当今世界机床的技术发展趋势

陈循介



当今世界机床的技术发展趋势

陈循介

（北京机床研究所 北京 100102）

机床，是当今世界民用、军工等制造业所必不可缺的“生产工具”，是制造机器的“工作母机”。如果人类没有机床，就不可能制造出汽车、拖拉机、火车、飞机、轮船，更不可能制造出航天飞行器。机床技术之先进，机床业之强大，决定一国民用、军工装备之技术是否先进，更决定一国制造业、工业化之强弱。美、德、日三大世界工业强国，其基石、支柱，就是靠有先进的机床、有强大的“机床工业”。

在世界科技发展中，人类创造工具、开发利用资源，“人、工具、资源”是人类社会生产发展的“三大”要素。人是根本，人的文化、科技知识，决定了工具能否不断创新、资源能否合理利用。如果没有“高水平”的“人”，也就不可能制造出高质量的机床和各行各业所需的优质“装备”。

世界机床技术的发展，经过约240年的不断改进、创新，从手动普通机床进入高效自动化机床、流水线大批量自动化生产阶段，以汽车生产之高效自动化为特征。从1952年起美国为加工飞机的复杂零件，费时4年研制出全新控制原理、硬件、软件相结合的数字控制机床，开始进入数控（NC）机床时代，进入到为单个复杂零件、小批生产的高效自动化阶段，以生产制造飞机、航空航天器为特征。高速化后，也可用于大批量汽车自动化生产。目前，在全世界民用、军工装备生产中，NC机床已占主导地位。仅发展中国家如中国、印度、越南，还大量生产落后的手动普通机床。

当今世界，经济全球化、信息网络化、智能集成化、环保化、科技创新日新月异。在科学技术相互竞争异常激烈之际，“机床”是发展经济，强大制造业基础“支柱”。我们必须头脑清醒，明了当今世界“机床”的技术发展趋势，有针对性地解决好机床工业由大变强的矛盾。在前进道路上，有符合时代和高科技市场经济的明确方向。

1 材料高性能化、基础技术坚实化

各类NC金切机床与刀具、成形机床与冶具，唇齿相依，密不可分。而机床由机、电、液、气、光、元件和各种功能部件（如主轴轴承、主轴电机、伺服电机、直线导轨、滚珠丝杆、直线电机、精密刻度尺、激光器等）、NC系统和主体组合而成。不同元部件、刀具、测量、功能部件，控制系统及机床主体，均需有针对性的采用不同性能的材料。而这些材料与各种元部件、功能部件、NC系统，统称为机床工业的基础技术。材料高性能化（如更高强度、硬度、韧性、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、质量轻等）；基础技术坚实化（如更高精度、效率、自动化、微型化、更加可靠、稳定、耐用）的水平不断提高与创新，是当今世界NC机床技术发展的主要趋势。每一种新材料、新功能元部件的创新，都可能使机床的精度、效率、自动化等提升一大步，也可能成为某一时期机床技术的发展趋势，甚至于成为某一时期机床技术的“发展浪潮”。例如：直线电机，比滚珠丝杠的移动速度快数倍，用在某些机床上，可大大提高机床的效率。又如：最近新开发成功的“纳米多结晶金刚石”，用CVD（化学气相沉淀）制成，生产出的超精密切削刀具，具有切削性能好、耐磨损、寿命长等优点，可用于复杂刀尖形状和超精密、微细加工，将为今后在这方面发展提供了一种趋势。

2 高精度、高质量

机床的高精度、高质量是今后机床技术发展的一个“永恒性趋势”。实质上讲，没有高精度和高质量（精度保持性、可靠性、稳定性、耐用性），就不可能发展高效率化、高自动化，更不可能实现智能化、网络化、集成化等。中国高档NC机床之所以发展不上去，就是因为缺乏扎实的基础“技术”，缺乏NC机床中的核心技术，这是十分关键的“致命伤”。

汽车需要满足大批量高效率自动化生产，飞机、航空航天飞行器需要满足单个复杂件、小批量高精度自动化生产，因此，要求有各种类型的NC金切、成形机床与所需配套的元部件，包括功能部件、NC系统、刀具、测量、附件等，有的还需与各种类型机器人组合成“线”，实现自动高效无人化生产。长期以来，我国机床工业不能切实满足用户需求，重数量轻质量，忽视系统研究，用户为确保生产正常进行，宁愿进口美、德、日先进高档NC机床、刀具。

高精度化、高质量化，是发展先进高档NC机床，为未来实现计算机集成制造系统（CIMS）、自动化工厂（FA）等的基础。也是机床工业、制造业由大变强的努力方向。如果没有高素质的人才，同时缺乏各有关部门之间的紧密合作，技术链、生产链、供应链又残缺松散，则高精度化、高质量化，也就不可能实现。

3 高效率化

通过先进NC机床，使加工、制造业装备的高效率化，可实现提高劳动生产率。而“高效率化”的实现，是通过多种有效措施、先进技术实现的（如：高速切削、强力切削、快速移动、缩短加工时间、辅助时间、多轴联动控制、多工序复合加工、自动在线测量、以及科学的组织管理等）。而先进高档NC机床之所以能实现“高效率化”是建立在“高质量化”基础上的。不仅如此，还要求对“机床”的基础理论研究要过硬（如：机床的刚性、振动、热变形、噪声等）；对应用技术研究过硬（如：机床的布局、结构配置、个性化的合理应用等）。

4 高自动化

先进NC机床的高自动化发展趋势，主要是减轻和消除体力劳动。如实现自动更换刀具、自动上下料等，不需要人的参与而实现自动化、高精度、高效率加工。高自动化是建立在前述的材料高性能化、基础技术的坚实化、高精度化、高质量、高效率化的基础上。特别是刀具材料的高性能化，各种机、电、液、气、光元件；功能部件、NC系统等的“可靠性”、“稳定性”。如果没有“可靠性”、“稳定性”、“耐用性”，也就不可能实现“高自动化”。

5 智能化

“智能化”是代替人的脑力劳动。当今世界，先进高档NC机床实现“智能化”，还只是一个开端，离开完善的“智能化”，距离还很远。但它是今后技术发展的趋势。“智能化”完善实现之时，也可能是世界上期望的“无人化工厂”出现之日。它的实现或早或迟，将取决于人类的文化科技知识提高进程。

从用户需要角度看，希望“智能化”能解决以下六大方面问题。即：（1）确保加工的高精度；（2）提高效率；（3）不损害环境，节省能源；（4）确保安全生产；（5）节省体力和脑力劳动；（6）降低成本。要解决的关键技术有：（A）加工过程、加工条件的自动选择；（B）高精度加工功能的优化；（C）自动确保安全可靠；（D）自动实现节省能源；（E）自动监视机床维护状态、进行检测、消除隐患等。

对熟练技术工人来说，机床“智能化”能解决：（1）自动监视机床整机、主要部件、NC系统状态；（2）能自动确保机床的安全维护；（3）实现加工条件的优化与自动选择；（4）机床调整的智能优化等；（5）能自动监视机床的维护状态、消除各种隐患；（6）能自动实现“智能化”节省能源等。

上述这些“智能化”技术，需要进一步深入解决：各种精确有效可靠的传感器（如：温度传感器、变位传感器、环境变换传感器、微型智能观测传感器等等），更需要进一步提高NC系统的许多更高级功能，如智能化精度补偿，自动消除各种误差、故障，并能准确事先预测、加以预防等等。

“智能化”是代替人的脑力劳动，其复杂程度和难度，远高于前述之高“自动化”，对其可靠性、稳定性、耐用性技术水平的要求，更高，更严。

6 复合化、多轴联动化、组合化、网络化、个性化、集成化、环保化

这些趋势，已经出现多年，在四大国际机床展览会上，已有一些高端NC机床展品展示，也已被人们熟悉。复合化：主要是在加工中心（MC）的基础上，将更多工序复合进行加工，提高效率。如MC+磨削加工，MC+激光加工等等。并不断扩大到NC机床、NC磨床等其他机床上。多轴联动化：主要是用来实现各种复杂及不同曲线型面的加工，目前5轴联动发展迅速。组合化：主要是在NC机床设计结构上，实现组合部件的通用化，进一步提高制造上的方便、供应用户之便捷、降低机床制造成本。网络化：主要是通过信息构成不同网络，实现信息的自动传递，并可实现远距离诊断、维修、维护等。个性化：主要是针对有特殊需求用户的难切削材料、特殊形状零件进行高精、高效、高自动化加工。集成化：主要是实现少油、自润滑、无油润滑、节能省地、绿化、保护环境等。所有这些趋势，对于NC机床技术的发展，将随着时间的推移，不断深化、完善、进一步发展、创新、提高。

当今世界机床的技术发展趋势，是多方面的，也是相互交叉、融合。它将随着市场的不同需求，还将会出现许多新的技术发展趋势。

为实现这些技术发展趋势，必须切实做好以下三点：（1）机床本身有其特点和发展规律，它是人类的先进“生产工具”，其科研、设计、制造、使用，是社会各有关方面的“群体活动”，与数学、物理、化学各类学科的发展有所不同，需要全社会各方面的紧密合作和相互协同，这样，才能使社会资源最大化利用。在“技术链”、“生产链”、“供应链”各个方面，周密完善，特别是在材料、零部件、功能部件、NC系统、电子计算机的新技术、网络信息科技等方面，需要加速配合发展。（2）先进NC机床产品能否加速发展，必须正确处理好“质量、性能、品种、价格、交货期、服务”六点，而整个机床行业的发展，则必须解决好“人才、科研、质量、创新、合作、信誉”六个方面问题。（3）机床技术的发展提高，将取决于社会经济的盛衰。

冰冻三尺，非一日之寒。只有明确这些技术发展趋势，群策群力，万众一心，有信心、决心、恒心，有能力、毅力、魄力、实事求是、具有科学精神，踏踏实实、坚忍不拔、坚持有恒、稳步前进。攻克各种技术关键、掌握世界尖端技术，才能取得牢固胜利，国家才能真正持久富强。

这也是今天我们认真深入分析当今世界技术发展趋势的重要目的。