國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)發(fā)展與差距

國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床走過了50年發(fā)展的漫長歷程，在近10年來得到了較快發(fā)展，特別是得到了政府的重視，設(shè)立了重大技術(shù)攻關(guān)專項(xiàng)，有效地促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。目前，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可供品種達(dá)1500多種，覆蓋了數(shù)控金屬切削機(jī)床、數(shù)控板材加工機(jī)床（數(shù)控沖壓機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床、火焰切割機(jī)床等）、數(shù)控電加工機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、三坐標(biāo)測量機(jī)等，種類基本齊全。2010年數(shù)控金屬切削機(jī)床保有量約為150萬臺（其中進(jìn)口超過40萬臺），僅金屬切削機(jī)床的年產(chǎn)量就超過了16萬臺、2011年1~10月份累計(jì)達(dá)到21.8萬臺、全年可達(dá)到25萬臺左右。國產(chǎn)品牌數(shù)控機(jī)床的數(shù)量和價值占國內(nèi)市場50%以上。在代表先進(jìn)技術(shù)水平的五軸聯(lián)動和復(fù)合加工中心、數(shù)控系統(tǒng)和其他配套技術(shù)產(chǎn)品方面也都取得了新進(jìn)展。本文主要圍繞數(shù)控技術(shù)發(fā)展與差距展開討論。

不斷追求高質(zhì)量和高效率是機(jī)械制造業(yè)研究的永恒主題和目標(biāo)，是促進(jìn)其工藝裝備發(fā)展的源動力。工藝要求和變革是機(jī)械制造工藝裝備技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新和變革的根據(jù)和基礎(chǔ)。

圍繞質(zhì)量、效率和工藝變革的要求，我國機(jī)械制造工藝裝備——主要是數(shù)控設(shè)備在技術(shù)層面發(fā)生了深刻的變化。數(shù)控機(jī)床功能不斷豐富，采用了工序、工藝集中化和復(fù)合化技術(shù)；機(jī)床在結(jié)構(gòu)布局和新材料應(yīng)用方面都有了新發(fā)展；數(shù)控技術(shù)在開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、高速高精化方面取得了新發(fā)展。其目的都是為了提高生產(chǎn)效率，提高精度，保證質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)效益最大化。

追求高生產(chǎn)率

為了追求機(jī)械制造的高生產(chǎn)率，促進(jìn)數(shù)控設(shè)備向加工復(fù)合化（工序復(fù)合和工藝復(fù)合）、高速化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、工藝參數(shù)優(yōu)化方向發(fā)展。

1復(fù)合化

數(shù)控機(jī)床復(fù)合加工，主要指工序集中化、復(fù)合化和工藝復(fù)合化。

1.1工序集中化、復(fù)合化

自從20世紀(jì)70年代末，隨著三聯(lián)動加工中心開始用于機(jī)械制造，開始進(jìn)入機(jī)械加工工序集中化時代。20世紀(jì)80年代，我國自制的三聯(lián)動加工中心也開始在機(jī)械制造中得到應(yīng)用，主要是用于箱體件和模具加工。在一次裝卡中就可以實(shí)現(xiàn)鏜、銑、鉆、攻絲等多道工序，提高了加工效率和精度。

2000~2011年是我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展最快的時期。在此期間，自主開發(fā)了五軸聯(lián)動加工中心、車銑復(fù)合加工中心、車銑磨復(fù)合加工中心和磨削復(fù)合加工中心等。有的國內(nèi)制造廠商已經(jīng)能夠提供五軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動復(fù)合加工中心等，但有一些是屬于重大專項(xiàng)攻關(guān)產(chǎn)品，有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

1.1.1五軸聯(lián)動加工中心

國內(nèi)生產(chǎn)五軸聯(lián)動加工中心的廠家正在不斷增加。如沈陽機(jī)床廠生產(chǎn)的GMC2590μ橋式五軸聯(lián)動加工中心、VM22120μ立式五軸加工中心、VMC05656e門式五軸加工中心、HS664RT五軸高速加工中心；大連機(jī)床產(chǎn)生的VDM500五軸立式加工中心；北京機(jī)電院生產(chǎn)的XKR32G五軸聯(lián)動加工中心和XKH800五軸聯(lián)動葉片加工中心；濟(jì)南二機(jī)床生產(chǎn)的XV2525×60高架式五軸聯(lián)動加工中心等都能實(shí)現(xiàn)一次安裝完成零件的銑、鏜、鉆、鉸、攻絲等多道工序。

開發(fā)五軸聯(lián)動加工中心有2個關(guān)鍵核心部件技術(shù)難度較大，一個是雙擺角萬能加工頭；一個是雙軸回轉(zhuǎn)臺。這2種部件國內(nèi)廠商也已開發(fā)出來，但有待進(jìn)一步的完善和商品化。雙擺角萬能加工頭用于大型機(jī)床，雙擺軸回轉(zhuǎn)臺用于小型機(jī)床。目前這2種部件都采用直驅(qū)力矩電機(jī)，并裝有編碼器，以提高動態(tài)性能和精度。

1.1.2車銑復(fù)合加工中心

車銑復(fù)合加工中心既有在數(shù)控車床基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，也有在立式加工中心基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。如南京數(shù)控機(jī)床有限公司生產(chǎn)的CK1840S型車銑復(fù)合加工中心是在數(shù)控車床基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。該機(jī)床具有雙主軸、雙刀架、雙C軸和W軸，共7軸，分為二組三聯(lián)動全閉環(huán)控制。其中C軸分辨率達(dá)到0.001°。該機(jī)床對回轉(zhuǎn)體零件一次裝卡可完成車削、分度偏心鉆削、定位銑削等多道工序，即1臺車銑復(fù)合加工中心能完成2臺數(shù)控車床的加工工序，提高效率1倍，且因能減少二次安裝誤差而提高了精度。安陽鑫盛機(jī)床股份有限公司生產(chǎn)的CX110立式車銑復(fù)合加工中心，是在立式加工中心基礎(chǔ)上增加車削裝置開發(fā)出來的。該機(jī)床具有車、鏜、銑、鉆、鉸、攻絲等功能，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動的五面加工。此外大連機(jī)床開發(fā)的VHT800五軸聯(lián)動車銑復(fù)合加工中心、CHD25五軸聯(lián)動車銑復(fù)合加工中心；武漢重型機(jī)床集團(tuán)公司開發(fā)的WHGS7000車銑復(fù)合加工中心等，也都能實(shí)現(xiàn)零件一次裝卡，完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜型面零件的多道工序加工。

1.1.3車銑磨復(fù)合加工中心

寧波海天精工機(jī)械有限公司開發(fā)的HTM-V120L數(shù)控立式車銑磨復(fù)合加工中心，工件一次裝卡可完成車、銑、磨多道工序，還可進(jìn)行重切削高精度加工，適合用于大型軸承加工。

1.1.4車銑磨齒輪加工復(fù)合中心

有的車削中心在回轉(zhuǎn)刀架上安裝了第二主軸和砂輪軸。在第二主軸上也可安裝齒輪刀具加工軸齒輪和蝸輪，甚至可以實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動，用指型銑刀加工弧齒輪和錐齒輪等。

1.1.5磨削復(fù)合加工中心

上海機(jī)床廠有限公司開發(fā)的H405-BE型數(shù)控復(fù)合磨床，采用西門子數(shù)控系統(tǒng)分別控制砂輪架和工作臺進(jìn)給，頭架主軸旋轉(zhuǎn)和砂輪架旋轉(zhuǎn)，具有外圓磨削和砂輪架自動分度等功能。一次裝卡可完成內(nèi)外圓和端面自動循環(huán)磨削。

1.2工藝復(fù)合

工藝復(fù)合加工在國內(nèi)還不多見。沈陽機(jī)床集團(tuán)SCHIESS公司開發(fā)的VTM3501立式車銑磨及激光淬火復(fù)合加工中心?？蓪?shí)現(xiàn)車、鏜、鉆、攻絲、銑、磨及激光淬火等加工。該機(jī)床把冷加工工藝和熱加工工藝復(fù)合在一起，大幅提高了生產(chǎn)效率。

據(jù)有關(guān)資料顯示，1臺五軸聯(lián)動加工中心或多工序復(fù)合加工中心比三聯(lián)動加工中心能提高生產(chǎn)效率1倍以上。多軸聯(lián)動和復(fù)合加工不但能提高生產(chǎn)效率，而且減少了二次安裝誤差，提高了精度和質(zhì)量。國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)五軸聯(lián)動加工中心和多軸聯(lián)動復(fù)合加工中心，但有些屬重大攻關(guān)產(chǎn)品還有待進(jìn)一步商品化和產(chǎn)業(yè)化。

2高速化

為實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工高速化，傳動系統(tǒng)采用直驅(qū)技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)采用高速運(yùn)算處理技術(shù)。

2.1直驅(qū)技術(shù)

為了提高生產(chǎn)效率，數(shù)控機(jī)床傳動部件逐步采用直驅(qū)技術(shù)。主軸采用電主軸直驅(qū)，進(jìn)給采用直線電機(jī)驅(qū)動，回轉(zhuǎn)工作臺采用力矩電機(jī)直驅(qū)，五軸聯(lián)動的擺角萬能頭采用力矩電機(jī)直驅(qū)等。

早在2000年以前，我國就開始了直驅(qū)技術(shù)的研究與開發(fā)。目前山東博特精工股份有限公司和洛軸研科技股份有限公司都能生產(chǎn)和供應(yīng)電主軸系列產(chǎn)品，北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司也開發(fā)了直線電機(jī)。用戶對以上產(chǎn)品性能和技術(shù)指標(biāo)反應(yīng)良好，但與國外先進(jìn)水平相比還有差距。

目前，國外先進(jìn)的電主軸單元轉(zhuǎn)速可達(dá)15000~100000r/min，一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線電機(jī)直驅(qū)的進(jìn)給部件既要求速度高，還要求有高的加減速功能?？焖僖苿铀俣瓤蛇_(dá)60~200m/min，加速度達(dá)2g~10g；工作進(jìn)給可高達(dá)60m/min以上，加速度達(dá)1g~2g。采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動的進(jìn)給部件的進(jìn)給速度為20~30m/min，加速度為0.1g~0.3g；一般情況下，進(jìn)給速度為30m/min左右。直驅(qū)比用滾珠絲杠驅(qū)動的進(jìn)給速度提高了1倍以上，從而減少了輔助時間，提高了生產(chǎn)效率。直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景，但還需進(jìn)一步降低成本和解決發(fā)熱問題。

目前，我國一些廠家開發(fā)的數(shù)控機(jī)床已采用了直驅(qū)技術(shù)。如濟(jì)南二機(jī)床開發(fā)的XHV2525×60高架式五軸聯(lián)動高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了直線電機(jī)驅(qū)動。北京機(jī)電院開發(fā)的XKR32G五軸聯(lián)動加工中心工作臺的2個回轉(zhuǎn)軸采用力矩電機(jī)直驅(qū)，XKH800五軸聯(lián)動葉片加工中心的主軸采用電主軸直驅(qū)等。國內(nèi)數(shù)控機(jī)床采用直驅(qū)技術(shù)還處于初級階段，還不普遍，在性能方面還存在一定差距。而德國DMG公司每年生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床中有1500多臺采用了直驅(qū)技術(shù)。德國巨浪公司生產(chǎn)的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000r/min，換刀時間低于0.6s，進(jìn)給加速度達(dá)1g~2g，快速進(jìn)給速度可達(dá)90m/min，工件交換時間為2s。

2.2數(shù)控系統(tǒng)高速運(yùn)算處理技術(shù)

高速直驅(qū)進(jìn)給要求數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)算速度快，采樣周期短，具有足夠的超前路徑加（減）速優(yōu)化程序段預(yù)處理能力。較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)可預(yù)處理幾千和幾萬個程序段。在多軸聯(lián)動控制時可根據(jù)預(yù)處理緩沖區(qū)的G代碼進(jìn)行加減速優(yōu)化處理。為保證加工速度，第六代數(shù)控系統(tǒng)每秒可進(jìn)行2000~10000次進(jìn)給速度改變。

來源：中國質(zhì)量協(xié)會

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