金属切削机床前沿技术分析

T O P I C A L R E V I E W

专题综述

金属切削机床前沿技术分析

■

■中国机械工业联合会　（北京　100037）　路　璐

摘要：本文分析了金属切削机床的国内外技术发展情况及核心技术趋势，提出了我国金属切削机床的发展建议。

金属切削机床是制造各种机

器零件的主要生产设备，是制造业工业不可缺少的基础设备，是高新技术产业之根。随着全球智能制造的兴起，作为智能制造的执行机构—金属切削机床变化日新月异。更智能、更精密、更高效、更专业化及更绿色化成了金属切削机床新的发展方向。

1.金属切削机床国外技术发展趋势

（1）智能化。智能化是金切机床发展的重要标志之一，而数控系统的智能化是其中的核心。世界领先的数控系统制造企业相继推出了自己的智能数控产品，日本马扎克（M A Z A K）的I n t e l l i g e n t M a c h i n e（智能机床），它带有振动抑制、主轴监控、热位移控制以及防碰撞等12项智能功能。西门子（S I E M E N S）提出了基于

云的开放式物联网操作系统MindSphere，它可以使机床制造商和运营商分析和利用更多的机床数据，并提供了预防性维护、能源数据管理和资源优化等方面的服务。德马吉森精机（D M G

MORI）的CELOS智能化数控操

作系统，具有防碰撞功能、自适

应控制功能、五轴自动标定和

补偿及主轴监控和诊断等16项

App。海德汉（HEIDENHAIN）

数控系统具有智能防碰撞、

VirtualTNC仿真、自适应控制、

摆线铣削、位置误差补偿及自动

校准和优化机床精度、智联制造

等功能。大隈（OKUMA）OSP-

P300A数控系统，具有几何误差

测量与补偿，热误差测量与补

偿，伺服控制优化，加工条件导

航，机床防碰撞等功能。

（2）高速高效化。提升机

床加工效率是每个生产企业追求

的目标。加工技术向全面高速化

发展，一是在保持加工精度的前

提下，通过提高主轴转速及进给

转速提高机床的加工效率。国际

上，高速铣削的加工中心主轴转

速已经达到42 000r/m i n以上，

直线轴精度1μm，加工表面达

到6R级。随着直线电动机的发

展，机床进给速度已达到80～120

m/m i n。二是机床结构的优化，

并行加工技术、刀库及刀具管理

系统等与机床深度融合，交换工

作台快速变化的高效加工机床不

断涌现。如多轴加工中心、双主

轴多刀塔数控车床等，机床在1台

数控系统的控制下多根主轴并行

运动，对安装在工作台上的多个

工件进行加工。

（3）精密化。超精密机床

是实现超精密加工的关键载体，

它直接决定了零件的精度、效率

和可靠性，世界各国十分重视

发展超精密机床。美国劳伦斯

里弗莫尔国家实验室（lawrence

livermore national laboratory）

开发出大型超精密金刚石车床

（L O D T M），该车床最大加

工尺寸f1625m m×500m m，

主轴回转误差0.051μm。

摩尔公司（M O O R E）的

Nanotech650通用超精密机床，

镜像轴向跳动＜12.5n m。普

瑞思泰克（P R E C I T E C H）公

司的N a n o f o r m X和N a n o f o r m

L1000，提高了金刚石车削、磨

削及铣削的生产效率和灵活性，

N a n o f o r m X机床车削表面粗糙

2019年第3期

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度值（可达）R a＜1n m，面型

精度pv值＜0.1μm， Nanoform L1000车削加工表面粗糙度值（可达）R a＜1.25n m，面型精度p v值＜0.125μm。东芝公司（TOSHIBA）的UVM-450C超精密立式磨床径向圆跳动≤1μm，表面粗糙度值Ra≤8nm。

（4）专业柔性化。为满足细分市场和新兴产业的需求，专业化机床的生产规模不断扩大。近年来，出现了与IT行业加工平板类零件有关的高速小型立式加工中心。专门为齿轮生产的复合机床，如格里森（GLEASON）的硬滚＋磨齿＋检测的继承设备。勇克公司（JUNKER）的单机双工位＋内置珩架机械手＋误差补偿的复合磨床。以用户工艺拉动的专门化机床发展迅速，如专为大批量加工汽车发动机组件而开发的紧凑型卧式加工中心。专为航空领域设计的五轴叶片加工机床，加工速度及叶片表面质量都达到了新的高度。

（5）绿色化。为应对资源环境约束带来的挑战，基于全生命周期的机床绿色设计技术发展迅速。绿色机床的核心概念是通过使用新材料，优化机床结构及部件，减轻机床的质量，通过减轻运动摩擦、降低空运转功率等措施使功率消耗，减少待机时间，提升机床能源效率，报废后机床的材料100%可回收。因此机床轻量化设计、能效提升技术、绿色切削工艺、再制造及回收是机床绿色制造技术的重点。世界各国对机床能效十分关注，欧盟相继发布了2009/125/EC产品生态设计要求指令、2010/30/EU新能源标识指令和2012/27/EU能源效率指

令等。

2.国内金属切削机床发展

情况

（1）我国机床产销量世界

领先。中国是全球最大的机床消

费市场，近几年产销量稳居世界

第一。2017年机床行业主营业务

收入9 922.8亿元。累计生产金切

机床237.9万台。实现金属加工

机床出口32.9亿美元，进口87.4

亿美元，同期分别增长11.4%和

13.6%，贸易逆差达54.5亿美元，

同比增长33.5%。

（2）产品技术水平大幅度提

升，但高端数控机床仍需进口。

在国家科技重大专项和相关科技

及技改计划的支持下，我国机床

工业取得长足进步，通用机床和

中低端产品已能满足市场需求。

一批市场急需、长期依靠进口、

受制于国外的高档数控机床相继

问世。我国虽然在高性能多轴联

动加工中心，大、重型数控机床

及超精密机床取得了突破，但总

体水平还落后于发达国家。产品

设计及制造质量控制不到位，缺

乏对用户产品工艺的深入研究，

产品可靠性不一致，精度保持性

差，提供系统解决方案能力不足

等问题尚未得到根本改善。

（3）高端制造装备受西方封

锁和贸易保护，严重影响国防安

全。高档数控机床具有超越经济

价值的战略地位，很多关键技术

和产品往往成为持有国的利器，

目前日本、美国及部分欧洲国家

将高性能数控机床作为战略物

资，对我国军工企业采取技术封

锁和禁运的政策，不仅极大地影

响了军工产品的性能提升，而且

严重制约了我国军工企业制造水

平的进一步提高。只有立足自主

创新才能不受制于人。

3.数控机床前沿核心技术

分析

（1）高速高精控制技术。

高速、高精加工不但可以提高加

工效率，还可以提高加工质量是

机床发展的趋势之一，高速、高

精控制算法及相关执行部件是限

制我国在这方面发展的主要原

因。目前德马吉森精机（D M G

MORI）已推出标配42 000r/min

电主轴的H S C高速精密加工中

心，该产品加速度＞2g，进给速

度最高达80m/min。

（2）智能误差补偿技术。误

差补偿是提高数控机床制造加工

精度的主要措施和方法。智能误

差补偿技术通过数据采集，通过

大数据平台对数据进行融合、处

理及分析，可准确得出误差补偿

数值实施补偿，可进一步提高误

差补偿的速度和精度。国外各个

数控系统企业在自身的数控系统

中嵌入了相关的误差补偿手段，

包括智能化热误差补偿技术，智

能化集合误差补偿、智能化空间

误差补偿和智能化力误差补偿

等。

（3）人工智能技术。人工

智能是由智能机器所执行的与人

类知识和思维有关的智能行为，

如感知、识别、理解、判断、设

计、推理、规划、学习和问题求

解等活动，是研究探索各种用于

模拟、扩展人类智能的理论与方

法的全新技术体系。金属切削机

床的人工智能表现是要有“自主

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