文/小聶

2014數控機床“高端突破”盤點

文/小聶

隨著國防、航空、高鐵、汽車和模具等重要裝備制造行業(yè)需求量的大幅增長，中國數控機床也取得了快速發(fā)展。中國目前已經超過德國成為世界第一大機床市場，數控機床作為機床消費的主流，未來的市場巨大。

自“十二五”以來，高檔數控機床與基礎制造裝備專項實現自主創(chuàng)新能力顯著提高，掌握了一大批具有自主知識產權的核心技術。以國家現有專項支持為基礎實施了以企業(yè)為主題，以創(chuàng)新為驅動力的創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略。同時引入科研院校參與，實行公私合營伙伴關系(PPP)推進研發(fā)，并于國家層面加大基礎研究投入和研發(fā)人才培養(yǎng)。

2014年，國家實施繼續(xù)穩(wěn)增長、調結構戰(zhàn)略，數控機床行業(yè)必須調整現有產業(yè)結構，在現有中端取得成果基礎上發(fā)力高端，一方面面臨國外產品以及合資產品擠壓國內中端市場的競爭壓力，另一方面要加大研發(fā)，擠入高端市場，擺脫受制于人的嚴峻形勢。

高端數控機床是航空航天、汽車、船舶和發(fā)電設備制造這四大領域的必需品，是產業(yè)升級的必備品，盡管國家實施了“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項，但目前相關產品還未實現大規(guī)模的商業(yè)化，關鍵零部件和高檔數控系統(tǒng)方面尚需繼續(xù)努力。未來，隨著國內在高端數控機床的重視度日益增長，本土機床品牌在加強自主研發(fā)與人才培養(yǎng)后，勢必會迎來新的發(fā)展時期，我國也將實現高端數控機床高度國產化，解除工業(yè)發(fā)展瓶頸。

關鍵技術不斷突破高端設備閃亮登場

·超重型數控臥式鏜車床通過驗收，我國進入超臨界核電半速轉子加工制造先進行列

2014年初，由中國兵器工業(yè)集團武漢重型機床集團有限公司承擔的“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項“用于超臨界核電半速轉子加工的超重型數控臥式鏜車床”項目通過了技術驗收。

該國家科技重大專項于2009年開始實施，在研制過程中，取得了超重型數控臥式多功能復合加工機床總體方案技術、超重型高精度靜壓托主軸箱技術、超長床身制造工藝新技術、雙工作組三通道控制技術、鏜桿進給多軸同步技術等5項關鍵核心技術的突破。此專項的成功研制打破了日、韓超臨界核電半速轉子對我國的壟斷和鉗制，實現了核電半速轉子國產化。

項目研制的超重型數控臥式鏜車床，是超臨界核電半速轉子國產化的核心加工裝備，解決了國內大型核電站1100MW超臨界核電半速轉子加工的難題，具有完全自主知識產權，填補了國內空白。自交付中國第二重型機械集團公司使用以來，已加工了1100MW核電半速轉子共5件，五米軋機超重型支撐輥共6件，均達到國外圖紙設計要求，部分主要精度指標優(yōu)于圖紙設計要求，實現了我國超臨界核電半速轉子的國產化制造，使我國進入了超臨界核電半速轉子加工制造的先進行列。

該裝備還可用于巨型船舶舵軸及驅動軸、超大功率低速柴油機曲軸、超大功率汽輪機轉子、水輪發(fā)電機主軸、大電機主軸等超大超重型軸套類零件的加工。

·七軸六聯動螺旋槳加工機床投入使用，我國機床企業(yè)與世界機床強企同臺競技

2014年11月，由中傳重型機床有限公司自主研制的世界最大11米直徑七軸六聯動螺旋槳加工機床，在武漢重工鑄鍛有限責任公司螺旋槳廠投入使用。該機床最大可加工11米直徑螺旋槳，并首次采用七軸六聯動方式，一次裝夾可完成加工范圍擴大，效率比原五軸聯動方式提高了一倍，加工精度也得到大幅提升。

這臺七軸六聯動機床是目前已知國際上最大型、最復雜的機床。該機床集車、銑、鏜、鉆功能于一身，通過增加刀架擺動軸（A軸）參與聯動，達到七軸六聯動加工，已滿足螺旋槳葉片空間重疊部位的獨特加工需求，實現了對葉片的完整加工。與常規(guī)的五軸聯動技術相比，可控制刀具的最佳位姿，避免加工干涉，加工效率得到極大提高。本臺機床的研制成功，標志著我國機床企業(yè)已具備在國際市場上與世界機床強企同臺競技的實力。

在設計上首次采用七軸六聯動方式，實現最復雜空間曲面加工。采用七軸六聯動方式擴大了一次性加工面積，提高了加工精度，效率比以前五軸方式加工提高一倍。七軸六聯動、螺旋槳加工都是機床制造中難度最大、最復雜的技術。中國制造卻能與歐美企業(yè)競爭，并且多項精度與歐美比更有競爭力。本臺機床工作臺精度0.006毫米，C軸定位精度0.001度（千分之一度），如此規(guī)格機床在國際上也是首次。該項目首次采用了車銑復合加工方式，葉片的銑削加工，軸端，軸孔的車削加工，可在一次裝夾中完成。避免了二次裝夾帶來的誤差，大大提高了加工精度，加工效率大幅提升。機床自重600噸，如此龐然大物卻能實現高精度、高靈敏度，橫梁移動部件自重200噸，卻實現進給每分鐘12米的速度，這些都需要先進的技術保障。

螺旋槳廠負責人說，過去生產一具5葉片、直徑11米的船用螺旋槳，需要5名工人手工打磨近一個半月時間，現在只需要1名技師操作機床工作7～10天。大幅提高工作效率的同時，也讓工人們遠離了金屬粉塵和高噪音的工作環(huán)境。機床成功投產意味著該廠具備了國內領先的螺旋槳制造技術，未來我國大型軍、民用船只和艦艇用螺旋槳有望由該機床加工而成。該項目的成功研制將解決我國大型、復雜、高精度螺旋槳加工的技術難題。同時將對我國大型船舶制造水平產生巨大影響，成為中國船舶制造工業(yè)的重要保障。

·六軸聯動數控電火花加工機床研制成功，從根本上提升火箭發(fā)射的可靠性

2014年11月，上海交通大學機械與動力工程學院趙萬生教授帶領的特種加工科研團隊成功研制了“六軸聯動數控電火花加工機床”。能把航天飛船等龐然大物送上太空，靠的是動力強勁的火箭發(fā)動機，而每臺火箭發(fā)動機需要10多個閉式整體渦輪葉盤類零件為火箭發(fā)動機燃料和氧化劑泵提供動力。由于其在發(fā)動機中的核心重要地位及加工難度又被稱為王冠上的明珠。趙萬生帶領的特種加工科研團隊，經過長達8年的科研攻關，突破了一系列關鍵技術，研制成功了“六軸聯動數控電火花加工機床”，并開發(fā)了配套的CAD/CAM軟件和加工工藝，為制造閉式整體渦輪葉盤提供了一套全面技術解決方案。

據統(tǒng)計，國內外火箭發(fā)射失敗的案例中，有大約45%是由火箭發(fā)動機使用的渦輪葉盤類零件失效所造成的。為了從根本上提升火箭發(fā)射的可靠性，火箭發(fā)動機采用了先進的帶葉冠的閉式整體葉盤結構，這種零件是采用一整塊毛坯材料直接加工出來的。葉盤類零件是航空、航天發(fā)動機的核心關鍵部件，在很大程度上決定了發(fā)動機的可靠性、性能和成本。而國內率先研制出“六軸聯動數控電火花機床”就好像一把神奇的“靈動之刃”，在葉盤的毛坯上加工起來游刃有余。

電火花加工是利用工具電極與工件之間的放電而產生的熱效應來去除材料的一種特種加工方法。對高溫合金、鈦合金等常規(guī)加工方法難以處理的材料進行電火花加工，可以達到以柔克剛的效果。但是要加工出葉盤上那些幾何形狀復雜的流道，光有“金剛鉆”還不行，其加工機床還必須具有足夠的自由度來實現所規(guī)劃的電極在空間內的復雜運動。上海交通大學研制的“六軸聯動數控電火花加工機床”，包含3個直線運動軸和3個旋轉運動軸。這套多軸聯動的電火花加工數控系統(tǒng)，采用一種全新的路徑規(guī)劃和插補方法，大大提高了6個軸之間軌跡的平順性和同步精度。

數控企業(yè)異軍突起智慧“大腦”日益增多

數控機床技術在高速化、復合化、精密化、多軸化等方面取得了顯著進步和一系列突破。其水平、品種和生產能力，直接反映了一國工業(yè)的綜合實力。但我國的數控機床在精度、可靠性方面和國外的數控機床還有很大差距。國產數控機床基本以低檔經濟型和中檔普及型數控機床為主，其中數控系統(tǒng)（普及型、高級型）的90%仍被外商占領。

數控系統(tǒng)作為數控機床的“大腦”，決定著機床的精確度和穩(wěn)定性。數控裝備產品除了完成直接加工任務之外，更應提升產品工藝適應性，能夠適應不同行業(yè)、不同產品的加工特點，這就需要智能機器設備擁有一個足夠開放的數控系統(tǒng)平臺。

然而，我國的數控產業(yè)規(guī)模都比較小，缺乏相關產業(yè)鏈的支撐。此外，由于數控軟件要求具有實時性、嵌入式特征以及面向特定制造工藝特殊分析的特點，使得數控軟件行業(yè)準入門檻較高，一般的軟件企業(yè)較難深入這一領域。最終導致裝備極為標準化，工藝適應性差，無法形成高端產品。因此，軟件產業(yè)化的問題已經成為數控系統(tǒng)產業(yè)化的關鍵。

近年來，一些優(yōu)秀的國內數控系統(tǒng)制造企業(yè)異軍突起，在中低檔經濟普及型競爭激烈的市場中，國產系統(tǒng)的市場占有率逐年提高。高檔系統(tǒng)雖然與國外的系統(tǒng)有一定差距，但是在隨著關鍵數控系統(tǒng)技術逐步突破，差距正在逐步縮小。

主流廠商自主研發(fā)總線式數控系統(tǒng)。總線處于設備的底層，有協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的特點，不僅能使系統(tǒng)與外部裝置之間高速傳輸大量的數據，從而滿足高精高速的加工需求，而且能簡化系統(tǒng)便于擴展。國內主流的廠商都推出了自主研發(fā)的總線式數控系統(tǒng)。

其中，華中8型數控系統(tǒng)分為HNC-848高檔型數控系統(tǒng)、HNC-818標準型數控系統(tǒng)和HNC-808精簡型數控系統(tǒng)。HNC-808主要瞄準國外精簡型數控系統(tǒng)，適用于數控車床、數控銑床；HNC-818瞄準國外普及型數控系統(tǒng)，具有高速高精度、同步控制等功能，適用于全功能數控車、數控銑床、鉆攻中心、加工中心；HNC-848瞄準國外高檔數控系統(tǒng)，采用雙CPU模塊的上下位機結構，具有多通道控制技術、五軸加工、高速高精度、車銑復合、同步控制等高檔數控系統(tǒng)的功能，適用于高速、高精、多軸、多通道的立式、車銑復合，五軸龍門機床。專家一致認為，該項成果已接近國際高檔數控系統(tǒng)的先進水平。這意味著，用中國的“大腦”裝備中國制造業(yè)已不再是夢想。自研制成功以來，華中8型全數字高檔數控系統(tǒng)已在中國航空航天、能源、船舶、汽車等重點領域用戶實現了實際應用。

PLC編程數控系統(tǒng)效果更佳。PLC控制是在數控機床運行過程中，根據CNC內部標志以及機床的各控制開關、檢測元件、運行部件的狀態(tài)，按照程序設定的控制邏輯對諸如刀庫運動、換刀機構、冷卻液等的運行進行控制。隨著國產數控系統(tǒng)的性能不斷強大，對于PLC控制逐步開放，用戶可以根據加工需求對PLC進行編輯，從而達到更高的加工效果。

多通道多軸聯動數控系統(tǒng)技術有所進展。多軸聯動是定義一款系統(tǒng)是否為高端數控系統(tǒng)的標尺之一，同時控制的軸數越多數控系統(tǒng)的性能越強大，其加工的可以更加復雜，國產數控系統(tǒng)在在經濟普及型領域逐步占據市場主導，在多軸聯動方面已經取得很多成就。國產系統(tǒng)雖然與國外多軸多通道數控系統(tǒng)在精度、可靠性、加工效率等性能方面有一定的差距，但是隨著更多品牌國產系統(tǒng)研究多軸多通道聯動數控系統(tǒng)，將會延續(xù)經濟普及型數控系統(tǒng)的成績。

復合加工數控系統(tǒng)技術更先進。隨著加工零件越來越復雜，加工工藝和工序愈加繁多，復合加工逐漸為復雜零件、高精密零件和難加工零件提供了先進的解決方案。目前復合加工的集中程度不高，主要以車銑復合、車－磨復合、車削－激光加工中心等，多軸聯動、典型復雜零件加工，更多加工工藝的復合，將會是復合加工研究方向。

智能化數控系統(tǒng)技術路徑更寬廣。數控系統(tǒng)由自動化向智能化發(fā)展是必然趨勢，智能化數控系統(tǒng)主要體現：操作智能化、加工智能化、維護智能化、管理智能化。國內高端數控系統(tǒng)開始智能化的研發(fā)，采用開放的體系結構，體現了數控技術和信息技術的發(fā)展，其實現智能化的技術路線和途徑更加寬廣，同時也為客戶進行二次開發(fā)提供了良好的手段。