瞻望中国机床制造的新未来

本刊特约撰稿人 徐正平

社会总是不断进步，因此发展就是硬道理。在我们机床工具领域中，高速、高精度、高功能，那是永无止境的追求；现在还要加上节能与环保等要素。那么立足当今、借鉴国外，看看未来我国的机床制造业会有哪些创新空间呢？

结构创新将层出不穷

1.加工中心

加工中心是机床结构最容易善变的一种，特别是卧加。回瞻以往的历史，从T形布局到反T形布局，还有箱中箱框架结构和顶梁运动等等。

德国EMAG公司，把倒置立车，演变成倒立加工中心和倒立复合中心，从而占领了加工大批量轻型回转体零件的不少市场份额。

笔者一直将德国Alfing公司的AS卧加系列，称之为没有X轴的加工中心（见图1），因为其X方向的运动，是由通过由大功率扭矩电动机驱动主轴箱，绕主轴轴线作C轴回转，同时又迅速作Y轴上下升降运动。因为是两种运动方式的叠加，故机床的快进速度可达到120 m/min，加速度为2g。那么鉴此原理，再作新的发明也是完全可能的。

图1 没有X轴的加工中心

我国经过最近十多年的高速发展，从世界银行技改引进到合资合作，再加上自己的智慧，对加工中心的研制已经得心应手，相信今后中国机床的设计，在结构方面取得首创性突破，应该指日可待。

2.并联机床

美国G&L 公司开发的并联机构，当时是个六条腿的测量平台，在这种原理基础上，后来大家就研制成功了并联机床，从此机床从传统的单一C型传动链结构，也开始向并联运动方向发展。

目前大多数并联机床是倒置的，即这几条腿设罝在机床上方，通过变换桁架杆的支点位置，带动铣头完成加工任务。而EMO2013，瑞士Willemin-Macodel公司又将倒置变为正置，他们推出了一款正置的三条腿并联机床，也就是三条腿在下面运动，铣头罝于上方（见图2），这种正、倒、正的变化，说明了创新是永无止境的。

图2 WI_MA并联原理

我国现在研制并联机床已有较长时间了，清华大学、哈量等成绩斐然，如果大家仔细观察的话，天宫一号的对接装置就是并联机构。针对并联机床刚性差这一弱点，四川长征机床成功研制了串并联相结合的并联机床，从而大大提高了刚性。因此若干年后，我国在该领域中的创新产品定将成果累累。

3.多轴联动与复合加工

目前我国多轴联动与复合加工机床仍是弱项，关键受数控系统与软件的限制。以加工叶片、叶轮与模具为主的五轴联动加工中心，主要配置为铣头两联动或转台两联动，机床结构甚至设计成立柱倾斜或工作台倾斜；以加工曲轴和凸轮轴为主的车铣复合机床，当今主要还是沿用奥地利WFL公司发明的结构形式。

这两款机床，无论民用还是国防，需求甚大，要求甚高，势必是今后研发的重点，相信国产品牌会跃上一个新台阶。

重型机床势必鹤立鸡群

大家都喜欢争看央视记录片《大国重器》，沈阳机床、北一、济二所生产的机床，为强国强军提供了必需的工艺装备。除此以外，再加上大连机床、武重、三一、上机、天水星火等所制造的重型机床，不仅为挡住进口填补了空白，并且己销往欧美去占领国际市场。

譬如天水星火的数控卧式车床CK61630，其回转直径可达6.3m，加工长度18m，工件重量200t；已销售给在天津的法国阿尔斯通公司；上海机床厂生产的当今世界最大的可顶磨250t工件的MKA84250/15000－H超重型精密数控轧辊磨床，其最大磨削直径2.5m，有效磨削工件长度为15m；同样，齐重的数控重型曲轴加工机床，其加工件重260t，工作长14.5m；我们的数控龙门五轴联动车铣复合机床，其龙门宽度能达到11m，国产自制的模锻压力机，可锻打7.8万t重的大型工件……

事实证明，我们的机床制造能力巳进入世界第一方阵，并且前景将越来越看好，将来超大型机床的制造能力，中国肯定数一数二。

当然，我们还有多项技术有待研发和创新，如龙门加工中心的铣头ABC三轴联动，铣头自动交换技术，采用大功率、大转矩主轴、热变形控制技术以及新材料应用等。

工业机器人应用日益普遍

当今美国提出，要像文艺复兴那样来复兴制造业，其中的重点之一就是机器人技术。

发展机器人技术，有其积极的战略意义，除了减轻劳动强度、节省人力资源之外，它可以在一些特殊场合发挥作用。在机床领域，其应用范围已从自动化搬运转向切削加工了。最初的尝试是意大利公司EVOLUT，他们在机械手上加上动力装置对工件进行去毛刺，而现在大家已用机器人完成抛光、激光加工、打磨等工序。

图3所示是格林策巴赫机械（上海）有限公司机器人自动打磨技术。所以以后发展钻、铣，甚至车削功能也是完全可能的。

图3 机器人打磨

值得一提的是，现在我们经常提及柔性制造系统FMS，其实这和机器人制造技术有关，因为FMS是由机器人制造技术演绎而来。当然，我们对FMS的剖析，应该偏重于总控系统、运输小车、交换托盘库以及清洗机等，机床（主要是卧加）只是加工零件的组成单元。我们的研发方向，不仅要强化加工单元的自适应能力，更要照顾到工作站周围移动物体能力及响应遥感数据的能力等等。

我国工业机器人下一步目标，主要朝着智能化、提高重载能力、高精度跟踪等动态性能发展，并提高系统的开放性。

性能的提高包括高速度、高精度、高可靠性以及方便操作和维修；机械结构会向模块化、可重构化发展，也会采用并联机构等形式；控制系统会向着基于PC机的开放型控制器方向发展，而智能化传感技术、遥控技术及虚拟技术等的应用将日益普及。

3 D打印方兴未艾

有人说，第三次工业革命就是3D打印；还有人说3D打印将引发工业革命……且不研究这种说法是否全面，不过将3D打印认作制造业的创举，那是毫无疑问的。3D打印不可能完全取代其他制造工具与设备，但若和现有制造装备结合应用，会创造出更丰富的产品出来。

所谓3D打印技术，实际上是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造。基于这种技术的3D打印机在内部装有液体或粉末等“打印材料”，通过电脑控制把“打印材料”一层层地叠加起来，最终把计算机上的三维蓝图变成实物，故现称增材制造。

相比工作母机，增材制造能加工出高精度、复杂型面的金属与非金属零件，它还能避免刀具干涉、能加工激光束被遮挡的加工部位。

3D打印技术有很多种，主要按打印材料而分，大致有激光粉末成型法（复合尼龙粉末、金属合金粉末）、熔融塑料成型法（ABS，Polycarbonate等热塑性材料）、光敏树脂成型法（光敏树脂）等几种。

我国当今发展3D打印风起云涌、势头强劲，在机械、医疗、军工等领域成绩斐然，前途不可估量。图4所示是我国开发的用并联机构打印产品。其今后的道路，主要是沿着新材料开发、3D扫描、3D设计、智能化、自动化控制装备和软件的结合应用等多方面发展。

图4 并联3D打印

冷冻切削

金属加工机床，是由刀具与工件作相对运动而完成的。因此如何克服由切削热所造成的刀具损耗、提高切削效率，也是永恒不变的追求目标。

美国MAG公司前几年研究的一套颠覆传统切削方式的切削冷却系统——超低温液氮冷却切削技术，这是一种革命性的创新。如果这一技术的推广成功，将对机床和刀具行业产生革命性的冲击。高效和高寿命将使机床和刀具的效率与寿命大大提高，并使其用量大大减少，因此也降低了地球资源的消耗。

这种技术主要是通过主轴中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中喷出液氮，将刀具产生的切削热被液氮气（液氮的沸点为－320℃）瞬间带走，故切削速度及刀具寿命均可大大提高。

该技术对于环境友好，它不像冷却液或冷却油那样要污染环境，需要作回收处理，而氮气是安全气体，自然排放到空气中没有任何污染，也不需回收。

欣喜的是，瑞士斯达拉格集团在2013EMO汉诺威机床展中，亮相了一台全球首创的，配备液态二氧化碳冷却系统的叶片加工中心LX051（见图5）。该机床采用液态二氧化碳对刀具和加工区域进行冷却，从而加工效率提高了至少70%以上，并且降低刀具磨损，提高加工表面质量还避免了传统冷却液的使用。

图5 叶片加工中心LX051

我国目前刀具行业与国际之间差距比机床还大，如果此领域有所突破的话，那可使金切行业达到质的飞跃。

智能制造精益求精

智能化是集信息技术、光电技术、通信技术、传感技术等为一体，推动着机床制造业的不断进步。

具体内容包括：控温传感技术、自适应控制技术、空间插补技术、改善表面加工质量技术、安全防护技术、提高加工精度与检测技术等等。由于“机床的智能制造”在我们《金属加工》杂志己有过多篇较详细的报道与介绍，在此就不再赘述了。

未来机床的无穷愿景

如果瞻望未来机床的款式，我想会使人们越来越看不懂。由于加工的材质与工艺手段不同，机床术语也应调正，譬如为了加工碳纤维的零件，二就开发了缠绕机，因为这种材料靠车、铣是很难切削而成的，只能用缠绕方式将其制造出来。

机床或许就是一台轨道铣磨车（见图6），为修复破坏的路轨而用。这辆火车头的前轮把路轨铣平，后轮则用砂轮去除毛刺并磨光（见图7）。

图6 轨道铣磨车

图7 铣磨车原理

工业造型设计将变得越来越重要了，值得一提的是沈阳机床，目前他们的机床外型，与德国、日本等国产品难分伯仲。瑞士Tornos的机床外观，像童话那样漆成七彩，说是迎合年轻员工的兴趣爱好（见图8）。

图8 机床彩色外观

最典型的当然是日本MAZAK的机床模型，它把高速、高效、复合、环保等均集成于一体了（见图9）。机床的参数为：主轴转速100 000r/min，加速度8g，切削速度2M，同步换刀，干切削，集车、铣、激光加工、磨、测量等工序于一体。从本质上来讲，当今计算机技术日新月异，多CPU在系统中的应用，或者甚至CPU被取代，将对控制系统将产生不可估量的影响。

图9 未来机床模型

奥地利贝加莱工业自动化（上海）有限公司总经理肖维荣先生早就断言：“新一代开放的PLC将融合CNC，并将最终替代它。”因此，被誉为机床大脑的控制技术，一旦发生重大变革，同样会促进机床制造业的革命性变化。

瞻望未来的另一个愿景，就是大家十分希望能看到的，即我们机床的质量会得到飞跃，加强标准贯彻，重视检验检测，使“中国制造”变成优秀品牌的代名词；同时还必将加强诚信服务，做好交钥匙工程，满足交货期，把失去的信誉夺回来。

结语

机床制造业为国家支柱产业提供必需的工艺装备，强国强军离不开它。然而要做强机床制造业，还要靠几代人的拚博才能完成；要有壮士断腕之雄心去克服短浅的功利主义方能实现。

由专家学者们悉心编纂的“中国机械工程技术路线图”，是一本不可多得的教科书，它规划了在2030年以前我国的具体发展轨迹，值得大家仔细阅读。

“路线图”是指导机械行业如何实现制造技术自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的战略线图。与机床行业相关较密切的内容有智能制造、高速精密制造、微纳制造、新材料应用、数字化工厂等。这是根据当今世界前沿科技发展趋势，并结合本国实际所编纂的经典著作，如果能遵循其设计好的路径走，再加上我们的创新智慧，那么圆我们中国机床梦是为时不远了。