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
T O P I C A L R E V I E W 专题综述
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
2019年第3期
感知、自我学习及自主决策”等
功能。

自主感知可通过传感器获取数控系统内部电控数据、插补数据以及温度、振动和视觉等数据建立信息系统，“自主学习”可通过神经网络等方法，从大数据中隐含的“关联关系”中，应用大数据智能技术，进行自主学习，获得数控加工智能化控制知识，通过开放的技术平台，实现智能控制策略、知识的积累和共享。

“自主决策”可根据数控加工的实时工况和状态信息，利用自主学习所获得的智能控制策略和知识，形成多目标优化加工的智能控制。

（4）智能化感知与监控技术。

现代机床的发展对机床状态的监控达到了新的高度，高性能传感器的出现可更全面的感知和监控机床的状态。

系统可通过温度传感器、振动传感器、光栅尺、视觉传感器和力传感器等设备，监测运动轴电流、位置、速度和温度等状态；监测主轴的功率、转矩、速度及温度等状态；
监测机床温度、振动、P L C、I/O、报警和故障信息等运行状态；监测开机、关机、断电和急停等机床操作状态；监测程序名称、工件名称、刀具、加工时间、程序执行时间和程序行号等加工状态。

通过数据采集、分析及网络通信技术，集中对机床运行状态进行监控及智能化维护系统。

（5）数字孪生技术。

数字孪生（Digital twin）是一种集成多物理、多尺度及多学科属性，具有实时同步、忠实映射和高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。

随着数字孪生车间概念的
提出，数字孪生在智能制造中的
应用潜力得到越来越多的关注。

数字孪生技术最早用于美国国家
航空航天局（N A S A）对飞行器
的真实运动仿真。

美国通用公司
（G E）将数字孪生技术应用于
飞机发动机的运营服务，西门子
（SIEMENS）基于数字孪生理念
构建了整合制造流程的生产系统
模型，形成了基于自动化技术的
企业镜像。

（6）全生命周期及能效监控
技术。

绿色制造是中国制造2025的
五大工程之一，是我国工业实现绿
色发展的重要手段。

生命周期设计
是实现绿色制造的关键技术，它从
产品设计源头开始，同时考虑生产
制造、产品使用、回收处理和包装
运输各个环节。

它包括了金属切削
机床轻量化设计、模块化设计、易
拆解性设计、降噪设计、机床高能
效设计、切削液回收处理和再制造
等关键技术。

轻量化设计及能效监
控技术已广泛被机床企业所使用。

4.我国发展建议
（1）营造良好生态环境、加
大对企业研发的财税政策支持。

新技术的开发需要大量的资金投
入，我国机床企业面临进口机床
竞争、同行低价竞争及高成本等
多重压力，企业的研发投入相对
谨慎。

虽然在重大专项的支持
下，我国机床企业技术水平有了
很大的提高，但要想达到世界先
进水平还需要更多的资金及人力
的投入。

因此需要政府营造更适
合的研发环境，建立公平竞争的市
场环境，完善更合理的财税制度。

（2）加强基础数据获取、积
累与开发，打好智能制造基础。

从制造业数字化，网络化到智能
化的3个阶段发展，离不开的关
键词是数据，数字化是机床物理
过程向数字过程的转换，网络化
是数字的传输与交流，智能化则
代表对数字的思考与决策。

因此
数据的采集、交互、分析及决策
是机床智能化的“地基”。

基础
数据的采集和积累是数据交互及
分析决策的基础，我们国家缺少
的就是数据的积累，因此要想智
能制造更好的发展，要打好“数
据”这个基础。

（3）保障国家安全，打造国
产智能数控系统。

数控系统是保
证国家安全的重要装备，是数控
机床的大脑，是数控机床的核心
部件。

不掌握核心技术，没有高
水平的智能数控系统，将会严重
威胁我国制造业的发展。

高水平
数控系统的发展是机床向高速、
高精及智能发展的重要保障。

（4）重视和谐发展，提升
机床绿色化程度。

绿色发展是我
国的五大发展理念之一，金属切
削机床是量大面广的机床产品，
机床产品深入到每一个机械制造
角落，机床产品的绿色发展对我
国工业绿色发展起到至关重要的
作用。

同时欧洲提出的能效指令
及I S O提出的高能效机床设计标
准，都对我国机床企业出口提出
了新的要求，因此提升金属切削
机床绿色化程度迫在眉睫。

（5）静心求稳，深入数控机
床共性基础理论研究。

金属切削
机床基础共性理论研究是数控机
床发展的根本，数控机床最根本
的算法理论是向国外学不来的。

只有掌握了数控机床的最基础算
（下转第8页）
2019年第3期
2019年 第3期他特殊编程，纯机械工具工作，可根据机床类型定制生产。

我们和德国C 6刀具公司合作，研究浮动头刀具用来加工高速动车组车体大部件底架（含地板）、侧墙等型材的C 型槽和窗口，传统加工方式是先探点，利用加工中心带的雷尼绍探头探测30m 长的焊接型材大部件的C 型槽和窗口周边高度值，然后计入数据自动补偿NC 加工程序中，加工过程中根据数值大小自动调整加工量，保证不伤及母材，留有打磨余量，手工打磨。

采用浮动头刀具加工方式不用探点直接进行加工，加工余量控制在0.1mm 以下，节省探点时间提高设备利用率，减少加工余量节省打磨时间及降低打磨强度。

利用浮动头刀具加工C 型槽，取得了事半功倍的效果，加
图2　加工C 型槽刀具路线
图3　铝型材去除立筋加工实例
图4　车体大部件地板加工实例
图5　轨道车辆零部件加工实例工路线如图2所示。

图3所示为加工型材C 型槽的实例，刀具用的加工参数如下：转速10 000r/min ，进给速度4 000mm/min 。

图4所示为高速动车组车体大部件加工实例。

浮动头刀具适合多种形式加工，台阶加工很方便，去除多余材料，图5所示为加工图。

4.结语
浮动头刀具经过试制试验，达到了预期效果，提高了生产率。

刀具还存在改善空间，发现浮动环在喷雾冷却的状态下与工件表面接触移动过程中，工件表面会出现黑色污渍，下一步深入研究刀具浮动环材质，改变刀具浮动环材质，可以杜绝和工件接触产生的污渍现象。

法才能使中国机床位于世界领先的行列。

如多轴联动控制技术、运动速度控制技术、误差补偿技术、智能感知技术、可靠性技术和数字孪生技术等。

基金项目:“高档数控机床与基础制造装备重大专项”、“高档数控机床产业技术发展路线图研究（2016ZX04005002）”。

参考文献：
[1] 赵万华，张星，吕盾，等.国产
数控机床的技术现状与对策[J].航空制造技术，2016（9）：16-22.
[2] 海德汉.海德汉“智联制造”
机床互联互通解决方案[J].世界制造技术与装备市场，2018（2）：86-88.
[3] 梁迎春，陈国达，孙雅洲，
等.超精密机床研究现状与展望[J].哈尔滨工业大学学报，2014，46（5）：28-39.[4] 杜正春，杨建国，冯其波.数控
机床几何误差测量研究现状及趋势[J].航空制造技术，2017（6）：34-44.
[5] 吴佳汉，文志江，冯方平.人工
智能及其在机床加工中的应用[J].广东科技，2017（4）：75-77.
[6] 陶飞，刘蔚然，刘检华，等.数
字孪生及其应用探索[J].计算机集成制造系统，2018，24（1）：1-18.
（收稿日期：20190111）
参考文献：
[1] 乔迎才，李卫华，赵清雅，
等.大中型封头坡口仿形浮动刀架的设计与应用[J].石油和化工设备，2013（10）：36-37.
（收稿日期：20190104）
（上接第6页）。