的国产航母。
早在近400年前，我国明代的《天工开物》中就记载了使用旋转金属盘加工玉石的“脚踏磨床”，欧洲中世纪也曾出现过用于加工金属和木料的“脚踏车床”，这些就是机床的原型。机床的工作原理是切削刀具相对于工件的运动形成了工件的轮廓，好比在制作陶器的时候，底盘带动毛坯旋转，人的手就像刀具一样约束形成陶器的外形。随着科技的发展，机床的驱动方式从人力到水力，再从蒸汽到电力。为了提升机床的加工质量与效率、减轻人的体力劳动强度，带有计算机数字控制的数控机床应运而生，能够根据所编制的程序自动完成加工任务。由于高端装备中许多零件的材料、结构、形状都具有特殊性和复杂性，增加了零件的加工难度，更高性能的多轴联动、超精密、特种加工机床相继出现。
数控机床由主机、数控装置、伺服单元、伺服电机等组成。主机是机床的“躯干”，包括床身、立柱、工作台、主轴、进给机构等机械部件，是实现加工的主体；数控装置相当于数控机床的“大脑”，控制机床主机的运动；伺服单元和伺服电机分别是数控机床的“神经”和“肌肉”，传递控制信号并驱动主机运动部件。相较于普通数控机床，高端数控机床控制的轴数更多，运动精度和效率更高，也更智能，能够实现零点几个微米以下的定位控制，加工精度能够达到微米级甚至更高。
新中国成立初期，由于缺少工业母机，飞机、坦克等国防武器装备制造极其困难，民用卡车、拖拉机等运输工具生产也大受限制。为此，我国在“一五”计划期间筹建了18家骨干机床企业，同时也建立了“七所一院”等机床工具研究机构，大力发展工业母机，由此诞生了第一台车床、第一台大中型龙门刨床、第一台磨床等。上世纪70年代中后期，我国启动了数控机床研制生产，诞生了第一台数控龙门式铣床。改革开放后，数控机床进入新的发展时期，初步建立产业体系并推进产业化，形成数控车床、加工中心、数控磨床、数控锻压机床和数控重型机床等主机批量生产能力和关键配套能力，数控技术得到了快速提升和普及。
高端数控机床技术突破，带动制造装备升级
工欲善其事，必先利其器。工业母机的发展直接影响高端制造业的发展，其中又以高端数控机床最为重要。为了实现以科技发展带动生产力跨越发展，满足国内主要行业对装备制造的基本需求，助力制造业实现转型升级、迈上新台阶，我国将“高档数控机床与基础制造装备”列为科技重大专项。经过十余年的攻坚克难，我国已在工业母机的多项核心技术和产品上取得突破。
大飞机是航空工业的王冠。然而大飞机的机身结构件、起落架、发动机吊挂等关键部件体积巨大，并且需要承受高达100吨的起飞重量，这要求必须使用超大型模锻压机进行制备。在国家科技重大专项的支持下，我国针对大型模锻压机展开了技术攻关，自主设计、制造了当今世界最大、最先进的8万吨模锻压机，实现了飞机起落架模锻件、发动机锻件以及机身结构锻件等的自主制造，满足了国产大飞机对大型模锻件的急迫需求。
在船舶制造中，关键动力零件——螺旋桨的制造对技术要求很高。如何制造直径十几米的超大型螺旋桨？如何保证螺旋桨复杂弧度、曲面的加工精度？如何保证螺旋桨叶片的光洁度？这些问题不仅与动力大小、寿命长短有关，也与其降噪能力有关。高端多轴联动数控机床是加工大型螺旋桨的关键装备。我国已经研制出能够加工8米巨型螺旋桨的七轴五联动车铣复合立式加工中心，助推更多大型船舶、高端舰艇驶向深蓝。
核电是我国清洁能源发展重点之一。作为核电站常规岛中最关键的设备之一，核电汽轮机的制造至关重要。它在构造上包括低压内缸和高压外缸等部件，这些部件尺寸大、结构复杂，其结构和加工精度直接影响汽轮机安全系数和使用性能，需要使用高端多轴联动数控机床进行加工。我国研制的数控重型桥式龙门五轴联动车铣复合机床，是目前世界最大规格的龙门机床之一，满足了大型核电站常规岛设备制造和超重型零件制造的设备需求。
近年来，我国在高端数控机床的发展中取得长足进步，助力航空、船舶、能源等多个领域取得突破，但总体技术水平与国际先进水平仍存在一定差距。在机床制造的上游，高端功能部件配套能力不足，精度及精度保持性、批量制造的产品质量稳定性与可靠性等指标上还有提升空间。在机床的应用方面，往往需要大量零件加工的适应性验证，才能形成与工艺深度结合的、稳定高效满足加工质量要求的机床产品。目前，机床制造企业还要进一步拓展对工艺的认知，争取更多循环迭代机会，不断丰富产品功能，提升产品性能和可靠性。
朝向高性能化、复合化、智能化、绿色化的发展之路
70多年来，从新中国成立初期的百废待兴到全数字化高速高精运动控制多轴联动关键核心技术的突破，从第一台机床的制造到“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项等的实施，我国科技工作者从无到有、从点到面、从低到高，打开了通往制造强国的大门。如今，我国工业母机可以满足国内重点行业对制造装备的基本需求。汽车冲压生产线国内和全球新增市场占有率分别达到80%和40%；发电设备制造领域实现了由进口为主到走向出口的转变；成功研制船用重型曲轴所需的车铣加工中心，掌握了自主制造船舶大型零部件的能力，等等。
工业母机未来可期。工业母机将持续向着高性能化方向发展，以研制高速、高效、超高精度数控机床为目标，满足航空、航天等重点领域产品高速发展和新材料应用的需求；向着复合化方向发展，促进高精尖复杂零件制造成本的降低，以及加工质量、生产效率的提升；向着智能化方向发展，机床产品与工业互联网、大数据、新一代人工智能技术等加速融合，实现自感知、自学习、自适应、自组织和自决策，支撑智能制造系统；向着绿色化方向发展，突破轻量化设计、新型材料及环保介质应用、绿色制造工艺、低碳排放控制、综合能耗降低和能量回收利用等技术，助力“双碳”目标的实现。
工业母机的水平是国家现代化的重要标志，承载着我国制造业的星辰大海。我们应面向国家重大需求和国民经济主战场，统筹资源进行联合攻关，聚焦行业自主创新能力提升，聚焦关键核心技术攻关，解决重点领域中的“卡脖子”问题，助力我国实现制造强国梦。
（作者为中国工程院院士、西安交通大学教授）
制图：张芳曼