数控机床技术发展浅析

天下第三

　　机床既是实施先进制造技术的重要装备，也是制造信息集成的一个重要载体，因此，机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。在20世纪后期形成的以数控技术为中心的柔性制造技术，预期在未来仍将延续进展并成为加工技术发展的主流。它的特征可以归结为3F，3I和3S，即：
* j2 G4 Q% k" @& Z! x　　3F表示柔性化(Flexibility)、联盟化(Federalization)和新颖化(Fashion)；3I表示集成化(Integration)、信息化(Information)和智能化(Intelligence)；3S表示系统化(System)软件化(Softwar)和个性化(Speciality)。
! f  M  R6 D$ b7 C; I- q0 l# M% E8 \. t　　这些特征表明了将进一步深化发展适应多品种变批量生产的柔性自动化技术；基于先进工艺和结构原理发展新颖装备来优化制造过程；推进机床创新设计，经济地满足用户对产品个性化的加工要求；构建灵捷的制造系统，快速响应市场需求，以高质量产品迅速地批量上市；有效地发挥信息技术和软件技术在制造过程中提高技术水平和管理水平的作用；探求在网络化分布制造的协作联盟环境下的数控技术等。为实现这些技术目标，当前数控机床正沿着以下几方面发展：
7 f  [) N) ?4 r" o　　以发展高速切削为先导，并重视对空运行过程的提速，力求使高速化做到全面缩短切削工时和辅助工时；
' R& J2 i: A! k　　在注重提高机床的材料切除率的同时，高效加工将大力推进以缩短加工过程链为目标的复合加工技术；
　　机床及其制造系统的柔性化将在可重组制造(Reconfigurable Manufacturing)技术的支持下，通过对制造系统的快速重组实现更敏捷和经济地适应不确定市场对产品多变的要求；
　　数控车、铣、磨等机床的工作精度正以平均每年提升8%-10%的幅度向纳米级高精度迈进，并不断地拓展新颖的精密加工方法；
" z5 V) X9 D' `9 w) e( O' R! q- W1 s　　机床的绿色设计与制造以重视环保的洁净生产为重点，干切削或微量(≤100ml/h)切削液的高效加工技术日趋成熟。
3 ?: U/ ^( s) j) |3 t7 O( c　　本文仅就数控机床高速化及高效柔性化的现况进行分析并探讨其发展趋势。
/ h1 p$ s( D7 M& K3 x! T- O7 v　　1由高速切削推进至全面高速化
　　数控机床的主轴转速和功率的大幅度提高为高速切削的应用提供了良好的条件。高速切削的界限，在不同的年代，随着切削方法和被加工材料的不同，其数值也不尽相同，通常认为的高速切削是指比传统的切削速度和进给速度高出5～8倍。图1示出铣削不同金属材料时的高速切削范围。而高的进给速度在切削钢和铸铁时可达20～50m/min，相当每个刀齿的进给量为1.0-1.5mm。
　　显然应用高速加工能增大单位时间材料被切除的体积(材料切除率Q)，但按目前机床的情况来看，要充分发挥先进刀具的高速加工能力，还必须开发有更高驱动功率和结构刚度的机床，因此当前航空、汽车和模具等制造行业普遍地采用高速加工，并不是只限于提高切削效率，还着眼于用它在以下3方面获得对加工品质和经济效益的提升。
1 \( O; R: `4 f4 Z6 R: O7 r　　减小切削力，保证薄壁零件加工的形状精度。通过提高切削速度(Vc)和降低进给量(f)，在保持相同材料切除率Q的条件下，使每个刀齿的进给量减小而使切削力降低。
7 ~. a5 o4 t; y　　提高加工表面质量。在保持相同的切削效率(即相同Q值)下，提高切削速度可改善切屑形成过程和增加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能降低切削表面轨迹形成的残留高度，改善表面粗糙度，从而有利于精密零件和模具的加工。
. A  C# J) _9 S& L3 g　　减少被加工零件的温升和热变形。高的切削速度和低的进给量所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的零件尺寸稳定性。
　　因此，数控机床采取提高切削速度和切削进给后，对改善加工质量、缩短切削工时等有明显的效果，但为了达到机床利用率进一步提高的目标，还需对数控机床实现全面高速化。对现有数控机床使用情况统计得出：其有效切削时间与全部工时之比(机床利用率)仅为25%～35%，其余的75%～65%均消耗在机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹等辅助时间以及待工时间(由于技术准备和调度不及时引起的非工作时间)与故障停机时间上。因此需通过提高各轴快移速度和加(减)速度、主轴变速的角加(减)速度、刀具(工件)自动交换速度，改善数控系统的操作方便性和监控功能以及加强信息管理才有可能全面压缩辅助时间和减少待工时间，使数控机床的利用率达到60%以上。
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