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数控机床技术现状与发展趋势--数控机床的高速、高精密化
日期：2009年09月23 来源：本站原创 关键字：数控机床
新一代数控机床(含加工中心)只有通过高速化大幅度缩短切削工时才能进一步提高其生产率。超高速加工(特别是超高速铣削)与新一代高速数控机床(特别是高速加工中心)，6开发应用紧密相关。20世纪如年代以来，欧、美、日各国争相开发和应用新一代高速数整机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元(电主轴转速15 000~100000r／min)、高速且高加碱速度的进给运动部件(快移速度60~120m／min，切削进给速度高达60m／min)、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水干。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料唐具，大功率高速电主轴、高加／减速度直线电动机驱动进给部件以及高性能控制系统(含监控系统)和防护装置等一系列技术领域中关健技术的突破，应当不失时机地开发和应用新一代高速数控机床。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件(如电主轴、直线电动机)得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到5000~8000m／min以上；主躺转数达30000r／min(有的高达100000r／mm)以上；工作台的移动速度(进给速度)，在分辨为为lgm时在lOOm／min(有的到200ngmin)以上，在分辨率为0lgxn时在24m／rain以自自动换刀速度在“以内；小线段插补进给速度达到12m／rain。FANUC开发了大推力直线电动机，其加速度22、速度2m／s。用于超高速驱动的直线电动机鼍大加速度可达7．5g，可进行高速高精度驱动。而FANUC的同步内装式力矩电动机DIS110／300，具有偏心力修正功能，采用镍镉永磁材料，使力矩电动机的出力增加，并开发了大型力矩电动机用于关节式搬运机器人。FANUC的大型伺服电动OtoaS3000／2000P，扭矩300Nm，可用于汽车大型覆盖件的冲压成形加工，汽车行业对此颇感兴趣。而THK开发d9超小型直线电动机，比手指还细。台湾上银科技开发的LMS+PMOL直线电动机速度可达15hi／sec，可用于高速驱动。滚珠丝杠高速化的趋势也很明显。2006年THK推出了最高5Q加速度、5．6mis速度的滚珠丝杠。40mmx40mm的大导程滚珠丝杠实现200m／rain的移动遵度和2f的加速度。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展以及高速直线电动机的推广应用，开发出一批高速、高效、快速响疵的数控机床以满足汽车、农机等行业的雷求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空航天、军事等工业的特殊零件复杂且品种增多。美国CINCINNATI公司的HyperMach机床的进给速度高达‘O一100ro／min、加速度达2J、主轴转速达60000r／rain。加工一个飞机薄壁零件只用30rain，而同样的零件在飞高速铣床上加工需lh，在普通铣床上加工需8h：德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12000r／mm。
效率、质量是先进制造技术的主体。高速高精度加工技术可极大地提高效串，提高数控机床产晶的质量和档次，缩短生产周期和提升市场竞争能力。为此日本光端技术研究会将高速高精度加工列为五大现代制造技术之一，国际生产工程学会(CIRP)将其确定为2l世纪的中心研究方向之一。例如，在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒／辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空航天工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很小，材料为铝或铝台金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代；多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他连接方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提；高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从精密加工发展到超精密加工<特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。其；精度从微米级到亚微米级乃至纳米级(<10nm)，其应用范围日趋广泛。超精密加工主要技术’内容包括在这样一个精度等级上的加工工艺、机床设备、测量技术、加工环境控制、加工工具以及加工机理研究。具体加25T艺主要包括超精密切削<车、铣)、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工(三束加工及话细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等)。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出新的要求。
随着微机电系统的发展，对非硅材料的三维复杂形状微小零件提出越来越多的要求。例如，微小飞行器基体结构和发动机制造，由于其结构精巧，零件尺度一般约10mm，而切削加工用量在微米量级(主要用于微小飞行器、微小巡航导弹、微小机器人的加工)。作为传统自由加工三维形状的方法——切削、磨削技术，由于切削力大，以前在微细结构件的加工方面应用不多。但是，随着机械加工机床精度的提高和超精密加工技术的发展，达到亚微米级的加工精度已经不是一件难事，例如，依靠单晶金刚石进行镜面切削加工技术已经成熟，所以利用超精密切削加工以及超精密磨削加工技术进行／傲细结构件的加工已成为可能。而且微细切削加工、磨削加工技术还具有较快的加工速度，能加工各种材料和加工各种复杂三维形状等特点。
微细加工是指能够达到极微细的运动精度和高重复精度的加工。在微机械研究领域，微细加工是微米级、亚微米级乃至纳米级加工的通称。微细加工方式十分丰富，包含各种特种加工、高能束加工，具体而言，常用的微细加工方式包括：光刻术(Photolithography)、蚀刻n"(EtchingTechnology)、LIGA(LithographicstructuringandGAlvanicreproduction)技术、薄膜制备技术、牺牲层技术(Sacrificial Layer Technology)和分子装配技术(MolecularAssemblage)、集成机构(IntegratedMechanism)制造技术以及微细切削加工等。目前，最为成熟的技术是硅各向异性刻蚀和LIGA技术，许多经典的微型机械零件制造的成果，基本上都是采用这两项技术完成的。但不管是蚀刻还是LIGA，都有它本身的缺陷和使用的局限性。从表1—2中可以看出，LIGA技术存在许多局限，主要是加丁材料受到很大限制，它较适合于二维结构和深度在毫米级以下的三维结构：采用牺牲层蚀刻技术，虽然可以实现准三维加工，但易使材料产生内应力，影响量终的机械性能；LIGA技术伪设备造价非常昂贵，高准直度x射线一般要通过同步辐射加速器才能得到，价格比光刻设备高许多，一般实验室和企业很难负担得起；同时对金属零件特别是复杂型面微小零件的加工，LIGA技术还难以胜任。
比较而言，微细切削加工具有尺寸范围广，设备成本相对较低，生产效率和加工精度高，且相关基础技术研究成熟等优点。而且相对于LIG厶技术，微细切削能够加工出小尺寸的三维结构零件。
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