机床技术发展的新动向

高速加工进一步向纵深发展

高速数控加工起源于90年代初，它以电主轴实现主轴高速和以直线电机实现高直线移动速度为主要特征，主要应用于大批量生产的轿车工业等领域。目的是力图用高主轴转速和高速直线进给运动的单主轴加工中心来替代多主轴但难以实现高主轴转速和高速进给的组合机床，从而在大批量生产中，既得到高度的柔性利于产品快速地更新换代，而又不降低生产效率。在实际生产中，一些驰名的汽车厂如我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。当前最新趋势是：继续扩大其应用范围。有的公司为了降低成本，不用直线电机，而采用中空通冷却液、加大直径和加大导程的滚珠丝杠；日本东芝机械则采用中空通冷却液的双滚珠丝杠来增强传动刚度。但不管采用何种形式的滚珠丝杠，其最大移动速度一般不大于50m/min，加速度最高为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”结构，使得移动部件质量较小。因此尽管用了滚珠丝杠，其X、Y、Z轴直线速度仍可高达75m/min，加速度达1g。?
高速加工应用的另一个领域是用立方氮化硼刀具进行淬硬钢的高速铣削或车削，这对模具工业非常有利。为了追求最终的高精度，一般希望在模具淬硬以后进行精加工。在以前，对付淬硬模具唯一可用的加工手段是电加工。电加工的放电烧蚀是微切屑加工，效率极低。而高速铣削淬硬钢的效率却可以高出几十倍，从而成为电加工的理想替代工艺。虽然，对那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半径圆弧曲面和清角等高速铣削无能为力，但可以用高速铣削进行粗、半精加工，而用电加工作最后加工，这样可大大缩短模具加工周期。对那些为数众多的异形且窄而深的槽类模具，仍只能采用电加工方法。为此，电加工永远不会被完全取代。?
高速铣削淬硬钢对电加工的挑战，促使电加工机床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年(1996年着手研制)在世界上率先推出了直线电机取代滚珠丝杠的电火花成形机床。在IMTS2000上Sodick的电火花线切割机床和打孔机床也全部用上了直线电机。以直线运动速度为36m/min左右、分辨率为1μm的直线电机传动取代直线速度只有1.3m/min左右，分辨率为1μm的滚珠丝杠，其传动的优越性不能直接体现在高速度上。这是由电火花机床为不断维持放电间隙的前移而又不致于短路的伺服性质所决定的。它表现为瞬时进、瞬时停、甚至瞬时后退。由于直线电机大幅度提高了传动刚进，且有高达3000N的直线推力，因此有可能产生瞬时高加(减)速度，形成高频率瞬时的断续冲击，冲走由电蚀产生的铁屑。这样既可免除一切“冲刷”(Flushing)装置，又可一直保持最小且一致的火花间隙而达到快速的进给。从而不仅可大幅度提高效率(一般可提高40%)、精度，改善表面粗糙度，还可以解决以往由于无法解决“冲刷”问题(如很难在微小且密集的电极上钻“冲刷”用小孔等)而不能进行电加工的问题。?

航空和宇航工业是高速加工的传统应用领域。其原因一是其主导材料为铝和铝合金；二是其零件常具有厚度极薄的壁和筋，刚度很差。只有高速切削时切削力很小才能对这些筋、壁进行加工。最新趋势是：近来这些行业流行采用大型整体铝合金坯料制造大型部件，如机翼、机身等，来替代多个零件，以避免众多的铆钉、螺钉和其它联结方式。这样不仅可省去昂贵的装配工时和工装，还可使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。因而，在这届IMTS2000上，美国CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了专门用于飞机工业的大型高速铣床(其型号分别为HyperMach和JoMach159)。这类机床有以下特点：?
(1)进一步提高主轴转速和功率：由于飞机工业采用整体坯料“掏空”的方法加工零件，切削量极大。因而，主轴转速和功率可增加的空间也很大。据CINCINNATI公司称，以往在飞机工业中，主轴转速达15000r/min和22kW就是高速了。随着技术进步，先进机床已提高到40000r/min和40kW。而他们的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即达到了新的高度。?
(2)超长的X行程和龙门移动：由于“机翼”类为细长型零件，JoMach机床的X轴行程长达30m，而Y轴只有2m。据称它将被用于加工欧洲下一代战斗机“台风”的机翼。HyperMach机床的X行程最长为46m，Y轴也只有2m。英国Marwin公司Alumax系列机床的双面总长度达100m。如此长的X行程，只能是龙门(往往是多个龙门)移动而不可能是工作台移动。?
(3)采用直线电机作高速直线传动：和以往航空工业大型机床用斜齿轮齿条或蜗杆条传动不同，这类高速铣床也用上了直线电机。这是为了适应主轴超高速、特大功率和超长X行程的需要。HyperMach机床采用直线电机以后，进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g。据CICINNATI公司称，他们在HyperMach上曾试切一件薄壁飞机零件，只花了30分钟。同样的零件在一般高速铣床上加工费时3小时，而在普通数控床需8小时。这充分显示了超高速机床的威力。?
Jobs公司2000年推出的另一台用于航空和模具工业的高速大型铣床LinX，为桥式布局，也应用了直线电机，最高进给速度达60m/min，加速度0.6g，主轴转速24000r/min，功率为44kW。据称，由于高速主轴和高速进给，加工时间可减少50%，机床结构还得到简化，减少了25%的零件，从而易于维护。?
以上说明直线电机应用已从最初的汽车工业，扩展到电加工机床，航空工业和大型模具的加工。?
不仅如此，这次IMTS2000展品中，板材冲压机和激光板材切割机床也应用了直线电机，如Alabama公司的激光切割机，采用直线电机后，速度为150m/min，加速度为1.3g。另外，直线电机还被应用于三坐标测量机，如Helmel公司的Mierostar HS产品，直线移动速度达30m/min，这样，测头每分钟可作120次以上的接触测量。


高速化另一个关键功能部件——电主轴最近有以下新进展：?
(1)瑞士Fischer公司推出在电主轴部件上装有在线自动动平衡装置的产品。应用在加工中心上，每换一次刀进行一次包括刀具质量在内的自动动平衡。据称可在一秒钟内消除80～90%由动不平衡所引起的振动。?
(2)瑞士IBAG公司推出了静压轴承的电主轴，据称使用寿命大于2万小时。?
(3)美国Ingersoll公司推出了动静压轴承的电主轴，作为一个独立部件出售。?
(4)瑞士IBAG公司推出了磁浮轴承的电主轴。?
(5)瑞士IBAG公司在其电主轴部件上配备轴向尺寸监测传感器，可与机床数控系统联结进行轴向尺寸的补偿。?
(6)永磁同步电机的电主轴也已出现。此前电主轴的电机均为异步感应电机。其定子发热可以冷却，而转子发热无法冷却。但永磁同步电机的转子为永久磁铁不发热。此外，同功率的同步电机外形尺寸比异步电机小，有利于实现小尺寸、大功率，也即可提高功率密度(Power Density)。但目前仅有少数机床公司(如Mazak)在研制。专业的电主轴公司尚未见有产品供应。?
欧洲至少有三家著名的电主轴公司(瑞士Fischer、IBAG，德国GMN)正在抢滩美国市场，纷纷在美国建立分公司进行销售、维修和翻新等业务。原因是电主轴的核心技术是精密加工和精密装配，对工人的技艺水平要求很高，这些正是瑞士、德国的强项；在高速运转情况下，滚动轴承的寿命均是较低的。主要失效形式为由于材料疲劳而丧失精度(电主轴精度一般为径向2μm，轴向1μm)。因此不具备本地维修、翻新的能力是不可能打开市场的。一些电主轴公司建议用户购置一个备品，因为一般的维修、翻新时间为两周。这样，可把停机时间减至最小。?
此外，美国Kennametal公司推出了带自动动平衡的刀柄来适应高速化。

五轴联动加工得到时兴；五轴联动和五面加工合二为一
在IMTS2000展览会上，给人们一个突出的印象是五轴联动机床比以往多，据不完全统计，约有50余台。这个现象的出现，不是偶然的，有以下深刻的背景。?
(1)从本质上说，对三维曲面的加工，三轴联动一般不是最佳的选择，因为在三轴联动时，一般难以用刀具的最佳几何形状进行切削，不仅效率低而且表面粗糙度极差，往往需要后续繁重的手工抛光。手工抛光可以改善表面粗糙度却往往丧失了曲面的几何精确度。为此，有的公司采用后续电火花加工，这不仅耗费较长的时间而且还要制造形状复杂的电极。?
采用五轴联动，可以使用刀具最佳几何形状来进行切削，包括可使用球头铣刀的圆弧部分(非顶端部分)进行切削。这样，不仅表面粗糙度好而且效率也大幅度提高。美国CINCINNATI公司曾经宣称，一台五轴联动机床的效率等于两台三轴联动机床。特别是在当前流行的立方氮化硼铣刀高速铣削淬硬钢工艺中，五轴联动比三轴联动能发挥更大的威力。所以，一般说来，五轴联动才是三维曲面加工的最佳选择。?

(2)由于以下一些原因阻碍了五轴联动的广泛应用:
①过去五轴联动数控系统的价格极高，比三轴联动系统高出几倍。现在，这两种联动系统的价格相差很小。?
②过去，五轴联动的编程软件(包括编程后的检验软件)由于技术难度较大，价格极高，一般为三轴联动编程软件的几倍。现在价格虽仍较高，但已大幅度下降。?
③五轴联动除X、Y、Z以外的两个回转轴的运动有两种实现方法，一是在工作台上用复合A、C(B)轴回转工作台(以下简称复合转台)；二是采用复合A(B)、C轴的主轴头(以下简称复合主轴头)。?
当前，由于电主轴的出现，使得复合主轴的结构大为简化，不再需要任何弧齿锥齿轮副、齿形皮带或轮传动链等，因而制造难度大幅降低。这次IMTS2000展出的五轴联动机床大多为复合主轴头类型。?
超低速、大扭矩而又平稳地回转，历来是电机传动技术的大难题。因此，多种结构的机械减速器是必要的。但随着功率电子和微电子，特别是DSPO(数字信号处理器)芯片以及永磁材料等技术的飞跃发展，这个大难题已有所突破。最近，瑞士ETEL公司和美国KOLLMORGEN公司均推出了“无刷环形扭矩电机”(Brushless Ring Torque Motor)。ETEL公司曾为一台大型天文望远镜提供一台直径达2.5m，而厚度仅为40mm，扭矩达10000Nm的环形扭矩伺服电机。在回转速度小于1转/56天的条件下，仍能极为平稳均匀地回转，令人感到不可思议。该公司还在宇航工业用的多轴联动铣床上应用了直径分别为0.5m和1m的环形扭矩伺服电机来替代蜗轮蜗杆副，加工精度和表面粗糙度均大有改善。当前，这两家公司均可提供一系列尺寸和规格的环形扭矩伺服电机。以ETEL公司为例，可提供的电机外径尺寸范围由120mm至1260mm，扭矩从1Nm至18000Nm，定位精度可达0.5″，重复精度可达0.01″，最低转速可达0.001r/min。可以预见，在不久的将来，在复合转台和复合主轴头的A、C(B)轴伺服传动中的蜗轮蜗杆副将被这些环形伺服扭矩电机所取代。蜗轮蜗杆副、弧齿锥齿轮副将继正齿轮副之后从数控机床领域中逐渐退出。这将是又一个具有突破意义的变化。?
为了适应五轴联动加工日益普及的要求，美国TRI-TECH公司现出售复合主轴头(型号为5411)的功能部件。从而可将现有的任何三轴联动机床变为五轴联动机床(利用7∶24的锥柄和该公司提供的连接器，可将复合主轴头与现有机床的主轴联结)，其C轴范围为360°；A(B)轴为±90°，角度精度为0.01°和重复精度为0.005°。自然，现有机床必须具备五轴联动功能的数控系统以及五轴联动编程软件。另外，该公司还可提供五轴后置处理软件。

在IMTS2000的CINCINNATI展台上，展出了由德国DST公司设计制造的Z3型复合主轴头。该头采用了并联加串联的三杆机构。由于受并联机构的限制，Z3主轴头最大倾角只有±40°，故只能用于五轴联动，而不能用于五面加工。?
以往在对大件进行五面加工时，采用双柱(龙门)式机床和可更换的垂直和水平主轴头(附件头)来实现。为此，这类机床除有刀库外，还需有一个主轴头库。横梁一般要向左侧外延一段，作为主轴滑枕交换主轴头用。日本新日本工机在上一届IMTS展出的五面加工机床就是这样的结构。而这一届展出的不再使用交换主轴头的方式，而采用前述的复合主轴头。当A(B)轴锁在0°位置时，就可进行工件水平平面的加工；C轴锁在4个90°位置和A(B)轴锁在90°位置时，就可实现四个相互垂直平面的加工。也即用一个这样的复合主轴头，就可实现5面加工。由于C轴可锁在任意的角度，实际上可实现不只4个而是多于或少于4个垂直平面的加工。此外，前面已提到复合主轴头还可实现轴联动加工，这使得五面和五轴加工可在同一台机床上实现，因此是另一种形式的复合加工。这对大型模具的加工很有利。这类机床还可实现倾斜面和倒锥孔(即大头在下)的加工。无独有偶，这届IMTS上，除新日本工机外，还有多家公司展出类似的机床，名称都叫“五轴和多面加工”(5-axis and multi machining)机床，即不再叫“五面加工”机床了。?

数控加工走向提高机床生产率的网络化

将数控系统上网不是新鲜事。但是，以往理解上网是为了向数控系统传输加工程序，特别是大容量程序，实现远程诊断和远程维修服务等。而在IMTS2000上，日本大隈(Okuma)机床公司展出的“IT plaza”(信息技术广场，以下称“IT广场”)，日本Mazak(山崎)公司展出的“Cyber Production Center”(智能生产控制中心，以下简称“CPC”)，日本日立精机公司展出的SEIKI Flex Link(精机柔性联接)，美国Hardinge机床公司与GE Fanuc两家展台相配合展出的“Open Factory CNC”(开放工厂CNC)以及Simens公司倡导的“Open Manufacturing Environmert”(开放制造环境)等都强调联网是为了进一步提高机床生产率。大隈说，仅有好的机床和好的数控系统，还不足以适应当前激烈的市场竞争，只有“进入”他们的“IT广场”才能在竞争中取胜。Mazak说，在多品种小批量的条件下，一台数控机床实际上只有25%的时间在切削，在创造价值，而余下的75%时间不创造价值。他们认为只有将机床联网，且与他们的CPC联接，才有可能将切削时间由25%提升至65%。Simens公司说，要使机床得到最大的利用率，需要在其数控系统的HMI(人机接口)中装上以太网通讯卡与工厂智能网络连接。?

Mazak认为，由于以下五方面的因素，使得机床利用率只有25%。?
①编程、程序编辑和试切。?
②测量、输入和管理刀具数据。?
③由于生产计划改变，机床的重新调整。?
④对机床生产的数量和运转情况向上级报告和监控。?
⑤对工件安装方法作出决策和寻找夹具。?
针对以上5个因素，其CPC中将以下4个软件模块无缝地集成在一起。?
①计划调度模块(Scheduler)?
通过仿真提出最佳的多品种零件加工计划。急件插入时，进行更改计划的再次仿真，找出最佳方案进行调度。既可作出快速反应又不造成生产混乱，从而使资源得到优化使用。此外，该模块还可对车间数据进行采集和分析。?
②工夹具管理模块(Tool Managerment)?
使得刀具、夹具得到最优的应用和成本最低。对每一种工件列出刀具、夹具清单。?
③机床监控模块(Machine Monitor)?
在线监控每台机床运转情况，易于在办公室或通过因特网实现远程监控。?
④编程及程序优化模块(Camware)
人机交互式编程和程序的优化。?
Mazak将其CPC称为“数字制造解决方案”(The Digital Manufacturing Solution)，作为独立的产品在IMTS2000上展出。其样本中列出了3家用户对其功能作出的满意评价，并且称其在中国工厂(即银川“小巨人”公司)的30台机床均由其CPC直接控制。?
大隈将其“IT广场”别称为“大隈网络工厂”(Okuma Net Factory)。意思是将信息技术(IT)与加工技术融合在一起。认为仅靠先进加工技术，还不能在激烈竞争中“存活”，必须应用IT来“增速”和扩大“商机”。

“IT广场”概念用图形表达是一个立体球，球心是数控(CNC)系统。在球体上的三个圆周平面(一个水平平面和两个互成90°的垂直平面)的圆周上，分布六个小球，分别代表人、机床、三个软件模块和一个因特网门户网站，这六个小球指向球心(CNC系统)并起交互作用。
三个软件模块的功能为：?
①“MacMan”——网络生产管理系统?
大隈认为，当今是这样一个时代，一家公司能否接到下一订单，取决于其生产管理系统能否适应交货期短和任务多变的要求。为此，其MacMan系统通过企业内部网(intranet)随时监视生产现场情况和采集现场数据进行最优的计划和调度。当生产任务突然改变时，几乎不会造成任何损失。该系统还有远程诊断和维修功能；其ERP(企业资源规划)功能可以使销售信息、财务会计和生产得到统一的控制，通过从根本上缩短生产周期和维持理想的库存水平而达到大幅度降低成本的目的。?