當(dāng)今世界機(jī)床的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

陳循介

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當(dāng)今世界機(jī)床的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

陳循介

（北京機(jī)床研究所 北京 100102）

機(jī)床，是當(dāng)今世界民用、軍工等制造業(yè)所必不可缺的“生產(chǎn)工具”，是制造機(jī)器的“工作母機(jī)”。如果人類沒有機(jī)床，就不可能制造出汽車、拖拉機(jī)、火車、飛機(jī)、輪船，更不可能制造出航天飛行器。機(jī)床技術(shù)之先進(jìn)，機(jī)床業(yè)之強(qiáng)大，決定一國(guó)民用、軍工裝備之技術(shù)是否先進(jìn)，更決定一國(guó)制造業(yè)、工業(yè)化之強(qiáng)弱。美、德、日三大世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)，其基石、支柱，就是靠有先進(jìn)的機(jī)床、有強(qiáng)大的“機(jī)床工業(yè)”。

在世界科技發(fā)展中，人類創(chuàng)造工具、開發(fā)利用資源，“人、工具、資源”是人類社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的“三大”要素。人是根本，人的文化、科技知識(shí)，決定了工具能否不斷創(chuàng)新、資源能否合理利用。如果沒有“高水平”的“人”，也就不可能制造出高質(zhì)量的機(jī)床和各行各業(yè)所需的優(yōu)質(zhì)“裝備”。

世界機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過約240年的不斷改進(jìn)、創(chuàng)新，從手動(dòng)普通機(jī)床進(jìn)入高效自動(dòng)化機(jī)床、流水線大批量自動(dòng)化生產(chǎn)階段，以汽車生產(chǎn)之高效自動(dòng)化為特征。從1952年起美國(guó)為加工飛機(jī)的復(fù)雜零件，費(fèi)時(shí)4年研制出全新控制原理、硬件、軟件相結(jié)合的數(shù)字控制機(jī)床，開始進(jìn)入數(shù)控（NC）機(jī)床時(shí)代，進(jìn)入到為單個(gè)復(fù)雜零件、小批生產(chǎn)的高效自動(dòng)化階段，以生產(chǎn)制造飛機(jī)、航空航天器為特征。高速化后，也可用于大批量汽車自動(dòng)化生產(chǎn)。目前，在全世界民用、軍工裝備生產(chǎn)中，NC機(jī)床已占主導(dǎo)地位。僅發(fā)展中國(guó)家如中國(guó)、印度、越南，還大量生產(chǎn)落后的手動(dòng)普通機(jī)床。

當(dāng)今世界，經(jīng)濟(jì)全球化、信息網(wǎng)絡(luò)化、智能集成化、環(huán)?；⒖萍紕?chuàng)新日新月異。在科學(xué)技術(shù)相互競(jìng)爭(zhēng)異常激烈之際，“機(jī)床”是發(fā)展經(jīng)濟(jì)，強(qiáng)大制造業(yè)基礎(chǔ)“支柱”。我們必須頭腦清醒，明了當(dāng)今世界“機(jī)床”的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，有針對(duì)性地解決好機(jī)床工業(yè)由大變強(qiáng)的矛盾。在前進(jìn)道路上，有符合時(shí)代和高科技市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的明確方向。

1 材料高性能化、基礎(chǔ)技術(shù)堅(jiān)實(shí)化

各類NC金切機(jī)床與刀具、成形機(jī)床與冶具，唇齒相依，密不可分。而機(jī)床由機(jī)、電、液、氣、光、元件和各種功能部件（如主軸軸承、主軸電機(jī)、伺服電機(jī)、直線導(dǎo)軌、滾珠絲桿、直線電機(jī)、精密刻度尺、激光器等）、NC系統(tǒng)和主體組合而成。不同元部件、刀具、測(cè)量、功能部件，控制系統(tǒng)及機(jī)床主體，均需有針對(duì)性的采用不同性能的材料。而這些材料與各種元部件、功能部件、NC系統(tǒng)，統(tǒng)稱為機(jī)床工業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)。材料高性能化（如更高強(qiáng)度、硬度、韌性、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、質(zhì)量輕等）；基礎(chǔ)技術(shù)堅(jiān)實(shí)化（如更高精度、效率、自動(dòng)化、微型化、更加可靠、穩(wěn)定、耐用）的水平不斷提高與創(chuàng)新，是當(dāng)今世界NC機(jī)床技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。每一種新材料、新功能元部件的創(chuàng)新，都可能使機(jī)床的精度、效率、自動(dòng)化等提升一大步，也可能成為某一時(shí)期機(jī)床技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，甚至于成為某一時(shí)期機(jī)床技術(shù)的“發(fā)展浪潮”。例如：直線電機(jī)，比滾珠絲杠的移動(dòng)速度快數(shù)倍，用在某些機(jī)床上，可大大提高機(jī)床的效率。又如：最近新開發(fā)成功的“納米多結(jié)晶金剛石”，用CVD（化學(xué)氣相沉淀）制成，生產(chǎn)出的超精密切削刀具，具有切削性能好、耐磨損、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于復(fù)雜刀尖形狀和超精密、微細(xì)加工，將為今后在這方面發(fā)展提供了一種趨勢(shì)。

2 高精度、高質(zhì)量

機(jī)床的高精度、高質(zhì)量是今后機(jī)床技術(shù)發(fā)展的一個(gè)“永恒性趨勢(shì)”。實(shí)質(zhì)上講，沒有高精度和高質(zhì)量（精度保持性、可靠性、穩(wěn)定性、耐用性），就不可能發(fā)展高效率化、高自動(dòng)化，更不可能實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化等。中國(guó)高檔NC機(jī)床之所以發(fā)展不上去，就是因?yàn)槿狈υ鷮?shí)的基礎(chǔ)“技術(shù)”，缺乏NC機(jī)床中的核心技術(shù)，這是十分關(guān)鍵的“致命傷”。

汽車需要滿足大批量高效率自動(dòng)化生產(chǎn)，飛機(jī)、航空航天飛行器需要滿足單個(gè)復(fù)雜件、小批量高精度自動(dòng)化生產(chǎn)，因此，要求有各種類型的NC金切、成形機(jī)床與所需配套的元部件，包括功能部件、NC系統(tǒng)、刀具、測(cè)量、附件等，有的還需與各種類型機(jī)器人組合成“線”，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效無人化生產(chǎn)。長(zhǎng)期以來，我國(guó)機(jī)床工業(yè)不能切實(shí)滿足用戶需求，重?cái)?shù)量輕質(zhì)量，忽視系統(tǒng)研究，用戶為確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，寧愿進(jìn)口美、德、日先進(jìn)高檔NC機(jī)床、刀具。

高精度化、高質(zhì)量化，是發(fā)展先進(jìn)高檔NC機(jī)床，為未來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、自動(dòng)化工廠（FA）等的基礎(chǔ)。也是機(jī)床工業(yè)、制造業(yè)由大變強(qiáng)的努力方向。如果沒有高素質(zhì)的人才，同時(shí)缺乏各有關(guān)部門之間的緊密合作，技術(shù)鏈、生產(chǎn)鏈、供應(yīng)鏈又殘缺松散，則高精度化、高質(zhì)量化，也就不可能實(shí)現(xiàn)。

3 高效率化

通過先進(jìn)NC機(jī)床，使加工、制造業(yè)裝備的高效率化，可實(shí)現(xiàn)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。而“高效率化”的實(shí)現(xiàn)，是通過多種有效措施、先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的（如：高速切削、強(qiáng)力切削、快速移動(dòng)、縮短加工時(shí)間、輔助時(shí)間、多軸聯(lián)動(dòng)控制、多工序復(fù)合加工、自動(dòng)在線測(cè)量、以及科學(xué)的組織管理等）。而先進(jìn)高檔NC機(jī)床之所以能實(shí)現(xiàn)“高效率化”是建立在“高質(zhì)量化”基礎(chǔ)上的。不僅如此，還要求對(duì)“機(jī)床”的基礎(chǔ)理論研究要過硬（如：機(jī)床的剛性、振動(dòng)、熱變形、噪聲等）；對(duì)應(yīng)用技術(shù)研究過硬（如：機(jī)床的布局、結(jié)構(gòu)配置、個(gè)性化的合理應(yīng)用等）。

4 高自動(dòng)化

先進(jìn)NC機(jī)床的高自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，主要是減輕和消除體力勞動(dòng)。如實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更換刀具、自動(dòng)上下料等，不需要人的參與而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、高精度、高效率加工。高自動(dòng)化是建立在前述的材料高性能化、基礎(chǔ)技術(shù)的堅(jiān)實(shí)化、高精度化、高質(zhì)量、高效率化的基礎(chǔ)上。特別是刀具材料的高性能化，各種機(jī)、電、液、氣、光元件；功能部件、NC系統(tǒng)等的“可靠性”、“穩(wěn)定性”。如果沒有“可靠性”、“穩(wěn)定性”、“耐用性”，也就不可能實(shí)現(xiàn)“高自動(dòng)化”。

5 智能化

“智能化”是代替人的腦力勞動(dòng)。當(dāng)今世界，先進(jìn)高檔NC機(jī)床實(shí)現(xiàn)“智能化”，還只是一個(gè)開端，離開完善的“智能化”，距離還很遠(yuǎn)。但它是今后技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。“智能化”完善實(shí)現(xiàn)之時(shí)，也可能是世界上期望的“無人化工廠”出現(xiàn)之日。它的實(shí)現(xiàn)或早或遲，將取決于人類的文化科技知識(shí)提高進(jìn)程。

從用戶需要角度看，希望“智能化”能解決以下六大方面問題。即：（1）確保加工的高精度；（2）提高效率；（3）不損害環(huán)境，節(jié)省能源；（4）確保安全生產(chǎn)；（5）節(jié)省體力和腦力勞動(dòng)；（6）降低成本。要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：（A）加工過程、加工條件的自動(dòng)選擇；（B）高精度加工功能的優(yōu)化；（C）自動(dòng)確保安全可靠；（D）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源；（E）自動(dòng)監(jiān)視機(jī)床維護(hù)狀態(tài)、進(jìn)行檢測(cè)、消除隱患等。

對(duì)熟練技術(shù)工人來說，機(jī)床“智能化”能解決：（1）自動(dòng)監(jiān)視機(jī)床整機(jī)、主要部件、NC系統(tǒng)狀態(tài)；（2）能自動(dòng)確保機(jī)床的安全維護(hù)；（3）實(shí)現(xiàn)加工條件的優(yōu)化與自動(dòng)選擇；（4）機(jī)床調(diào)整的智能優(yōu)化等；（5）能自動(dòng)監(jiān)視機(jī)床的維護(hù)狀態(tài)、消除各種隱患；（6）能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)“智能化”節(jié)省能源等。

上述這些“智能化”技術(shù)，需要進(jìn)一步深入解決：各種精確有效可靠的傳感器（如：溫度傳感器、變位傳感器、環(huán)境變換傳感器、微型智能觀測(cè)傳感器等等），更需要進(jìn)一步提高NC系統(tǒng)的許多更高級(jí)功能，如智能化精度補(bǔ)償，自動(dòng)消除各種誤差、故障，并能準(zhǔn)確事先預(yù)測(cè)、加以預(yù)防等等。

“智能化”是代替人的腦力勞動(dòng)，其復(fù)雜程度和難度，遠(yuǎn)高于前述之高“自動(dòng)化”，對(duì)其可靠性、穩(wěn)定性、耐用性技術(shù)水平的要求，更高，更嚴(yán)。

6 復(fù)合化、多軸聯(lián)動(dòng)化、組合化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化、集成化、環(huán)?；?/h2>

這些趨勢(shì)，已經(jīng)出現(xiàn)多年，在四大國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)上，已有一些高端NC機(jī)床展品展示，也已被人們熟悉。復(fù)合化：主要是在加工中心（MC）的基礎(chǔ)上，將更多工序復(fù)合進(jìn)行加工，提高效率。如MC+磨削加工，MC+激光加工等等。并不斷擴(kuò)大到NC機(jī)床、NC磨床等其他機(jī)床上。多軸聯(lián)動(dòng)化：主要是用來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜及不同曲線型面的加工，目前5軸聯(lián)動(dòng)發(fā)展迅速。組合化：主要是在NC機(jī)床設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)組合部件的通用化，進(jìn)一步提高制造上的方便、供應(yīng)用戶之便捷、降低機(jī)床制造成本。網(wǎng)絡(luò)化：主要是通過信息構(gòu)成不同網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)傳遞，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離診斷、維修、維護(hù)等。個(gè)性化：主要是針對(duì)有特殊需求用戶的難切削材料、特殊形狀零件進(jìn)行高精、高效、高自動(dòng)化加工。集成化：主要是實(shí)現(xiàn)少油、自潤(rùn)滑、無油潤(rùn)滑、節(jié)能省地、綠化、保護(hù)環(huán)境等。所有這些趨勢(shì)，對(duì)于NC機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，將隨著時(shí)間的推移，不斷深化、完善、進(jìn)一步發(fā)展、創(chuàng)新、提高。

當(dāng)今世界機(jī)床的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，是多方面的，也是相互交叉、融合。它將隨著市場(chǎng)的不同需求，還將會(huì)出現(xiàn)許多新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

為實(shí)現(xiàn)這些技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，必須切實(shí)做好以下三點(diǎn)：（1）機(jī)床本身有其特點(diǎn)和發(fā)展規(guī)律，它是人類的先進(jìn)“生產(chǎn)工具”，其科研、設(shè)計(jì)、制造、使用，是社會(huì)各有關(guān)方面的“群體活動(dòng)”，與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)各類學(xué)科的發(fā)展有所不同，需要全社會(huì)各方面的緊密合作和相互協(xié)同，這樣，才能使社會(huì)資源最大化利用。在“技術(shù)鏈”、“生產(chǎn)鏈”、“供應(yīng)鏈”各個(gè)方面，周密完善，特別是在材料、零部件、功能部件、NC系統(tǒng)、電子計(jì)算機(jī)的新技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息科技等方面，需要加速配合發(fā)展。（2）先進(jìn)NC機(jī)床產(chǎn)品能否加速發(fā)展，必須正確處理好“質(zhì)量、性能、品種、價(jià)格、交貨期、服務(wù)”六點(diǎn)，而整個(gè)機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，則必須解決好“人才、科研、質(zhì)量、創(chuàng)新、合作、信譽(yù)”六個(gè)方面問題。（3）機(jī)床技術(shù)的發(fā)展提高，將取決于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的盛衰。

冰凍三尺，非一日之寒。只有明確這些技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，群策群力，萬眾一心，有信心、決心、恒心，有能力、毅力、魄力、實(shí)事求是、具有科學(xué)精神，踏踏實(shí)實(shí)、堅(jiān)忍不拔、堅(jiān)持有恒、穩(wěn)步前進(jìn)。攻克各種技術(shù)關(guān)鍵、掌握世界尖端技術(shù)，才能取得牢固勝利，國(guó)家才能真正持久富強(qiáng)。

這也是今天我們認(rèn)真深入分析當(dāng)今世界技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的重要目的。

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