韓文淵 上海第三機(jī)床廠 (200032)

韓文淵（1959年~） 男，大專。長期從事機(jī)械機(jī)床的設(shè)計(jì)與制造工作，先后擔(dān)任木工機(jī)械、雕刻機(jī)械、數(shù)控銑床、加工中心的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在上海第三機(jī)床廠從事產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)等工作。

0 引 言

我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的崛起，使機(jī)床業(yè)與10年前相比又到了一個(gè)發(fā)展的新節(jié)點(diǎn)。中國機(jī)床業(yè)做精做強(qiáng)、不斷創(chuàng)新是我們走向世界的必須，因此機(jī)床行業(yè)正在以新的面貌、新的理念得到新的發(fā)展。

1 國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)床發(fā)展正加速體現(xiàn)制造業(yè)的三大技術(shù)特征：復(fù)合化、自動化、智能化。其具體表現(xiàn)是：

(1)減少工序的更換，提高效率；

(2)加強(qiáng)工序集約，提高精度；

(3)采用高速、高精度運(yùn)動，提高切削效率、零件表面質(zhì)量，減少后續(xù)工序；

(4)工作臺自動交換，縮短輔助時(shí)間；

(5)五軸、復(fù)合加工，使得復(fù)雜零件加工變得容易，能夠促進(jìn)零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)；

(6)利用多任務(wù)的復(fù)合機(jī)床和智能化機(jī)器人等柔性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多種類型工件的連續(xù)自動加工。

圖1所示為奧地利林茨機(jī)床廠的WFL系列重載車銑加工中心，是業(yè)內(nèi)具有震撼力的大型重載復(fù)合機(jī)床，可以認(rèn)為是較具代表性，以車床為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的復(fù)合機(jī)床。

圖1 林茨機(jī)床廠的WFL系列重載車銑加工中心

該系列重載車銑加工中心，是復(fù)合加工技術(shù)的完美表現(xiàn)。針對大型復(fù)雜的回轉(zhuǎn)類零件，通過一次裝卡，允許裝卡長達(dá)6.5m的復(fù)雜工件，能夠在任意角度完成車、銑、鏜、滾齒、插齒、深孔鉆、內(nèi)腔加工乃至磨削加工等，機(jī)床的5軸聯(lián)動功能可以加工任意幾何型面。復(fù)合加工思想得到極大體現(xiàn)，工序集約程度空前強(qiáng)大，柔性加工能力更高，從圖2可見此理念。

圖2 機(jī)床的各類加工模式

為實(shí)現(xiàn)上述工序集約能力，WFL機(jī)床集合眾多創(chuàng)新技術(shù)思想，以完善的技術(shù)手段，整機(jī)的巧妙布局完美地達(dá)到這些復(fù)合加工理念。

圖3所示是沈陽機(jī)床廠生產(chǎn)的汽車輪轂加工單元，為高效智能的柔性單元，能進(jìn)行多種工件（尺寸、形狀、加工工藝）的混流生產(chǎn)。它主要由VTC6664vwh雙托盤雙刀架立式車削中心，VMC0745d立式加工中心和機(jī)器人自動搬運(yùn)系統(tǒng)組成。

圖3 汽車輪轂加工單元

該柔性單元整合多項(xiàng)技術(shù)，從其控制操作顯示面板可以看到該柔性單元由輪轂型號自動識別系統(tǒng)、尺寸自動測量系統(tǒng)、氣門孔加工前視覺識別系統(tǒng)、加工程序自動生成系統(tǒng)、廢品自動剔除系統(tǒng)等裝置組成，由此實(shí)現(xiàn)輪轂全過程的自動化、智能無人化加工，見圖4。

圖4 控制操作顯示面板

一般認(rèn)為復(fù)合機(jī)床和柔性制造系統(tǒng)最能反映機(jī)床制造技術(shù)的綜合實(shí)力與創(chuàng)新能力，反映制造業(yè)的需求和特征，它們往往整合了各項(xiàng)新技術(shù)、新工藝，并對數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，有著很強(qiáng)的引領(lǐng)和啟發(fā)作用，一定意義上代表了新時(shí)代數(shù)控機(jī)床深入發(fā)展的趨勢，表現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的技術(shù)特征。

2 國內(nèi)數(shù)控機(jī)床特色產(chǎn)品

2.1 多條柔性生產(chǎn)線齊亮相

大連機(jī)床、沈陽機(jī)床、北京一機(jī)床，江蘇新瑞等廠商研制的產(chǎn)品，均有各自特點(diǎn)。特別是國內(nèi)廠商在汽車生產(chǎn)線領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)零的突破，凸顯我國機(jī)床制造業(yè)在集成技術(shù)上已得到大幅提升。其中大連機(jī)床的兩條生產(chǎn)線：DKX057發(fā)動機(jī)缸體柔性生產(chǎn)線，見圖5，DXGT-0001發(fā)動機(jī)缸套柔性生產(chǎn)線，見圖6，顯示了大連機(jī)床的綜合實(shí)力和競爭力。DKX057線的加工材料為特種合金鑄鐵（HT250），生產(chǎn)節(jié)拍≤3.56min；DXGT-0001線的加工材料為硼合金鑄鐵，生產(chǎn)節(jié)拍≤80s；這兩條生產(chǎn)線的零件傳輸，均采用滾道和桁架機(jī)械手并用方式，實(shí)現(xiàn)高柔性化、高自動化，工序能力指數(shù)Cpk值≤1.33。

圖5 DKX057發(fā)動機(jī)缸體柔性生產(chǎn)線

圖6 DXGT-0001發(fā)動機(jī)缸套柔性生產(chǎn)線

2.2 高精、高能、高速成為機(jī)床發(fā)展趨勢

精密、高性能作為機(jī)床的本質(zhì)要求，始終是機(jī)床發(fā)展過程中予以探索與追求的目標(biāo)。北京機(jī)床研究所的NANO-TM500超精密納米級精度車銑復(fù)合機(jī)床，就賦予我們新的設(shè)計(jì)思路，見圖7。

NANO-TM500機(jī)床溜板采用直線電機(jī)對稱雙驅(qū)動結(jié)構(gòu)，納米級分辨率，X、Z軸最小移動控制量為1nm，實(shí)現(xiàn)納米插補(bǔ)； B軸轉(zhuǎn)臺采用氣靜壓軸承，高分辨率直驅(qū)結(jié)構(gòu)，最小角度控制量為0.000 01°；主軸采用高精度氣靜壓軸承、整體電主軸結(jié)構(gòu)，并具有Cs軸功能，整機(jī)控制聯(lián)動軸數(shù)為4軸。機(jī)床高精度加工效果：工件表面粗糙度≤5nm，可應(yīng)用于光學(xué)平面、球面及非球面零件的超精密加工。

圖7 NANO-TM500機(jī)床

直線電機(jī)、直接驅(qū)動、雙驅(qū)動技術(shù)、在線自動測量等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給高速、高精度機(jī)床設(shè)計(jì)制造，不斷注入活力，許多廠商的機(jī)床均體現(xiàn)了這一點(diǎn)。南通科技的MCH63精密臥式加工中心，大連機(jī)床的VDBS65高速精密立式加工中心，是其中具有代表性的機(jī)床。圖8是南通科技的兩款機(jī)床：MCH63精密臥式加工中心和VH1100高速立式加工中心，從圖8中機(jī)床布局、結(jié)構(gòu)上，可看出這些技術(shù)的應(yīng)用。

圖8 MCH63精密臥式加工中心（左）VH1100高速立式加工中心（右）

2.3 復(fù)合機(jī)床涌現(xiàn)量大

常見復(fù)合機(jī)床主要是以車銑（銑車）為復(fù)合加工形式，并通過五軸功能，進(jìn)行復(fù)雜曲面加工。高比率復(fù)合機(jī)床的涌現(xiàn)，表明機(jī)床業(yè)內(nèi)對車削中心和加工中心，這兩者技術(shù)集成能力提高。技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，使復(fù)合機(jī)床的種類和功能不斷擴(kuò)大，工序集約能力不斷提高。

以數(shù)控銑床、加工中心類機(jī)床為基礎(chǔ)，來看復(fù)合機(jī)床，較典型的有大連機(jī)床的VHT800五軸聯(lián)動立式車銑復(fù)合加工中心，安陽鑫盛機(jī)床CX110100立式車銑復(fù)合加工中心，見圖9。這兩款作為數(shù)控機(jī)床科技重大專項(xiàng)成果，體現(xiàn)了機(jī)床高速、高精、五軸、復(fù)合的技術(shù)特性。它們的回轉(zhuǎn)工作臺（臺面直徑VHT800為?800mm；CX110100為?1 100mm），均采用力矩電機(jī)直接驅(qū)動，應(yīng)用車削模式時(shí)，其最高轉(zhuǎn)速前者為600 r/min，轉(zhuǎn)臺由煙臺環(huán)球制造；后者為500r/min，采用德國技術(shù)定制。

圖9 CX110100立式車銑復(fù)合加工中心

圖9 是CX110100立式車銑復(fù)合加工中心的三維造型，顯然這是以五軸立臥式加工中心為基礎(chǔ)，增加了車削裝置而構(gòu)成。銑削主軸成45°角擺動（B軸），內(nèi)置電主軸，油霧潤滑，HSK-A100刀柄，14 000r/min轉(zhuǎn)速。為提高B軸擺動軸剛度，采用兩端支承，前端組合軸承，后端增加徑向支承軸承，與其他相類似的擺動軸比較，這是一個(gè)特點(diǎn)。機(jī)床線性絲杠軸，采用雙絲杠驅(qū)動技術(shù)，并應(yīng)用絲杠中心循環(huán)冷卻，三向快移速度60m/min。轉(zhuǎn)臺（C軸）力矩電機(jī)的輸出扭矩（連續(xù)/30min）為5 400/6 200Nm；定位加工時(shí)，轉(zhuǎn)臺采用軸向液壓制動；轉(zhuǎn)臺支承軸承脂潤滑、空氣密封技術(shù)；力矩電機(jī)采用油循環(huán)冷卻。

大型復(fù)合機(jī)床方面，沈陽機(jī)床的VT350140lg立式車銑磨及淬火復(fù)合加工中心很有亮點(diǎn)，機(jī)床總體采用移動雙立柱，橫梁升降式結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)工作臺靜壓軸承支承，見圖10。對一個(gè)大型的回轉(zhuǎn)支承類零件加工，通常需4～5道工序和機(jī)床，VT350140lg通過強(qiáng)大的全自動交換功能，采用多種附件頭配置，見圖11，實(shí)現(xiàn)一臺機(jī)床就能完成全部加工，充分顯示其復(fù)合機(jī)床的工序集約能力，及其高精度、高效率加工。

圖10 VT350140lg立式車銑磨及淬火復(fù)合加工中心

圖11 VT350140lg機(jī)床附件頭配置

VT350140lg還應(yīng)用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：

(1)回轉(zhuǎn)工作臺（C軸）采用伺服雙電機(jī)功能：當(dāng)車削為主運(yùn)動時(shí)，雙電機(jī)起增力作用；當(dāng)C軸參與五軸加工時(shí)，雙電機(jī)雙驅(qū)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)齒傳動消隙功能；

(2)橫梁升降W軸，采用雙絲杠各帶減速器雙驅(qū)動技術(shù)，雙光柵尺反饋；

(3)經(jīng)過受力分析精密計(jì)算，確定變形位置和量，橫梁采用仿形加工技術(shù)；

(4)多工位刀夾、萬能磨頭、激光淬火頭，這些新技術(shù)應(yīng)用，增加刀庫刀具數(shù)量，提高了工藝能力。

2.4 智能化技術(shù)被普遍應(yīng)用

北京一機(jī)床的BHBM200數(shù)控落地銑鏜床，是一款高精度機(jī)床，見圖12，機(jī)床的滑枕和鏜桿懸伸運(yùn)動，其懸伸撓度具有自動偏差補(bǔ)償功能。比如沈陽機(jī)床的HMT40100h復(fù)合車銑中心，其主軸軸向溫升帶來的尺寸變化，具有自動補(bǔ)償功能，該機(jī)還具有主軸三維防碰撞技術(shù)，在零件周圍設(shè)置臨界區(qū)，主軸發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)后自動實(shí)現(xiàn)碰撞規(guī)避。又如前述的汽車輪轂加工單元，更具備多項(xiàng)智能化技術(shù)，比如具有輪轂型號自動識別系統(tǒng)、廢品自動剔除系統(tǒng)等智能化技術(shù)。

圖12 BHBM200數(shù)控落地銑鏜床

2.5 技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，帶來思維的革命性變化

沈陽機(jī)床的VMC850u超聲波立式加工中心，見圖13，采用超聲波旋轉(zhuǎn)主軸技術(shù)，可以對一些難加工的材料進(jìn)行加工，比如針對硬碎材料如玻璃、陶瓷石英等，軟質(zhì)材料如碳纖維板、石墨、純銅等。 其構(gòu)成：超聲波發(fā)生器—主軸—超聲波旋轉(zhuǎn)刀把—產(chǎn)生有利于加工件波譜的頻率（20kHz～30kHz，頻率可調(diào)）。其特點(diǎn)：

(1)采用超聲波旋轉(zhuǎn)刀把，使用一般傳統(tǒng)加工用的刀刃，即可對上述材料進(jìn)行加工；

(2)無須特制即可配合刀庫自動換刀；

(3)使用普通刀具轉(zhuǎn)速，即可達(dá)到30萬r/min高速主軸所產(chǎn)生的效果；

(4)輸出能量可作調(diào)整，可以通過刀庫自動換刀實(shí)現(xiàn)。

從該機(jī)床技術(shù)構(gòu)成要素來分析，可以看到它體現(xiàn)了集成創(chuàng)新的思想。該機(jī)集成了超聲波技術(shù)，臺灣旭泰的主軸，核心是超聲波旋轉(zhuǎn)刀把技術(shù)；以及結(jié)合該廠的立式加工中心機(jī)床，從而開發(fā)具有新技術(shù)特色，功能新穎的創(chuàng)新產(chǎn)品。

圖13 VMC850u超聲波立式加工中心

3 機(jī)床的創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計(jì)思想

在新時(shí)代新形勢下，面對機(jī)遇和挑戰(zhàn)，要想有所作為，求得行業(yè)間較高的競爭力，求得機(jī)床發(fā)展的更廣闊空間，那么創(chuàng)新思維是立足之本。同時(shí)應(yīng)通過多觀察、多思考，來預(yù)期機(jī)床發(fā)展的各種要求、特性；同時(shí)關(guān)心機(jī)床周邊技術(shù)的信息與應(yīng)用，并具有整合進(jìn)機(jī)床的設(shè)計(jì)能力，由此來實(shí)現(xiàn)可能的機(jī)床開發(fā)設(shè)計(jì)，這是機(jī)床創(chuàng)新開發(fā)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

而說起創(chuàng)新，我們往往是口號說得多，真正正視它在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中的體現(xiàn)，研究如何實(shí)踐創(chuàng)新比較少。放眼世界，在各項(xiàng)工作中，要有所突破進(jìn)步，創(chuàng)新意識的樹立是基本條件，在機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中尤其如此。從上海第三機(jī)床廠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，筆者認(rèn)為創(chuàng)新的基本方法主要還是體現(xiàn)在消化吸收創(chuàng)新和集成創(chuàng)新這兩種形式。

3.1 消化吸收創(chuàng)新是企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)極其重要的方法

對踏入或涉及新機(jī)床類型的設(shè)計(jì)者來講，要想入門且有所建樹，首要方法總是消化吸收創(chuàng)新。它有三個(gè)特點(diǎn)：

(1)提升知識，形成自身技術(shù)；

(2)成為企業(yè)共有資源，要求看得見摸得著，實(shí)現(xiàn)企業(yè)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展；

(3)具備了量的積累，開拓創(chuàng)新有基礎(chǔ)。具體表現(xiàn)為：

一讀—產(chǎn)品圖樣理解掌握；

二問—多角度、多方向請教技術(shù)細(xì)節(jié)，能夠去偽存真；

三看—觀察車間現(xiàn)場裝配的機(jī)床、展會等渠道的同行產(chǎn)品；

四琢磨—通過探討把“讀問看”與理論知識相聯(lián)系，融會貫通上升為自身技術(shù)；

五創(chuàng)新—增長見識，豐富和閱歷，設(shè)計(jì)講原理，創(chuàng)新靠思想。

“讀、問、看、琢磨、創(chuàng)新”5字訣的意義很重要。一個(gè)有所作為的設(shè)計(jì)人員，必然通過5字訣的方法，把一些機(jī)床典型核心結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砑夹g(shù)，對這些典型核心結(jié)構(gòu)不是簡單直接的抄襲、放大或縮小，而是能夠做出原理分析而真正應(yīng)用，為創(chuàng)新設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床打下基礎(chǔ)。值得一提的是，在這一過程中，要注意集體智慧的汲取，比如從裝配、檢驗(yàn)、工藝等師傅口中，可以直觀地了解掌握不少技術(shù)原理、細(xì)節(jié)、信息；同樣還可以通過社會化的交流，比如展會、講座等渠道，來積極獲得信息與技術(shù)。

3.2 對新穎產(chǎn)品的開發(fā)，主要是采用集成創(chuàng)新的方式

可以看到各類數(shù)控機(jī)床一些功能的設(shè)計(jì)，均采用技術(shù)集成的手段加以實(shí)現(xiàn)。它需要我們具備“海量”信息支撐，閱歷與技術(shù)能力的厚積底蘊(yùn)，設(shè)計(jì)思維創(chuàng)新意識。由于功能件技術(shù)的社會化生產(chǎn)，專項(xiàng)技術(shù)的專業(yè)化技術(shù)協(xié)作制造，使得數(shù)控機(jī)床的整機(jī)功能、性能，更多地以集成創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)，即以整合各項(xiàng)技術(shù)的能力，來體現(xiàn)集成創(chuàng)新的水平。

例如上海第三機(jī)床廠XH766A臥式加工中心，為滿足切削加工精度，實(shí)現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速和大扭矩輸出，滿足動柱式機(jī)床主軸箱運(yùn)動的動態(tài)性能，整機(jī)集成了主軸恒溫冷卻技術(shù)、自動切換的高性能減速器技術(shù)、3DR減壓閥重力平衡技術(shù)等。這些技術(shù)集成的創(chuàng)新應(yīng)用，使機(jī)床整機(jī)的性能達(dá)到了新高度。因此隨著時(shí)代發(fā)展，對于新工藝、新性能、新功能而不斷提出的機(jī)床設(shè)計(jì)要求。一個(gè)成熟的技術(shù)人員，應(yīng)該有能力采用集成創(chuàng)新的手段，設(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品，使之跟上時(shí)代步伐，滿足并引導(dǎo)市場需求。

3.3 在集成創(chuàng)新過程中，技術(shù)集成的選用技巧與水平，也體現(xiàn)出創(chuàng)新能力

例如上海第三機(jī)床廠的動柱式機(jī)床，其主軸箱運(yùn)動的重力平衡，從該廠技術(shù)而言，可以采用3DR減壓閥液壓平衡技術(shù)，也可以應(yīng)用氣平衡技術(shù)，還可以應(yīng)用錨泵平衡技術(shù)等多項(xiàng)選擇。又比如數(shù)控機(jī)床的閉環(huán)控制，是選用光柵尺還是磁柵尺，也有多項(xiàng)選擇。因?yàn)槎鄻踊夹g(shù)對機(jī)床性價(jià)比、可靠性、技術(shù)集成是否受制于人等，具有重要意義，同時(shí)也體現(xiàn)出技術(shù)可持續(xù)應(yīng)用的手段。

由此對影響設(shè)計(jì)人員技術(shù)集成能力的因素，提出兩點(diǎn)看法：

(1)積極的捕捉技術(shù)信息，并能予以正確消化和掌握；

(2)持嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)態(tài)度，克服浮躁心態(tài)。對此兩點(diǎn)認(rèn)識舉例說明：比如立式加工中心的Z軸導(dǎo)軌絲杠防護(hù)所采用的卷簾式拉罩有多種結(jié)構(gòu)形式，而能否合理化地設(shè)計(jì)，則取決于對拉罩的見識和機(jī)床工況分析，故新選型設(shè)計(jì)的拉罩，對切屑的防護(hù)及走向，其可靠性更能滿足實(shí)際工況，見圖14。

所以說對創(chuàng)新設(shè)計(jì)而言：嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)很重要，浮躁作風(fēng)要不得；不能等他人的設(shè)計(jì)再參考；參考借鑒要有獨(dú)立原理分析和正確應(yīng)用。

圖14 立式加工中心Z軸防護(hù)罩的改進(jìn)思路

3.4 具有特色的創(chuàng)新，形成獨(dú)立自主技術(shù)

對此認(rèn)識還是要著重強(qiáng)調(diào)：見多識廣是基礎(chǔ)，技術(shù)能力是條件，還要有強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識，三者不可缺一。自主創(chuàng)新對企業(yè)影響力的擴(kuò)大有重大意義，我們的境界應(yīng)靠向特色的創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)人員一定要有想法，要有思想。以XH766A臥式加工中心為例，在雙工作臺交換裝置開發(fā)設(shè)計(jì)中，雙擺臂軌道式交換裝置可以說獨(dú)具匠心，是個(gè)有特色的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，從單臂拖動臺面，創(chuàng)新延伸為雙臂結(jié)構(gòu)，以此縮短交換臺面的時(shí)間。同時(shí)交換裝置結(jié)合液、氣、電以及PLC控制的聯(lián)動設(shè)計(jì)，從而形成了特色的雙工作臺自動交換系統(tǒng)。見圖15。

圖15 雙工作臺自動交換系統(tǒng)

4 結(jié) 語

創(chuàng)新是永恒話題，特別是正處在我國經(jīng)濟(jì)面臨發(fā)展轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，對機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員而言，創(chuàng)新思想的培育具有特別重要的意義，創(chuàng)新更是時(shí)代對我們的強(qiáng)烈呼喚。

創(chuàng)新行為從別處是拿不到的，需要我們的親身實(shí)踐，它應(yīng)具有深刻的內(nèi)涵。創(chuàng)新只能是自己的行動，所在團(tuán)隊(duì)的協(xié)調(diào)行動。因此在新時(shí)代，我們應(yīng)該提倡有內(nèi)涵的創(chuàng)新，不能亂創(chuàng)新，要符合客觀規(guī)律、經(jīng)濟(jì)規(guī)律、技術(shù)規(guī)律。創(chuàng)新要求我們：提倡學(xué)習(xí)風(fēng)氣，提高學(xué)習(xí)能力，培育創(chuàng)新思維方法，鼓勵任何一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步。為使創(chuàng)新思想植入我們的靈魂，我們要以哲學(xué)思想來武裝頭腦：創(chuàng)新、認(rèn)識、再創(chuàng)新、再認(rèn)識，由此循環(huán)以至無窮，而機(jī)床產(chǎn)品的發(fā)展，應(yīng)隨著創(chuàng)新步伐不斷跨上時(shí)代新臺階。