數(shù)控機(jī)床被稱作“工作母機(jī)”，是制造業(yè)的重中之重，事關(guān)國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈。龍門加工中心屬于數(shù)控機(jī)床中的“巨無(wú)霸”，主要為加工大零件而設(shè)計(jì)制造?！半m是龐然大物，干的卻是精細(xì)活”，高性能龍門加工中心作為大中型高精度復(fù)雜零件制造的數(shù)控機(jī)床，更是國(guó)家戰(zhàn)略層面的基礎(chǔ)制造裝備，在航空航天、高鐵船舶、核電設(shè)施等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。
中國(guó)工程院院士、浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、九三學(xué)社社員譚建榮帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合清華大學(xué)、寧波海天精工股份有限公司等開展產(chǎn)學(xué)研合作，十年磨一劍，致力于高性能龍門加工中心設(shè)計(jì)技術(shù)、工藝技術(shù)等的研究。團(tuán)隊(duì)攻克了整機(jī)正向設(shè)計(jì)難、加工精度提升難、機(jī)床性能保持難行業(yè)公認(rèn)三大難題，打破國(guó)外技術(shù)壁壘和市場(chǎng)壟斷，研發(fā)了龍門加工中心設(shè)計(jì)制造工具平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了龍門加工中心三大性能突破并開發(fā)了系列產(chǎn)品。此項(xiàng)成果獲得2020年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
“正向設(shè)計(jì)”顯身手
我國(guó)已躋身數(shù)控機(jī)床全球第一大產(chǎn)銷國(guó)，然而“低端過(guò)剩、中端受壓、高端不足”的狀況仍未得到根本扭轉(zhuǎn)，與國(guó)外先進(jìn)水平之間仍存在差距。如何攻克難關(guān)，走出一條中國(guó)特色自主設(shè)計(jì)之路，是始終縈繞在譚建榮院士及團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員心頭的問(wèn)題。
在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我國(guó)數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域創(chuàng)新能力不強(qiáng)，采用的是“執(zhí)果索因”的逆向設(shè)計(jì)，由實(shí)物反推設(shè)計(jì)、反推圖紙、反推需求。然而，盡管低端產(chǎn)品模仿了高端產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)型式和尺寸等，卻始終“形似而神不似”，在性能上遜色不少。究其原因在于低端產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過(guò)程中“知其然而不知其所以然”。
“高檔數(shù)控機(jī)床由許多功能部件組成，設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)合理與否會(huì)直接影響到產(chǎn)品的性能。高性能龍門加工中心整機(jī)布局方案又是設(shè)計(jì)中最初始的一步，只有布局正確，后續(xù)的設(shè)計(jì)才會(huì)符合工藝需求、符合顧客需要。”為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用正向設(shè)計(jì)理念，發(fā)明了高性能龍門加工中心整機(jī)動(dòng)載荷自適應(yīng)耦合提質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)，也即通過(guò)構(gòu)建整機(jī)布局方案骨架型譜，實(shí)現(xiàn)整機(jī)配置設(shè)計(jì)優(yōu)化；通過(guò)整機(jī)動(dòng)靜態(tài)性能的耦合提質(zhì)，揭示龍門加工中心功能—運(yùn)動(dòng)分配-布局模塊的關(guān)聯(lián)映射規(guī)律，最終實(shí)現(xiàn)龍門加工中心整機(jī)綜合質(zhì)量的優(yōu)化提升。
“任何一項(xiàng)研究都不是一帆風(fēng)順的，比如為了盡可能多地獲取機(jī)床骨架模型，構(gòu)建骨架型譜，我們調(diào)研了很多企業(yè)，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的分析、綜合，克服了許多意想不到的困難。”團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人譚建榮院士回憶起當(dāng)時(shí)的情景感慨道。也正是團(tuán)隊(duì)成員們百折不撓、精益求精的付出，開啟了高性能龍門加工中心整機(jī)設(shè)計(jì)與制造工藝的“逆襲之路”。
“智能制造”唱主角
“長(zhǎng)行程精度失衡”是擺在團(tuán)隊(duì)面前的又一現(xiàn)實(shí)難題。
傳統(tǒng)事前設(shè)計(jì)和事后裝配調(diào)節(jié)無(wú)法有效控制制造精度，那么該如何提高整機(jī)精度的均衡性？“長(zhǎng)行程龍門加工中心全尺寸鏈的高精度互反饋均衡設(shè)計(jì)技術(shù)”由此應(yīng)運(yùn)而生。
整機(jī)-部件-零件-結(jié)構(gòu)的精度正向遞推分配和結(jié)構(gòu)-零件-部件-整機(jī)的精度誤差逆向修正相輔相成，團(tuán)隊(duì)通過(guò)提出自頂向下和自底向上的幾何誤差雙向互反饋修正方法，實(shí)現(xiàn)了精度均衡性能的突破。運(yùn)用此發(fā)明點(diǎn)研發(fā)的高架橋式五軸高速銑削中心，整機(jī)幾何精度達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家同類產(chǎn)品I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
為讓“智能制造”由夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)，團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難的腳步從未停下。
“數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域，一個(gè)很突出的問(wèn)題就是在低速重載情況下，機(jī)床容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。”何謂爬行現(xiàn)象？簡(jiǎn)言之就是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)件，當(dāng)其運(yùn)行速度低到一定值時(shí)，不是作連續(xù)勻速運(yùn)動(dòng)，而是時(shí)走時(shí)停、忽快忽慢。這會(huì)對(duì)加工精度和工件表面質(zhì)量產(chǎn)生非常不利的影響。
“我們要找出爬行的臨界點(diǎn)、爬行存在的條件，將其排除掉、避免掉，從而使得機(jī)床克服爬行，得以正確運(yùn)行?！弊T建榮院士說(shuō)道。通過(guò)一次次的嘗試、失敗、再嘗試，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了高可靠龍門加工中心動(dòng)部件大慣量的低速補(bǔ)償進(jìn)給工藝技術(shù)，成功解決了大慣量運(yùn)動(dòng)部件低速失穩(wěn)的難題。而利用該發(fā)明點(diǎn)研發(fā)的重型雙柱精密數(shù)控立式車床工作臺(tái)在平臺(tái)跳動(dòng)、加工工件表面粗糙度等技術(shù)指標(biāo)上都取得了大幅度的提升。
“中國(guó)創(chuàng)造”邁開步
將理論研究與實(shí)際應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破，躋身國(guó)際先進(jìn)行列，創(chuàng)造重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，“高性能龍門加工中心整機(jī)設(shè)計(jì)與制造工藝關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目是我國(guó)制造裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)的一個(gè)成功典范。
項(xiàng)目形成了圍繞高性能龍門加工中心整機(jī)設(shè)計(jì)與制造工藝的專利群，主要技術(shù)獲國(guó)家發(fā)明專利61項(xiàng)、軟件著作權(quán)12項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文131篇；制定龍門加工中心設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范7項(xiàng)；項(xiàng)目成果在企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，并取得了良好的效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
對(duì)于該項(xiàng)目，制造領(lǐng)域的許多著名專家也給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為項(xiàng)目創(chuàng)新性強(qiáng)，在龍門加工中心整機(jī)自適應(yīng)布局設(shè)計(jì)、主機(jī)精度均衡分配設(shè)計(jì)、大慣量動(dòng)件低速進(jìn)給工藝等技術(shù)方面達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
“創(chuàng)新設(shè)計(jì)引領(lǐng)中國(guó)創(chuàng)造?！睆氖聶C(jī)床相關(guān)工作50載的譚建榮院士，懷揣著這一夢(mèng)想，幾十年如一日，在科研道路上孜孜以求。
“未來(lái)，我們將進(jìn)一步思考如何將龍門加工中心的創(chuàng)新設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)推廣至整個(gè)機(jī)床行業(yè)，創(chuàng)立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)機(jī)床品牌，驅(qū)動(dòng)我國(guó)制造業(yè)向更高質(zhì)量發(fā)展?！弊T建榮院士說(shuō)道，“我們要為‘中國(guó)制造向中國(guó)創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、中國(guó)速度向中國(guó)質(zhì)量轉(zhuǎn)變、中國(guó)產(chǎn)品向中國(guó)品牌轉(zhuǎn)變’，努力貢獻(xiàn)力量?！?/p>
