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機床技術發(fā)展的新動向

高速加工進一步向縱深發(fā)展

高速數(shù)控加工起源于90年代初，它以電主軸實現(xiàn)主軸高速和以直線電機實現(xiàn)高直線移動速度為主要特征，主要應用于大批量生產(chǎn)的轎車工業(yè)等領域。目的是力圖用高主軸轉速和高速直線進給運動的單主軸加工中心來替代多主軸但難以實現(xiàn)高主軸轉速和高速進給的組合機床，從而在大批量生產(chǎn)中，既得到高度的柔性利于產(chǎn)品快速地更新?lián)Q代，而又不降低生產(chǎn)效率。在實際生產(chǎn)中，一些馳名的汽車廠如我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。當前最新趨勢是：繼續(xù)擴大其應用范圍。有的公司為了降低成本，不用直線電機，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導程的滾珠絲杠；日本東芝機械則采用中空通冷卻液的雙滾珠絲杠來增強傳動剛度。但不管采用何種形式的滾珠絲杠，其最大移動速度一般不大于50m/min，加速度最高為0.5g～1g，但是，HüLLER HILLE公司的nbh110高速加工中心，由于采用了“框中框”結構，使得移動部件質量較小。因此盡管用了滾珠絲杠，其X、Y、Z軸直線速度仍可高達75m/min，加速度達1g。?
高速加工應用的另一個領域是用立方氮化硼刀具進行淬硬鋼的高速銑削或車削，這對模具工業(yè)非常有利。為了追求最終的高精度，一般希望在模具淬硬以后進行精加工。在以前，對付淬硬模具唯一可用的加工手段是電加工。電加工的放電燒蝕是微切屑加工，效率極低。而高速銑削淬硬鋼的效率卻可以高出幾十倍，從而成為電加工的理想替代工藝。雖然，對那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半徑圓弧曲面和清角等高速銑削無能為力，但可以用高速銑削進行粗、半精加工，而用電加工作最后加工，這樣可大大縮短模具加工周期。對那些為數(shù)眾多的異形且窄而深的槽類模具，仍只能采用電加工方法。為此，電加工永遠不會被完全取代。?
高速銑削淬硬鋼對電加工的挑戰(zhàn)，促使電加工機床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年(1996年著手研制)在世界上率先推出了直線電機取代滾珠絲杠的電火花成形機床。在IMTS2000上Sodick的電火花線切割機床和打孔機床也全部用上了直線電機。以直線運動速度為36m/min左右、分辨率為1μm的直線電機傳動取代直線速度只有1.3m/min左右，分辨率為1μm的滾珠絲杠，其傳動的優(yōu)越性不能直接體現(xiàn)在高速度上。這是由電火花機床為不斷維持放電間隙的前移而又不致于短路的伺服性質所決定的。它表現(xiàn)為瞬時進、瞬時停、甚至瞬時后退。由于直線電機大幅度提高了傳動剛進，且有高達3000N的直線推力，因此有可能產(chǎn)生瞬時高加(減)速度，形成高頻率瞬時的斷續(xù)沖擊，沖走由電蝕產(chǎn)生的鐵屑。這樣既可免除一切“沖刷”(Flushing)裝置，又可一直保持最小且一致的火花間隙而達到快速的進給。從而不僅可大幅度提高效率(一般可提高40%)、精度，改善表面粗糙度，還可以解決以往由于無法解決“沖刷”問題(如很難在微小且密集的電極上鉆“沖刷”用小孔等)而不能進行電加工的問題。?

航空和宇航工業(yè)是高速加工的傳統(tǒng)應用領域。其原因一是其主導材料為鋁和鋁合金；二是其零件常具有厚度極薄的壁和筋，剛度很差。只有高速切削時切削力很小才能對這些筋、壁進行加工。最新趨勢是：近來這些行業(yè)流行采用大型整體鋁合金坯料制造大型部件，如機翼、機身等，來替代多個零件，以避免眾多的鉚釘、螺釘和其它聯(lián)結方式。這樣不僅可省去昂貴的裝配工時和工裝，還可使構件的強度、剛度和可靠性得到提高。因而，在這屆IMTS2000上，美國CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了專門用于飛機工業(yè)的大型高速銑床(其型號分別為HyperMach和JoMach159)。這類機床有以下特點：?
(1)進一步提高主軸轉速和功率：由于飛機工業(yè)采用整體坯料“掏空”的方法加工零件，切削量極大。因而，主軸轉速和功率可增加的空間也很大。據(jù)CINCINNATI公司稱，以往在飛機工業(yè)中，主軸轉速達15000r/min和22kW就是高速了。隨著技術進步，先進機床已提高到40000r/min和40kW。而他們的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即達到了新的高度。?
(2)超長的X行程和龍門移動：由于“機翼”類為細長型零件，JoMach機床的X軸行程長達30m，而Y軸只有2m。據(jù)稱它將被用于加工歐洲下一代戰(zhàn)斗機“臺風”的機翼。HyperMach機床的X行程最長為46m，Y軸也只有2m。英國Marwin公司Alumax系列機床的雙面總長度達100m。如此長的X行程，只能是龍門(往往是多個龍門)移動而不可能是工作臺移動。?
(3)采用直線電機作高速直線傳動：和以往航空工業(yè)大型機床用斜齒輪齒條或蝸桿條傳動不同，這類高速銑床也用上了直線電機。這是為了適應主軸超高速、特大功率和超長X行程的需要。HyperMach機床采用直線電機以后，進給速度最大達60m/min，快速為100m/min，加速度達2g。據(jù)CICINNATI公司稱，他們在HyperMach上曾試切一件薄壁飛機零件，只花了30分鐘。同樣的零件在一般高速銑床上加工費時3小時，而在普通數(shù)控床需8小時。這充分顯示了超高速機床的威力。?
Jobs公司2000年推出的另一臺用于航空和模具工業(yè)的高速大型銑床LinX，為橋式布局，也應用了直線電機，最高進給速度達60m/min，加速度0.6g，主軸轉速24000r/min，功率為44kW。據(jù)稱，由于高速主軸和高速進給，加工時間可減少50%，機床結構還得到簡化，減少了25%的零件，從而易于維護。?
以上說明直線電機應用已從最初的汽車工業(yè)，擴展到電加工機床，航空工業(yè)和大型模具的加工。?
不僅如此，這次IMTS2000展品中，板材沖壓機和激光板材切割機床也應用了直線電機，如Alabama公司的激光切割機，采用直線電機后，速度為150m/min，加速度為1.3g。另外，直線電機還被應用于三坐標測量機，如Helmel公司的Mierostar HS產(chǎn)品，直線移動速度達30m/min，這樣，測頭每分鐘可作120次以上的接觸測量。


高速化另一個關鍵功能部件——電主軸最近有以下新進展：?
(1)瑞士Fischer公司推出在電主軸部件上裝有在線自動動平衡裝置的產(chǎn)品。應用在加工中心上，每換一次刀進行一次包括刀具質量在內(nèi)的自動動平衡。據(jù)稱可在一秒鐘內(nèi)消除80～90%由動不平衡所引起的振動。?
(2)瑞士IBAG公司推出了靜壓軸承的電主軸，據(jù)稱使用壽命大于2萬小時。?
(3)美國Ingersoll公司推出了動靜壓軸承的電主軸，作為一個獨立部件出售。?
(4)瑞士IBAG公司推出了磁浮軸承的電主軸。?
(5)瑞士IBAG公司在其電主軸部件上配備軸向尺寸監(jiān)測傳感器，可與機床數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)結進行軸向尺寸的補償。?
(6)永磁同步電機的電主軸也已出現(xiàn)。此前電主軸的電機均為異步感應電機。其定子發(fā)熱可以冷卻，而轉子發(fā)熱無法冷卻。但永磁同步電機的轉子為永久磁鐵不發(fā)熱。此外，同功率的同步電機外形尺寸比異步電機小，有利于實現(xiàn)小尺寸、大功率，也即可提高功率密度(Power Density)。但目前僅有少數(shù)機床公司(如Mazak)在研制。專業(yè)的電主軸公司尚未見有產(chǎn)品供應。?
歐洲至少有三家著名的電主軸公司(瑞士Fischer、IBAG，德國GMN)正在搶灘美國市場，紛紛在美國建立分公司進行銷售、維修和翻新等業(yè)務。原因是電主軸的核心技術是精密加工和精密裝配，對工人的技藝水平要求很高，這些正是瑞士、德國的強項；在高速運轉情況下，滾動軸承的壽命均是較低的。主要失效形式為由于材料疲勞而喪失精度(電主軸精度一般為徑向2μm，軸向1μm)。因此不具備本地維修、翻新的能力是不可能打開市場的。一些電主軸公司建議用戶購置一個備品，因為一般的維修、翻新時間為兩周。這樣，可把停機時間減至最小。?
此外，美國Kennametal公司推出了帶自動動平衡的刀柄來適應高速化。

五軸聯(lián)動加工得到時興；五軸聯(lián)動和五面加工合二為一
在IMTS2000展覽會上，給人們一個突出的印象是五軸聯(lián)動機床比以往多，據(jù)不完全統(tǒng)計，約有50余臺。這個現(xiàn)象的出現(xiàn)，不是偶然的，有以下深刻的背景。?
(1)從本質上說，對三維曲面的加工，三軸聯(lián)動一般不是最佳的選擇，因為在三軸聯(lián)動時，一般難以用刀具的最佳幾何形狀進行切削，不僅效率低而且表面粗糙度極差，往往需要后續(xù)繁重的手工拋光。手工拋光可以改善表面粗糙度卻往往喪失了曲面的幾何精確度。為此，有的公司采用后續(xù)電火花加工，這不僅耗費較長的時間而且還要制造形狀復雜的電極。?
采用五軸聯(lián)動，可以使用刀具最佳幾何形狀來進行切削，包括可使用球頭銑刀的圓弧部分(非頂端部分)進行切削。這樣，不僅表面粗糙度好而且效率也大幅度提高。美國CINCINNATI公司曾經(jīng)宣稱，一臺五軸聯(lián)動機床的效率等于兩臺三軸聯(lián)動機床。特別是在當前流行的立方氮化硼銑刀高速銑削淬硬鋼工藝中，五軸聯(lián)動比三軸聯(lián)動能發(fā)揮更大的威力。所以，一般說來，五軸聯(lián)動才是三維曲面加工的最佳選擇。?

(2)由于以下一些原因阻礙了五軸聯(lián)動的廣泛應用:
①過去五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的價格極高，比三軸聯(lián)動系統(tǒng)高出幾倍?，F(xiàn)在，這兩種聯(lián)動系統(tǒng)的價格相差很小。?
②過去，五軸聯(lián)動的編程軟件(包括編程后的檢驗軟件)由于技術難度較大，價格極高，一般為三軸聯(lián)動編程軟件的幾倍?，F(xiàn)在價格雖仍較高，但已大幅度下降。?
③五軸聯(lián)動除X、Y、Z以外的兩個回轉軸的運動有兩種實現(xiàn)方法，一是在工作臺上用復合A、C(B)軸回轉工作臺(以下簡稱復合轉臺)；二是采用復合A(B)、C軸的主軸頭(以下簡稱復合主軸頭)。?
當前，由于電主軸的出現(xiàn)，使得復合主軸的結構大為簡化，不再需要任何弧齒錐齒輪副、齒形皮帶或輪傳動鏈等，因而制造難度大幅降低。這次IMTS2000展出的五軸聯(lián)動機床大多為復合主軸頭類型。?
超低速、大扭矩而又平穩(wěn)地回轉，歷來是電機傳動技術的大難題。因此，多種結構的機械減速器是必要的。但隨著功率電子和微電子，特別是DSPO(數(shù)字信號處理器)芯片以及永磁材料等技術的飛躍發(fā)展，這個大難題已有所突破。最近，瑞士ETEL公司和美國KOLLMORGEN公司均推出了“無刷環(huán)形扭矩電機”(Brushless Ring Torque Motor)。ETEL公司曾為一臺大型天文望遠鏡提供一臺直徑達2.5m，而厚度僅為40mm，扭矩達10000Nm的環(huán)形扭矩伺服電機。在回轉速度小于1轉/56天的條件下，仍能極為平穩(wěn)均勻地回轉，令人感到不可思議。該公司還在宇航工業(yè)用的多軸聯(lián)動銑床上應用了直徑分別為0.5m和1m的環(huán)形扭矩伺服電機來替代蝸輪蝸桿副，加工精度和表面粗糙度均大有改善。當前，這兩家公司均可提供一系列尺寸和規(guī)格的環(huán)形扭矩伺服電機。以ETEL公司為例，可提供的電機外徑尺寸范圍由120mm至1260mm，扭矩從1Nm至18000Nm，定位精度可達0.5″，重復精度可達0.01″，最低轉速可達0.001r/min?？梢灶A見，在不久的將來，在復合轉臺和復合主軸頭的A、C(B)軸伺服傳動中的蝸輪蝸桿副將被這些環(huán)形伺服扭矩電機所取代。蝸輪蝸桿副、弧齒錐齒輪副將繼正齒輪副之后從數(shù)控機床領域中逐漸退出。這將是又一個具有突破意義的變化。?
為了適應五軸聯(lián)動加工日益普及的要求，美國TRI-TECH公司現(xiàn)出售復合主軸頭(型號為5411)的功能部件。從而可將現(xiàn)有的任何三軸聯(lián)動機床變?yōu)槲遢S聯(lián)動機床(利用7∶24的錐柄和該公司提供的連接器，可將復合主軸頭與現(xiàn)有機床的主軸聯(lián)結)，其C軸范圍為360°；A(B)軸為±90°，角度精度為0.01°和重復精度為0.005°。自然，現(xiàn)有機床必須具備五軸聯(lián)動功能的數(shù)控系統(tǒng)以及五軸聯(lián)動編程軟件。另外，該公司還可提供五軸后置處理軟件。

在IMTS2000的CINCINNATI展臺上，展出了由德國DST公司設計制造的Z3型復合主軸頭。該頭采用了并聯(lián)加串聯(lián)的三桿機構。由于受并聯(lián)機構的限制，Z3主軸頭最大傾角只有±40°，故只能用于五軸聯(lián)動，而不能用于五面加工。?
以往在對大件進行五面加工時，采用雙柱(龍門)式機床和可更換的垂直和水平主軸頭(附件頭)來實現(xiàn)。為此，這類機床除有刀庫外，還需有一個主軸頭庫。橫梁一般要向左側外延一段，作為主軸滑枕交換主軸頭用。日本新日本工機在上一屆IMTS展出的五面加工機床就是這樣的結構。而這一屆展出的不再使用交換主軸頭的方式，而采用前述的復合主軸頭。當A(B)軸鎖在0°位置時，就可進行工件水平平面的加工；C軸鎖在4個90°位置和A(B)軸鎖在90°位置時，就可實現(xiàn)四個相互垂直平面的加工。也即用一個這樣的復合主軸頭，就可實現(xiàn)5面加工。由于C軸可鎖在任意的角度，實際上可實現(xiàn)不只4個而是多于或少于4個垂直平面的加工。此外，前面已提到復合主軸頭還可實現(xiàn)軸聯(lián)動加工，這使得五面和五軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)，因此是另一種形式的復合加工。這對大型模具的加工很有利。這類機床還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔(即大頭在下)的加工。無獨有偶，這屆IMTS上，除新日本工機外，還有多家公司展出類似的機床，名稱都叫“五軸和多面加工”(5-axis and multi machining)機床，即不再叫“五面加工”機床了。?

數(shù)控加工走向提高機床生產(chǎn)率的網(wǎng)絡化

將數(shù)控系統(tǒng)上網(wǎng)不是新鮮事。但是，以往理解上網(wǎng)是為了向數(shù)控系統(tǒng)傳輸加工程序，特別是大容量程序，實現(xiàn)遠程診斷和遠程維修服務等。而在IMTS2000上，日本大隈(Okuma)機床公司展出的“IT plaza”(信息技術廣場，以下稱“IT廣場”)，日本Mazak(山崎)公司展出的“Cyber Production Center”(智能生產(chǎn)控制中心，以下簡稱“CPC”)，日本日立精機公司展出的SEIKI Flex Link(精機柔性聯(lián)接)，美國Hardinge機床公司與GE Fanuc兩家展臺相配合展出的“Open Factory CNC”(開放工廠CNC)以及Simens公司倡導的“Open Manufacturing Environmert”(開放制造環(huán)境)等都強調(diào)聯(lián)網(wǎng)是為了進一步提高機床生產(chǎn)率。大隈說，僅有好的機床和好的數(shù)控系統(tǒng)，還不足以適應當前激烈的市場競爭，只有“進入”他們的“IT廣場”才能在競爭中取勝。Mazak說，在多品種小批量的條件下，一臺數(shù)控機床實際上只有25%的時間在切削，在創(chuàng)造價值，而余下的75%時間不創(chuàng)造價值。他們認為只有將機床聯(lián)網(wǎng)，且與他們的CPC聯(lián)接，才有可能將切削時間由25%提升至65%。Simens公司說，要使機床得到最大的利用率，需要在其數(shù)控系統(tǒng)的HMI(人機接口)中裝上以太網(wǎng)通訊卡與工廠智能網(wǎng)絡連接。?

Mazak認為，由于以下五方面的因素，使得機床利用率只有25%。?
①編程、程序編輯和試切。?
②測量、輸入和管理刀具數(shù)據(jù)。?
③由于生產(chǎn)計劃改變，機床的重新調(diào)整。?
④對機床生產(chǎn)的數(shù)量和運轉情況向上級報告和監(jiān)控。?
⑤對工件安裝方法作出決策和尋找夾具。?
針對以上5個因素，其CPC中將以下4個軟件模塊無縫地集成在一起。?
①計劃調(diào)度模塊(Scheduler)?
通過仿真提出最佳的多品種零件加工計劃。急件插入時，進行更改計劃的再次仿真，找出最佳方案進行調(diào)度。既可作出快速反應又不造成生產(chǎn)混亂，從而使資源得到優(yōu)化使用。此外，該模塊還可對車間數(shù)據(jù)進行采集和分析。?
②工夾具管理模塊(Tool Managerment)?
使得刀具、夾具得到最優(yōu)的應用和成本最低。對每一種工件列出刀具、夾具清單。?
③機床監(jiān)控模塊(Machine Monitor)?
在線監(jiān)控每臺機床運轉情況，易于在辦公室或通過因特網(wǎng)實現(xiàn)遠程監(jiān)控。?
④編程及程序優(yōu)化模塊(Camware)
人機交互式編程和程序的優(yōu)化。?
Mazak將其CPC稱為“數(shù)字制造解決方案”(The Digital Manufacturing Solution)，作為獨立的產(chǎn)品在IMTS2000上展出。其樣本中列出了3家用戶對其功能作出的滿意評價，并且稱其在中國工廠(即銀川“小巨人”公司)的30臺機床均由其CPC直接控制。?
大隈將其“IT廣場”別稱為“大隈網(wǎng)絡工廠”(Okuma Net Factory)。意思是將信息技術(IT)與加工技術融合在一起。認為僅靠先進加工技術，還不能在激烈競爭中“存活”，必須應用IT來“增速”和擴大“商機”。

“IT廣場”概念用圖形表達是一個立體球，球心是數(shù)控(CNC)系統(tǒng)。在球體上的三個圓周平面(一個水平平面和兩個互成90°的垂直平面)的圓周上，分布六個小球，分別代表人、機床、三個軟件模塊和一個因特網(wǎng)門戶網(wǎng)站，這六個小球指向球心(CNC系統(tǒng))并起交互作用。
三個軟件模塊的功能為：?
①“MacMan”——網(wǎng)絡生產(chǎn)管理系統(tǒng)?
大隈認為，當今是這樣一個時代，一家公司能否接到下一訂單，取決于其生產(chǎn)管理系統(tǒng)能否適應交貨期短和任務多變的要求。為此，其MacMan系統(tǒng)通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)(intranet)隨時監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場情況和采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行最優(yōu)的計劃和調(diào)度。當生產(chǎn)任務突然改變時，幾乎不會造成任何損失。該系統(tǒng)還有遠程診斷和維修功能；其ERP(企業(yè)資源規(guī)劃)功能可以使銷售信息、財務會計和生產(chǎn)得到統(tǒng)一的控制，通過從根本上縮短生產(chǎn)周期和維持理想的庫存水平而達到大幅度降低成本的目的。?