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數控機床技術現狀與發展趨勢--數控機床的高速、高精密化
日期：2009年09月23 來源：本站原創 關鍵字：數控機床
新一代數控機床(含加工中心)只有通過高速化大幅度縮短切削工時才能進一步提高其生產率。超高速加工(特別是超高速銑削)與新一代高速數控機床(特別是高速加工中心)，6開發應用緊密相關。20世紀如年代以來，歐、美、日各國爭相開發和應用新一代高速數整機床，加快機床高速化發展步伐。高速主軸單元(電主軸轉速15 000~100000r／min)、高速且高加堿速度的進給運動部件(快移速度60~120m／min，切削進給速度高達60m／min)、高性能數控和伺服系統以及數控工具系統都出現了新的突破，達到了新的技術水干。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料唐具，大功率高速電主軸、高加／減速度直線電動機驅動進給部件以及高性能控制系統(含監控系統)和防護裝置等一系列技術領域中關健技術的突破，應當不失時機地開發和應用新一代高速數控機床。為了實現高速、高精加工，與之配套的功能部件(如電主軸、直線電動機)得到了快速的發展，應用領域進一步擴大。依靠快速、準確的數字量傳遞技術對高性能的機床執行部件進行高精密度、高響應速度的實時處理，由于采用了新型刀具，車削和銑削的切削速度已達到5000~8000m／min以上；主躺轉數達30000r／min(有的高達100000r／mm)以上；工作臺的移動速度(進給速度)，在分辨為為lgm時在lOOm／min(有的到200ngmin)以上，在分辨率為0lgxn時在24m／rain以自自動換刀速度在“以內；小線段插補進給速度達到12m／rain。FANUC開發了大推力直線電動機，其加速度22、速度2m／s。用于超高速驅動的直線電動機鼉大加速度可達7．5g，可進行高速高精度驅動。而FANUC的同步內裝式力矩電動機DIS110／300，具有偏心力修正功能，采用鎳鎘永磁材料，使力矩電動機的出力增加，并開發了大型力矩電動機用于關節式搬運機器人。FANUC的大型伺服電動OtoaS3000／2000P，扭矩300Nm，可用于汽車大型覆蓋件的沖壓成形加工，汽車行業對此頗感興趣。而THK開發d9超小型直線電動機，比手指還細。臺灣上銀科技開發的LMS+PMOL直線電動機速度可達15hi／sec，可用于高速驅動。滾珠絲杠高速化的趨勢也很明顯。2006年THK推出了最高5Q加速度、5．6mis速度的滾珠絲杠。40mmx40mm的大導程滾珠絲杠實現200m／rain的移動遵度和2f的加速度。根據高效率、大批量生產需求和電子驅動技術的飛速發展以及高速直線電動機的推廣應用，開發出一批高速、高效、快速響疵的數控機床以滿足汽車、農機等行業的雷求。還由于新產品更新換代周期加快，模具、航空航天、軍事等工業的特殊零件復雜且品種增多。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床的進給速度高達‘O一100ro／min、加速度達2J、主軸轉速達60000r／rain。加工一個飛機薄壁零件只用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DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12000r／mm。
效率、質量是先進制造技術的主體。高速高精度加工技術可極大地提高效串，提高數控機床產晶的質量和檔次，縮短生產周期和提升市場競爭能力。為此日本光端技術研究會將高速高精度加工列為五大現代制造技術之一，國際生產工程學會(CIRP)將其確定為2l世紀的中心研究方向之一。例如，在轎車工業領域，年產30萬輛的生產節拍是40秒／輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一；在航空航天工業領域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很小，材料為鋁或鋁臺金，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋、壁進行加工。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代；多個零件通過眾多的鉚釘、螺釘和其他連接方式拼裝，使構件的強度、剛度和可靠性得到提；高。這些都對加工裝備提出了高速、高精和高柔性的要求。
從精密加工發展到超精密加工<特高精度加工)，是世界各工業強國致力發展的方向。其；精度從微米級到亞微米級乃至納米級(<10nm)，其應用范圍日趨廣泛。超精密加工主要技術’內容包括在這樣一個精度等級上的加工工藝、機床設備、測量技術、加工環境控制、加工工具以及加工機理研究。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(三束加工及話細電火花加工、微細電解加工和各種復合加工等)。隨著現代科學技術的發展，對超精密加工技術不斷提出新的要求。
隨著微機電系統的發展，對非硅材料的三維復雜形狀微小零件提出越來越多的要求。例如，微小飛行器基體結構和發動機制造，由于其結構精巧，零件尺度一般約10mm，而切削加工用量在微米量級(主要用于微小飛行器、微小巡航導彈、微小機器人的加工)。作為傳統自由加工三維形狀的方法——切削、磨削技術，由于切削力大，以前在微細結構件的加工方面應用不多。但是，隨著機械加工機床精度的提高和超精密加工技術的發展，達到亞微米級的加工精度已經不是一件難事，例如，依靠單晶金剛石進行鏡面切削加工技術已經成熟，所以利用超精密切削加工以及超精密磨削加工技術進行／傲細結構件的加工已成為可能。而且微細切削加工、磨削加工技術還具有較快的加工速度，能加工各種材料和加工各種復雜三維形狀等特點。
微細加工是指能夠達到極微細的運動精度和高重復精度的加工。在微機械研究領域，微細加工是微米級、亞微米級乃至納米級加工的通稱。微細加工方式十分豐富，包含各種特種加工、高能束加工，具體而言，常用的微細加工方式包括：光刻術(Photolithography)、蝕刻n"(EtchingTechnology)、LIGA(LithographicstructuringandGAlvanicreproduction)技術、薄膜制備技術、犧牲層技術(Sacrificial Layer Technology)和分子裝配技術(MolecularAssemblage)、集成機構(IntegratedMechanism)制造技術以及微細切削加工等。目前，最為成熟的技術是硅各向異性刻蝕和LIGA技術，許多經典的微型機械零件制造的成果，基本上都是采用這兩項技術完成的。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，它較適合于二維結構和深度在毫米級以下的三維結構：采用犧牲層蝕刻技術，雖然可以實現準三維加工，但易使材料產生內應力，影響量終的機械性能；LIGA技術偽設備造價非常昂貴，高準直度x射線一般要通過同步輻射加速器才能得到，價格比光刻設備高許多，一般實驗室和企業很難負擔得起；同時對金屬零件特別是復雜型面微小零件的加工，LIGA技術還難以勝任。
比較而言，微細切削加工具有尺寸范圍廣，設備成本相對較低，生產效率和加工精度高，且相關基礎技術研究成熟等優點。而且相對于LIG厶技術，微細切削能夠加工出小尺寸的三維結構零件。
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