【改革开放40年】 （北一）重型数控龙门铣床从无到有的发展历程
2018-9-17 来源： （ 北京北一机床股份有限公司） 作者：邹春生
一、改革开放对机床制造业的拉动
1、需求的发展
中国的改革开放，极大地促进了经济的发展，特别是中国市场经济的发展。改革开放40年，中国的经济发生了前所未有的变化，在原有工业体系比较健全的良好基础上，全面实现了极大的提升。我国装备制造业作为经济发展的基础，从跟从到并跑，再到一些领域的领先；机床作为装备制造的基础装备——工业母机，随之得以高速发展。40年来，中国机床工具行业不仅健全了体系，也补足了之前的欠缺。
我国军工（航天、船舶、兵器等）、核电、海洋工程、矿山、船舶、化工等行业的发展，需要大型、多功能和高精度的重型机床，促进了我国重型机床的发展。
2、“走出去”的影响
改革开放前，由于历史性特殊原因，我国机床行业相比欧美、日本等工业发达国家，已经落后了很多。当时基本上还处于普通机床为主的状态，数控机床、多功能、多轴机床方面更是落后多年。同样，重型机床作为行业标志性的产品，也落后了10年以上。
改革开放，从初期的引进国外先进产品、技术，到与先进的制造商合作，再到进入二十一世纪以来国家实施“走出去”战略，加上国内机床行业自强不息，取得长足进步，如今已有能力、有实力走出去，参与国际市场的竞争。特别是与国外一些先进机床企业的合资合作，再进一步并购国外的先进机床厂家，使得我们行业有机会引进最先进的机床产品设计、制造技术以及先进的机床设计理念。
3、国家04专项的促进作用
机床行业是一个需要大量投入，并需要多年积累的领域。由于基础差、底子薄，在持续多年落后的情况下，仅有上述条件，还不足以使我们的机床在设计、制造及应用方面追上国外的先进产品。我们的行业老领导和政府相关部门认识到，机床行业是国家装备制造业极其重要的行业，及时开展了“04专项”的支持，开展共性机床技术研究，研发重点用户需求的产品，建立产学研用联盟，发挥企业自身优势，开展了卓有成效的专项研发，开发了一些标志性的产品、技术，基本满足了国防工业、重点项目和关键领域对机床产品、技术的需求。
4、企业的活力
改革开放40年，随着经济的发展，企业的经济实力不断增强，有一定实力进行产品、技术开发和技改投入，培养了研发、生产队伍。
由于篇幅有限，本文仅以北京北一机床股份有限公司（以下简称北一机床或北一）重型龙门产品的发展为例，见证机床行业在改革开放40年来的发展。
二、北一重型龙门铣床的发展
1、发展历史
北一机床的机床产品技术是在20世纪50年代引进前苏联的技术，从万能铣床开始；60年代、70年代引进普通龙门铣床。这是在改革开放前中国机床行业的典型发展模式，并由此建立了比较健全的机床行业体系。但这样的发展模式也限制了行业的进步，再加上相对封闭的发展状态，使得机床行业很难实现飞跃性的发展。
2、改革开放以来的发展
从80年代开始，北一机床有了与国外合作的历史机遇，开始了与日本、欧美国家先进企业的合作。其中，从与德国科堡公司的合作，北一机床开启了重型数控龙门铣床的制造时代。通过合作，北一基本掌握了重型数控龙门机床的制造技术，建立了自主开发、制造的能力。但对于全面满足国防、重点领域的需求还有差距。
进入21世纪，随着改革开放的持续深入，机床行业的发展也在从量的发展转到质的提升。北一机床借着改革开放的大好形势，在2005年并购了德国科堡公司，数控重型龙门的发展也发生了巨大变化，从重型龙门向超重型龙门发展，同时向多功能、复合、多轴机床发展，其标志性的产品是2010年交付哈尔滨汽轮机有限公司的XKA28105X300机床，是当时世界上综合指标规格最大的数控龙门铣床，由此实现了从标准龙门铣床向超大、多功能、复合及多轴机床的跨越。
3、数控龙门机床标志性产品介绍
这台XKA28105×300数控重型桥式龙门五轴车铣复合机床，龙门最大通过宽度10.5m，最大加工高度达7.5m，主轴功率105kW，主轴最大扭矩9500Nm，配有大功率、大扭矩A/C轴机械式传动摆角铣头，可五坐标联动加工，配有直径9.5m的车铣双速数控转台，承重300t。该机床是目前世界上跨度最大的数控重型桥式动梁五坐标车铣复合机床，主要性能指标达到国际先进、国内领先水平。
以下指标实现跨越式发展：
（1）龙门跨度：从5m向10.5m的发展，标志着我们具备了超重型龙门铣床的制造能力；对于大型核电零件的加工实现了自主装备加工的突破；
（2）滑枕行程：由2m扩展到了4m，使得自主龙门的加工范围得到了突破，如大冲程船用柴油发动机滑道的加工、大型矿山设备零件的加工等；
（3）在龙门铣床上增加了双速车铣转台，具备了车铣复合的功能；可以实现大型复杂零件一次装夹全面加工，提高零件的加工精度和效率；
（4）配置了大扭矩的机械摆角铣头，实现了超重型龙门铣床的五轴加工能力；可以实现大型复杂零件的加工，如多叶船用螺旋桨的加工等。
此项目得到了04专项的支持，在有限时间内获得了自主创新的成果。此台超重型机床的成功研发，使北一得以实现超重型龙门复合铣床产品的全系列化，包括提供给首都航天机械公司的XKA2780X80、提供给中信重工的XKAU2890X300、提供给江苏新能源的XKA2890X150车铣复合龙门铣床。并且衍生出了以车为主的龙门跨度达到13.5m的车铣复合加工中心，用于核电关键零件加工。
三、数控龙门铣床研发理论的发展
对于数控龙门铣床的制造，我们过去仅仅停留在制造环节，在理论方面缺乏研究，没有自己的标准、规范。在此台机床的研制过程中，与用户、北京工业大学共同进行了超重型机床关键技术的理论和试验研究，取得以下成果：
1、产品设计创新
支持模块化的超重型数控龙门移动式车铣复合机床数字化设计方法与规范。建立了基于数字驱动的机床数字化模型和完整的数字化设计方法与规范，解决了定梁/动梁、龙门移动/不移动主结构与不同的转台、滑枕等功能部件之间的优化配置问题，能够针对用户个性化需求进行定制化生产，对市场变化的快速响应能力提升30%。
2、制造与工艺创新
（1）超长横梁分段设计方法与高效制造工艺。首次实现了超长横梁的分段设计与制造，提出了超长横梁预起拱曲线优化设计与检测方法，通过横梁结合面位置、连接螺栓数量及预紧力的分析与优化，解决了分段式超长横梁因结合面而带来的加工精度下降难题。
（2）高速、重载静压支承系统设计与制造技术。在回转类（静压转台）、直线类（静压滑座、静压溜板以及全包静压滑枕等）静压支承功能部件仿真分析与精密制造方面形成成套专有技术，解决了超重型机床静压支承承载性能提升的瓶颈问题。
（3）大型结合面特征参数辨识与建模方法。首次实现了面向表面接触压强的大型结合面动静特性预测，突破了耦合结合面特征的整机建模与分析技术，实现了超重型数控龙门移动式车铣复合机床的装配与动力学特性预测可控，整机建模效率提高了1倍以上。
（4）超重型龙门机床加工过程中启停冲击动力学理论建模与测试方法。建立了床身到刀尖点的力与变形协调与传递方程，解析了启停冲击载荷下结构件变形、结合面、静压支承系统等多因素对重型龙门移动机床耦合作用机理。
四、产生的经济、社会效益
北一机床在超重型数控龙门机床和重型车铣复合机床领域，已实现销售15台，销售收入51069万元。项目带动了企业产品、技术的衍生与扩展，一方面带动了北一机床双柱重型立车产品系列的扩展，通过宽度扩大到13.5m，以车削功能为主，具备较强的铣削功能，并有多台销售；另一方面，产品最终带动大规格工作台移动式车铣复合系列产品的研发和生产，加工跨度从1.5m到13.5m三个系列的产品规格发展，提升了企业的自主创新能力，形成了企业未来重型机床业务发展的支撑。产品用户以电力设备行业为主，并扩及航天、船用螺旋桨等其他领域，其中2台已出口到韩国斗山重工，用于加工核电设备。成为企业推动产业转型升级的新亮点。
改革开放40年来，我国的经济发生了巨大变化，重型数控龙门铣及整个机床行业都实现了跨越式发展。如果没有改革开放，这些成绩都是不可想象的。
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