瞻望中國機床制造的新未來

本刊特約撰稿人 徐正平

社會總是不斷進步，因此發(fā)展就是硬道理。在我們機床工具領域中，高速、高精度、高功能，那是永無止境的追求；現(xiàn)在還要加上節(jié)能與環(huán)保等要素。那么立足當今、借鑒國外，看看未來我國的機床制造業(yè)會有哪些創(chuàng)新空間呢？

結構創(chuàng)新將層出不窮

1.加工中心

加工中心是機床結構最容易善變的一種，特別是臥加。回瞻以往的歷史，從T形布局到反T形布局，還有箱中箱框架結構和頂梁運動等等。

德國EMAG公司，把倒置立車，演變成倒立加工中心和倒立復合中心，從而占領了加工大批量輕型回轉體零件的不少市場份額。

筆者一直將德國Alfing公司的AS臥加系列，稱之為沒有X軸的加工中心（見圖1），因為其X方向的運動，是由通過由大功率扭矩電動機驅動主軸箱，繞主軸軸線作C軸回轉，同時又迅速作Y軸上下升降運動。因為是兩種運動方式的疊加，故機床的快進速度可達到120 m/min，加速度為2g。那么鑒此原理，再作新的發(fā)明也是完全可能的。

圖1 沒有X軸的加工中心

我國經(jīng)過最近十多年的高速發(fā)展，從世界銀行技改引進到合資合作，再加上自己的智慧，對加工中心的研制已經(jīng)得心應手，相信今后中國機床的設計，在結構方面取得首創(chuàng)性突破，應該指日可待。

2.并聯(lián)機床

美國G&L 公司開發(fā)的并聯(lián)機構，當時是個六條腿的測量平臺，在這種原理基礎上，后來大家就研制成功了并聯(lián)機床，從此機床從傳統(tǒng)的單一C型傳動鏈結構，也開始向并聯(lián)運動方向發(fā)展。

目前大多數(shù)并聯(lián)機床是倒置的，即這幾條腿設罝在機床上方，通過變換桁架桿的支點位置，帶動銑頭完成加工任務。而EMO2013，瑞士Willemin-Macodel公司又將倒置變?yōu)檎茫麄兺瞥隽艘豢钫玫娜龡l腿并聯(lián)機床，也就是三條腿在下面運動，銑頭罝于上方（見圖2），這種正、倒、正的變化，說明了創(chuàng)新是永無止境的。

圖2 WI_MA并聯(lián)原理

我國現(xiàn)在研制并聯(lián)機床已有較長時間了，清華大學、哈量等成績斐然，如果大家仔細觀察的話，天宮一號的對接裝置就是并聯(lián)機構。針對并聯(lián)機床剛性差這一弱點，四川長征機床成功研制了串并聯(lián)相結合的并聯(lián)機床，從而大大提高了剛性。因此若干年后，我國在該領域中的創(chuàng)新產(chǎn)品定將成果累累。

3.多軸聯(lián)動與復合加工

目前我國多軸聯(lián)動與復合加工機床仍是弱項，關鍵受數(shù)控系統(tǒng)與軟件的限制。以加工葉片、葉輪與模具為主的五軸聯(lián)動加工中心，主要配置為銑頭兩聯(lián)動或轉臺兩聯(lián)動，機床結構甚至設計成立柱傾斜或工作臺傾斜；以加工曲軸和凸輪軸為主的車銑復合機床，當今主要還是沿用奧地利WFL公司發(fā)明的結構形式。

這兩款機床，無論民用還是國防，需求甚大，要求甚高，勢必是今后研發(fā)的重點，相信國產(chǎn)品牌會躍上一個新臺階。

重型機床勢必鶴立雞群

大家都喜歡爭看央視記錄片《大國重器》，沈陽機床、北一、濟二所生產(chǎn)的機床，為強國強軍提供了必需的工藝裝備。除此以外，再加上大連機床、武重、三一、上機、天水星火等所制造的重型機床，不僅為擋住進口填補了空白，并且己銷往歐美去占領國際市場。

譬如天水星火的數(shù)控臥式車床CK61630，其回轉直徑可達6.3m，加工長度18m，工件重量200t；已銷售給在天津的法國阿爾斯通公司；上海機床廠生產(chǎn)的當今世界最大的可頂磨250t工件的MKA84250/15000－H超重型精密數(shù)控軋輥磨床，其最大磨削直徑2.5m，有效磨削工件長度為15m；同樣，齊重的數(shù)控重型曲軸加工機床，其加工件重260t，工作長14.5m；我們的數(shù)控龍門五軸聯(lián)動車銑復合機床，其龍門寬度能達到11m，國產(chǎn)自制的模鍛壓力機，可鍛打7.8萬t重的大型工件……

事實證明，我們的機床制造能力巳進入世界第一方陣，并且前景將越來越看好，將來超大型機床的制造能力，中國肯定數(shù)一數(shù)二。

當然，我們還有多項技術有待研發(fā)和創(chuàng)新，如龍門加工中心的銑頭ABC三軸聯(lián)動，銑頭自動交換技術，采用大功率、大轉矩主軸、熱變形控制技術以及新材料應用等。

工業(yè)機器人應用日益普遍

當今美國提出，要像文藝復興那樣來復興制造業(yè)，其中的重點之一就是機器人技術。

發(fā)展機器人技術，有其積極的戰(zhàn)略意義，除了減輕勞動強度、節(jié)省人力資源之外，它可以在一些特殊場合發(fā)揮作用。在機床領域，其應用范圍已從自動化搬運轉向切削加工了。最初的嘗試是意大利公司EVOLUT，他們在機械手上加上動力裝置對工件進行去毛刺，而現(xiàn)在大家已用機器人完成拋光、激光加工、打磨等工序。

圖3所示是格林策巴赫機械（上海）有限公司機器人自動打磨技術。所以以后發(fā)展鉆、銑，甚至車削功能也是完全可能的。

圖3 機器人打磨

值得一提的是，現(xiàn)在我們經(jīng)常提及柔性制造系統(tǒng)FMS，其實這和機器人制造技術有關，因為FMS是由機器人制造技術演繹而來。當然，我們對FMS的剖析，應該偏重于總控系統(tǒng)、運輸小車、交換托盤庫以及清洗機等，機床（主要是臥加）只是加工零件的組成單元。我們的研發(fā)方向，不僅要強化加工單元的自適應能力，更要照顧到工作站周圍移動物體能力及響應遙感數(shù)據(jù)的能力等等。

我國工業(yè)機器人下一步目標，主要朝著智能化、提高重載能力、高精度跟蹤等動態(tài)性能發(fā)展，并提高系統(tǒng)的開放性。

性能的提高包括高速度、高精度、高可靠性以及方便操作和維修；機械結構會向模塊化、可重構化發(fā)展，也會采用并聯(lián)機構等形式；控制系統(tǒng)會向著基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，而智能化傳感技術、遙控技術及虛擬技術等的應用將日益普及。

3 D打印方興未艾

有人說，第三次工業(yè)革命就是3D打?。贿€有人說3D打印將引發(fā)工業(yè)革命……且不研究這種說法是否全面，不過將3D打印認作制造業(yè)的創(chuàng)舉，那是毫無疑問的。3D打印不可能完全取代其他制造工具與設備，但若和現(xiàn)有制造裝備結合應用，會創(chuàng)造出更豐富的產(chǎn)品出來。

所謂3D打印技術，實際上是一系列快速原型成型技術的統(tǒng)稱，其基本原理都是疊層制造。基于這種技術的3D打印機在內(nèi)部裝有液體或粉末等“打印材料”，通過電腦控制把“打印材料”一層層地疊加起來，最終把計算機上的三維藍圖變成實物，故現(xiàn)稱增材制造。

相比工作母機，增材制造能加工出高精度、復雜型面的金屬與非金屬零件，它還能避免刀具干涉、能加工激光束被遮擋的加工部位。

3D打印技術有很多種，主要按打印材料而分，大致有激光粉末成型法（復合尼龍粉末、金屬合金粉末）、熔融塑料成型法（ABS，Polycarbonate等熱塑性材料）、光敏樹脂成型法（光敏樹脂）等幾種。

我國當今發(fā)展3D打印風起云涌、勢頭強勁，在機械、醫(yī)療、軍工等領域成績斐然，前途不可估量。圖4所示是我國開發(fā)的用并聯(lián)機構打印產(chǎn)品。其今后的道路，主要是沿著新材料開發(fā)、3D掃描、3D設計、智能化、自動化控制裝備和軟件的結合應用等多方面發(fā)展。

圖4 并聯(lián)3D打印

冷凍切削

金屬加工機床，是由刀具與工件作相對運動而完成的。因此如何克服由切削熱所造成的刀具損耗、提高切削效率，也是永恒不變的追求目標。

美國MAG公司前幾年研究的一套顛覆傳統(tǒng)切削方式的切削冷卻系統(tǒng)——超低溫液氮冷卻切削技術，這是一種革命性的創(chuàng)新。如果這一技術的推廣成功，將對機床和刀具行業(yè)產(chǎn)生革命性的沖擊。高效和高壽命將使機床和刀具的效率與壽命大大提高，并使其用量大大減少，因此也降低了地球資源的消耗。

這種技術主要是通過主軸中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中噴出液氮，將刀具產(chǎn)生的切削熱被液氮氣（液氮的沸點為－320℃）瞬間帶走，故切削速度及刀具壽命均可大大提高。

該技術對于環(huán)境友好，它不像冷卻液或冷卻油那樣要污染環(huán)境，需要作回收處理，而氮氣是安全氣體，自然排放到空氣中沒有任何污染，也不需回收。

欣喜的是，瑞士斯達拉格集團在2013EMO漢諾威機床展中，亮相了一臺全球首創(chuàng)的，配備液態(tài)二氧化碳冷卻系統(tǒng)的葉片加工中心LX051（見圖5）。該機床采用液態(tài)二氧化碳對刀具和加工區(qū)域進行冷卻，從而加工效率提高了至少70%以上，并且降低刀具磨損，提高加工表面質(zhì)量還避免了傳統(tǒng)冷卻液的使用。

圖5 葉片加工中心LX051

我國目前刀具行業(yè)與國際之間差距比機床還大，如果此領域有所突破的話，那可使金切行業(yè)達到質(zhì)的飛躍。

智能制造精益求精

智能化是集信息技術、光電技術、通信技術、傳感技術等為一體，推動著機床制造業(yè)的不斷進步。

具體內(nèi)容包括：控溫傳感技術、自適應控制技術、空間插補技術、改善表面加工質(zhì)量技術、安全防護技術、提高加工精度與檢測技術等等。由于“機床的智能制造”在我們《金屬加工》雜志己有過多篇較詳細的報道與介紹，在此就不再贅述了。

未來機床的無窮愿景

如果瞻望未來機床的款式，我想會使人們越來越看不懂。由于加工的材質(zhì)與工藝手段不同，機床術語也應調(diào)正，譬如為了加工碳纖維的零件，二就開發(fā)了纏繞機，因為這種材料靠車、銑是很難切削而成的，只能用纏繞方式將其制造出來。

機床或許就是一臺軌道銑磨車（見圖6），為修復破壞的路軌而用。這輛火車頭的前輪把路軌銑平，后輪則用砂輪去除毛刺并磨光（見圖7）。

圖6 軌道銑磨車

圖7 銑磨車原理

工業(yè)造型設計將變得越來越重要了，值得一提的是沈陽機床，目前他們的機床外型，與德國、日本等國產(chǎn)品難分伯仲。瑞士Tornos的機床外觀，像童話那樣漆成七彩，說是迎合年輕員工的興趣愛好（見圖8）。

圖8 機床彩色外觀

最典型的當然是日本MAZAK的機床模型，它把高速、高效、復合、環(huán)保等均集成于一體了（見圖9）。機床的參數(shù)為：主軸轉速100 000r/min，加速度8g，切削速度2M，同步換刀，干切削，集車、銑、激光加工、磨、測量等工序于一體。從本質(zhì)上來講，當今計算機技術日新月異，多CPU在系統(tǒng)中的應用，或者甚至CPU被取代，將對控制系統(tǒng)將產(chǎn)生不可估量的影響。

圖9 未來機床模型

奧地利貝加萊工業(yè)自動化（上海）有限公司總經(jīng)理肖維榮先生早就斷言：“新一代開放的PLC將融合CNC，并將最終替代它。”因此，被譽為機床大腦的控制技術，一旦發(fā)生重大變革，同樣會促進機床制造業(yè)的革命性變化。

瞻望未來的另一個愿景，就是大家十分希望能看到的，即我們機床的質(zhì)量會得到飛躍，加強標準貫徹，重視檢驗檢測，使“中國制造”變成優(yōu)秀品牌的代名詞；同時還必將加強誠信服務，做好交鑰匙工程，滿足交貨期，把失去的信譽奪回來。

結語

機床制造業(yè)為國家支柱產(chǎn)業(yè)提供必需的工藝裝備，強國強軍離不開它。然而要做強機床制造業(yè)，還要靠幾代人的拚博才能完成；要有壯士斷腕之雄心去克服短淺的功利主義方能實現(xiàn)。

由專家學者們悉心編纂的“中國機械工程技術路線圖”，是一本不可多得的教科書，它規(guī)劃了在2030年以前我國的具體發(fā)展軌跡，值得大家仔細閱讀。

“路線圖”是指導機械行業(yè)如何實現(xiàn)制造技術自主創(chuàng)新、重點跨越、支撐發(fā)展、引領未來的戰(zhàn)略線圖。與機床行業(yè)相關較密切的內(nèi)容有智能制造、高速精密制造、微納制造、新材料應用、數(shù)字化工廠等。這是根據(jù)當今世界前沿科技發(fā)展趨勢，并結合本國實際所編纂的經(jīng)典著作，如果能遵循其設計好的路徑走，再加上我們的創(chuàng)新智慧，那么圓我們中國機床夢是為時不遠了。