目前，中國(guó)已經(jīng)是數(shù)控機(jī)床全球第一生產(chǎn)大國(guó)與消費(fèi)大國(guó)，卻不是機(jī)床制造強(qiáng)國(guó)，中高端數(shù)控機(jī)床仍存在嚴(yán)重進(jìn)口依賴的情況。究其原因，是我們?cè)诟邫n數(shù)控系統(tǒng)、高可靠性電主軸、光柵、導(dǎo)軌副等數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件領(lǐng)域主要依賴進(jìn)口，“卡脖子”問(wèn)題突出。我國(guó)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件與國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品的差距在于產(chǎn)品可靠性不高，主要體現(xiàn)在“精度和穩(wěn)定性差”、“故障多發(fā)”、“耐用度低”等方面。如何提高國(guó)產(chǎn)關(guān)鍵功能部件的可靠性，成為我國(guó)高端數(shù)控機(jī)床技術(shù)自立自強(qiáng)的重大課題。省科學(xué)院智能制造所可靠性與裝備技術(shù)中心針對(duì)電主軸可靠性提升問(wèn)題，持續(xù)開(kāi)展體系化技術(shù)攻關(guān)研究，取得相應(yīng)研究成果。

　　行業(yè)問(wèn)題：高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件可靠性提升的難度大

　　電主軸是數(shù)控機(jī)床的核心關(guān)鍵功能部件之一，是一種結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的精密部件。電主軸將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體，由無(wú)外殼電機(jī)、主軸、軸承、主軸單元?dú)んw、驅(qū)動(dòng)模塊和冷卻裝置等眾多零件組成。電主軸工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，可以達(dá)到每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，甚至幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)。由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，引起電主軸溫升，使電主軸的熱態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性變差，從而影響電主軸的正常工作，必須采取多種措施進(jìn)行溫度控制?？梢?jiàn)，高速電主軸工作過(guò)程受到電-磁-熱-流-固體結(jié)構(gòu)多相物理場(chǎng)耦合作用，實(shí)際運(yùn)行工況復(fù)雜，要有效提升其可靠性的難度大。

　　技術(shù)方向：長(zhǎng)期專注高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件可靠性技術(shù)研究

　　可靠性中心長(zhǎng)期聚焦裝備可靠性技術(shù)，與德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)結(jié)構(gòu)耐久性與系統(tǒng)可靠性研究所（Fraunhofer LBF研究所）共建了中德工業(yè)裝備可靠性聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)數(shù)控機(jī)床及關(guān)鍵功能部件領(lǐng)域聯(lián)合開(kāi)展著深入的研究，已經(jīng)建立了良好的實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，有著多年的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)積累。

　　在電主軸可靠性技術(shù)研究方面，針對(duì)提升電主軸可靠性難度大的問(wèn)題，可靠性中心技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿工況的數(shù)字化設(shè)計(jì)建模，開(kāi)展多物理場(chǎng)耦合仿真計(jì)算分析（如圖1）。同時(shí)，開(kāi)展高速電主軸系統(tǒng)分析、故障數(shù)據(jù)分析，以及故障模式與影響分析，已經(jīng)逐步解決電主軸振動(dòng)大、無(wú)法保證加工精度等問(wèn)題，為相關(guān)龍頭企業(yè)的電主軸產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)與技術(shù)支撐。

　　申請(qǐng)或獲得授權(quán)電主軸相關(guān)專利、軟件著作權(quán)、PCT專利等20多件，獲得2020年度中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，牽頭和參與制定《電主軸精度保持性試驗(yàn)規(guī)范》等5項(xiàng)電主軸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了我國(guó)在電主軸領(lǐng)域可靠性標(biāo)準(zhǔn)的空白，推動(dòng)了行業(yè)產(chǎn)品可靠性水平的提升。

　　圖1 電主軸可靠性仿真分析與設(shè)計(jì)圖

　　研究成果：有效提升高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件可靠性水平

　　為保障機(jī)電產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性，在設(shè)計(jì)完成后需要對(duì)新產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行比較長(zhǎng)時(shí)間的常規(guī)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，導(dǎo)致產(chǎn)品從研發(fā)到量產(chǎn)的時(shí)間被大大拉長(zhǎng)，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)需要付出較高的成本。比如，如果某產(chǎn)品的設(shè)計(jì)平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)為5000小時(shí)，那么在正常運(yùn)行狀態(tài)下讓其失效的時(shí)間大約需要5000小時(shí)，則按照每天24小時(shí)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)計(jì)算也需要持續(xù)大約7個(gè)月時(shí)間。

　　針對(duì)上述行業(yè)共性的瓶頸問(wèn)題，為提高可靠性試驗(yàn)的效率，可靠性中心技術(shù)團(tuán)隊(duì)在充分借鑒國(guó)外先進(jìn)方法的基礎(chǔ)上，自主制定了電主軸加速壽命試驗(yàn)方案，并且研制出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電主軸專用加速壽命測(cè)試試驗(yàn)箱（如圖2）。通過(guò)在試驗(yàn)箱中進(jìn)行加速壽命測(cè)試，大大縮短了電主軸新產(chǎn)品可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)間，加快了新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度，降低了研發(fā)和測(cè)試成本。

　　圖2 擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的的電主軸加速壽命測(cè)試試驗(yàn)箱

　　影響產(chǎn)品可靠性的因素非常多，產(chǎn)品可靠性的提升很難一蹴而就。省科學(xué)院智能制造所通過(guò)與合作企業(yè)長(zhǎng)期聯(lián)合開(kāi)展體系化的電主軸可靠性研究，有效提升了企業(yè)新產(chǎn)品的可靠性水平，新產(chǎn)品的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)等可靠性關(guān)鍵指標(biāo)得到了有效提升，滿足了用戶對(duì)高質(zhì)量功能部件產(chǎn)品的要求。相關(guān)技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，取得了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，合作企業(yè)相關(guān)新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代，還有部分產(chǎn)品出口到德國(guó)、以色列、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。

　　展望未來(lái)：持續(xù)研究，高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究任重道遠(yuǎn)

　　為推動(dòng)裝備制造產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，在《廣東省培育高端裝備制造戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群行動(dòng)計(jì)劃（2021-2025年）》中，將高端數(shù)控機(jī)床作為加快培育的高端裝備制造戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，將“著力突破機(jī)床整機(jī)及關(guān)鍵部件高速高精、多軸聯(lián)動(dòng)、復(fù)合加工、精度保持、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、可靠穩(wěn)定性增長(zhǎng)等關(guān)鍵核心技術(shù)”作為需要重點(diǎn)突破的產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸和短板。

　　據(jù)中國(guó)海關(guān)2019年1-12月金屬加工機(jī)床進(jìn)出口數(shù)據(jù)（見(jiàn)下表），平均約284臺(tái)出口機(jī)床的價(jià)格約等于1臺(tái)進(jìn)口機(jī)床的價(jià)格?？梢?jiàn)，由于我國(guó)在高端數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的技術(shù)水平與國(guó)外產(chǎn)品存在著巨大差距，而我國(guó)又急需大批高端數(shù)控機(jī)床，導(dǎo)致進(jìn)口數(shù)控機(jī)床擁有非常高的溢價(jià)。因此，高端數(shù)控機(jī)床及關(guān)鍵功能部件的國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)刻不容緩。

　　圖3 2019年1-12月我國(guó)金屬加工機(jī)床進(jìn)出口數(shù)據(jù)

　　（數(shù)據(jù)來(lái)源：http://www.customs.gov.cn）

　　高端數(shù)控機(jī)床的可靠性既包括其功能部件的可靠性，又包括系統(tǒng)與整機(jī)的可靠性?？煽啃约夹g(shù)研究投入大，周期長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)多數(shù)研究仍然處于關(guān)鍵功能部件可靠性研究階段，對(duì)于系統(tǒng)與整機(jī)的可靠性提升還有很長(zhǎng)的路要走。

　　作為廣東省重點(diǎn)科研機(jī)構(gòu)，省科學(xué)院智能制造所將繼續(xù)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外技術(shù)合作與聯(lián)合攻關(guān)，在夯實(shí)關(guān)鍵功能部件可靠性技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，深入開(kāi)展與相關(guān)行業(yè)企業(yè)的溝通合作與技術(shù)應(yīng)用推廣，逐步向數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)與整機(jī)的可靠性技術(shù)方面尋求突破，為推動(dòng)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床及關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品從中低端向中高端邁進(jìn)做出新的貢獻(xiàn)。

　　（省科學(xué)院智能制造研究所可靠性與裝備技術(shù)中心 陳啟愉/供稿）