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数控机床行业技术的发展趋势和应用

作者:威舟科技    发布时间:2020-05-09 21:48     浏览次数 :


    在可重构制造技术的支持下,机床及其制造系统的灵活性将通过制造系统的快速重组,实现对不确定市场对产品多变需求的更敏捷、更经济的适应。数控车床、铣床、磨床等机床的工作精度正以年均8%-10%的速度向纳米级高精度迈进,新的精密加工方法不断发展。机床的绿色设计和制造注重环保和清洁生产。干式切削或微量(100ml/h)切削液的高效加工技术正日趋成熟。
 
    数控机床主轴转速和功率的大幅提高为高速切削的应用提供了良好的条件。高速切削的边界因不同的切削方法和待加工材料而不同。一般来说,高速切削是指比传统切削速度和进给速度高5 ~ 8倍。切削钢和铸铁时,最高进给速度可达20 ~ 50m/min,相当于每个刀齿进给速度1.0 ~ 1.5毫米。
数控机床行业技术的发展趋势和应用
    显然,应用高速加工可以增加单位时间内去除的材料量(材料去除率Q)。但是,根据机床的现状,为了充分发挥先进刀具的高速加工能力,还必须开发具有较高驱动力和结构刚度的机床。因此,高速加工广泛应用于航空、汽车、模具等制造业,并不仅限于提高切削效率,还旨在提高加工质量和经济效益,具体体现在以下三个方面。
 
    1.降低切削力,保证薄壁零件的形状精度。通过提高切削速度(Vc)和降低进给速度(F),每个刀具齿的进给速度减小,并且切削力减小,同时保持相同的材料去除率Q.
 
    2.提高加工表面的质量。在保持相同的切削效率(即相同的Q值)的情况下,提高切削速度可以改善切屑形成过程,提高切削阻尼有利于抑制颤振,而相应地减少每个刀齿的进给量可以减少切削表面轨迹形成的残余高度,提高表面粗糙度,从而有利于精密零件和模具的加工。
 
    3、降低被加工零件的温升和热变形。高切削速度和低进给速度形成的连续切屑流将使更多的切削热被切屑带走,减少零件和刀具的热变形,有利于保证批量生产零件的尺寸稳定性。
 
    因此,在提高切削速度和切削进给后,数控机床对提高加工质量和缩短切削工时有明显的效果,但为了达到进一步提高机床利用率的目的,有必要实现数控机床的整体高速化。据统计,有效切削时间占总工作时间(机床利用率)的比例仅为25% ~ 35%,剩余的75% ~ 65%消耗在机床调整、程序运行检查、空转行程、启动和停止空转操作、工件装卸和夹紧等辅助时间,以及等待时间(由于技术准备和调度不及时导致的非工作时间)和停机时间。
 
    因此,通过提高各轴的快速移动速度和升(降)速,主轴的角度升(降)速变化,刀具(工件)的自动交换速度,提高数控系统的操作便利性和监控功能,加强信息管理,可以充分压缩辅助时间,减少等待时间,使数控机床的利用率达到60%以上。
 
    高速数控机床进入工业应用的关键因素除了提高刀具性能外,还取决于内置电机主轴单元(电主轴)和直线电机驱动技术的发展。高速强力车铣电主轴自20世纪80年代开始在数控车床和加工中心得到应用,对促进高速切削起到了重要作用。直线电机驱动技术的研究和发展开辟了一条新的道路
 
    1.开发一种快速制动系统,以防止超程碰撞造成的过载损坏。
 
    2.直驱式直线电机对过载的敏感性和过载保护装置的设置要求高于旋转电机-滚珠丝杠副传动。因此,有必要开发制动时间10ms、动作灵敏的反向反向连接制动和机械制动方法。
 
    3、采取周密有效的防护措施。
 
    4.为了防止铁磁性碎片、细屑和灰尘积聚在直线电机的永磁体上,通常使用高密度保护罩,并引入正压外部射流。然而,在运动换向过程中,橡胶密封摩擦力的变化会影响轮廓加工的运动轨迹精度。
 
    另一个措施是改进机床的结构,使直线电机位于切屑不易到达的地方。例如,在立式加工中心结构中,其三个移动轴的直线电机都位于切削区,上方,并且移动部件重量轻,具有良好的保护和动态性能。进一步提高直线电机驱动系统结构的完整性。通过结构优化,降低了成本,获得了适当的经济性。
 
    目前,直线电机驱动装置的成本远高于伺服旋转电机-滚珠丝杠副驱动装置的成本(约高5-10倍)。因此,有必要分析直线电机的价值,扩大其性价比优势,通过结构优化提高其标准化和模块化程度,并增加其定制生产规模以提高其经济性。这将使这一先进技术有可能广泛应用于高速数控机床,如加工中心。
 
    高效柔性加工技术是指能够及时适应市场不断变化的需求,快速生产出所需产品,在保证产品质量的前提下,实现高生产率和良好的经济效益。主要解决方案是:
 
    1、提高机床的材料去除率以提高切削效率,并注意减少空转距离和其他辅助时间;
 
    2.通过复合加工缩短流程链,提高工作效率;
 
    3.从系统角度开发可重构制造系统。通过快速、低成本的重组,通过优化工艺流程和合适的设备,实现快速产品营销和高经济性的综合效果。
 
    增加数控机床的复合加工功能将进一步提高其工序集中度,不仅可减少多工序加工零件的上下料时间,而且更主要地可避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待的时间,尤其在未组成有效的生产线的条件下,这种工序间的等待时间将远远地超过零件在机床上的工作时间,从而延长了零件的生产周期。
 
    复合数控机床的高效化可用数控五面加工龙门铣床(加工中心)说明,它使零件的生产周期缩短至工序分散的非数控机床的16%,同时又使加工过程中的切削时间比率由17%增至70%,大大提高了机床的利用率,同时由于减少多次安装零件引起的误差,易于保证加工精度。由于复合数控机床具有良好的工艺适用性,避免了在制品的储存和传输等环节,有力地支持了准时制(JIT),因此对它的研发已被给予了极大的关注。尽管就功能来讲各种复合数控机床的界限会渐现淡化,但各机床制造厂仍保留了各自的特点和侧重点,使复合数控机床呈现出多样性的创新结构。
 
    由生产线或自动线组成的制造系统通过优化工艺流程和物流路径,以及及时的生产计划、技术准备、质量管理和工艺调度,使机床的利用率远远高于单机或机组组合。随着市场竞争的加剧和产品变化频率的加快,其经济寿命大大缩短。由于调试投资周期长,以专用机床和组合机床为主的自动化生产线,在经济衰退提前到来时,将不可避免地导致平均利用率下降。欧美汽车等行业的统计利用率为53%,中国约为45% ~ 50%。
 
    FMS/FML是由数控机床组成的柔性生产线,具有良好的柔性,能在一定范围内适应零件的变化,机床利用率可达70%以上。然而,它在灵活性和经济性方面仍然存在一些问题。首先,当加工零件的种类超过了设计的FMS/FML加工零件族集团时,需要长时间调整其硬件和软件配置,这样新产品就不能迅速上市。即使使用通用数控机床来形成大中型批量生产线,也常常存在功能冗余的问题。德国的H舒尔茨教授统计了欧,美和亚洲, 22个国家的370家大规模生产工厂,发现近80%的加工中心只使用了机床功能的20%。显然,这种扩大应急功能储备的做法既浪费资源,也是增加投资的不经济方式。
 
    为此,在20世纪90年代后期,一种新的制造系统模型被开发出来,它被称为快速重构制造系统(RRMS),也称为可重构(或可重构)制造系统(RMS)。该系统配有功能适用的机床和易于调整的布局模式。它具有系统随机过程优化规划、开放式控制系统、标准化接口、易于重构的组态控制软件和可快速提高制造质量的诊断系统。
 
    一旦加工零件的品种和批次需要改变,在充分利用原有资源的基础上,通过对机床和机床上的功能模块进行适当的调整、更换和更新,可以快速形成新的制造系统。它在全球经济和不确定市场环境中具有明显的适应性。因此,美国家研究院在1998年的《2020年制造业挑战预测》提案中将可重构制造系统列为2020年前制造业面临的十大关键技术。RRMS的主要特征是:可重构性、可重用性、可移动性和可扩展性。这4个特征可以用以下12个元素来表示,每个特征分别包含3个元素,即:
 
    可重构性是模块化的、定制的和可配置的。
 
    可重用性是可诊断的、可升级的和可分解的。
 
    可变性是:易于改变,易于调整,易于移动;
 
    可扩展性:集成、统一和自治。
 
    为了实现上述特征,制造系统可以从系统、单元和设备三个层次进行重构。从单位和系统的角度来看,其规划、布局和控制应易于调整和重组。通过诊断技术可以快速提高生产能力,缩短试运行周期,并已取得初步应用效果。从设备的角度来看,应开发可重构机床。为了降低机床功能转换的成本,延长机床的使用寿命,应在用户应用环境下进行机床设计方法的创新和机床零部件、零部件和软件功能模块的重组。预计在未来5 ~ 10年内,RMT技术将在新一代机床的发展中取得重要进展。
 
    机床不仅是实施先进制造技术的重要设备,也是制造信息集成的重要载体。因此,机床的发展和创新在一定程度上体现了注射加工技术的主流趋势。20世纪后期形成的以数控技术为核心的柔性制造技术有望继续发展,成为未来加工技术发展的主流。其特点可以概括为3F、3I和3S,即:
 
    3F意味着灵活性、联邦化和时尚;
 
    3I意味着集成、信息和智能;
 
    3S意味着系统软件和专业。
 
    这些特点表明,适合多品种、多批次生产的柔性自动化技术将得到进一步发展。开发基于先进技术和结构原理的新设备,以优化制造过程;促进机床的创新设计,经济地满足用户的个性化加工要求;建立凌捷的制造系统,快速响应市场需求,快速大规模销售高品质产品;有效发挥信息技术和软件技术在提高制造过程的技术水平和管理水平中的作用;探索网络化分布式制造协同联盟环境下的数控技术。

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