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从大连科德看国产机床的进步和短板
来源:中国数控机床网   发表时间:2018/5/29 18:39:00  浏览次数:
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摘要:和大部分采用进口数控系统(高端用西门子或者海德汉,中低端用发那科),或者披着国产外衣,但几乎所有的核心零部件都需要进口的所谓自主品牌不同,科德设备的数控系统、伺服电机、力矩电机、电主轴电机、工作主轴和摆头等核心和关键软硬件模块均为自主研发,自主配套率达到了很高的水平。

斩获CCMT2018展会“春燕奖”的大连科德KHMC125UMT卧式复合加工中心

众所周知,近十年来我国在数控机床领域的进步极大。很多之前没法走出实验室,用途仅仅是应对验收的技术都已经迈向了产业化,并逐渐拥有了自己的高端产品,开始支撑战略领域的产业升级。

其中的典型例子就是大连科德。

作为一家从做数控系统起家,专攻航空航天结构和透平式动力机械制造的高端机床企业,科德研发生产的设备已经在我国军工领域广泛使用,并部分替代了进口设备。

KToolG3515五轴工具磨床性能参数

和大部分采用进口数控系统(高端用西门子或者海德汉,中低端用发那科),或者披着国产外衣,但几乎所有的核心零部件都需要进口的所谓自主品牌不同,科德设备的数控系统、伺服电机、力矩电机、电主轴电机、工作主轴和摆头等核心和关键软硬件模块均为自主研发,自主配套率达到了很高的水平。当然某些关键和核心零器件还是需要进口的,这个在后文会有提及。

科德设备加工的透平式动力机械零部件,刀纹细腻美丽,非常漂亮

就在前段时间,航天科工集团飞航技术研究院(也就是通常所说的三院)的官方微信号发布了一篇关于全国技术能手孙长胜的报道,在该报道的配图中,一排科德KMC800UMT五轴立式复合加工中心赫然引人注目(注意铭牌上的04专项示范设备字样)。

正在操作科德KMC800系列机床的孙长胜

必须提请读者注意的是,孙长胜所在的单位——三院31所对外称北京动力机械研究所,是我国飞航式导弹动力设备最重要的研发和生产单位,我国多型导弹所采用的涡喷、涡扇和冲压发动机均为31所研发和生产,某高新飞行器的新体制动力装置也是31所的杰作。能够得到该单位的批量订单,说明科德产品的成熟度已经达到了相当的高度,也说明军工单位对国产高端数控设备的信任度达到了相当的高度。实际上目前国产高端数控机床的成熟型号平均故障间隔时间(MTBF)普遍达到了2000小时,已经接近国际先进水平。

KMC800系列的性能参数

KMC800系列刀具主轴最大功率为38kW,最大扭矩为186Nm,最大转速为18000rpm,基本满足高速重切削的需求;最大进给速度为48m/min,基本满足对尺寸较大的复杂零件的加工需求,花岗岩底座和高刚度床身设计则保证了很高的加工精度——直线定位精度达到了5μm,重复定位精度达到了3μm;而角度定位精度则达到了5",重复定位精度达到了3"——这已经是量产型高端机床的国际一流水平。

在这里需要说明一下,很多精度极高的超精密加工设备是无法量产的,比如美国LLNL就有一台金刚石磨床,其加工的零件表面粗糙度(Ra)可低至1nm,但是这样的设备核心和关键零部件几乎全靠纯手工打造,批量极小(甚至只有一台/套),技术也不扩散,基本上就是各国自己做了自己用。其实我国也有类似的超精密加工设备,用来加工激光陀螺仪的内腔表面等。本文讨论的高端机床都是量产型的,与这类超精密加工设备无涉。

其实如果单从精度来看,KMC800UMT已经和与其尺寸接近的瑞士斯达拉格STC800不相上下,但是考虑到STC800的主轴能在相似的功率(37kW)下爆发出940Nm乃至1300Nm的恐怖扭矩,进给速度更是高达60m/min,加工精度还类似,笔者认为说科德的技术积累和斯达拉格相比还有一个数量级甚至更大的差距毫不夸张。因为稍有相关常识的人都知道,扭矩的重要性比转速要高得多——如同样尺寸的小型高速铣设备,日本牧野的最大转速可达50000-60000rpm,而瑞士GF旗下米克朗的转速只有30000rpm,然而后者的售价却比前者要高一半,原因就在于后者在相同的转速下扭矩远大于前者(所以真正有经验的从业者是不会被日式宣传所迷惑的)。况且STC800家族还有一个专门做高速加工的STC800X呢。它的性能请读者自行体会(这是30000rpm/120kW的怪物啊)。

同时满足高速重切削、快进给和高精度的加工需求,其实正是斯达拉格在尖端制造领域近乎于独霸地位的基础,他们的技术积累和研发能力,我们目前还可望而不可即。唯一的好消息是,瑞士是永久中立国,他们生产的设备不存在禁运问题……

其实说起国产高端数控设备的短板,以测量器件为代表的仪器仪表是绕不过去的坎。其实很多机械零部件制造方面的问题,也和缺乏高端测量器件和相关仪器仪表有极大关系。目前我国的高端数控设备的测量器件可以说100%依赖进口,如海德汉的光栅尺,雷尼绍的测量探针和激光测量设备等。其实这些仪器仪表我国不是不能做,只是做出来没有人愿意用,原因主要有三个。一个是精度差,与进口顶级货相比差一个数量级;二是故障率太高,寿命短,大概只有进口货一半寿命,国内仪器仪表厂家售后服务一般又跟不上,经常耽误工作;三是可靠性差,可重复还原状态不稳定,大概比进口货低一两个数量级。

这里面的历史渊源要追溯到上世纪90年代,当时改革的决策者并不懂得仪器仪表是工业体系的眼睛鼻子耳朵嘴巴,是工业化和产业升级的基础,他们只看到这个行业亏损严重,就认为应该甩包袱,直接撤销了仪器仪表工业部(摧毁了顶层设计体系),解散了所有参与传感器材料和工艺研发的团队(摧毁了人才体系),下马了全部传感器项目(摧毁了科研体系),这使得我们在这个领域彻底投降,相关研发人员的精髓全部进入了外资企业。这一战略性决策失误完全摧毁了我国仪器仪表工业独立自主的基础,此后的十多年间,只有军工领域的仪器仪表研发工作还在苦苦支撑,而且相关单位无一例外的全部处于亏损状态。

所以目前的情况是我们每年必须出口一定数量的宝贵的重稀土(轻稀土不值钱),以换取发达国家对我们的传感器对价出口,这是有清单的。所以如果想拿重稀土做国际博弈的筹码,就得先过仪器仪表这一关,所以网络愤青的很多叫嚣是毫无意义的。

好在2008年国际金融危机给了我们一个机会,我们的企业开始收购欧洲小国(如比利时和卢森堡)的仪器仪表企业,等于是以比较小的代价再次以引进技术为基础的开始仪器仪表工业的重新起步。这些企业规模虽然不大,但是都有自己的绝活,可以说给处于绝境中的中国仪器仪表工业重新带来的生的希望。于是这几年我们可以看到军工方面的仪器仪表进口清单每年都在以快于预期的速度缩短,航天等关键领域的仪器仪表国产化率也在飞速提高,但是工业级仪器仪表仍无大的起色,因为这需要掌握大批量、低成本的制造技术和工艺,我们目前还不具备这个能力,只有等我们把相关人才体系初步建立起来再看。

其实本文表述的文字真正的目的在于提醒读者,我国的高端数控设备,乃至整个高端制造业和世界先进水平之所以有现在这样的差距,和20世纪90年代在仪器仪表工业方面自废武功关系极大,而且这个领域不可能像集成电路一样可以专门设立一个专项来砸钱提高,只能通过各种大项目一个点一个点的逐渐填补空白并提升水平,因为这是一个小批量多品种,量身定制为主的市场,没有工艺和材料积累,几乎生存不了。

然后是高端数控机床里的高端轴承问题。军用和航天级的轴承我们都能自主满足需求,但是大批量、低成本的制造工业级的高端轴承,这个我们目前还做不到。这是为什么呢?因为轴承这个东西很特殊,虽然形状看起来简单,但是要求可一点都不简单。不光对误差有要求,还对误差的形状和分布有要求。我们知道,把任何一个零件表面放大之后都会看到凹凸起伏,我们一般所说的误差就是这些凹凸起伏的高度差,然而高端轴承不光对这些凹凸起伏的高度有要求,还对它们的形状和分布有要求。而什么样的形状和分布才是好的,这个标准一直都垄断在SKF这样的国际轴承巨头手里,对外严密封锁,我们也是最近几年才逐渐掌握(其实就是对表面形状进行谐波分析),再加上特种陶瓷材料方面的进步,所以才解决了太行发动机和新一代涡扇发动机的轴承国产化问题。然而对于批量更大的高端工业级轴承来说,用什么样的材料和工艺才能保证符合标准且足够稳定,目前我们还在摸索,毕竟军用和航天轴承的材料和工艺都过于昂贵,在可预见的将来是不可能大规模民用化的。

都说我们的基础零器件差距大,20世纪90年代的瞎折腾应该为此负主要责任。其实在很多基础零器件领域,现在我们等于从头再来,其中的艰难是可想而知的,要做好为之苦干30年的准备。

至于高端数控系统,其实我们已经突破了,除了大连科德以外,华中8系统在经历了十年的改进和磨合之后,已经在国产大型和重型机床上广泛运用了,比如用来给大型舰艇制造螺旋桨的七轴六联动龙门铣床用的就是华中8系统,其加工的产品曲面形状误差不大于3μm;在中航沈飞,华中8系统救活了一些坏掉的进口设备,其加工精度恢复甚至超过了原有水准。但是由于数控机床是一个红海市场,竞争极为激烈,对成本又非常敏感,所以国产数控系统也好,国产高端数控机床整机也罢,目前都极难在通用机械制造领域有大的建树,在可预见的将来,国产系统和整机的主要用武之地还是军工等特殊行业和极限制造领域,在大量的通用机械制造领域,进口设备仍然会是绝对的主力。但是无论如何,现在毕竟已经迈出了国产高端数控设备产业化的第一步。

制造强国,道阻且长。

 

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