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《数控机床助力中国潜艇迈上新的台阶》

  • 来源专题：数控机床与工业机器人
  • 编译者： 杨芳
  • 发布时间：2016-11-21

  • 众所周知，武器装备的优劣关系到国家的安危，生产制造也不能一味地依赖国外进口，比如数控机床，其质量的高低关系到潜艇的静音性能。该厂还研制出重型7轴5联动车铣复合加工机床，可承重100吨，能一次装夹完成大型军用船舶螺旋桨的全部工序加工。

    　　众所周知，武器装备的优劣关系到国家的安危，生产制造也不能一味地依赖国外进口，比如数控机床，其质量的高低关系到潜艇的静音性能。其实我国早在上世纪90年代就是全球数一数二的数控机床的进口大国，但由于西方国家一直在对我进行渠道限制，使得采购途径不畅、很难获取高端设备，而且还必须接受外国厂商提出的所谓“最终用户访问”的无理条件，这会非常容易造成泄密。 　　在这种情况下，为摆脱受制于人的局面，国内数控机床厂商都被逼投入到技术研发中，预努力打造一款全新的数控机床用于军备制造。

    　　

    　　艰辛的付出终会有回报，武汉重型机床厂研制出CKX53160数控单柱移动立式车铣床，出色的完成了对三峡水电站550吨巨型水轮机转轮的加工任务，预计到2020年，中国航空航天、船舶、汽车、发电设备制造所需要的高档数控机床将有七成到八成立足国内。 　　该厂还研制出重型7轴5联动车铣复合加工机床，可承重100吨，能一次装夹完成大型军用船舶螺旋桨的全部工序加工。武重DL210数控重型卧式机床则是在引进的德国技术基础上开发而成的。

    　　

    　　特别值得一提的是大连机床2006年曾研发成功的国产首台9轴5联动数控机床。 　　想当年，苏联只从日本东芝获得4台9轴的数控机床，就让本国核潜艇静音性能得以大大提升，令西方苦心经营数十年、耗资几百亿美元建成的反潜探测网络毁于一旦。可想而知，国产9轴数控机床的问世，将使得中国各种潜艇的静音性能“迈上新的台阶”。如果说发动机是潜艇的心脏，那么数控机床将会是其灵魂！

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  • 《混合数控机床助力金属增材制造》
    • 来源专题：数控机床与工业机器人
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2017-11-21
    • 自从20世纪八十年代全面启动关于激光器和激光传导的研究进展，对3D 打印技术一直起着关键的推动作用。3D打印技术的标志性应用是直接根据计算机模型来制造原型，这就是为什么多年来它被称为“快速成型”（rapid prototyping）。 　　     人们一直持续研究着几个领域，其中值得注意的是，高功率固体激光器的问世使得3D打印机生产零件所使用的材料范围更为广泛，现在已经将金属囊括进来了。这种相对较新的技术推动了3D打印技术在商业化方面的进展——可以小批量或中批量制造终端零件，其中许多都由金属制成。的确，能够使用金属材料进行3D打印的平均成本（目前大约是50万美金）使其难以只用于生产原型，但是可以用来制造高价值、高复杂性的零件。3D打印技术的适用范围在扩大，因而被重新命名为增材制造（AM），从而不再局限于任何特定的应用，而是强调其工作原理。 　　     从分离到整合 　　     工业制造行业对增材制造的青睐，尤其是金属，加强了对零件后续处理工艺的需求。尤其是，金属零件几乎总是需要进行一些修整的步骤，通常是加工、抛光或磨削（图1）。 　　   　　图1：重新磨平的叶片部分是用AMBIT激光头修复以及用millGRIND来磨削 　　     增材制造发展初期的动力主要以原型件的制造为焦点，独立的机床结构主宰着这个市场。这种结构很适合设计部门的原型件生产，但对于还需要后续处理加工的制造来说并不是最理想的。特别是独立结构使得零件清洗和转移到下一工序这些工作都需要由人工来完成。 　　     尽管激光增材制造系统在商业上获得了成功，并且具有独特的技术能力，但是还不能生产具有数控加工精度和表面光洁度的零件。当认识到对于增材制造在复杂几何形状和材料选择自由度方面的优势以后，再考虑到需要达到数控加工精度的要求，整个行业对于将这两种技术结合起来的混合加工非常感兴趣。这对于增材制造的研发道路来说是一个关键性的里程碑，它从分离的独立式结构转向与互补性加工设备的一体化整合。 　　     从研究到主流的数控机床 　　     关于增材制造和减材制造技术的组合的研究有着二十年的历史，虽然其带来的效益很有前景，但是直到最近才获得一定的商业化应用。最初的商业化混合产品始于20世纪九十年代后期的一项日本的大学和工业界的联合研究项目， 这个专业的机床将激光粉末熔覆（PBF）与数控机床结合起来，这就是现在Matsuura公司的LUMEX Avance-25。 　　     此外， 大约八年前，学术界和产业界的研究合作开始着手进行金属增材和减材之间的转换，努力想让其如同更换工具一样容易。最终的成果是研发出第一个适合主流数控机床的混合式产品，它给机床增加了激光熔覆（ASTM F42委员会将其定义为一种定向的能量沉积过程）部分（图2）。该系统在2012年被首次展示出来，现在就是我们所知道的由Hybrid Manufacturing Technologies公司研发的AMBIT可转换工具头的激光熔覆系统，它可以将新的和使用过的数控机床升级成能进行金属3D打印的工业3D打印机。 　　   　　图2：AMBIT系统（见插图）对Hamuel HSTM1000机床中的叶片进行激光熔覆       该系统可以改装到现有的数控机床中，或者被充分整合到新的数控机床中，从而给新的数控机床带来附加功能，例如Hamuel HSTM 1000、Mazak INTEGREX i-400 AM和Elb-Schliff millGRIND。通过将主流数控机床作为平台，这一创新带来了一种新的利用增材制造的方式，被称为“增材制造工艺和应用进步的首个范例”，并荣获2015年国际增材制造大奖（IAMA）。 　　     这种混合技术的核心优势就是它能缩短3D打印金属零件的时间，主要是通过先打印出大体的轮廓来实现近净成形，然后通过打印后加工来获得所需的表面光洁度和精度。一开始，它主要用于形状构建、对原有零件进行表面硬化以及叶片和叶轮的一次性整体修理，只需一个步骤就能在待修复的金属表面上进行在线检测和精加工。这种混合修理方法起初是用于Cummins涡轮增压器叶轮的修复，然后又在发电领域用于叶片修理（图3）。 　　   　　图3：用混合式数控机床来修复Cummins涡轮增压器的叶轮       从加工到熔覆的切换 　　     正在申请专利的AMBIT激光金属沉积头可以存储在工具库中，并使用标准的工具切换装置来加载到铣削主轴上。加载到主轴后，它将与主轴配套的一个供给装置对接，并由后者来提供激光能量和供给原料，从而在零件上进行非反应性金属粉末熔覆。用同一个数控机床控制器以及定制化的M-codes来控制用于减材的刀具路径。沉积一旦完成，沉积头便会被更换并放回工具库中，然后继续进行加工。将沉积头存储在加工环境以外的地方，可以让其远离机床冷却系统以及其他污染风险（图4）。   　　 　　图4：AMBIT激光熔覆头在使用过程中被安装在主轴上，此外便存储在工具库中 　　     在数控机床中加入AMBIT系统，需要安装激光器、送粉器、退出装置和激光安全罩。这些装置的安装不会影响数控机床的铣削能力。 　　     从熔覆到柔性激光加工 　　     将AMBIT激光熔覆系统整合到数控机床中，带来了一种新的光束传导方法，能最大化这种混合技术的作用。这给激光加工带来了新的关注点和机遇。 　　     在每一次使用后，将激光加工头从机床工作间移出是为了保护加工头，以及尽可能避免影响机床的加工性能（通过侵入工作区或避免冷却剂的使用等）。为了在标准的机床工具库中存储激光加工头，必须切断光束路径。要保持光学元件的清洁，操作中需要小心密封光束路径以避免污染。过去五年中，研发的重点之一是如何可靠地将这一步骤实现自动化。通过使用屏蔽罩和密封件的组合，我们也能保护好存储在工具库中的激光加工头。 　　      虽然切断光束路径需要额外的步骤来避免污染，但是也给激光加工带来了新的机会。使用工具切换装置来交换加工头，意味着可以在不同的光学元件之间自动切换。这让激光加工的灵活性提升到一个新的水平，只需一次安装便可改变焦斑尺寸、形状，甚至空间能量分布。这使得在同一装置中进行各种激光加工成为可能，例如在激光熔覆和激光抛光或钻孔之间切换。准连续波（QCW）激光器或多种激光源的使用有希望进一步扩大混合数控机床的加工范围。
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  • 《2018中国数控机床行业现状分析与前景预测》
    • 来源专题：数控机床与工业机器人
    • 编译者：杨芳
    • 发布时间：2018-06-21
    • 从我国数控机床市场看，受益于我国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业快速发展，对机床市场尤其是数控机床产生了巨大需求，数控机床行业成长迅猛 数控机床是数字控制机床，是一种装有程序控制系统的自动化机床。根据数控机床的性能、档次的不同，数控机床产品可分为高档数控机床、中档数控机床、低档数控机床。高档数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。 　　机床作为“工业之母”，是一个国家制造业水平高低的象征。数控机床是由美国发明家约翰·帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是一种高效能的，装有程序控制系统的自动化机床，能较好地解决复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，代表着现代机床控制技术的发展方向。 　　欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，现在处于发展阶段。虽然我国的铸造机床产业取得了一定的成绩，但仍然面临着许多制约性问题，与国外产品相比，中国数控机床的差距主要是在机床的高速高效化和精密化上。 　　数控机床市场规模高企，2017年超过3000亿元 　　从我国数控机床市场看，受益于我国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业快速发展，对机床市场尤其是数控机床产生了巨大需求，数控机床行业成长迅猛。据统计，2014-2016年，我国数控机床销售收入均超过2400亿元;2016年，我国数控机床销售额为2732.3亿元，同比增长7.69%。2017年销售额约为3060.3亿元，首次超过3000亿元。 　　下游应用仍以汽车产业为主，消费电子将成未来应用主流市场 　　从数控机床行业下游消费需求比重来看，汽车是主要的下游需求领域，消费占比约为42%;其次是航空航天，消费比重约为18%;模具和工程机械分别为数控机械第三和第四消费领域，占比分别在15%和10%左右。 　　未来，随着智能手机的逐步普及、更新换代速度的加快，平板电脑、可穿戴设备等消费电子产品、通信等3C产业终端设备的推广及发展，3C行业将迎来发展的春天，消费电子行业产品并将成为行业的新增长点，并有力推动应用于该领域的轻型切削数控机床的发展。 　　数控机床产品需求结构矛盾升级，高端产品国产化率低 　　近年来，我国数控机床行业出现了明显的供需矛盾，主要体现在低档数控机床的产能过剩和高档数控机床的供应不足而导致供给侧结构性失衡。由于低档数控机床行业门槛低，进入企业多，且近几年低档数控机床市场有效需求不足，该领域已经出现产能过剩的现象;另一方面，随着国民经济的发展以及产业结构的升级，高档数控机床的应用越加普及，产品需求越来越大，供给却难以满足需求。 　　由于我国高档数控机床起步较晚，目前国产产能不能满足国内需求，国内大多数高档数控机床依赖进口。 2016年，数控机床专项支持研发的高档数控系统已累计销售1000余套，国内市场占有率由专项启动前的不足1%提高到了5%左右，2017年我国高档数控机床的国产化率大约在6%左右，依然较小。但从需求方面看，2013年我国高端数控机床的需求占比已经达到了10%左右，2017年大约在15-20%之间，与6%的国产化率相比差距甚大。 　　当前我国制造业亟需从“制造大国”向“制造强国”转变。我国数控机床行业经过几十年的发展，成为了全球最大的产销国，技术和产能发展迅速，已经具备响应国家制造业转型的基础，未来我国数控机床需求将由中低档向高档转变，换言之高档数控机床将具有较大的进口替代空间。 　　三大趋势引领，未来我国数控机床市场将超5000亿元 　　“十三五”规划的经济发展重点在于实现经济增长方式的转变，先进制造业是传统制造业的改造方向，电子信息、生物工程、新能源新材料等高新技术产业的发展将为精密、高效、专用数控机床开辟了新的需求;从地域发展分析，中国东部产业的升级、东北等老工业基地的振兴和中西部的开发加快步伐，为数控机床产业发展提供国内市场;经济全球化，国际资本和产业向中国的转移、国际技术和人才的交流、中国国际贸易的强劲发展等，为中国数控机床产业的发展提供了外部环境，使数控机床行业处于难得的战略发展期。未来，中国数控机床行业将主要呈现以下三大发展趋势： 　　首先，国产数控机床综合竞争力将大幅提高，从而引起国产数控机床的市场占有率将出现根本的变化。 　　其次，一批跨国机床集团在中国设立的独资企业或合资企业，如德国德马吉、美国哈挺、日本小巨人等，本地化生产将形成生产能力。 　　最后，普及型数控机床产业化将形成。普及型数控机床和加工中心数控机床是各类产品中发展最快、所占比重最大的一类产品，也是制造业应用最广的一类设备。普及型数控机床作为中档型数控机床，已成为消费的主流，其在数控机床中所占比例已超过30%，增长速度远高于其他类型机床，包括数控机床的增长速度。 　　2018-2023年，我国数控机床由于技术发展以及下游市场逐渐复苏等原因，仍会保持10%-12%的增长速度。到2023年，我国数控机床行业的市场规模将突破5,000亿元。
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