2014数控机床“高端突破”盘点

文/小聂

2014数控机床“高端突破”盘点

文/小聂

随着国防、航空、高铁、汽车和模具等重要装备制造行业需求量的大幅增长，中国数控机床也取得了快速发展。中国目前已经超过德国成为世界第一大机床市场，数控机床作为机床消费的主流，未来的市场巨大。

自“十二五”以来，高档数控机床与基础制造装备专项实现自主创新能力显著提高，掌握了一大批具有自主知识产权的核心技术。以国家现有专项支持为基础实施了以企业为主题，以创新为驱动力的创新发展战略。同时引入科研院校参与，实行公私合营伙伴关系(PPP)推进研发，并于国家层面加大基础研究投入和研发人才培养。

2014年，国家实施继续稳增长、调结构战略，数控机床行业必须调整现有产业结构，在现有中端取得成果基础上发力高端，一方面面临国外产品以及合资产品挤压国内中端市场的竞争压力，另一方面要加大研发，挤入高端市场，摆脱受制于人的严峻形势。

高端数控机床是航空航天、汽车、船舶和发电设备制造这四大领域的必需品，是产业升级的必备品，尽管国家实施了“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项，但目前相关产品还未实现大规模的商业化，关键零部件和高档数控系统方面尚需继续努力。未来，随着国内在高端数控机床的重视度日益增长，本土机床品牌在加强自主研发与人才培养后，势必会迎来新的发展时期，我国也将实现高端数控机床高度国产化，解除工业发展瓶颈。

关键技术不断突破高端设备闪亮登场

·超重型数控卧式镗车床通过验收，我国进入超临界核电半速转子加工制造先进行列

2014年初，由中国兵器工业集团武汉重型机床集团有限公司承担的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“用于超临界核电半速转子加工的超重型数控卧式镗车床”项目通过了技术验收。

该国家科技重大专项于2009年开始实施，在研制过程中，取得了超重型数控卧式多功能复合加工机床总体方案技术、超重型高精度静压托主轴箱技术、超长床身制造工艺新技术、双工作组三通道控制技术、镗杆进给多轴同步技术等5项关键核心技术的突破。此专项的成功研制打破了日、韩超临界核电半速转子对我国的垄断和钳制，实现了核电半速转子国产化。

项目研制的超重型数控卧式镗车床，是超临界核电半速转子国产化的核心加工装备，解决了国内大型核电站1100MW超临界核电半速转子加工的难题，具有完全自主知识产权，填补了国内空白。自交付中国第二重型机械集团公司使用以来，已加工了1100MW核电半速转子共5件，五米轧机超重型支撑辊共6件，均达到国外图纸设计要求，部分主要精度指标优于图纸设计要求，实现了我国超临界核电半速转子的国产化制造，使我国进入了超临界核电半速转子加工制造的先进行列。

该装备还可用于巨型船舶舵轴及驱动轴、超大功率低速柴油机曲轴、超大功率汽轮机转子、水轮发电机主轴、大电机主轴等超大超重型轴套类零件的加工。

·七轴六联动螺旋桨加工机床投入使用，我国机床企业与世界机床强企同台竞技

2014年11月，由中传重型机床有限公司自主研制的世界最大11米直径七轴六联动螺旋桨加工机床，在武汉重工铸锻有限责任公司螺旋桨厂投入使用。该机床最大可加工11米直径螺旋桨，并首次采用七轴六联动方式，一次装夹可完成加工范围扩大，效率比原五轴联动方式提高了一倍，加工精度也得到大幅提升。

这台七轴六联动机床是目前已知国际上最大型、最复杂的机床。该机床集车、铣、镗、钻功能于一身，通过增加刀架摆动轴（A轴）参与联动，达到七轴六联动加工，已满足螺旋桨叶片空间重叠部位的独特加工需求，实现了对叶片的完整加工。与常规的五轴联动技术相比，可控制刀具的最佳位姿，避免加工干涉，加工效率得到极大提高。本台机床的研制成功，标志着我国机床企业已具备在国际市场上与世界机床强企同台竞技的实力。

在设计上首次采用七轴六联动方式，实现最复杂空间曲面加工。采用七轴六联动方式扩大了一次性加工面积，提高了加工精度，效率比以前五轴方式加工提高一倍。七轴六联动、螺旋桨加工都是机床制造中难度最大、最复杂的技术。中国制造却能与欧美企业竞争，并且多项精度与欧美比更有竞争力。本台机床工作台精度0.006毫米，C轴定位精度0.001度（千分之一度），如此规格机床在国际上也是首次。该项目首次采用了车铣复合加工方式，叶片的铣削加工，轴端，轴孔的车削加工，可在一次装夹中完成。避免了二次装夹带来的误差，大大提高了加工精度，加工效率大幅提升。机床自重600吨，如此庞然大物却能实现高精度、高灵敏度，横梁移动部件自重200吨，却实现进给每分钟12米的速度，这些都需要先进的技术保障。

螺旋桨厂负责人说，过去生产一具5叶片、直径11米的船用螺旋桨，需要5名工人手工打磨近一个半月时间，现在只需要1名技师操作机床工作7～10天。大幅提高工作效率的同时，也让工人们远离了金属粉尘和高噪音的工作环境。机床成功投产意味着该厂具备了国内领先的螺旋桨制造技术，未来我国大型军、民用船只和舰艇用螺旋桨有望由该机床加工而成。该项目的成功研制将解决我国大型、复杂、高精度螺旋桨加工的技术难题。同时将对我国大型船舶制造水平产生巨大影响，成为中国船舶制造工业的重要保障。

·六轴联动数控电火花加工机床研制成功，从根本上提升火箭发射的可靠性

2014年11月，上海交通大学机械与动力工程学院赵万生教授带领的特种加工科研团队成功研制了“六轴联动数控电火花加工机床”。能把航天飞船等庞然大物送上太空，靠的是动力强劲的火箭发动机，而每台火箭发动机需要10多个闭式整体涡轮叶盘类零件为火箭发动机燃料和氧化剂泵提供动力。由于其在发动机中的核心重要地位及加工难度又被称为王冠上的明珠。赵万生带领的特种加工科研团队，经过长达8年的科研攻关，突破了一系列关键技术，研制成功了“六轴联动数控电火花加工机床”，并开发了配套的CAD/CAM软件和加工工艺，为制造闭式整体涡轮叶盘提供了一套全面技术解决方案。

据统计，国内外火箭发射失败的案例中，有大约45%是由火箭发动机使用的涡轮叶盘类零件失效所造成的。为了从根本上提升火箭发射的可靠性，火箭发动机采用了先进的带叶冠的闭式整体叶盘结构，这种零件是采用一整块毛坯材料直接加工出来的。叶盘类零件是航空、航天发动机的核心关键部件，在很大程度上决定了发动机的可靠性、性能和成本。而国内率先研制出“六轴联动数控电火花机床”就好像一把神奇的“灵动之刃”，在叶盘的毛坯上加工起来游刃有余。

电火花加工是利用工具电极与工件之间的放电而产生的热效应来去除材料的一种特种加工方法。对高温合金、钛合金等常规加工方法难以处理的材料进行电火花加工，可以达到以柔克刚的效果。但是要加工出叶盘上那些几何形状复杂的流道，光有“金刚钻”还不行，其加工机床还必须具有足够的自由度来实现所规划的电极在空间内的复杂运动。上海交通大学研制的“六轴联动数控电火花加工机床”，包含3个直线运动轴和3个旋转运动轴。这套多轴联动的电火花加工数控系统，采用一种全新的路径规划和插补方法，大大提高了6个轴之间轨迹的平顺性和同步精度。

数控企业异军突起智慧“大脑”日益增多

数控机床技术在高速化、复合化、精密化、多轴化等方面取得了显著进步和一系列突破。其水平、品种和生产能力，直接反映了一国工业的综合实力。但我国的数控机床在精度、可靠性方面和国外的数控机床还有很大差距。国产数控机床基本以低档经济型和中档普及型数控机床为主，其中数控系统（普及型、高级型）的90%仍被外商占领。

数控系统作为数控机床的“大脑”，决定着机床的精确度和稳定性。数控装备产品除了完成直接加工任务之外，更应提升产品工艺适应性，能够适应不同行业、不同产品的加工特点，这就需要智能机器设备拥有一个足够开放的数控系统平台。

然而，我国的数控产业规模都比较小，缺乏相关产业链的支撑。此外，由于数控软件要求具有实时性、嵌入式特征以及面向特定制造工艺特殊分析的特点，使得数控软件行业准入门槛较高，一般的软件企业较难深入这一领域。最终导致装备极为标准化，工艺适应性差，无法形成高端产品。因此，软件产业化的问题已经成为数控系统产业化的关键。

近年来，一些优秀的国内数控系统制造企业异军突起，在中低档经济普及型竞争激烈的市场中，国产系统的市场占有率逐年提高。高档系统虽然与国外的系统有一定差距，但是在随着关键数控系统技术逐步突破，差距正在逐步缩小。

主流厂商自主研发总线式数控系统。总线处于设备的底层，有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点，不仅能使系统与外部装置之间高速传输大量的数据，从而满足高精高速的加工需求，而且能简化系统便于扩展。国内主流的厂商都推出了自主研发的总线式数控系统。

其中，华中8型数控系统分为HNC-848高档型数控系统、HNC-818标准型数控系统和HNC-808精简型数控系统。HNC-808主要瞄准国外精简型数控系统，适用于数控车床、数控铣床；HNC-818瞄准国外普及型数控系统，具有高速高精度、同步控制等功能，适用于全功能数控车、数控铣床、钻攻中心、加工中心；HNC-848瞄准国外高档数控系统，采用双CPU模块的上下位机结构，具有多通道控制技术、五轴加工、高速高精度、车铣复合、同步控制等高档数控系统的功能，适用于高速、高精、多轴、多通道的立式、车铣复合，五轴龙门机床。专家一致认为，该项成果已接近国际高档数控系统的先进水平。这意味着，用中国的“大脑”装备中国制造业已不再是梦想。自研制成功以来，华中8型全数字高档数控系统已在中国航空航天、能源、船舶、汽车等重点领域用户实现了实际应用。

PLC编程数控系统效果更佳。PLC控制是在数控机床运行过程中，根据CNC内部标志以及机床的各控制开关、检测元件、运行部件的状态，按照程序设定的控制逻辑对诸如刀库运动、换刀机构、冷却液等的运行进行控制。随着国产数控系统的性能不断强大，对于PLC控制逐步开放，用户可以根据加工需求对PLC进行编辑，从而达到更高的加工效果。

多通道多轴联动数控系统技术有所进展。多轴联动是定义一款系统是否为高端数控系统的标尺之一，同时控制的轴数越多数控系统的性能越强大，其加工的可以更加复杂，国产数控系统在在经济普及型领域逐步占据市场主导，在多轴联动方面已经取得很多成就。国产系统虽然与国外多轴多通道数控系统在精度、可靠性、加工效率等性能方面有一定的差距，但是随着更多品牌国产系统研究多轴多通道联动数控系统，将会延续经济普及型数控系统的成绩。

复合加工数控系统技术更先进。随着加工零件越来越复杂，加工工艺和工序愈加繁多，复合加工逐渐为复杂零件、高精密零件和难加工零件提供了先进的解决方案。目前复合加工的集中程度不高，主要以车铣复合、车－磨复合、车削－激光加工中心等，多轴联动、典型复杂零件加工，更多加工工艺的复合，将会是复合加工研究方向。

智能化数控系统技术路径更宽广。数控系统由自动化向智能化发展是必然趋势，智能化数控系统主要体现：操作智能化、加工智能化、维护智能化、管理智能化。国内高端数控系统开始智能化的研发，采用开放的体系结构，体现了数控技术和信息技术的发展，其实现智能化的技术路线和途径更加宽广，同时也为客户进行二次开发提供了良好的手段。