机械加工领域三十年来的四大变化

关心我国机械加工领域的技术进步，势必要联系世界范围内的发展，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，而其他属于“量变”（或称”渐变”）的，还可以列述更多。所谓“质变”是指：其一，创新思维与传统的“量变”有根本的区别；其二，所依托的物质载体与常规的相比在原理上有本质的差异；其三，在人类的生产活动中所形成的效益与影响更为广泛而深远。 四大质变表现为： 一、人类智能型生产工具出现 智能型生产工具的发展是近30年来的一个重要的发展动态。最近，在中南海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”，得到了与会很多同志的赞同。马克思在经典著作中论述人类历史发展阶段划分时指出：历史发展阶段是以人类采用什么生产工具及相应的生产方法来划分的，所以分成石器时代、铁器时代等。推动历史发展，生产工具的变革是最积极、最首要的因素。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），这一名称在《资本论》巨著中出现过两次。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了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，机床智能化功能的进一步陆续增添，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、软件功能的拓展为机床智能化提供了物质基础。 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、语言提示等功能；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。 二、加工方法逆向思维的突破是机械加工领域重要质变之一 快速成型（Rapidprototyping）技术是近20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（即将设计构思通过计算机二维或三维成像，计算机控制“材料添加”而快速制成实体）。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）等方法来实现原型工件造型，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。 三、机床结构出现革命性变革 近20年来世界机床设计出了革命性的变革，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。20年来，世界范围内大约有十几个国家20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400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道，但并未停步。据作者与其中某些团队并联机床模型 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）提供并联结构部分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。 四、工具概念的变异进一步开拓了人类的视野 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（又可称之为执行加工功能的载体）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、钻石等材料制成的工具（用来达到所谓以“硬”克“硬”）。后来氧炔高温切割方法出现了，电能源的放电加工方法（电火花加工、线电极切割）、电化学加工方法、各种生活激光加工方法、电子束加工方法、离子注入法和电解加工方法陆续出现，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（用于金属板材、塑料、橡胶切割加工 ），配合多坐标数控技术在汽车工业新产品试制（如覆盖件、内饰件切边）中可以大大缩短周期 ，小型件切割用途更是十分广泛。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）加工在其他应用领域（管道空间联结部位加工等）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”的还有很多很多，例如，加工精度的提升，几乎每10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。 趁此文结束之际，不妨再预报一类“渐变”（或称为量变）跨度比较大的颇有兴味的新机床品种，即笔者从瑞典向国内引进技术的“Transflex”型机床（预计2009年初在中国即将以首先投产的新产品在市场上亮相，也是世界范围内第一次亮相）。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，实际的确如是具备两者基因。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。比较新奇的是：它的机械手在动力头上方，朝下夹持工件沿桥式导轨及垂直滑枕作三坐标移动和两个旋转坐标转动（见图2），这种机械手比传统的多关节机械手夹持工件刚性更好，精度更高，除了替代传送生产线的步进式传送机构（它的递送速度较慢、可调性较差），而且增添具备步进传送机构所不具备的两个旋转坐标动作，机械手由数控系统指挥“喂送”工件（这就是突出特点所在）到不同工位的动力头，与动力头上所装刀具动作配合，完成每道工序。显而易见，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，是一值得关注的机床“另类”。