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我国装备制造的四大质变分析

话题调查中国仪表网2009年08月11日 10:40人气:852

  近三十年来世界机械加工领域四大质变中,我国都一直积极参与,并作出了重要贡献,某些方面甚至已进入了世界前列。

  关心我国机械加工领域的技术进步,势必要联系世界范围的发展。因为技术与科学是没有国界的,而且是相互促进的。从这个角度来观察分析,世界机械加工的技术演变,属于“质变”性质的至少有四大方面。

  近三十年来世界机械加工领域四大质变中,我国都一直积极参与,并作出了重要贡献,某些方面甚至已进入了世界前列。

  四大质变表现为:

  智能型生产工具出现

  最近在中共中央政策研究室一次“战略产业选择”座谈会上,我提出一个观点,“机床作为生产工具具备智能特性是人类生产工具具有划时代意义的发展,人类正在迎接一个智能型生产工具时代的到来”,得到了与会的很多同志赞同。

  人类的生产工具由手动发展到具备动力,马克思认为这是一次人类生产工具的大革命,这种具备动力的生产工具马克思称之为“工具机”(即机床)。由于时代的局限性,马克思没有可能亲身经历和接触到人类生产工具具备智能的这一变化。

  而当工具机(机床)具备数控控制功能后,人类的智能型生产工具的雏型才有可能出现,这是人类生产工具新的又一具有划时代意义的发展。

  数控机床的出现标示机床向智能化发展的萌芽。回溯机床的发展历史,从1952年第一台数控机床出现至今50余年,其中包括走向成熟的30年和走向大规模应用的20年,特别是近几年,陆续出现的机床智能化功能的进一步增添,标志着机床技术在发展道路上的质变。可以说计算机控制技术、网络技术、软件功能拓展为机床智能化提供了物质基础。

  智能型机床尚无全面确切定义,简单地说,是能对影响加工过程的多种参数及功能作出自我判断并修正、和自我正确选择并作出决定方案的机床;即智能型机床能够监控、诊断、评价、补偿和修正在加工过程中出现的各类偏差(如刀具半径自动检测、刀具破损检测、多轴同步差异等),并能提供最优化的加工方案(如调整机床加工时间、工艺路线、选择最佳加工参数、主轴运行状况、位置补偿、精度修正、热变形补偿等)。最早出现的具有智能控制机床功能特性的,可以追溯到自适应控制电火花加工机床,即根据加工参数变化自我调整电极与工件间的放电间隙,从而取得最佳加工效果。

  最近几年,日本的山崎马扎克公司陆续开发了智能主轴振动控制、智能热屏障、智能防撞屏障、语言提示;日本大隈公司开发了thinc智能数字控制系统等等。说明随着技术的发展,机床这种生产工具智能化的功能会越来越高级,越来越增多。人类智能型生产工具的发展方兴未艾,前景光明。

  加工方法逆向思维的突破

  快速成型(Rapidpro to typing)技术是近二十年来出现的一种加工方法,是加工方法逆向思维的重大突破,是加工原理的巨大变革,与一直沿用至今的传统“去除材料”(切削、冲剪、切割、磨削)的方法根本不同,快速成型技术实际上是反其道而行之的以“材料堆积成型”或称之为“材料累加”方法、“增材制造方法”来达到制造工件原型的一种方法。采用复合纸、高聚物质、金属粉末、高温合金、复合陶瓷、铸造型砂等作为加工原材料;利用电热、激光束、电子束作为能量源,按分层实体制造(LOM)、熔融沉积成型(FDM)、紫外线激光固化(SLA)、激光区域烧结(SLS)等方法来实现原型零件造型,用以加速考核零件设计的正确性与可行性,大大缩短整机开发生产周期,除了应用于制造机械零件原型、型砂制芯,甚至也进入立体艺术品型体塑形和人体医学仿生件(如骨关节)制造等相关领域。这是计算机科学、新材料科学、新能源科学综合集成发展的最新产物。

  我国在这个领域中,有华中科技大学、清华大学、西安交通大学、同济大学、中科院及上海联泰、北京瑞科达、武汉滨湖机电技术产业有限公司等国有和民营科研单位及企业积极投入。所开发的产品已进入世界先进行列。投入市场的产品品种繁多,年产几百台,技术已出口新加坡。

  机床结构出现革命性变革

  近二十年来世界机床设计出现了革命性的变革,一种“并联结构”机床出现了,“并联结构”完全不同于所有传统机床结构,传统机床结构是串联结构,即是按笛卡尔坐标沿三个坐标线方向运动和绕这三个坐标转动依次串联叠加起来,形成所需刀具的相对运动轨迹的机床结构,其所有的结构几何精度误差、力的传递和刚度的损失,都会形成串联累积而成为致命的薄弱环节。而并联结构机床,是通过多杆结构在空间同时运动来移动主轴头实现加工动作,与串联结构相比,并联结构具有更为简化、刚度更高、动态性能(包括精度保证及运动效率)更好等一系列主要优点。

  二十年来,世界范围内大约有十几个国家二十多个团队在从事这方面的研发,其中瑞典TRICEPT公司己供应商品四百余台,广泛应用于空客、波音及通用汽车公司和卡特彼勒大型工程机械厂,另外若干团队都曾经分别展出试制品,近几年虽然缺少进一步报导,但并未停步。据作者与其中某些团队(例如日本丰田工机、大隈、德国Index)接触,他们仍在加快攻关,努力提高性能中,我国机床工具业也有五、六个产学研结合体在进行这方面研发工作,其中哈尔滨量具刃具集团与哈尔滨工业大学合作研发的并联结构品种(六杆结构)已批量生产五台,成功应用于哈尔滨汽轮机厂叶片加工生产线中;齐齐哈尔第二机床集团与清华大学合作开发的龙门式“混联”结构(即串联与并联混合)机床,是我国独立构思的品种,已成功用于哈尔滨电机厂的大型水电站设备制造中。

  在最近一次北京举办的中国数控机床展览会(CCMT2008)上,哈尔滨量具刃具集团数控设备厂展出了一种具有新的突破意义的并联结构机床品种LINKS-EXE700,它是由瑞典原TRICEPT发明人新创办的EXCHON新开发的,哈量集团是作为在中国独家引进此项技术进行生产,并继续合作开拓应用领域的企业,新开发的LINKS-EXE700并联结构机床其特点是结构进一步简化,加工范围增大,动作快速,刚性和精度显着提高,五轴联动数控编程进一步改进便于掌握。

  进行不同功能配置后,可广泛应用于航天、航空、机车、汽车、工程机械、模具工业作铣镗、钻削、磨削、焊接、铆接、打毛刺和装配之用,可以单机使用,也可以多台配置成生产线。对于超长机翼或巨大的机车车架加工,还可以将“并联机构”架在轨道上的或龙门框架上的移动底座上使用(加工时移动,可以分段自动精确定位),实现大尺寸工件加工。

  因此,为了迅速扩大使用领域,除了供应“并联结构通用性机床”产品外,还应当把“并联结构制造厂”(如哈量)提供并联结构部份与用户行业装备制造厂(如汽车、机车、工程机械、航空行业专业工艺装备厂)提供不同类型基座或移动框架,以及和对开发专用装备有意愿的机床厂结合起来,有针对性地扩大这类机床产品的销售市场。

  工具概念的变异

  传统的机械加工工艺体系一般是由机床—工具--(夹具)--工件组成,而工具环节按传统的分类无非是车刀、铣刀、镗刀、钻头、拉刀、砂轮、冲模、压模之类。而所有这些工具无非都是具有一定硬度的实体,如高速钢、工具钢、硬质合金、立方氮化硼、单晶及聚晶金刚石、陶瓷等材料制成的工具。后来氧炔高温切割方法出现了,电能源的放电加工方法、电化学加工、激光加工方法、电子束加工法、离子注入法、光刻法等陆续出现,直到近年,属于”冷能源”、”软介质”的高压水射流(俗称“水刀”)加工方法以崭新姿态登场,配合多座标数控技术在汽车工业新产品试制(中可以大大缩短周期。我国己有南京水刀有限公司和南京工艺装备制造有限公司等向市场提供产品。高压水射流(水刀)加工在其它应用领域正在迅速拓展。这种以“软”克“硬“的加工工具的出现令人眼花缭乱、应接不暇。

  机械加工领域的进步属于“量变”或称之为“渐变”的还有很多,例如加工精度的提升,几乎每十年就提升一个数量级,亚微米、纳米加工不断升级等等,不胜枚举。

  从瑞典向国内引进技术的“Trans flex”型机床,预计2009年初在即将中国以首先投产的新产品在市场上亮相,也是世界范围第一次亮相。Transflex顾名思义包含Transferline(刚性传送生产线)和Flexible line(柔性生产线)两种涵义,具备两者基因。它的原理是由多种动力头,仍按生产线布局,但执行加工的出场先后或动作,由数控系统控制,而夹持工件则由悬挂式机械手执行。这种Transflex机床结构紧凑,占地面积小,节省辅助时间,可适应加工部位更为复杂的工件,是一类值得关注的机床“另类”。
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