零件加工日益复杂,五轴联动数控机床需求突显

文:编辑部2022年第二期

根据中国机床工具工业协会对重点联系企业的统计数据,以及协会企业调研情况和部分分会提供的资料显示,20211-12月,行业整体运行保持稳定增长,运行效益持续提升,全年总体呈现增速前高后低、分行业间差异逐渐加大的特点,总体来看,各项主要指标整体仍保持在较高水平:全年月累计完成营业收入同比增长26.2%,增幅比上年扩大23.2个百分点,所有分行业同比增幅均在10%以上(见表1)。综合考虑各种有利与不利因素,预计2022年我国机床工具行业将延续2021年的良好运行态势,但因2021年基数较高,2022年全年营业收入等主要指标可能与2021年持平或略有增长。

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1  20211-12月重点联系企业部分分行业营业收入同比情况(资料来源:中国机床工具工业协会)

 

从中国机床工具工业协会的统计数据来看,2021年金属加工机床产量和订单量均明显增加,其中,从图1、图2看,金属切削机床和金属成形机床近三年的产量同比增速变化,与营业收入的同比增速变化趋势相似,但相对而言,金属切削机床产量同比增势更强一些。

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1  金属切削机床产量同比增速情况(资料来源:中国机床工具工业协会)

 

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2  金属成形机床产量同比增速情况(资料来源:中国机床工具工业协会)

 

另一方面,有行业头部企业估算,在通用领域,目前中国立式加工中心、车床、卧式加工中心和龙门加工中心的市场需求分别约为10-12万台/年、10-12万台/年、4,000-6,000/年和3,000-5,000/年;在3C领域,存量替换和新兴需求将驱动国内钻攻机市场保持平稳成长,考虑到存量替换约为4.0万台年需求量(智能机、笔记本电脑、平板)和新兴市场约为1万台年需求量(VR/AR、可穿戴、机器人、电子烟、医疗器械和无人机等),合计整体约5万台、100亿元人民币的年市场规模。

2021年以来,新冠疫情多次大范围反复,自然灾害频发,工业原材料价格上涨,国际物流受限,出口成本上涨等不利因素对机床工具行业的运行带来较大冲击,其中有些因素是2021年三季度后新出现的。同时,在国内外疫情影响下,产业结构不合理,产业链、供应链某些薄弱环节制约凸显,这些对机床工具行业运行及市场需求的后续影响仍不容忽视, 行业运行不利因素有所增加。

 

高端数控机床——五轴联动成开发热点

      高端机床智能化是“中国制造2025”国家战略发展目标,去年8月,国资委进一步强调要针对工业“母机”、高端芯片等加强关键核心技术攻关。其中,五轴联动加工中心是现阶段行业开发的一个热点,根据有关机构的统计及预测,2021年全球五轴数控机床的市场销售额达到了76亿美元,预计至2028年将达到154亿美元,年复合增长率(CAGR)约为10.6%2022-2028),从地区层面来看,中国市场的增长速度较快。据MIR睿工业的调查显示,作为高端机床代表的五轴机床,2020年中国市场的规模约为68.2亿元(图3),预计20212022年均会保持在两位数的增长速率。

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3  2018-2022年中国五轴机床市场规模统计及预测(资料来源:MIR DATABANK,此数据中包含全五轴机床、3+2型五轴机床、4+1型五轴机床)

 

通常来说,五轴联动数控机床是指机床基本的直线轴三轴 XYZ 及附加的旋转轴 ABC 中的两轴,五个轴同时运动,任意调整刀具或工件的姿态,实现复杂空间曲面加工、异形加工、镂空加工、斜孔/斜切加工等操作。应用先进的加工方式,五轴联动数控机床或加工中心取代传统的修边模和冲孔模的加工方法,一次装夹就可完成多面加工,减少了多次装夹造成的重复定位误差,缩短了上下料的辅助时间,降低了制造成本,有效提升了加工效率和稳定可靠性,也优化了产品性能。

由于具有高速度、高精度、高稳定性等特点,配以五轴联动数控系统,这类机床即可对复杂的空间曲面进行高精度加工,因而特别适用于精密模具、新能源汽车、航天航空等高端领域复杂工序零件的加工场景,在“工业4.0”、“中国制造2025”不断深化的大背景下,五轴应用技术势必将推动制造业向价值链高端不断前进。据介绍,在五轴应用中,目前国内的热冲压成形技术和热冲压生产线正在飞速发展,市场需求也在倍速增长,以实现国产品牌的进口替代以及技术的自主可控,真正破解被国外技术“卡脖子”的难题。

按照作业方式的不同,目前的五轴联动数控机床大致上可以分为五轴立式加工中心、五轴卧式加工中心、五轴龙门加工中心、卧式铣车复合加工中心、五轴工具磨削中心等。按照机械结构形式来划分,五轴联动数控机床一般可以分为双摆头形式、俯垂型摆头式、双转台形式、俯垂型工作台式、一摆一转形式等。国际上知名的制造商包括德玛吉、马扎克、哈斯、OKUMA HURCOHELLER等;国内则包括科德数控、北京金雕、海天精工、新瑞重工、上海日进等企业,部分厂商主要是以向国外采购零部件进行组装加工。

在五轴联动数控机床整机的生产制造过程中,涉及到的关键功能部件包括各类电机、电主轴、转台、传感器、数控刀具等,以及五轴数控系统,伴随着目前国内自主化率和国产化率要求的提升,迫切需要这些功能部件和控制系统供应厂商也要能够配合整机厂做产品的配套开发,以满足五轴联动机床对高精度、高动态性能的技术要求。

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4 五轴联动数控机床大致分类及相关应用领域(资料来源:华经产业研究院)


直驱技术产品崭露头角

相较于一些发达国家,直驱技术在国内数控机床行业的应用时间较晚,当中也走过一段曲折的过程。伴随着近年中国高端数控装备行业应用直驱技术的“春天”到来,也为众多国内直驱厂商开辟出一片可以大展拳脚的新天地。一般来说,生产效率和精度是机床竞争能力的两项重要指标,五轴联动加工技术在提高生产效率方面有着巨大的潜力,而机床直线轴和旋转轴的运动定位精度对五轴联动机床的性能起到至关重要的作用。

例如,针对高端直驱机床的发展趋势,雅科贝思凭借机械、电控、软件等较为齐全的产品线,采用与机床行业设备厂商联合开发的形式,将直驱技术引入这一领域,积极参与了多个“卡脖子”高端机床的技术攻关项目,并且在雅科贝思内部每个工厂的机加车间都配备有这些共同开发的高端机床,通过大量的生产实践,亲身验证直驱技术产品和机床整机的稳定可靠性,为客户提供更多的数据做技术支撑。据介绍,雅科贝思CNC专用直线电机、直驱转台、摆头均已通过多家高端机床客户的认可,装机量暴增;其中,高性价比的AKMF系列已在通用车床、铣床、磨床等加工机床上得到了大批量应用;同时,对于更高动态响应需求的下一代高端五轴联动全直驱加工中心,雅科贝思也推出了AKH系列等更高性能产品,并已在多个客户的应用场景中取得了成功验证,产品品质得到了高度认可,助力中国机床行业向高速、高精方向的转型升级。

借助多年来在高端数控机床领域积累的丰富实践经验,长沙一派直驱近一、两年陆续开发出多款数控机床行业相对应的通用型直线电机系列,目前已被大量应用在导轨磨床、激光切割大行程龙门系统、加工中心(三轴、五轴联动)等数控装备领域。一派直驱坚持以中大推力直驱技术路线的创新开发为重心,特别是最近几年,一派直驱加大了针对数控机床直线电机应用的基础研究投入,潜心钻研,在直线电机的高精度(微米级)、稳定性、高防护等级、散热/冷却性能,以及对铜质、矽钢片等核心原材料的分析等方面,大力夯实基础科研,持续创新技术与方案,在精密数控机床用直线电机领域,与国内优秀的系统供应商合作,打造一整套直线电机高精度机床解决方案,协助提升高档数控机床的国产化率。

为了应对五轴数控机床市场的快速崛起,德玛特目前已推出了全系列五轴摇篮产品,基本对五轴机床市场的需求进行了全覆盖。例如,德玛特数控双臂五轴摇篮转台RDD系列的摇篮式双轴联动直驱数控回转工作台依据先进的设计理念,采用力矩电机直驱方案,使其具备响应快、精度高、维护方便等优点,高效精简的刹车方案在保证工作可靠的同时,实现了转台结构的紧凑性;此外,根据客户的需求,还可提供适用不同使用场景的电机、轴承和圆光栅选配方案,在满足使用的前提下,保持高性价比。德玛特RDDS400A五轴摇篮转台的定位精度可高达±1角秒,高刚度、可用来进行精密模具加工,全直驱电机驱动,达到毫秒级高动态响应性能。

 

五轴联动数控系统:高精度、智能化

   目前,国内80%以上的机床数控系统都是以西门子、海德汉、发那科、三菱等国际品牌为主,特别是在五轴联动这类高端数控机床领域。例如:西门子SINUMERIK 840D sl 代表着高端数控系统中的标准,适用于几乎所有的机床方案,其高性能的硬件架构、智能控制算法以及高级驱动和电机技术,确保了极高的动态性能和加工精度;海德汉TNC 640高档数控系统具有优良的运动控制、高速和5轴功能;三菱M700V数控系统配备有高级的全纳米控制;FANUC 31i-MODEL B5系列数控系统具备高速、高精度、高质量五轴联动加工复杂形状工件的功能。

数控系统的RTCPRotation Tool Center Point)功能是五轴联动数控机床必须要具备的特征之一。除此之外,在精度方面,五轴联动数控系统由五个坐标轴运动合成,旋转坐标的加入,加重了插补运算的负担,微小的运算误差就会直接导致加工精度降低,因此要求控制器能够达到很高的运算精度。目前,随着数控机床上应用的CPU6位发展到64位,其频率也从5MHZ提高到上千MHZ这进一步提升了系统的运算速度和分辨率(0.1μ 0.01μ),完全满足高负荷计算和图形显示的要求

另一方面,智能化也必不可少。例如,去年下半年海德汉推出的新一代TNC7数控系统提供精优轮廓铣削(OCM)功能,可在整个铣削过程中始终使用理想的切削参数;全新坐标磨功能在一次装夹中有效提高加工件的表面质量;加工监测功能帮助用户可靠地达到所需的加工效果;动态碰撞监测(DCM)功能不仅可避免机床部件与刀具间的碰撞,还能避免刀具与夹具间碰撞;图形化的编程功能可智能地生成NC数控程序;并提供创新和可自定义的用户界面。

值得关注的是,最近几年,五轴联动数控系统的国产化开发也掀起了一波热潮。由中国机床监督检测中心出具的报告显示,目前科德数控开发的数控系统在功能上已可达到西门子 840D 95.85%,基本可实现进口替代;上海铼钠克数控科技有限公司专注于CNC五轴应用平台的开发,配合机床厂家及客户提供CNC控制系统、CAM软件和整体解决方案;上海维宏电子科技股份有限公司开发的NK530M加工中心数控系统对HST高速梯形算法和HPCS高精度轮廓光滑处理进行了优化,加上强大二次开发功能的PHOENIX数控平台以及NcCloud维保云平台,可为用户提供高性价比的五轴加工中心数控系统解决方案。

在最近的“TIMTOS x TMTS 2022”工具机展上,针对进阶加工高精高速、一机多任务以及五轴加工的成长需求,台达以全新推出的OPEN CNC控制器NC50E为核心,为机械业者达奈美克打造了五轴加工中心,不仅实现同时控制多通道运行“一机多任务”,更整合了台达工业机器人领域新品——垂直多关节机器人DRVA4LC进行自动上下料,并通过旋转刀具尖点控制RTCP功能,一次装夹即可完成五面加工,实现了高精、高速复合加工。同时,台达还提出了全新的智能CNC系统架构,以CNC控制器为核心,串联台达丰富产品,NC5系列支持开放式EtherCAT泛用运动总线,兼容性高且线缆长度长达1,000米,可高速稳定地整合台达交流伺服驱动驱动系统,组成完整加工方案;此外,对于基础需求的客户,台达也提供CNC控制器NC3系列,基于DMCNET高速通讯运动控制,可串接交流伺服驱动系统,并以Remote I/O整合高速串联光耦合型I/O NC-EIO。两种方案皆可搭配通讯型环形编码器RHM或脉波编码器EH5

综上所述,从目前下游应用端来看,五轴联动数控机床除了在航空航天领域具有明显的增长需求之外,在汽车、精密模具、刀具、电子、工程机械、清洁能源、医疗器械等民用市场中,随着中国制造业产业链的逐渐升级,下游零部件、模具加工难度正逐渐增强,对加工效率的要求也越来越高,这使得下游行业用户持续新增对五轴联动机床的需求,传统机床具有一定的周期属性,而以五轴联动加工中心为代表的高端数控机床替代传统的加工方式,能够为用户创造更高的应用价值和生产效率,是未来行业发展的重要方向之一。


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