第十三届中国数控机床展览会特种加工机床评述
- 2024-07-22 11:21:454874
【机床商务网栏目 展会快报】引用论文:
DOI: 10.3969/j.issn.1009-279X.2024.03.002
1评述背景
由中国机床工具工业协会主办的第十三届中国数控机床展览会(CCMT2024)于2024年4月8日至12日在上海新国际博览中心隆重举办。本届展会以“聚焦——数字·互联·智造”为主题，展出总面积达20万平方米，吸引了全球28个国家和地区近2 000家机床工具制造厂商参展，充分体现了全球机床工具行业正以更坚定的步伐、更清晰的方向，迈向更加广阔的未来。众多世界知名机床工具制造商展示了最新技术和产品，其中特种加工机床(包括电加工机床、激光加工机床、增材制造机床等)参展厂商近60家、展示产品130多台(套)。展会期间，中国机床工具工业协会特种加工机床分会和中国机械工程学会特种加工分会邀请专家组成评述组，通过现场观摩、资料收集以及与参展厂商的技术交流，并结合特种加工机床的最新发展动态和市场需求，撰写了本评述报告。
2展品种类
3技术特点
1 电加工机床
本届展会期间，有12家国内外厂商展出23台数控电火花成形机床、1款电火花专用CAM软件和3台(套)自动化单元，参展产品在性能的成熟度、可靠性、稳定性和功能的自动化等方面均有提升；有6家国内外厂商展示了6台单向走丝电火花线切割机床，18家企业展出了37台具有多次切割功能的往复走丝电火花线切割机床(俗称“中走丝”机床)，机床的加工性能、自动化水平、产品外观质量等方面都有了长足进步。
1.1 数控电火花成形机床
(1)新品新技术特点突出。与2023年在北京举办的中国国际机床展览会相比，本届展会展出的几款新产品呈现了新的技术特点。
(2)自动化和产线化明显。近年来，以电火花成形机床为主体的自动化单元和产线逐渐成为热点。本次展会有10家企业展示了配置自动升降工作液槽、快换精密夹具、ATC刀库和机械手等单元部件的电火花成形机床，为以后形成自动化加工单元或组成自动化产线打下基础。与此同时，制造商越发重视机床设计，比如对床身和重要部件采用有限元技术分析和优化设计；采用高刚性、低热膨胀系数的铸造材料，以减少因热变形造成的精度波动。闭环伺服控制系统已成为大多数中高端机型的标配，定位精度较高。部分参展厂商引入人工智能、物联网和CAM等技术，在自动监控、远程控制及易于编程等方面提高了机床的自动化、智能化水平。
(3)加工性能指标不断提高。参展展品能针对用户实际需求，通过大量工艺试验优化工艺参数、工艺路线和控制策略，有效提高加工精度、降低加工表面粗糙度。
(4)数控系统功能日趋完善。近年来，我国特种加工机床企业在数控系统方面积极创新研发，自主创新能力也得到提升。本次展会上，国内参展机床的数控系统大多数基于Windows操作系统而自主研发或合作开发，具有数控轴联动、三维摇动加工、螺距补偿、自动回加工起始点、原轨迹回退、自动调取加工参数和抬刀自适应等控制功能，人机界面友好，易于操作。
1.2 电火花微小孔加工机床
(1)结构形式和配置更趋科学合理。经过多年的优化改进，电火花微小孔加工机床的结构形式趋向于工作台固定的双转轴牛头式结构，并配置了高精度旋转头和电极扶持器。
(2)控制功能和加工性能日趋完善。从展品来看，多轴数控电火花小孔加工机床控制功能和加工性能日趋完善，能更好地满足用户需求。
(3)加工范围和应用领域进一步拓展。随着新型发动机叶片簸箕孔、化纤喷丝板喷孔等异形孔的加工需求大幅度增加，各厂商在电火花小孔加工机床上开发了相应的功能模块以及相应的工艺数据库和专家系统，实现了异形孔的高效率高质量加工。
1.3 数控电火花线切割机床
1.3.1 单向走丝电火花线切割机床
(1)高精度及高加工性能。采用低热变形矿物质床身、AI热位移补偿技术以及通过保护罩内空气流通和冷却工作液在床身内循环等手段均衡调节机床内部温度，减小由于温度的变化而导致的机械变形，并配置高精度伺服驱动技术和高分辨率位移传感器，从而获得机床高精度和高加工性能。
(2)连续无人加工实现高运转效率。不断完善和优化自动穿丝技术，可进行大厚度穿丝和水中穿丝。将型芯在任意指定位置焊接在型腔中的“加工型芯熔合技术”和将型芯切割为料渣的“无芯加工技术”的应用，实现了多个型腔的高效连续自动加工。
(3)自动化产线管理提高可用性。由多台机床、检测设备、料库、机械手等组成自动化生产线，通过车间管理软件进行集中监控和管理，实时监测加工过程、放电状态以及自动化流程，对偏离标准设定的状态进行报警及采取对应措施。甚至将物联网管理纳入产线内，以实现任务管理与动态调度、进度监控与信息提取、数控编程与工艺参数优化支持、加工程序传送和质量信息采集与分析等多维度综合管理。
1.3.2 往复走丝电火花线切割机床
(1)加工性能指标提升。近年来，在大电流切割、纳秒级脉冲电源、细丝切割、加工状态实时检测及自适应控制技术等方面取得了较大进步，表面粗糙度和加工效率有了进一步提升，最佳加工表面粗糙度可达Ra 0.4 µm。
(2)新技术应用更受重视。将主机精度、消除电极丝张力变化及抖动对切割表面质量的影响作为重点研究方向，并及时移植到产品上。机床结构部件采用矿物质材料，提高机床精度的稳定性和保持性；进一步优化张力控制系统，保证在不同工件材料、不同厚度和不同加工状态情况下电极丝张力的稳定性，从而获得较高的加工精度，切割150 mm厚工件的腰鼓度≤3 µm。
(3)自动化水平明显提升。近年来自动穿丝、工作液槽自动升降技术在“中走丝”机床上得到广泛应用，已有多台“中走丝”机床与机器人组成的产业化自动生产线在用户单位落地使用，明显地提升了“中走丝”机床的自动化技术水平。
(4)快速应对市场新需求。如今，在大型压铸、塑胶模具加工和3D金属打印件基板切割以及核电、航空航天等领域大尺寸零件加工中应用“中走丝”机床的场景越来越多。制造厂家快速响应市场新需求，开发出大行程、重载并能加工高厚度零件的“中走丝”机床。
2 激光加工及增材制造机床
本届展会激光加工及增材制造机床的展商近30家、展品近50台。整体来看，国内激光产业发展越发有活力，激光工艺软件及其CAM软件的自主研发逐渐成为主流，光纤激光器功率技术与相配的光学元器件技术不断突破，激光加工装备的工艺能力、光机电协同控制、模块化和智能化不断进步，特别是大功率激光加工装备的发展势头喜人，进一步向自动化、智能化、定制化方向发展。
2.1 激光切割机床
随着超快激光器的快速发展，激光切割机床可对难加工材料如陶瓷、蓝宝石和玻璃等进行高精度加工，扩展了激光切割在微电子和消费电子行业的应用。三维激光切割机和超大功率激光切割机的出现，部分替代了传统的火焰切割、等离子切割、高压水切割等传统切割工艺。从本届展会激光切割机床的技术参数和技术特点来看，高动态特性和万瓦级激光器成为激光切割机床的标配，机床的智能化趋势明显。大功率激光切割在切割速度、应用成本、能量转换效率和材料适应性等方面具备综合优势，此次展出的激光切割设备普遍配置了20、30、40 kW级激光器，部分切割机可配置80 kW激光器。得益于先进的结构形式与新材料的应用，激光切割机床普遍采用直驱直联的驱动方式，在动态特性方面表现优异，使机床可实现较高的转速、线速度、加速度或高频动作，进一步提高其加工效率。
2.2 管材激光切割机床
管材激光切割机床专用于切割圆管、方管等。从众多展品的技术参数和技术特点来看，加工精度不断提高，模块化、自动化、智能化方面进步显著。厂商针对管材切割应用场景，开发了高柔性的半自动/全自动上料模块、半自动/全自动下料模块、伺服托料模块、生产监控模块、上下游数据交换模块和管材内壁除渣模块等，并可根据客户要求定制全自动管材切割产线。
2.3 激光精密加工机床
随着超快激光技术的发展和进步，皮秒、飞秒等超快激光加工凭借其超越衍射极限的加工精度和极高能量密度等特点在硬质合金、金刚石、陶瓷、蓝宝石、半导体材料及各种纤维复合材料等难加工材料的高精度、高效率加工中占有越来越重要的地位，在医学、微纳加工和航空航天等领域展现出巨大的应用潜力。
2.3.1 水导激光加工机床
水导激光加工是先将大功率脉冲激光束耦合至水射流，后作用于工件表面进行加工，在保证加工精度的同时无需进行激光聚焦和距离控制。水导激光加工适用于无锥度孔的制备，水射流可降低脉冲激光加工对材料的热损伤、提高切割边缘的均匀性、有效避免激光烧蚀后的熔融物附着于加工表面。水导激光加工机床的核心技术在于水射流水柱的直径和长度。近年来，水导激光加工机床的应用领域逐步向精密精工领域靠拢，随之而来，水柱直径不断缩小、水柱长度不断增加、光路同步控制性能不断增强。目前市面上的水导激光加工机床，其制备微孔和深孔的能力不断提升，配合运动控制系统可实现任意锥度的制孔。
2.3.2 五轴超快激光加工机床
为满足日益增长的三维异形构件加工需求，五轴联动机床与超快激光加工系统的集成可在发挥超快激光精密加工能力的基础上增大加工范围，适用于曲面、复杂型面零部件的钻孔、焊接、切割、微结构加工和纹理加工。从展品来看，刀具加工是五轴超快激光加床的主要应用方向，而五轴联动加工系统与超快激光加工系统的集成、专用CAM软件和面向不同应用场景开发的功能模块则是各厂家五轴超快激光加工机床的核心技术。
2.4 激光增材制造机床
激光增材制造技术为轻量化、超强韧、耐极端载荷和超强散热等新型结构制造提供了新的解决方案，受益于该技术的优势特点，激光增材制造机床备受制造业青睐。观摩展出的激光增材制造装备发现，激光选区熔化技术(SLM)仍是主流增材制造技术，更多的激光光束与智能化监测控制系统的集成成为激光增材制造机床的发展趋势。其中，多光束技术提高了工件成形速度、增加了材料沉积率、改善了表面质量；智能化监测系统可实时监测成形过程中的缺陷、温度变化和材料性能，有助于提升产品质量和一致性。
4结束语
特种加工机床作为工业母机的重要品类，是精密加工的关键设备，其技术进步与市场需求息息相关。从CCMT2024来看，随着技术的不断创新和市场的不断扩大，国内外厂商推出了各具特色的电火花加工、激光加工等特种加工机床，不乏创新技术和亮点，能满足不同行业的加工需求。特别是，高功率激光、超短脉冲激光、纳秒激光等新激光技术的发展，提高了加工的速度、精度和质量，使激光加工的应用领域不断扩展；激光增材制造技术从宏观到微观层面都充分发挥出构件优化设计优势，进一步促进了多尺度结构、复杂内部结构设计在航空航天和高端装备等领域的应用。CCMT2024赋予行业信心，相信在智能制造和高质量发展的大背景下，随着工业领域从传统制造向高端制造转型，特种加工装备的前景广阔，必将迎来更为广泛的应用。
评述组成员
吴强(组长)、卢飞星、张宝华、伏金娟、荣佑民、顾琳、丁连同、卢智良、徐均良、王应、王晓娟。