科学网—精密器件：易被“卡脖子”的根源及出路
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2025-11-26 18:18
| 系统分类: 观点评述
精密器件被卡脖子既有技术上的原因，更是市场和经济的问题！
几年前，科技日报总编辑刘亚东列了35项卡脖子技术，包括芯片、航空发动机短仓、锂电池隔膜、高压柱塞泵、适航标准……，等等。
我把适航标准去掉，对剩下的34项卡脖子技术做了分类统计，数据如下：精密器件50%、基础材料17%、软件与操作系统15%、加工设备与工艺12%、精密仪器6%。可见精密器件占了半壁江山。
如果说系统集成的核心能力是技术的组合、对部件的评估、供应链管理、资本、运营、沟通协调能力，那么精密元器件的核心能力是精密制造、优质原材料、先进的材料改性技术、科学素养、工匠精神等，还有更重要的是，系统集成和精密器件由于规模原因受经济激励不同。下面一液压泵为例，展开说明。
1. 高端液压泵高度依赖优质原材料和精密加工技术
2010年前后，国内很多厂家仿造国外一款液压泵，当时有人称五年后国产液压泵将全面取代进口液压泵。可是我2019年拜访了四五家注塑机厂家，目之所及，液压泵几乎都还是外国货，只有少量仿制品作为备件。据说2023年后国产泵才全面替代进口泵，如果属实，从仿造到全面替代也经历了十多年，说明一个小小的液压泵仿造并不容易。
2011年我拆解了进口和国内仿造的一款液压泵，找第三方对液压泵的壳体做材质检测。为了避免光环效应，保证检测的准确性，事先我并没有告知第三方一件是进口的，另一件是国产的。检测结果显示，两者材料都是球墨铸铁，进口的石墨球化率到达到国标（GB）83%以上，石墨圆整度好，大小均匀适中，国产的球化率只有30%左右，石墨呈云朵式分布，大小不一。
进口件球化率检测
进口件金相分析照片
检测结果表明两者材料的微观结构实在相差悬殊，学过金属材料学的都知道，材料的微观结构决定宏观性能。正如我后面做测试证明的那样，国产零件容易磨损起毛刺，进口的经过同样时间同样工况，零件仍保持光滑完好。
此前我在系统集成厂商中国中车工作，中车的同事也讨论材料问题，但主要集中在强度、刚性、工艺性等材料的宏观性能，液压公司的同事不但讨论材料的宏观性能，还讨论材料的微观组织——马氏体、奥氏体、碳化物等等。液压公司还有检测材料微观结构的金相显微镜，在中车我并没有看到金相显微镜。
精密制造情况如何？2010年下半年我到广东省最大的齿轮厂家测试过一款进口齿轮泵的齿廓精度，测试数据表明，外齿轮精度4级（数值越小精度越高），内齿轮5级，这样的精度让齿轮厂家吃了一惊。不但齿廓精度高，且齿面有微小规则的圆形斑点（多年后我研究摩擦学，阅读摩擦学文献才知道，那些斑点叫表面织构，是用来储存润滑油的，起润滑减磨的作用），边角圆润光滑，可见工艺很精细。
几年后，一些国产仿制品出来了。2014年我跟注塑机厂家的工程师联合测试并拆解了进口和国内仿造的一款齿轮泵。国内仿造的齿轮未拿第三方去测试，精度等级未知（当时国内经济性批量制造也就6至7级），但是齿面明显有砂轮痕，齿面没有圆形斑点（表面织构），边角锋利有毛刺，可见工艺比较粗糙。对比测试下来，国内仿制的齿轮泵压力提升速度和保压（压力保持不变）性能都较差。原因是零件精度不够，密封性能不佳，油液泄漏压力自然难以保持。好比轮胎边打气边漏气，加满气要较长时间，胎压也容易下降一样。
中车那么大的公司，加工设备我只看到几台剪板机、卷板机、铣边机、焊机，没见到一台精密机床。液压公司的厂房面积只相当于中车一个小角落，却有十几二十台日本和意大利进口的精密机床。真是公司大小形成强烈反差，精密设备仪器的档次和保有量也形成强烈反差！
可以说，轨道车辆转向架各零部件装到构架上的位置精度，跟液压泵的尺寸和配合精度相比不在一个数量级上，前者是毫米级，后者是微米级。在中车时，我就有些疑惑，轨道交通算是有科技含量的产品，转向架又是轨道车辆最核心的部件，怎么没什么精密性可言？看到的不过是用钢板焊接成一个铁架，铁架上钻一些螺栓孔，用螺栓把各个零部件连接在铁架上。大连理工大学机械学院强项就是精密与超精密加工，真是一出校门就看到现实与学校的差距。
精密加工技术还要配以优质原材料，如果材料致密性不够，骨质疏松，即使先进机床也无法加工出精密的零件。我曾做过实验，同样的机床，同样的加工工艺，优质材料加工出来的表面光滑发亮，劣质材料加工出来的表面则粗糙暗淡。
2. 做好高端液压泵需要有工匠精神、精湛技艺、完善的质量管理
精密机床和精密测量设备固然可以进口，但并非花大钱购买了进口精密机床就能万事大吉。正如宝马配英雄，精密机床得配上工匠精神、精湛的技艺及完善的质量管理等。
据说德国精密机械制造水平先进，既得益于德国工程师的研发能力，又益于德国有大批高素质的蓝领工人。德国职业教育为德国制造业培养了大批工匠能手，中国家长更倾向于把孩子送进大学，而不是职业学校。加工精密元器件的很多技艺只掌握在技师的头脑里，没法标注在图纸上，就算标注在图纸上，你也未必知道如何实现，有很多所谓know-how的知识。液压行业风向标德国力士乐公司敢卖图纸给中国的液压厂家，也就说明图纸不重要。
质量管理恐怕是中国企业普遍头疼的问题，虽然很多企业通过ISO9001认证，但是执行可能是另一回事了。精细的质量管理对液压件的可靠性有重要的影响。一处倒角没做好，一处毛刺没去除，一根头发或一颗木屑掉到密封槽里都可能影响可靠性，这样的例子我遇过不少。精密器件对精细的质量管理要求比系统集成更高。
3. 液压泵不过关主要是可靠性不过关
系统集成产品的可靠性依赖于核心部件以及各部件的匹配程度。系统集成厂商比较容易购买到国际先进的核心零部件，比如地铁的驱动电机用西门子的（我在中车时是这样，现在不清楚是否国产化），C919大飞机发动机用CFM国际发动机公司的，挖掘机高压柱塞泵也普遍用进口的。但核心零部件做到世界先进水平则非常困难。
液压泵的可靠性高度依赖于摩擦副的寿命，也就是摩擦副的抗磨损性能，摩擦副的抗磨性能又依赖于优质原材料、材料改性技术、精密加工、润滑、精细过滤等多方面因素。
材料的表面硬度对零件的抗磨性能有重要的影响。化学热处理是改变材料表面硬度的常用方法，有一种化学热处理工艺叫渗碳，就是把零件放到含碳溶液里加热浸泡，让碳元素渗到零件表面，提高材料表面的硬度，内部保持韧性的工艺。我曾对比测试过意大利和中国仿造的液压马达一个渗碳零件的硬度，意大利的硬度达到HRC（洛氏硬度）64.9，国内的只有HRC53.9。
溶液的配方、加热温度、浸泡时间等都是独家秘诀，很难模仿。据说中国人去德国力士乐公司参观，热处理车间是不让进的。
前已述及，一根头发都可能影响液压泵的可靠性，完善的质量管理体系也是影响液压泵可靠性的环节之一。
4. 液压泵所需的关键理论，成熟度比系统集成产品低得多
液压泵用到的流体力学，机构学知识倒是非常古老，但正如前面说的，液压泵可靠性高度依赖于摩擦副的寿命，摩擦学涉及的知识既古老，又现代，直到现在摩擦学理论还很不成熟，各种摩擦理论众说纷纷，莫衷一是。
美国密歇根大学机械工程学院的K.C.Ludema教授在他的《Mechanism-based modeling of friction and wear》一文中做过统计（1965-1995年），摩擦学建立的公式有325条，影响摩擦磨损的变量超过625个。
1995年至今又过去了三十年，从《Wear》和《Tribology International》两本摩擦学高影响因子期刊看，摩擦学公式不但没有统一，反而更加百家争鸣，更加丰富多彩了。
轨道车辆转向架用到的几何学、静力学、动力学、机构学知识都比较成熟，这些学科用有限元模拟也比较容易，摩擦学则不容易用有限元模拟。虽然转向架也存在摩擦现象，比如减震器铰链连接处，但这些摩擦副的PV（压强乘以滑动速度）值比液压泵低一个数量级以上，不是影响转向架可靠性的主要原因。
5. 规模经济缺失：卡脖子的根本症结
优质原材料、精密制造、全面质量管理等依赖于一个国家的工业基础、文化观念，一个人，一家公司的力量是渺小的，作用是有限的，何况生产液压元件的公司绝大多数是小公司。事实上，大多数生产精密器件的公司规模都不大，这就是精密器件容易被卡脖子的另一个原因，也许这个原因更突出，更加根本，它就是经济原因。
在经济利益的驱使下，有了亚当·斯密那只“看不见的手”，很多问题都能解决，缺了“这只手”，很多事情都难推动。许多卡脖子技术不是真正卡在技术上，而是缺乏经济驱动力。
刘亚东提出“35项卡脖子技术”后不久，网络上又闹“圆珠笔芯”事件。话说中国是圆珠笔生产大国，但笔芯使用的钢铁和加工笔尖的设备都还高度依赖进口。“圆珠笔”事件主要就是经济问题，圆珠笔芯钢珠用量毕竟太小，那一点规模根本没法给钢铁厂带来经济效益，钢铁厂完全没有动力给圆珠笔厂家研发材料。
液压行业有句话叫“得铸件者得天下”，但是液压行业铸件用量太小，有研发能力的大型钢铁厂一桶铁水倒下去几千吨，他们追求的是规模经济，根本不可能为液压行业这种中空壁薄（中间空，壁薄，且有很多流道孔），致密性要求高的小众用户专门开小灶。
德国力士乐大约有210年历史，前150年做铸件，做液压件只有60年左右历史。他们的液压件厂大多数是收购来的，力士乐为各液压件厂提供优质铸铁。这是力士乐能成为液压行业风向标的重要原因之一。
汽车发动机和变速箱对材料和制造精度的要求并不比高压液压泵低，但汽车行业规模跟液压行业规模根本不在一个数量级上，前者规模大得多，分摊到每一台发动机或变速箱上的研发成本微乎其微。创新是富贵人家才玩得起的，如果市场规模过小，分摊到每台上的成本高不可攀，不但投入的研发经费难以收回，市场也难以接受。
林雪萍在他的《供应链攻防战》一书中写道：“技术经济是一个非常有用的概念，它表达了技术应用与可负担成本之间的关系。能够最终得到规模推广的技术，往往需要成本方面也大幅降低。产量不够大通常会导致高昂的成本，这足以限制追赶者的步伐。”
林雪萍的话真是一语中的。如果你是企业主或者研发负责人，就要考虑你所在的企业和行业值得投入多少研发经费。如果你是求职者寻找研发岗位的工作也得考虑同样的问题，并非所有产品都要靠研发驱动，很多公司的成功并不是靠技术。
《供应链攻防战》一书还举了海洋传感器的例子。很多海洋传感器依赖进口，但这类传感器高度细分，每个细分领域都很小。由于市场太小，没有成熟的供应商，大部分零部件只能自行研制，投入产出比太低，几乎没有哪家企业愿意花大钱投入研发。这类小众产品就容易出现卡脖子现象。
有读者会反驳说，经济原因对大家都公平的，那些在“卡脖子”技术上的赢家是怎样炼成的？我认为主要是他们有先发优势，说白了，就是他们先走一步，占了一个生态位，追赶者失去了这一优势。
6. 路在何方？
精密器件更容易被卡脖子，既有“精密”带来的技术问题，更有规模小带来的“不经济”问题。通过规模经济才是解决“卡脖子”问题的根本出路。从现有案例看，实现规模经济有两种途径。
一、行业整合。 十五年前，我刚参加工作时，听到液压行业几位前辈说行业整合，破除诸侯经济，中国液压才有未来，但是在宁愿做小老板，也不愿做高级打工者的心理下，现在并没有看到液压行业整合的趋势。但其它行业通过整合提升竞争力是有案例的，就是宋志平在中国建材时整合的水泥行业。
二、自然进化出头部企业。 商业有很大的不确定性，不知什么原因，会进化出头部企业来。江苏恒立越来越明显地成为中国液压行业的头部企业。头部企业集中了行业的主要资源和人才，有利于解决“卡脖子”问题。
最后，作为企业主，去做行业整合工作大多不现实，作为管理者或者工程师更不可能，能做的就有把工作做得更细节一些，多一些耐心，持续进步。 进化论告诉我们，开始微弱的优势，在马太效应的加持下，到最后会赢家通吃，成为行业头部。
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