國產數(shù)控機床的技術發(fā)展與差距

國產數(shù)控機床走過了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，設立了重大技術攻關專項，有效地促進了數(shù)控機床的發(fā)展。目前，國產數(shù)控機床可供品種達1500多種，覆蓋了數(shù)控金屬切削機床、數(shù)控板材加工機床（數(shù)控沖壓機床、數(shù)控激光加工機床、火焰切割機床等）、數(shù)控電加工機床、工業(yè)機器人、三坐標測量機等，種類基本齊全。2010年數(shù)控金屬切削機床保有量約為150萬臺（其中進口超過40萬臺），僅金屬切削機床的年產量就超過了16萬臺、2011年1~10月份累計達到21.8萬臺、全年可達到25萬臺左右。國產品牌數(shù)控機床的數(shù)量和價值占國內市場50%以上。在代表先進技術水平的五軸聯(lián)動和復合加工中心、數(shù)控系統(tǒng)和其他配套技術產品方面也都取得了新進展。本文主要圍繞數(shù)控技術發(fā)展與差距展開討論。

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

圍繞質量、效率和工藝變革的要求，我國機械制造工藝裝備——主要是數(shù)控設備在技術層面發(fā)生了深刻的變化。數(shù)控機床功能不斷豐富，采用了工序、工藝集中化和復合化技術；機床在結構布局和新材料應用方面都有了新發(fā)展；數(shù)控技術在開放化、智能化、網(wǎng)絡化、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效率，提高精度，保證質量和實現(xiàn)效益最大化。

追求高生產率

為了追求機械制造的高生產率，促進數(shù)控設備向加工復合化（工序復合和工藝復合）、高速化、智能化、網(wǎng)絡化、工藝參數(shù)優(yōu)化方向發(fā)展。

1復合化

數(shù)控機床復合加工，主要指工序集中化、復合化和工藝復合化。

1.1工序集中化、復合化

自從20世紀70年代末，隨著三聯(lián)動加工中心開始用于機械制造，開始進入機械加工工序集中化時代。20世紀80年代，我國自制的三聯(lián)動加工中心也開始在機械制造中得到應用，主要是用于箱體件和模具加工。在一次裝卡中就可以實現(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、車銑復合加工中心、車銑磨復合加工中心和磨削復合加工中心等。有的國內制造廠商已經能夠提供五軸聯(lián)動和多軸聯(lián)動復合加工中心等，但有一些是屬于重大專項攻關產品，有待進一步商品化和產業(yè)化。

1.1.1五軸聯(lián)動加工中心

國內生產五軸聯(lián)動加工中心的廠家正在不斷增加。如沈陽機床廠生產的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；大連機床產生的VDM500五軸立式加工中心；北京機電院生產的XKR32G五軸聯(lián)動加工中心和XKH800五軸聯(lián)動葉片加工中心；濟南二機床生產的XV2525×60高架式五軸聯(lián)動加工中心等都能實現(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個關鍵核心部件技術難度較大，一個是雙擺角萬能加工頭；一個是雙軸回轉臺。這2種部件國內廠商也已開發(fā)出來，但有待進一步的完善和商品化。雙擺角萬能加工頭用于大型機床，雙擺軸回轉臺用于小型機床。目前這2種部件都采用直驅力矩電機，并裝有編碼器，以提高動態(tài)性能和精度。

1.1.2車銑復合加工中心

車銑復合加工中心既有在數(shù)控車床基礎上開發(fā)出來的，也有在立式加工中心基礎上開發(fā)出來的。如南京數(shù)控機床有限公司生產的CK1840S型車銑復合加工中心是在數(shù)控車床基礎上開發(fā)出來的。該機床具有雙主軸、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軸分辨率達到0.001°。該機床對回轉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。安陽鑫盛機床股份有限公司生產的CX110立式車銑復合加工中心，是在立式加工中心基礎上增加車削裝置開發(fā)出來的。該機床具有車、鏜、銑、鉆、鉸、攻絲等功能，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動的五面加工。此外大連機床開發(fā)的VHT800五軸聯(lián)動車銑復合加工中心、CHD25五軸聯(lián)動車銑復合加工中心；武漢重型機床集團公司開發(fā)的WHGS7000車銑復合加工中心等，也都能實現(xiàn)零件一次裝卡，完成復雜結構和復雜型面零件的多道工序加工。

1.1.3車銑磨復合加工中心

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

1.1.4車銑磨齒輪加工復合中心

有的車削中心在回轉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磨削復合加工中心

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

1.2工藝復合

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

據(jù)有關資料顯示，1臺五軸聯(lián)動加工中心或多工序復合加工中心比三聯(lián)動加工中心能提高生產效率1倍以上。多軸聯(lián)動和復合加工不但能提高生產效率，而且減少了二次安裝誤差，提高了精度和質量。國內已經可以生產五軸聯(lián)動加工中心和多軸聯(lián)動復合加工中心，但有些屬重大攻關產品還有待進一步商品化和產業(yè)化。

2高速化

為實現(xiàn)數(shù)控加工高速化，傳動系統(tǒng)采用直驅技術，數(shù)控系統(tǒng)采用高速運算處理技術。

2.1直驅技術

為了提高生產效率，數(shù)控機床傳動部件逐步采用直驅技術。主軸采用電主軸直驅，進給采用直線電機驅動，回轉工作臺采用力矩電機直驅，五軸聯(lián)動的擺角萬能頭采用力矩電機直驅等。

早在2000年以前，我國就開始了直驅技術的研究與開發(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和供應電主軸系列產品，北京首科凱奇電氣技術有限公司也開發(fā)了直線電機。用戶對以上產品性能和技術指標反應良好，但與國外先進水平相比還有差距。

目前，國外先進的電主軸單元轉速可達15000~100000r/min，一般的用到40000~50000r/min的較多。采用直線電機直驅的進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_60~200m/min，加速度達2g~10g；工作進給可高達60m/min以上，加速度達1g~2g。采用傳統(tǒng)的滾珠絲杠傳動的進給部件的進給速度為20~30m/min，加速度為0.1g~0.3g；一般情況下，進給速度為30m/min左右。直驅比用滾珠絲杠驅動的進給速度提高了1倍以上，從而減少了輔助時間，提高了生產效率。直線電機驅動技術有著廣闊的應用前景，但還需進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)控機床已采用了直驅技術。如濟南二機床開發(fā)的XHV2525×60高架式五軸聯(lián)動高速鏜銑加工中心，x、y軸采用了直線電機驅動。北京機電院開發(fā)的XKR32G五軸聯(lián)動加工中心工作臺的2個回轉軸采用力矩電機直驅，XKH800五軸聯(lián)動葉片加工中心的主軸采用電主軸直驅等。國內數(shù)控機床采用直驅技術還處于初級階段，還不普遍，在性能方面還存在一定差距。而德國DMG公司每年生產的數(shù)控機床中有1500多臺采用了直驅技術。德國巨浪公司生產的FZ12KS五軸加工中心，主軸轉速達40000r/min，換刀時間低于0.6s，進給加速度達1g~2g，快速進給速度可達90m/min，工件交換時間為2s。

2.2數(shù)控系統(tǒng)高速運算處理技術

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

來源：中國質量協(xié)會

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