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数控机床行业的发展趋势
发表时间:2018-08-24 10:43  |  点击率:0


面对快速增长的需求和广大的市场空间,我国数控机床行业不断锐意进取,目前市场上可提供1500种数控机床,覆盖超重型机床、高精度机床、特种加工机床、锻压设备、前沿高技术机床等领域,可与欧美地区相媲美。我国数控机械多项关键技术指标均达到了国际先进水平,部分指标甚至达到世界领先水平,为我国持续增长的需求提供了保证。本文从高速高精、功能复杂、控制智能等十二大特点来探讨数控机床行业的发展趋势。
总所周知,机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力。因此,加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。
随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步,数控机床的应用范围还在不断扩大,并且不断发展以更适应生产加工的需要。


       1、高速化
       随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用,对数控机床加工的高速化要求越来越高。
       (1)主轴转速:机床采用电主轴(内装式主轴电机),主轴最高转速达200000r/min;
       (2)进给率:在分辨率为0.01μm时,最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工;
       (3)运算速度:微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障,开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统,频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高,使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度;
       (4)换刀速度:目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右,高的已达0.5s。德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式,以主轴为轴心,刀具在圆周布置,其刀到刀的换刀时间仅0.9s。


       2、高精度化
       数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度,机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。
       (1)提高CNC系统控制精度:采用高速插补技术,以微小程序段实现连续进给,使CNC控制单位精细化,并采用高分辨率位置检测装置,提高位置检测精度(日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机,其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲),位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法;
       (2)采用误差补偿技术:采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术,对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明,综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%~80%;
       (3)采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度,并通过仿真预测机床的加工精度,以保证机床的定位精度和重复定位精度,使其性能长期稳定,能够在不同运行条件下完成多种加工任务,并保证零件的加工质量。


       3、功能复合化
       复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等;工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工,减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差,提高了零件加工精度,缩短了产品制造周期,提高了生产效率和制造商的市场反应能力,相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。
       加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构,该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序,可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高,大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。


       4、控制智能化
       随着人工智能技术的发展,为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求,数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面:
       (1)加工过程自适应控制技术:通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息,利用传统的或现代的算法进行识别,以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态,并根据这些状态实时调整加工参数(主轴转速、进给速度)和加工指令,使设备处于最佳运行状态,以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性;
       (2)加工参数的智能优化与选择:将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律,用现代智能方法,构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”,利用它获得优化的加工参数,从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的;
       (3)智能故障自诊断与自修复技术:根据已有的故障信息,应用现代智能方法实现故障的快速准确定位;
       (4)智能故障回放和故障仿真技术:能够完整记录系统的各种信息,对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真,用以确定错误引起的原因,找出解决问题的办法,积累生产经验;
       (5)智能化交流伺服驱动装置:能自动识别负载,并自动调整参数的智能化伺服系统,包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量,并自动对控制系统参数进行优化和调整,使驱动系统获得最佳运行;
       (6)智能4M数控系统:在制造过程中,加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径,将测量(Measurement)、建模(Modelling)、加工(Manufacturing)、机器操作(Manipulator)四者(即4M)融合在一个系统中,实现信息共享,促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。


       5、体系开放化
       (1)向未来技术开放:由于软硬件接口都遵循公认的标准协议,只需少量的重新设计和调整,新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容,这就意味着系统的开发费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期;
       (2)向用户特殊要求开放:更新产品、扩充功能、提供硬软件产品的各种组合以满足特殊应用要求;
       (3)数控标准的建立:国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649(STEP-NC),以提供一种不依赖于具体系统的中性机制,能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型,从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。标准化的编程语言,既方便用户使用,又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。


       6、驱动并联化
       并联运动机床克服了传统机床串联机构移动部件质量大、系统刚度低、刀具只能沿固定导轨进给、作业自由度偏低、设备加工灵活性和机动性不够等固有缺陷,在机床主轴(一般为动平台)与机座(一般为静平台)之间采用多杆并联联接机构驱动,通过控制杆系中杆的长度使杆系支撑的平台获得相应自由度的运动,可实现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能,更能满足复杂特种零件的加工,具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。
       并联机床作为一种新型的加工设备,已成为当前机床技术的一个重要研究方向,受到了国际机床行业的高度重视,被认为是“自发明数控技术以来在机床行业中最有意义的进步”和“21世纪新一代数控加工设备”。

 小模数齿轮高速干切滚齿工艺中刀具磨损这一核心问题,本文提出了“保持一定齿廓精度的滚切长度”这一特定的工艺参数作为衡量高速干切滚齿工艺的技术指标,并以此指标作比较,分析探讨与高速干切滚齿工艺相关的设备、刀具、工艺方法、润滑条件等对高速干切滚齿工艺的影响。
        小模数齿轮由于模数小、生产批量大,许多为轴齿轮,齿数少,精度要求高,采用传统的剃、珩、磨加工困难且经济性差。在此背景下,高速、高效、高精度,且符合环保要求的高速干切滚齿技术,率先在小模数齿轮加工领域得以推广应用。尤其是热处理后的硬齿面高速干切滚齿工艺,突出表现出其优越的工艺性能。在工业发达国家中,小模数高速干切工艺已成为制齿工艺的主流。如在我国设厂的小型减速机行业的日本电产新宝公司,电动工具行业的美国百得、德国博世、日本牧田公司等均采用一次或二次的高速干切制齿加工而摒弃了以往所惯用的传统切齿工艺。
        宁波夏厦齿轮有限公司于2003年率先在我国引进日本滨井公司的N60六轴数控滚齿机及相关的高速干切滚齿工艺。几年来,我们在对引进设备技术消化吸收的基础上,结合我国的实际情况进行了一些创新,积累了一些经验,也取得了一定的效益,在此仅就工艺实践的角度与大家一起共同交流探讨。
        本文所述的小模数齿轮含传统定义的模数1mm以下,也可视为现在业内提出的将小模数扩展至模数1.5~2mm以内的齿轮。
        高速的含义根据我们目前的工艺状况,硬齿面切齿加工一般应达到100m/min以上,而软齿面应达到300m/min以上。在我国也有许多厂家应用传统的普通齿轮机及硬质合金刀具,采用较高的速度进行硬齿面加工,本文的讨论也可涵盖这部分制齿工艺内容。
        干切的含义为不采用任何润滑条件下进行干切削加工,但包含采用微润滑条件(如喷雾润滑)的准干式切削加工。
        一、建立一个工艺比较系,确立比较指标
        我们从实践中知道,高速干切滚齿工艺的实施牵涉到设备、刀具、工艺及润滑条件等。每一个方面又包含若干个要素,这些因素的共同作用形成对工艺的制约。因此我们把制约高速干切工艺的若干要素编制成表格(附后)建立起一个工艺比较系。接下来的问题就是找出一个与各要素相关联便于分析评价和量化的工艺指标。我们称之为“保持一定齿廓精度的滚切长度”(以下简称“相对精度滚切长度”)。其含义是在一定的滚刀使用长度上(一般试验为一个刀位)能保持住一定齿廓精度的最长滚切长度。对于相同的工件来讲,也即是保持住一定齿廓精度的滚刀使用寿命。这样的评价指标就直指问题的实质。实质上,刀具的磨损就是高速干切滚齿工艺的核心问题所在。有了这样一个指标,我们就能方便地对不同工艺条件下的切削实验进行比较,因为我们要求的是相对的齿廓精度,比较的是滚切长度。在不同的设备、刀具、工艺及润滑条件下,只须达到“一定的”齿廓精度,而对其保持住精度的滚切长度进行比较。通过比较,我们可以比较清楚地了解各方面因素对高速干切滚齿工艺的核心问题--刀具磨损的影响,从而找出一些解决问题办法,以期不断地优化工艺。
       提出这样一个评价方法的依据是从滚齿原理上讲,滚刀与工件作展成运动时,滚刀基准齿条与工件的齿廓存在精确的对应关系,利用现代的检测手段就能精确地检查工件齿廓,从而准确地反映出刀具的磨损状况。在实际滚切加工中,由于存在机床运动误差、滚刀安装误差以及工件受力变形等因素的影响,工件齿廓的检查结果并不如啮合理论所论述的精确地对应于滚刀的齿形变化,但两者之间的关联度是最大的。因此,齿廓检查是监视刀具磨损的最适宜选择。
      在传统的滚齿工艺中,有滚刀重磨寿命这一定义,即滚刀重磨一次的使用时间,其判断依据是刀刃的“磨损量”及被加工工件的齿面状况等。这种方法对于判断复杂刀具--滚刀的使用寿命来说显然不够准确或过于粗放。滚刀齿形由多段直线,圆弧组成相关联的尺寸和角度;刀刃磨损后也不可能象车刀、铣刀一样通过设备的补偿进给来保持尺寸精度,而是直接引起加工产品的齿廓误差。根据GB/T 10095-2001(1S0 1327-1997)齿轮精度标准定义,齿廓检查是最终判断齿轮产品精度等级的四项必不可少的检查之一。从产品质量的角度上讲,要生产出合格的产品,就必须达到一定的齿廓精度。而保持一定齿廓精度的滚刀最长使用时间,也正是生产工艺所追求的主要目标。
    围绕这一目标,就必须尽量减少刀具的磨损。然而在高速干切滚齿工艺中,滚刀磨损的原因是复杂的,有时表现出很大的差异,以致于影响这一先进工艺的推广。有了“相对精度滚切长度”这一评价指标,我们就可以对相关方面的影响进行一些分析,并以期通过这些分析,进一步探讨认识高速干切滚齿加工的内在机理和规律,从而推动这一先进工艺更快更好地发展。
        二、高速干切滚齿设备的分析和选择
    在其他条件基本相同的情况下,采用不同的机床进行高速干切滚齿工艺,其相对精度滚切长度的比差是很大的。通过工艺实践,我们发现其表现差异与滚齿机床的传动方式与刀具移动方式关联度最大,也最直接。因此,我们依据其传动方式与移刀方式,将现行的滚齿机区分为三种类型。
    第一类:传统的机械传动滚齿机,传动系统复杂,传动链长,移刀方式多为手动;
    第二类:其主要标志为主传动(刀轴与工件轴)为电子藕合(也称电子齿轮箱)的数控滚齿机,主传动虽然不是直接电驱,但传动链短,传动精度高,刚性好,移刀实现了每工件间歇式自动移刀,其典型机型如日本滨井的N60;
    第三类:主传动为电轴直接驱动,多轴联动的闭环控制数控滚齿机,移刀方式实现了加工时的自动切向进给,其典型机型如美国格里森的130H。
    实践证明,第三类型的滚齿机最适合进行高速干切滚齿加工。在我国,第二种类型的滚齿机逐渐普及,现在国产的数控滚机基本属于此类型,采用此类机型进行高速干切滚齿加工也能取得很好的效果。但其表现,国产第二类型数控滚机与发达国家比较还有一定的差距。我们不难解释纯机械传动且传动链较长的滚齿机为什么不适合高速干切滚齿加工。因为机械传动链的传动误差造成滚切加工过程中的振动,而这种振动对于从事高速干切质地硬脆的刀具材料是致命的影响,振动造成刀刃的非正常磨损,也可理解成现在流行的“微小崩缺”说,刀具很快就丧失了齿形精度。
    移刀的方式直接决定着刀具的均匀磨损程度,磨损越均匀,相对精度滚切长度比就高,产品精度一致性好,滚刀寿命长。手工移刀很难实现均匀磨损,滚刀的使用寿命也就大打折扣。连续的、自动的移刀是保证滚刀合理使用,实现其最佳使用寿命,并保证产品精度一致性的最好方式。因此,在选择进行高速干切滚齿工艺的机床时,以上两个方面是必须考虑的。
    现代机床是承载现代制造理论和技术的综合体,就机床对高速干切滚齿工艺而言,也还存在多方面的影响,如机床合理的运动参数、整体的刚性、抗振性等,在选择设备时须综合考虑。在我国还不能普及高性能数控滚齿机的情况下,许多厂家通过调整普通滚齿机的传动精度,提高整体刚性等措施实施高速干切滚齿工艺并取得了较好的效果。但无论何种方法和途径,要较好地实施高速干切滚齿工艺,设备的因素仍都是第一位的。
    三、高速干切用齿轮滚刀
    进行高速干切滚齿加工的滚刀性能主要取决于以下三个方面:刀具材料、表面涂层、滚刀参数与结构的设计与制造。
    现行切齿刀具的材料可以归结为四类:硬质合金、陶瓷、粉末冶金高速钢和高性能高速钢(由于工艺方法的不同而区分为两大类)。陶瓷材料作为车刀刀片使用早已普及,但作成复杂刀具的滚刀只见过试验报导,尚未见到市场供应。但陶瓷材料的某些优异性能应是进行高速干切工艺所最需要的。因此,陶瓷材料在高速干切滚刀上的应用也将是一个必然的发展趋势,特别是在硬齿面刮削刀具上的应用前景看好。目前用于高速干切硬齿面加工的滚刀材料主要是硬质合金一类,而用于软齿面高速干切加工的滚刀材料主要是后二类的高速钢,也有采用硬质合金的。我国目前粉末冶金高速钢及高性能高速钢的生产还不多见,但硬质合金由于我国有资源上的优势,理应成为制造高速干切齿轮滚刀的主导材料。根据对一些先进发达工业国家及国产硬质合金材料的分析比较,我们认为就材料本身来讲,并没有太大的差别,其生产装备与加工工艺也基本相同。但在使用过程中,有时表现出较大的差别,究其原因,可能存在以下问题。据长期从事硬质合金检测的专业人员称,由于硬质合金材料制造过程的复杂性和特殊性,采用相同设备和工艺制造的不同批次材料检测数据几乎没有完全相同的,材料的细微差别也许就造成切削性能的巨大差异。而在目前阶段,我国的材料生产商,刀具制造商及刀具使用厂家脱节,缺少紧密的交流合作必然造成材料与工艺的不匹配问题,如果解决好这些问题,如果充分发挥我国硬质合金材料资源优势,是一个值得有关部门(如工具研究所、大专院校、硬质合金专业厂等)很好研究解决的课题。
    涂层是高速干切滚刀不可或缺的后序工艺,涂层在高速干切中表现出来的优异性能可以说是最突出的,现在已没有不经涂层的滚刀能胜任极端条件下的高速干切加工。在切削试验中,涂层性能有时也表现出很大的差异,其主要原因也存在涂层厂商与使用厂家的“工艺匹配”问题。涂层技术是一项发展很快的新技术,各厂家工艺不尽相同,如果缺乏密切的合作,就很难找出最佳方案。但可以预料的是,未来的涂层技术必将会有更大的发展和普及。
    刀具的设计与制造是一个牵涉面很广的问题。进口刀具价格昂贵,而且完全依赖进口也非长久之计,因此,国产刀具的突破也就成为高速干切滚齿工艺推广的关键问题。根据我国的实际情况,如果目前刀具材料以硬质合金为主考虑,就必须在刀具结构上实现突破。制造硬质合金材料的钨金属是一种不可再生的稀缺资源。现整体小模数硬质合金滚刀已是价格昂贵,如果要进一步适应中、大模数的加工,只有在滚刀结构上下功夫。为此,我们设计了“连续支承的镶片式齿轮滚刀”并取得了国家发明专利(详见附图及说明书)。此创新设计面向未来的高速干切滚齿工艺,立足于现代制造技术,具有以下特点:1、将刀片、刀体、端盖三者组合成一个密不可分的可靠整体,首先满足高速高强度切削的安全性和可靠性要求;2、立足于现代数控加工技术,易于实现高精度、大批量、低成本的生产;3、实现了最简化设计,设计不受刀具尺寸及安装方式限制,完全满足中、大模数滚刀制作要求;4、适合采用圆磨法加工,提高生产效率;    5、最有可能适合安装陶瓷刀片的结构;6、改变经营模式,为客户提供保质保量一次性的不重磨刀具,由制造商实现刀体刀片的多次利用。
    能囊括如此多优点的刀具,必须要对传统的结构形式有大的突破,这就是连续支承的刀体结构。与传统滚刀相比,连续支承镶片式滚刀的轴向容屑槽没有了,只依靠刀片高出支承的部分形成容屑仓。切削试验证明,只要刀片有合理的凸出尺寸加上合理的液、气冲刷排屑,切削进行得很顺畅,特别是二次刮削加工,切屑很细,高速气流正,反两个方向吹,排屑完全不成问题。对于高速大走刀的粗切,也可采用加厚刀片,升高刀片与刀体之间的距离及采取相应在的液气冲刷措施得以较好的解决。
    对于滚刀外形尺寸的选择,总的趋势是长度都在往长的方向发展(如格里森130H刀具的使用长度就达250mm),但外径却因为机床、生产方式及刀具制作水平等在选择上有所差异。众所周知,刀具外径较大,切削线速度可提高,也可制造出较多的槽数,有利于延长刀具的寿命和提高加工精度。但相对于相同的刀速加工同样的工件时,外径较小的滚刀刀轴转速提高了,这样工作台转速相应提高进给加快生产效率就提高了。另外,外径较大的刀具的空切行程较大也会导致生产效率下降。因此,美国格里森的工艺方案是加长刀具的长度以延长使用寿命,选用较小的适宜外径并将滚刀尽可能做成多头的,这样以提高生产效率并做到保证加工精度。显然,这种方案依赖于其卓越的机床及精良的刀具制作水平。根据我国目前的设备及刀具制作水平,加大刀具外径对提升产品的水平也是比较现实的方案,但如何克服滚刀外径加大空切行程加长降低生产效率的问题,我们提出了一种“滚刀完全利用的综合滚齿方法”并申报了相关专利。这种方法只要具备切向进给的滚齿机均可实施,相对于传统滚齿机现代数控滚齿机的切向进给功能更容易实现。这种方法完全消除了滚刀外径因素的影响,滚刀得以完全充分的利用,产品水平也可有较大提高。
    综合以上影响滚刀性能的三个方面,对于高速干切滚齿工艺来说,我们认为材料和涂层是决定性的因素 ,没有稳定的材料和涂层,在高速干切这样严酷的切削条件下,滚刀精度很快就会丧失。从进口的小模数硬质合金滚刀使用情况来看,其制造精度应是很稳定的,但不同批次的刀具在相关条件相同的情况下有时表现差异很大,究其原因,还是材料和涂层原因引起。在国内,除了要解决材料和涂层问题外,滚刀的制作水平也是制约高速干切工艺发展的一个问题。相关制造厂家小而散,加工精度普遍比国外厂家低一、二个级别,制造装备落后,而进口设备价格昂贵,不是一般厂家所能承受。在国内还没有形成集材料、涂层、滚刀制造及切削试验为一体的刀具制造商之前,解决的办法只有加强各行业间的沟通和交流,谋求以供求关系向联合方向发展,促进高速干切刀具制造业的发展。
    四、高速干切滚齿工艺的分析和选择
    高速干切滚齿工艺由传统的滚齿工艺发展而来,其原理是相同的。但由于每个厂家的设备、技术、人员状况的不同,每个厂家都会有一些自己的经验和诀窍,工艺选择也会有所不同。以下是我们在高速干切滚齿工艺实践中的一些体会和方法,仅供参考。
    1、高速干切的核心问题是刀具的磨损问题,因此在切削过程中密切注意刀具的磨损情况,除加工工件的齿廓检查外,也可结合传统的刀刃磨损检查,采取较好的移刀方式和确定合理的移刀及重磨时间。根据刀具的磨损情况及时调整工艺,这对提高相对精度滚切长度,较好地实施高速干切滚齿工艺是至关重要的。
    2、正确安装调整刀具心轴与工件心轴,使之达到安装标准要求。如果安装调整不到位,刀具也会产生不均匀磨损,相对精度滚切长度就会大大降低。
    3、追求相对精度滚切长度保证了产品质量,减少了安装调整刀具时间,提高了劳动生产率。但工艺的主要取向之一是追求较高的劳动生产率,这时就必须提高刀速,而刀具速度提高到一定程度就会加剧刀具的磨损,因此,合理的刀速是优化工艺的关键点。对于一些产品(如轴齿轮),产品切削时间占整个数控循环的时间较短,单纯提高刀速对劳动生产率的提高有限。
    4、对于切削速度,进给量,切深三大切削参数的选择,国外一些厂家通过观察切屑的形状、大小、颜色来判断切削参数是否合理,通过称量单位时间的切屑重量来判断生产效率,应是简单易行的可取办法。
    5、加工参数的选择应首先考虑被加工的材料的机械物理性能,现代数控机床均有切削负荷的即时显示,可作为相同条件下不同材料切削抗力的当量参考数据。
    6、轴齿轮加工精度的控制较片齿轮困难,二次循环加工可比较明显提高轴齿轮的精度等级,尤其是进行一些细长轴、少齿数硬齿面的一次滚切时,由于切削抗力较大,轴容易弯曲变形,二次循环可消除变形误差,提高精度。
    7、二次刮削工艺是对传统滚齿工艺的发展。但二次刮削每工件都需对刀,生产效率低,工艺成本高,刮削将齿轮轮齿表层的最硬一层材料去除,降低了产品的使用寿命。因此,除非是非得采用以刮代磨的产品,普遍采用并不一定适宜,尤其是大批量生产的电动工具齿轮等。