新工業(yè)革命時代的機床發(fā)展之路
新工業(yè)革命時代的機床發(fā)展之路
——CIMT2015加工中心評述
上海機床工具集團有限公司 徐正平
第十四屆中國國際機床展覽會（CIMT2015）于4月20-25日在北京舉行，來自28個國家和地區(qū)的1554家展商參加了這次盛會。
這次展會是在沸沸揚揚的工業(yè)革命浪潮聲中舉行的，網(wǎng)絡(luò)時代對機床發(fā)展之路的影響忽隱忽現(xiàn)有所體現(xiàn)：同時這次展會又是在國際制造業(yè)普遍不景氣的情況下舉行的，然而展會面積與觀眾人次卻同比增長4%和9.35%，這說明作為制造業(yè)脊梁的機床工業(yè)，其地位是難以撼動的，因此大家對市場要有信心，機床發(fā)展之路必將越走越寬廣。
加工中心當(dāng)然是展會的重頭戲，這次共展出220臺，其中立式102臺，臥式48臺，龍門28臺。值得欣慰的是，國內(nèi)展品的檔次大有提高，五軸加工中心比比皆是，甚至許多機床的外觀造型也和進口機床難分伯仲。
一、機床發(fā)展必須依托先進制造技術(shù)
機床要發(fā)展，必須依托先進制造技術(shù)。當(dāng)今先進制造技術(shù)主要包括：智能制造、微納制造、生物制造、新材料、新能源等等，有這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也為展會內(nèi)容增色添彩。
1、網(wǎng)絡(luò)制造
國際三大機床巨頭，異曲同工開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)時代的機床控制新系統(tǒng)，無疑是本屆展會的一大看點。
（1）DMG MORI的CELOS?
DMG MORI的CELOS?控制系統(tǒng)及相關(guān)軟件使機床變得越來越聰明，且操作越來越簡單。該集團董事會主席卡披薩博士多次表示：今后所有的DMG MORI高端機床，大多應(yīng)配置CELOS?系統(tǒng)。這是網(wǎng)絡(luò)信息時代的一種全新智能化數(shù)控系統(tǒng)，可幫助用戶實現(xiàn)從構(gòu)思到成品的全方位加工需求。在這次北京展中，該集團又推出了4款CELOS?新應(yīng)用程序，并首次提供PC版軟件，用戶可以在工作準(zhǔn)備中通過直接連接機床的計算機連續(xù)進行生產(chǎn)計劃。
（2）沈陽機床的i5
i5數(shù)控系統(tǒng)是由沈陽機床集團自主研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的智能化數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)集成了運動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)，為用戶提供操作簡單、兼容性強、可靠性高的智能化數(shù)控產(chǎn)品。
基于“服務(wù)于機床全生命周期”的設(shè)計理念，i5數(shù)控系統(tǒng)圍繞以下四個方面開發(fā)了諸多智能化功能：即操作便捷、編程便捷、維護便捷及管理便捷。此外，i5數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了傳統(tǒng)機床與互聯(lián)網(wǎng)的連接，具有強大的數(shù)據(jù)挖掘能力，可實現(xiàn)與WIS（車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)）和i平臺的無縫對接，將機床信息實時傳輸給上層服務(wù)器，使車間信息化和設(shè)備管理變得十分容易。
（3）MAZAK的SMOOTH TECNOLYGE
馬扎克（中國）有限公司總經(jīng)理董慶富先生在本屆展會CEO國際論壇圓桌討論時說，Smooth X是山崎公司近期發(fā)展的主打產(chǎn)品。Smooth順暢加工技術(shù)通過實現(xiàn)更短的加工周期和極其便捷的操作，致力提高用戶的生產(chǎn)效率。
這個第七代的Mazatrol數(shù)控系統(tǒng)，主要涵蓋了五軸復(fù)合加工技術(shù)，高速、高精度技術(shù)，智能化技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動化柔性生產(chǎn)線，環(huán)境保護及人體工程設(shè)計等七個方面，使機床的控制技術(shù)幾乎達到至臻至美。
2、智能制造
智能制造是機床創(chuàng)新驅(qū)動的重點之一，展會中的相關(guān)介紹也是令人目不暇接。
（1）日本MAZAK的智能制造包括裝備、生產(chǎn)、管理、服務(wù)以及產(chǎn)品等五個方面，就產(chǎn)品而言，機床配備了針對加工熱變位、切削震動、機床干涉、主軸監(jiān)測、維護保養(yǎng)、工作臺動態(tài)平衡性及語音導(dǎo)航等7項智能化功能，可以自行監(jiān)控機床運轉(zhuǎn)狀態(tài)，并進行自主反饋從而大幅度提高機床運行效率及安全性，同時也可降低對于高技術(shù)操作人員的依賴。經(jīng)過10年的發(fā)展，目前馬扎克機床的智能化功能已經(jīng)從最初的7種，擴展到了現(xiàn)在的12種，可以說是真正地將機床帶入了智能化時代。
（2）日本牧野的智能加工，主要體現(xiàn)在軟件控制上面。FF/cam軟件，配合在展出機床中一起使用。該軟件的FF加工方法，能制作高精度順滑的刀路，良好的NC數(shù)據(jù)保證了機床穩(wěn)定的切削力及載荷。因此能使機床充分發(fā)揮出極限性能。MPmax軟件能讓機床生產(chǎn)率達到最大化，并且可隨時看到機床實時加工操作狀況，及時獲得管理數(shù)據(jù)。STLCAM是多面體模型軟件，追求的是最真實的質(zhì)感，能運算高達8GB的STL數(shù)據(jù)文件。
（3）瑞士GF公司在現(xiàn)場觀眾陣陣驚嘆聲中表演主軸撞擊試驗，一臺配置20000r/min電主軸的MIKRON HPM 800U高性能五軸聯(lián)動加工中心，主軸夾持直徑80mm面銑刀在低速旋轉(zhuǎn)時以12m/min的進給速度撞向工件，在撞擊之后動平衡與被撞之前還保持在同一個精度區(qū)間，彰顯了主軸的防撞保護功能，而關(guān)鍵是他們開發(fā)了MSP軟件，MSP能夠使主軸恢復(fù)到理想精度。
（4）大隈推出的五軸調(diào)和功能也是一種典型的智能技術(shù)。在五軸聯(lián)動加工中心中，當(dāng)加工異形曲面時，瞬時旋轉(zhuǎn)軸與直線軸的相對位置變化，難免對精度產(chǎn)生影響，比如旋轉(zhuǎn)軸與直線軸的中心偏差，旋轉(zhuǎn)軸與直線軸的垂直度偏差等。大隈開發(fā)五軸調(diào)和系統(tǒng)是希望能夠長久保持好精度，其原理是用一個基準(zhǔn)球，然后用紅寶石探頭進行測量，通過機床的智能化系統(tǒng)，對上述這些精度誤差進行自動補償。
（5）海德漢展出了兩款基于全新NC內(nèi)核的數(shù)控產(chǎn)品TNC 640和TNC620。TNC能幫助用戶更高效地進行重型切削和粗加工，同時能提高加工過程可靠性。實際應(yīng)用中，材料切除速度可提高25%。TNC640繼承了iTNC 530的高速高精、五軸聯(lián)動、智能加工等先進功能,適用于高性能銑削類機床和銑車復(fù)合機床。TNC 620是中高檔輪廓控制器，適用于高速、高可靠性、高精度輪廓加工機床，支持五軸聯(lián)動加工。
3、理化加工
金屬切削機床，傳統(tǒng)的理念就是用機械加工方式對金屬零件進行加工。然而在當(dāng)今新工業(yè)革命時代中，利用物理與化學(xué)原理對金屬零件進行加工也層出不窮，展會上也可見一斑。
（1）微鍛技術(shù)
瑞士Starrag集團介紹了用微鍛技術(shù)對葉片進行精加工。通常，葉片在常規(guī)銑加工后，表面會留下波浪線，后續(xù)需要采用振動光飾和噴丸強化等工藝。而今采用集成的微鍛技術(shù)，葉片在銑加工后直接在銑削加工中心上進行微鍛工藝，可以取代后續(xù)的振動光飾和噴丸強化工藝，從而省去這兩種工藝設(shè)備，實現(xiàn)葉片加工后直接用于裝配。
（2）EMAG（埃馬克）化學(xué)加工
電化學(xué)加工的原理是：工件作為陽極，刀具作為陰極，在這兩種電極之間電解液流動溶解工件上的金屬離子。不同的工件輪廓、環(huán)形通道、直槽以及環(huán)形槽都無需接觸工件即可形成，且精度高，刀具磨損小。EMAG公司的該技術(shù)，主要是應(yīng)用于飛機發(fā)動機核心零部件的生產(chǎn)和制造。
（3）液態(tài)CO2冷凍切削
多年前，美國MAG研究一種液氮冷卻切削加工，在-320°C情況下，對零件進行切削。而今瑞士Starrag公司用液態(tài)CO2進行冷凍切削并成功應(yīng)用于加工中心LX051上，取得了成功突破。在切削時刀具的切削溫度從160°C降至40°C，切削速度從320m/min提高到400m/min，既減少刀具磨損，也延長了刀具壽命。
（4）激光制網(wǎng)紋
利用激光束對零件進行金切或成形加工在展會上已是屢見不鮮的事，但GF公司的激光網(wǎng)紋加工卻頗具特色。
當(dāng)今不少手機、電腦、家電及汽車內(nèi)飾件等，其表面往往有一層細微網(wǎng)紋，由模具加工而成。這次GF展出的Laser系列5軸激光加工機床，采用激光燒蝕技術(shù)，可細致逼真地還原紋理細節(jié)。用戶只需提供設(shè)計的紋理圖片，它就能實現(xiàn)從想法到最終產(chǎn)品的全數(shù)字化工藝過程。
4、新材料應(yīng)用
當(dāng)今在航天航空及汽車制造領(lǐng)域，正熱火朝天地研究輕量化課題，其核心就是新材料的應(yīng)用，機床行業(yè)也不例外。
德國TRAMEC公司展出了A、C五軸聯(lián)動龍門加工中心銑頭，采用了新穎球墨鑄鐵材料，強度高，韌性強，吸震減震性也好，殼體經(jīng)過一次壓鑄成形。采用這種適宜于重切削的龍門銑頭，比其他同等扭矩、功率、轉(zhuǎn)速、鎖緊力的銑頭要輕30%左右，有的型號甚至要輕450kg。同時，銑頭體積比同類產(chǎn)品要小10-20%左右。
這種輕量化改進結(jié)果，使得該系列產(chǎn)品既節(jié)能，又提高進給速度，并且最大限度地減少加工時產(chǎn)生的震動，從而提升產(chǎn)品的表面粗糙度，精度能控制在5μ以內(nèi)。
E2-291展臺，帝馬數(shù)字機器（深圳）的VBZ640立加，這臺BT40主軸的機床，正以4000r/min轉(zhuǎn)速，把一塊15mm×15mm的鋼件，銑削成一根Φ0.7mm×25mm長的一根針。
此舉當(dāng)然引起大家好奇，因為該機其實很平常。但床身采用人造花崗巖，證明了其高剛性、高抗振性及抗熱變形性能。值此可以斷言，無論從質(zhì)量或者環(huán)保角度來看，以人造花崗巖取代鑄鐵勢必越來越廣泛。
二、初露端倪的自動化智能工廠之路
進入新世紀(jì)后，人類已邁入新工業(yè)革命時代。作為制造業(yè)脊梁的機床工具產(chǎn)業(yè)，當(dāng)今的競爭己不局限于單機的競爭，也不停留在成套成線的集成形式，兩化融合的自動化智能工廠才是今后發(fā)展趨向。
智能工廠是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)與制造技術(shù)交叉融合，以客戶產(chǎn)品數(shù)據(jù)、優(yōu)化的制造工藝流程、協(xié)調(diào)的生產(chǎn)制造設(shè)備為核心，以數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)流程管理與調(diào)度、數(shù)字化智能化制造設(shè)備與生產(chǎn)線、自動化的物料配送裝置為重點的系統(tǒng)集成，實現(xiàn)面向產(chǎn)品設(shè)計、成型、加工、裝配、檢測、設(shè)備安全保障、服務(wù)等各環(huán)節(jié)動態(tài)優(yōu)化與整合，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶的一種新的制造模式。
在W1館的GF展臺，展示了一條為精密模具量身定制的自動化生產(chǎn)線。由一臺機器人Transformer與高速銑削加工中心、精密數(shù)控電火花成形機和一臺測量機組成。這條自動化生產(chǎn)線配有4m長的導(dǎo)軌、20工位的工件庫和40工位的電極庫，還配有自動化車間管理軟件，約可承重200kg。擁有這條自動化生產(chǎn)線，可實現(xiàn)24小時加工，幫客戶提升生產(chǎn)力高達280%。
上海機床廠有限公司去年為重慶綦江齒輪廠量身定制的帶桁架機械手的H234數(shù)控端面外圓磨床生產(chǎn)線，目前已經(jīng)成為該用戶智能制造加工數(shù)字化關(guān)鍵組成部分。整套自動線包括兩臺H234數(shù)控端面外圓磨床和一套機器人桁架式機械手，可實現(xiàn)單錐結(jié)合齒工件的無人化、全自動加工。
此外，上海機床廠也為上海通用汽車有限公司汽車發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線度身打造了MK8220/SD雙砂輪架數(shù)控切點跟蹤曲軸磨床生產(chǎn)線，能在一次裝夾下用兩個砂輪架同時磨削曲軸主軸頸和連桿頸，不僅滿足了汽車發(fā)動機曲軸精密加工要求，還為汽車發(fā)動機曲軸生產(chǎn)線磨削進一步實現(xiàn)自動化與智能化打開了空間，奠定了基礎(chǔ)。
三、層出不窮的機床結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
專業(yè)觀眾參觀展覽會，大都如饑似渴地想了解些結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，這也是展會顯示實力之處，CIMT2015當(dāng)然不乏靚點。
1、DMG的增材制造
引人注目的DMG MORI集團LASERTEC 65 3D，是典型的增材制造機床，然而不是3D打印，因為這是一臺全功能5軸數(shù)控銑床上融入了增材式激光堆焊技術(shù)。
該機床是在高剛性monoBLOCK?整體結(jié)構(gòu)5軸加工中心上，配一個2kW的二極管激光器進行激光堆焊，當(dāng)增材加工結(jié)束后，再進行精密銑鏜鉆鉸多工序加工。
2、不斷改進的Z3銑頭
這次DS公司展出的Z3銑頭，在臥式的三桿并聯(lián)銑頭上加了個立銑頭，從而使加工范圍更大了。
傳統(tǒng)的A/C擺角加工方式，由于受到結(jié)構(gòu)的限制，在小的加工角度變化時會表現(xiàn)出局限性，可能會造成刀具與零件的干涉。Z3的主軸結(jié)構(gòu)，通過完全線性的自由移動結(jié)合最低的移動質(zhì)量，實現(xiàn)了高速、高效、高動態(tài)的萬向擺動加工，不受任何空間限制，使得飛機結(jié)構(gòu)件的全新加工方式得以實現(xiàn)，同時獲得了傳統(tǒng)加工方式達不到的表面質(zhì)量。
3、新穎的并聯(lián)機構(gòu)
這次瑞士館威力銘·馬科黛爾展臺可謂人頭攢動，觀眾對701S這臺稱得上微納級的機床十分感興趣。
這是一臺新型的并聯(lián)機床，但其結(jié)構(gòu)與當(dāng)今大多數(shù)并聯(lián)機床相反，即采用正置型式，就是垂直于水平面的主軸固定，而零件靠下面的三條腿并聯(lián)機構(gòu)進行回轉(zhuǎn)與擺動，從而完成高速高效的精密加工。機床無需刀柄，刀具直插主軸。該機床最小分辨可達到10nm,主軸轉(zhuǎn)速80000r/min,加速度為5g。所謂刀具直插主軸，就是主軸采用彈簧夾頭型式，讓圓柱刀柄直接進入。這種夾頭是專利，可減少累積誤差，切削時機床剛性相對就好，刀尖所受撓度也較小，這也是提高精度的一項措施。
結(jié)束語
中國機床工業(yè)，已走過了近百年的歷程。我們欣慰地看到，在這段歷史進程中，我們從原來的落后弱小變成了機床制造大國。展望未來，中國機床由大轉(zhuǎn)強稱雄世界，應(yīng)該不需要再等百年時間了。
