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上海杰武精密机械有限公司
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绿色切削技术是世界数控机床新技术特征
   当前,世界数控技术及其装备的发展主要体现为以下几方面技术特征:
  
   1.高速、高效
  
   机床向高速化方向发展,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。
  
   20世纪90年代以来,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴,转速15000~100000r/min)、高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60~120m/min,切削进给速度高达60m/min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具,大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决,为开发应用新一代高速数控机床提供了技术基础。
  
   目前,在超高速加工中,车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m/min以上;主轴转数在30000转/分(有的高达10万r/min)以上;工作台的移动速度(进给速度):在分辨率为1微米时,在100m/min(有的到200m/min)以上,在分辨率为0.1微米时,在24m/min以上;自动换刀速度在1秒以内;小线段插补进给速度达到12m/min。

   绿色切削技术是世界数控机床新技术特征(图片来自百度图片)

   2.高精度
  
   从精密加工发展到超精密加工,是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级(<10nm),其应用范围日趋广泛。
  
   当前,在机械加工高精度的要求下,普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm;精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm,提高到±1~1.5μm,甚至更高;超精密加工精度进入纳米级(0.001微米),主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米,加工圆度为0.1微米,加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴(电机与主轴一体化),主轴径向跳动小于2μm,轴向窜动小于1μm,轴系不平衡度达到G0.4级。
  
   高速高精加工机床的进给驱动,主要有“回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠”和“直线电机直接驱动”两种类型。此外,新兴的并联机床也易于实现高速进给。
  
   滚珠丝杠由于工艺成熟,应用广泛,不仅精度能达到较高(ISO34081级),而且实现高速化的成本也相对较低,所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90m/min,加速度1.5g。
  
   滚珠丝杠属机械传动,在传动过程中不可避免存在弹性变形、摩擦和反向间隙,相应地造成运动滞后和其它非线性误差,为了排除这些误差对加工精度的影响,1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动,由于是没有中间环节的“零传动”,不仅运动惯量小、系统刚度大、响应快,可以达到很高的速度和加速度,而且其行程长度理论上不受限制,定位精度在高精度位置反馈系统的作用下也易达到较高水平,是高速高精加工机床特别是中、大型机床较理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m/min,加速度2g,并且还有发展余地。
  
   3.高可靠性
  
   随着数控机床网络化应用的发展,数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16小时内连续正常工作,无故障率在P(t)=99%以上,则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。我们只对一台数控机床而言,如主机与数控系统的失效率之比为10:1(数控的可靠比主机高一个数量级)。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时,而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。
  
   当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上,驱动装置达30000小时以上,但是,可以看到距理想的目标还有差距。
  
   4.复合化
  
   在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上,为了尽可能降低这些无用时间,人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上,因此,复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。
  
   柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后,机床便能按照数控加工程序,自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工,以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言,加工中心便是最典型的进行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明,机床复合加工能提高加工精度和加工效率,节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。
  
   5.多轴化
  
   随着5轴联动数控系统和编程软件的普及,5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点,由于在加工自由曲面时,5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率,而在3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削,因此,5轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。
  
   最近,国外还在研究6轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心,虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄,但加工效率太低一时尚难实用化。
  
   6.智能化
  
   智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工,它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动,以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:
  
   为追求加工效率和加工质量的智能化,如自适应控制,工艺参数自动生成;
  
   为提高驱动性能及使用连接方便的智能化,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等;
  
   简化编程、简化操作的智能化,如智能化的自动编程,智能化的人机界面等;
  
   智能诊断、智能监控,方便系统的诊断及维修等。
  
   世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多,其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。
 
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