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世界數控車床加工機床新技術特征
2018-12-19

 數控系統技術的突飛猛進為數控車床加工機床的技術進步提供了條件。為了滿足市場的需要,達到現代制造技術對數控技術提出的更高的要求,當前,世界數控技術及其裝備的發展主要體現為以下幾方面技術特征:
數控車床加工

 

  1.高速、高效
  機床向高速化方向發展,不但可大幅度提升加工效率、降低加工成本,而且還可提升零件的表面加工質量和精度。超高速加工技術對制造業實現高效、優質、低成本生產有廣泛的適用性。
  20世紀90年代以來,歐、美、日各國爭相開發應用新一代高速數控車床加工機床,加快機床高速化發展步伐。高速主軸單元(電主軸,轉速15000~100000r/min)、高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60~120m/min,切削進給速度高達60m/min)、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破,達到了新的技術水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具,大功率高速電主軸、高加/減速度直線電機驅動進給部件以及高性能控制系統(含監控系統)和防護裝置等一系列技術領域中關鍵技術的解決,為開發應用新一代高速數控車床加工機床提供了技術基礎。
  目前,在超高速加工中,車削和銑削的切削速度已達到5000~8000m/min以上;主軸轉數在30000轉/分(有的高達10萬r/min)以上;工作臺的移動速度(進給速度):在分辨率為1微米時,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率為0.1微米時,在24m/min以上;自動換刀速度在1秒以內;小線段插補進給速度達到12m/min。
  2.高精度
  從精密加工發展到超精密加工,是世界各工業強國致力發展的方向深圳cnc加工工藝的可能性工藝的可能性是指機床適應不同生產要求的能力五金加工這幾年不斷提升著產能。其精度從微米級到亞微米級,乃至納米級(<10nm),其應用范圍日趨廣泛。
  當前,在機械加工高精度的要求下,普通級數控車床加工機床的加工精度已由±10μm提升到±5μm;精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm,提升到±1~1.5μm,甚至更高;超精密加工精度進入納米級(0.001微米),主軸回轉精度要求達到0.01~0.05微米,加工圓度為0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。這些機床一般都采取矢量控制的變頻驅動電主軸(電機與主軸一體化),主軸徑向跳動小于2µm,軸向竄動小于1µm,軸系不平衡度達到G0.4級。
  高速高精加工機床的進給驅動,主要有“回轉伺服電機加精密高速滾珠絲杠”和“直線電機直接驅動”兩種類型。此外,新興的并聯機床也易于實現高速進給。
  滾珠絲杠由于工藝成熟,應用廣泛,不僅精度能達到較高(ISO34081級),而且實現高速化的成本也相對較低,所以迄今仍為許多高速加工機床所采取。當前使用滾珠絲杠驅動的高速加工機床最大移動速度90m/min,加速度1.5g。
  滾珠絲杠屬機械傳動,在傳動過程中不可避免存在彈性變形、摩擦和反向間隙,相應地造成運動滯后和其它非線性誤差,為了排除這些誤差對加工精度的影響,1993年開始在機床上應用直線電機直接驅動,由于是沒有中間環節的“零傳動”,不僅運動慣量小、系統剛度大、響應快,可以達到很高的速度和加速度,而且其行程長度理論上不受限制,定位精度在高精度位置反饋系統的作用下也易達到較高水平,是高速高精加工機床特別是中、大型機床較理想的驅動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208m/min,加速度2g,并且還有發展余地。
  3.高可靠性
  隨著數控車床加工機床網絡化應用的發展,數控車床加工機床的高可靠性已經成為數控系統制造商和數控車床加工機床制造商追求的目標。對于每天工作兩班的無人工廠而言,如果要求在16小時內連續正常工作,無故障率在P(t)=99%以上,則數控車床加工機床的平均無故障運行時間MTBF就必須大于3000小時。我們只對一臺數控車床加工機床而言,如主機與數控系統的失效率之比為
  10:1(數控的可靠比主機高一個數量級)。此時數控系統的MTBF就要大于33333.3小時,而其中的數控裝置、主軸及驅動等的MTBF就必須大于10萬小時。
  當前國外數控裝置的MTBF值已達6000小時以上,驅動裝置達30000小時以上,但是,可以看到距理想的目標還有差距。
  4.復合化
  在零件加工過程中有大量的無用時間消耗在工件搬運、上下料、安裝調整、換刀和主軸的升、降速上,為了盡可能降低這些無用時間,人們希望將不同的加工功能整合在同一臺機床上,因此,復合功能的機床成為近年來發展很快的機種。
  柔性制造范疇的機床復合加工概念是指將工件一次裝夾后,機床便能按照數控加工程序,自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工,以完成一個復雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就棱體類零件而言,加工中心便是最典型的進行同一類工藝方法多工序復合加工的機床。事實證明,機床復合加工能提升加工精度和加工效率,節省占地面積特別是能縮短零件的加工周期。
  5.多軸化
  隨著5軸聯動數控系統和編程軟件的普及,5軸聯動控制的加工中心和數控銑床已經成為當前的一個開發熱點,由于在加工自由曲面時,5軸聯動控制對球頭銑刀的數控編程比較簡單,并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過程中始終保持不影響正常工作的切速,從而顯著改良加工表面的粗糙度和大幅度提升加工效率,而在3軸聯動控制的機床無法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參予切削,因此,5軸聯動機床以其無可替代的性能優勢已經成為各大機床廠家積極開發和競爭的焦點。
  最近,國外還在研究6軸聯動控制使用非旋轉刀具的加工中心,雖然其加工形狀不受限制且切深可以很薄,但加工效率太低一時尚難實用化。
  6.智能化
  智能化是21世紀制造技術發展的一個大方向。智能加工是一種基于神經網絡控制、模糊控制、數字化網絡技術和理論的加工,它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動,以解決加工過程許多不確定性的、要由人工干預才能解決的問題。智能化的內容包括在數控系統中的各個方面:
  為追求加工效率和加工質量的智能化,如自適應控制,工藝參數自動生成;
  為提升驅動性能及使用連接方便的智能化,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等;
  簡化編程、簡化操作的智能化,如智能化的自動編程,智能化的人機界面等;
  智能診斷、智能監控,方便系統的診斷及維修等。
  世界上正在進行研究的智能化切削加工系統很多,其中日本智能化數控裝置研究會針對鉆削的智能加工方案具有代表性。
  7.網絡化
  數控車床加工機床的網絡化,主要指機床通過所配裝的數控系統與外部的其它控制系統或上位計算機進行網絡連接和網絡控制。數控車床加工機床一般首先面向生產現場和企業內部的局域網,然后再經由因特網通向企業外部,這就是所謂Internet/Intranet技術。
  隨著網絡技術的成熟和發展,最近業界又提出了數字制造的概念。數字制造,又稱“e-制造”,是機械制造企業現代化的標志之一,也是國際先進機床制造商當今標準配置的供貨方式。隨著信息化技術的大量采取,越來越多的國內用戶在進口數控車床加工機床時要求具有遠程通訊服務等功能。機械制造企業在普遍采取CAD/CAM的基礎上,越加廣泛地使用數控加工設備。數控應用軟件日趨豐富和具有“人性化”。虛擬設計、虛擬制造等高端技術也越來越多地為工程技術人員所追求。通過軟件智能替代復雜的硬件,正在成為當代機床發展的重要趨勢。在數字制造的目標下,通過流程再造和信息化改造,ERP等一批先進企業管理軟件已經脫穎而出,為企業創造出更高的經濟效益。
  8.柔性化
  數控車床加工機床向柔性自動化系統發展的趨勢是:從點(數控單機、加工中心和數控復合加工機床)、線(FM
  C、FM
  S、FT
  L、FML)向面(工段車間獨立制造島、FA)、體(CIM
  S、分布式網絡集成制造系統)的方向發展,另一方面向注重應用性和經濟性方向發展。柔性自動化技術是制造業適應動態市場需求及產品迅速更新的主要手段,是各國制造業發展的主流趨勢,是先進制造領域的基礎技術。其重點是以提升系統的可靠性、實用化為前提,以易于聯網和集成為目標;注重加強單元技術的開拓、完善;CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發展;數控車床加工機床及其構成柔性制造系統能方便地與CA
  D、CA
  M、CAP
  P、MTS聯結,向信息集成方向發展;網絡系統向開放、集成和智能化方向發展。
  9.綠色化
  21世紀的金切機床必須把環保和節能放在重要位置,即要實現切削加工工藝的綠色化。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上,這主要是因為切削液既污染環境和危害工人健康,又增加資源和能源的消耗。干切削一般是在大氣氛圍中進行,但也包括在特殊氣體氛圍中(氮氣中、冷風中或采取干式靜電冷卻技術)不使用切削液進行的切削。不過,對于某些加工方式和工件組合,完全不使用切削液的干切削目前尚難與實際應用,故又出現了使用極微量潤滑(MQL)的準干切削。目前在歐洲的大批量機械加工中,已有10~15%的加工使用了干和準干切削。對于面向多種加工方法/工件組合的加工中心之類的機床來說,主要是采取準干切削,通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣的混合物經由機床主軸與工具內的中空通道噴向切削區。在各類金切機床中,采取干切削最多的是滾齒機。
  總之,數控車床加工機床技術的進步和發展為現代制造業的發展提供了良好的條件,促使制造業向著高效、優質以及人性化的方向發展。可以預見,隨著數控車床加工機床技術的發展和數控車床加工機床的廣泛應用,制造業將迎來一次足以撼動傳統制造業模式的深刻革命。
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