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數(shù)控機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)--數(shù)控機(jī)床的高速、高精密化
日期：2009年09月23 來(lái)源：本站原創(chuàng) 關(guān)鍵字：數(shù)控機(jī)床
新一代數(shù)控機(jī)床(含加工中心)只有通過(guò)高速化大幅度縮短切削工時(shí)才能進(jìn)一步提高其生產(chǎn)率。超高速加工(特別是超高速銑削)與新一代高速數(shù)控機(jī)床(特別是高速加工中心)，6開發(fā)應(yīng)用緊密相關(guān)。20世紀(jì)如年代以來(lái)，歐、美、日各國(guó)爭(zhēng)相開發(fā)和應(yīng)用新一代高速數(shù)整機(jī)床，加快機(jī)床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸轉(zhuǎn)速15 000~100000r／min)、高速且高加堿速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60~120m／min，切削進(jìn)給速度高達(dá)60m／min)、高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達(dá)到了新的技術(shù)水干。隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)壽命刀具材料和磨料唐具，大功率高速電主軸、高加／減速度直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給部件以及高性能控制系統(tǒng)(含監(jiān)控系統(tǒng))和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)健技術(shù)的突破，應(yīng)當(dāng)不失時(shí)機(jī)地開發(fā)和應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與之配套的功能部件(如電主軸、直線電動(dòng)機(jī))得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。依靠快速、準(zhǔn)確的數(shù)字量傳遞技術(shù)對(duì)高性能的機(jī)床執(zhí)行部件進(jìn)行高精密度、高響應(yīng)速度的實(shí)時(shí)處理，由于采用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達(dá)到5000~8000m／min以上；主躺轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)30000r／min(有的高達(dá)100000r／mm)以上；工作臺(tái)的移動(dòng)速度(進(jìn)給速度)，在分辨為為lgm時(shí)在lOOm／min(有的到200ngmin)以上，在分辨率為0lgxn時(shí)在24m／rain以自自動(dòng)換刀速度在“以內(nèi)；小線段插補(bǔ)進(jìn)給速度達(dá)到12m／rain。FANUC開發(fā)了大推力直線電動(dòng)機(jī)，其加速度22、速度2m／s。用于超高速驅(qū)動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)鼉大加速度可達(dá)7．5g，可進(jìn)行高速高精度驅(qū)動(dòng)。而FANUC的同步內(nèi)裝式力矩電動(dòng)機(jī)DIS110／300，具有偏心力修正功能，采用鎳鎘永磁材料，使力矩電動(dòng)機(jī)的出力增加，并開發(fā)了大型力矩電動(dòng)機(jī)用于關(guān)節(jié)式搬運(yùn)機(jī)器人。FANUC的大型伺服電動(dòng)OtoaS3000／2000P，扭矩300Nm，可用于汽車大型覆蓋件的沖壓成形加工，汽車行業(yè)對(duì)此頗感興趣。而THK開發(fā)d9超小型直線電動(dòng)機(jī)，比手指還細(xì)。臺(tái)灣上銀科技開發(fā)的LMS+PMOL直線電動(dòng)機(jī)速度可達(dá)15hi／sec，可用于高速驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠高速化的趨勢(shì)也很明顯。2006年THK推出了最高5Q加速度、5．6mis速度的滾珠絲杠。40mmx40mm的大導(dǎo)程滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)200m／rain的移動(dòng)遵度和2f的加速度。根據(jù)高效率、大批量生產(chǎn)需求和電子驅(qū)動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及高速直線電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用，開發(fā)出一批高速、高效、快速響疵的數(shù)控機(jī)床以滿足汽車、農(nóng)機(jī)等行業(yè)的雷求。還由于新產(chǎn)品更新?lián)Q代周期加快，模具、航空航天、軍事等工業(yè)的特殊零件復(fù)雜且品種增多。美國(guó)CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床的進(jìn)給速度高達(dá)‘O一100ro／min、加速度達(dá)2J、主軸轉(zhuǎn)速達(dá)60000r／rain。加工一個(gè)飛機(jī)薄壁零件只用30rain，而同樣的零件在飛高速銑床上加工需lh，在普通銑床上加工需8h：德國(guó)DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12000r／mm。
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速高精度加工技術(shù)可極大地提高效串，提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)晶的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。為此日本光端技術(shù)研究會(huì)將高速高精度加工列為五大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)(CIRP)將其確定為2l世紀(jì)的中心研究方向之一。例如，在轎車工業(yè)領(lǐng)域，年產(chǎn)30萬(wàn)輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒／輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點(diǎn)問題之一；在航空航天工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很小，材料為鋁或鋁臺(tái)金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。近來(lái)采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來(lái)制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來(lái)替代；多個(gè)零件通過(guò)眾多的鉚釘、螺釘和其他連接方式拼裝，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提；高。這些都對(duì)加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從精密加工發(fā)展到超精密加工<特高精度加工)，是世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。其；精度從微米級(jí)到亞微米級(jí)乃至納米級(jí)(<10nm)，其應(yīng)用范圍日趨廣泛。超精密加工主要技術(shù)’內(nèi)容包括在這樣一個(gè)精度等級(jí)上的加工工藝、機(jī)床設(shè)備、測(cè)量技術(shù)、加工環(huán)境控制、加工工具以及加工機(jī)理研究。具體加25T藝主要包括超精密切削<車、銑)、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工(三束加工及話細(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工和各種復(fù)合加工等)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出新的要求。
隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)非硅材料的三維復(fù)雜形狀微小零件提出越來(lái)越多的要求。例如，微小飛行器基體結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)制造，由于其結(jié)構(gòu)精巧，零件尺度一般約10mm，而切削加工用量在微米量級(jí)(主要用于微小飛行器、微小巡航導(dǎo)彈、微小機(jī)器人的加工)。作為傳統(tǒng)自由加工三維形狀的方法——切削、磨削技術(shù)，由于切削力大，以前在微細(xì)結(jié)構(gòu)件的加工方面應(yīng)用不多。但是，隨著機(jī)械加工機(jī)床精度的提高和超精密加工技術(shù)的發(fā)展，達(dá)到亞微米級(jí)的加工精度已經(jīng)不是一件難事，例如，依靠單晶金剛石進(jìn)行鏡面切削加工技術(shù)已經(jīng)成熟，所以利用超精密切削加工以及超精密磨削加工技術(shù)進(jìn)行／傲細(xì)結(jié)構(gòu)件的加工已成為可能。而且微細(xì)切削加工、磨削加工技術(shù)還具有較快的加工速度，能加工各種材料和加工各種復(fù)雜三維形狀等特點(diǎn)。
微細(xì)加工是指能夠達(dá)到極微細(xì)的運(yùn)動(dòng)精度和高重復(fù)精度的加工。在微機(jī)械研究領(lǐng)域，微細(xì)加工是微米級(jí)、亞微米級(jí)乃至納米級(jí)加工的通稱。微細(xì)加工方式十分豐富，包含各種特種加工、高能束加工，具體而言，常用的微細(xì)加工方式包括：光刻術(shù)(Photolithography)、蝕刻n"(EtchingTechnology)、LIGA(LithographicstructuringandGAlvanicreproduction)技術(shù)、薄膜制備技術(shù)、犧牲層技術(shù)(Sacrificial Layer Technology)和分子裝配技術(shù)(MolecularAssemblage)、集成機(jī)構(gòu)(IntegratedMechanism)制造技術(shù)以及微細(xì)切削加工等。目前，最為成熟的技術(shù)是硅各向異性刻蝕和LIGA技術(shù)，許多經(jīng)典的微型機(jī)械零件制造的成果，基本上都是采用這兩項(xiàng)技術(shù)完成的。但不管是蝕刻還是LIGA，都有它本身的缺陷和使用的局限性。從表1—2中可以看出，LIGA技術(shù)存在許多局限，主要是加丁材料受到很大限制，它較適合于二維結(jié)構(gòu)和深度在毫米級(jí)以下的三維結(jié)構(gòu)：采用犧牲層蝕刻技術(shù)，雖然可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)三維加工，但易使材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，影響量終的機(jī)械性能；LIGA技術(shù)偽設(shè)備造價(jià)非常昂貴，高準(zhǔn)直度x射線一般要通過(guò)同步輻射加速器才能得到，價(jià)格比光刻設(shè)備高許多，一般實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)很難負(fù)擔(dān)得起；同時(shí)對(duì)金屬零件特別是復(fù)雜型面微小零件的加工，LIGA技術(shù)還難以勝任。
比較而言，微細(xì)切削加工具有尺寸范圍廣，設(shè)備成本相對(duì)較低，生產(chǎn)效率和加工精度高，且相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)研究成熟等優(yōu)點(diǎn)。而且相對(duì)于LIG厶技術(shù)，微細(xì)切削能夠加工出小尺寸的三維結(jié)構(gòu)零件。
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