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新工业革命时代的机床发展之路  

2016-02-29 11:46:01|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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加工中心是数控机床的重要组成部分之一,每逢国内外机床大展,加工中心都是观众关注的重头戏。本文是徐正平老师对第14届中国国际机床展览会CIMT2015加工中心部分的精彩评述,原文收录于中国机床工具工业协会铣床分会的评述专辑之中。 值得一提的是,徐老师从CIMT1991开始,始终担纲加工中心的评述工作,从未间断。




新工业革命时代的机床发展之路

—— CIMT2015加工中心评述

上海机床工具集团有限公司  徐正平


一、机床发展必须依托先进制造技术


机床要发展,必须依托先进制造技术,也就是智能化生产。当今先进制造技术主要包括:智能制造、微纳制造、生物制造、新材料、新能源等等,由这些技术武装起来的展会内容,可谓丰富多彩。


1、网络制造


国际三大机床巨头,异曲同工开发出网络时代的机床控制新系统,无疑是本届展会的一大看点。


a、DMG MORI的CELOS?


自德马吉与森精机重组后,联合开发了一款CELOS?控制系统及相关软件,它能使机床变得越来越聪明,且操作越来越简单。所以该集团董事会主席卡比查博士多次表示:今后所有的DMG MORI高端机床,基本上都应配置CELOS?系统。




这是网络信息时代的一种全新智能化数控系统,可帮助用户实现从构思到成品的全方位加工需求。该系统具备不少优点,例如,机床能将所有与生产相关信息,如工件形状,刀具,夹具配置、切削参数及加工程序等,都集成在一个加工任务包内,并立即显示在“任务管理器”中。加工任务单所需的所有文档,数据和信息都用结构化方式进行管理,因此这些数据也可在以后的加工中或重复订单中被快速提取使用。


在这次北京展中,该集团又推出了4款CELOS?新应用程序。并首次提供PC版软件,用户可以在工作准备中通过直接连接机床的计算机连续进行生产计划。


总之,现在提供12个CELOS应用程序并全部可通过“应用程序选择器”选用。其中也包括“数控应用程序”。用这个CELOS应用程序,DMGMORI让用户只需要点触21.5”ERGOline?的多点触控显示器中的相应图标就能立即切换到常规数控系统界面。


展会期间,本人在CEO会议及新闻发布会上两次和卡比查博士作过简单交谈,我问这次DMG MORI展品的最大亮点是什么,他说是CELOS?;我问那么CELOS是否可装备在中国机床上呢?他不假思索地当众回答:当然。




b、沈阳机床的i5


i5数控系统是由沈阳机床集团自主研发的具有完全自主知识产权的智能化数控系统。该数控系统集成了运动控制技术、计算机技术、网络技术和信息技术,为用户提供操作简单、兼容性强、可靠性高的智能化数控产品。


基于“服务于机床全生命周期”的设计理念,i5数控系统围绕以下四个方面开发了诸多智能化功能:即操作便捷、编程便捷、维护便捷 及管理便捷。


此外,i5数控系统实现了传统机床与互联网的连接,具有强大的数据挖掘能力,可实现与WIS(车间生产管理系统)和i平台的无缝对接,将机床信息实时传输给上层服务器,使车间信息化和设备管理变得十分容易。




沈阳机床集团董事长关锡友先生同样也对这款产品关怀备至,他也在多种场合表示,今后沈阳机床大多数均要由i5装备,并不断完善与发展。


c、日本山崎MAZAK Mazatrol数控系统


在这次展会上同样也推出了一种顺暢加工理念SMOOTH TECNOLYGE,马扎克(中国)有限公司总经理董庆富先生在这次CEO圆桌讨论时说,Smooth X是山崎公司近期发展的主打产品。 Smooth顺畅加工技术通过实现更短的加工周期和极其便捷的操作,致力提高用户的生产效率。




这个第七代的Mazatrol数控系统,主要涵盖了五轴复合加工技术;高速、高精度技术;智能化技术;网络技术;自动化柔性生产线;环境保护及人体工程设计等七个方面,使机床的控制技术几乎达到至臻至美。


2、智能制造


智能制造是机床创新驱动的重点之一,展会中的介绍也是令人目不暇接。


a、日本MAZAK的智能制造包括装备、生产、管理、服务以及产品等五个方面,就产品而言,机床配备了针对加工热变位、切削震动、机床干涉、主轴监测、维护保养、工作台动态平衡性及语音导航等7项智能化功能,使得机床犹如人类一样具有“感官”的功能,可以自行监控机床运转状态,并进行自主反馈从而大幅度地提高了机床运行效率及安全性,同时也可降低对于高技术操作人员的依赖。经过10年的发展,目前马扎克机床的智能化功能已经从最初的7种,扩展到了现在的12种,可以说是真正地将机床带入了智能化时代。


b、日本牧野的智能加工,主要体现在软件控制上面,几项款式各具特点。FF/cam软件,配合在展出机床中一起使用。该软件的FF加工方法,能制作高精度顺滑的刀路,良好的NC数据保证了机床稳定的切削力及载荷。因此能使机床充分发挥出极限性能;MPmax软件能让机床生产率达到最大化,并且可随时监看到机床实时加工操作状况,即时获得管理数据;STLCAM是多面体模型软件,追求的是最真实的质感,能运算高达8GB大小的STL数据文件。


c、瑞士GF公司在现场观众阵阵惊叹声中表演主轴撞击试验,一台配置20000rpm电主轴的MIKRON HPM 800U高性能五轴联动加工中心,主轴夹持直径80mm面铣刀在低速旋转时以12m/min的进给速度撞向工件,在撞击之后动平衡与被撞之前还保持在同一个精度区间,彰显了主轴的防撞保护功能,而关键是他们开发了MSP软件。拥有了MSP,一旦发生碰撞,主轴能够吸收轴向和横向发生的偏移。碰撞之后,一旦主轴返回正常的运行状态,MSP功能能够使主轴恢复到理想的精度。还要强调的是,GF主轴防撞保护功能可在XYZ三个矢量空间都得到保护,而非单个方向。




d、大隈推出的五轴调和功能也是典型的一种智能技术。在五轴联动加工中心中,当加工异形曲面时,瞬时旋转轴与直线轴的相对位置变化,难免对精度产生影响,比如旋转轴与直线轴的中心偏差,旋转轴与直线轴的垂直度偏差等。



大隈开发五轴调和系统的原因,是希望让客户能够长久把精度保持好,其原理是用一个基准球,然后用红宝石探头进行测量,通过机床的智能化系统,对上述这些精度误差进行自动补偿,达到机床的验收精度标准。




e、海德汉的智能技术海德汉展出了两款基于全新NC内核的数控产品TNC 640和TNC620。动态高效是海德汉一系列创新的TNC功能,帮助用户更高效地进行重型切削和粗加工,同时能提高加工过程可靠性。由于这些是软件功能,因此不需要对机床的任何机械系统进行改造。动态高效帮助用户提高材料切除速度和缩短加工时间。实际应用中,材料切除速度可提高25 %TNC640是海德汉新一代数控系统,继承了iTNC 530的高速高精、五轴联动、智能加工等先进功能, 适用于高性能铣削类机床和铣车复合机床。它支持高分辨率的三维图形模拟,也具备诸多创新的智能制造功能:智能防碰撞,自适应进给控制。TNC640的高级动态预测(ADP)、动态高效、动态高精功能可以大幅提高加工效率和表面光洁度,适用于航空航天、模具制造、医疗等高端行业。




TNC 620是海德汉中高档轮廓控制器,适用于高速、高可靠性、高精度轮廓加工机床,支持五轴联动加工。她的显示界面和编程方式与iTNC530风格一致,而且加工程序完全兼容。编程过程中的提示信息、问答和图形帮助为操作人员提供最佳支持。高速的程序段处理时间(1.5ms)和轮廓精度的控制既满足了高速切削,又能保证光滑的表面质量。


3、理化加工


金属切削机床,传统的理念就是用机械加方式对金属零件进行加工。然而在当今新工业革命时代中,利用物理与化学原理对金属零件进行加工也层出不穷,展会上也可见一斑。


a、微锻技术


瑞士Starrag集团介绍了一种用微锻精加工叶片技术。所谓“微锻” ,就是采用电磁驱动原理进行驱动,线圈中通过电流,使微锻头产生运动。力与电流成正比,通过改变电流方向,就可实现锻头往复运动。


通常,叶片在常规铣加工后,表面会有铣刀所留下的波浪线。铣加工后的表面粗糙度一般在Ra1.6-Ra0.8之间。后续需要采用振动光饰和喷丸强化等工艺,以提高叶片表面粗糙度并使表面实现压应力,为此需要额外的振动光饰设备和喷丸强化设备。 而今采用集成的微锻技术,叶片在铣加工后直接在铣削加工中心上进行微锻工艺,可以取代后续的振动光饰和喷丸强化工艺,从而省去这两种工艺的设备,实现叶片加工后直接用于装配。




微锻头平时放置于刀库中,使用前自动交换至主轴中。微锻头所需要的电、气供应在交换至主轴后自动连接。微锻参数可以在数控程序中设定。


b、EMAG化学加工


电化学加工的原理是:工件作为阳极,刀具作为阴极,在这两种电极流动之间电解液可以溶解工件上的金属离子。阴极形面与工件相匹配,发生电荷交换,阳极工件被溶解,从而确保去除工件上所需部件的形状。不同的工件轮廓、环形通道、直槽以及环形槽都无需接触工件即可形成,且精度高,刀具磨损小。埃马克EMAG公司研究该技术,主要是为航空发动机制造行业提供专用的工艺制造设备,应用于飞机发动机核心零部件的生产和制造,例如高温镍基合金材料制造高精度整体叶盘、带燕尾槽盘以及单个叶片等。




c、液态CO2冷冻切削


多年前,美国MAG研究一种液氮冷却切削加工,在─320°C情况下,对零件进行切削,而今瑞士Starrag公司用液态CO2进行冷冻切削并成功地应用于加工中心LX051上,取得了成功突破。在切削时刀具的切削温度从160°C降至40°C ,切削速度从320m/min提高到400m/min,既减少刀具磨损,也延长了刀具寿命。




d、激光制网纹


利用激光束对零件进行金切或成形加工在展会上已是屡见不鲜的事,但GF公司的激光网纹加工却颇具特色。


当今不少手机、电脑、家电及汽车内饰件等,其表面往往有一层细微网纹,那是由模具加工而成的。然而开这种模具,制作纹理以往是经过化学蚀刻处理而成,但该项技术还依赖手工工艺,可重复性极低,工艺难度比较大,且化学蚀刻对环保也有影响。


这次GF展出的Laser 系列5轴激光加工机床,将工作置于回转台上,激光头作Y向摆动。它采用激光烧蚀技术,使用灰度色差原理(最多256层)进行表面渲染及程序处理,可细致逼真地还原纹理细节。用户只需提供设计的纹理图片,它就能实现从想法到最终产品的全数字化工艺过程。




激光纹理加工可以应用在各种材料上,包括石墨、铝、铜、钢、碳、黄铜以及陶瓷。既可以加工模具表面纹理,也可以在零件上直接加工。它使得用户可以自由发挥关于工件尺寸和纹理形状的三维创造力。激光烧蚀技术没有刀具损耗,没有加工废弃物,实现了真正的绿色工艺。


4、新材料应用


当今在航天航空及汽车制造领域,正热火朝天地研究轻量化课题,其核心就是对新材料的应用,机床行业当然也不例外。


在W1-311,德国TRAMEC公司展出了A、C五轴联动龙门加工中心铣头,这家有20多年经验的专业研制铣头的企业,由于铣头体采用了新颖球墨铸铁材料,其强度高,韧性强,吸震减震性也好,壳体经过一次压铸成形。采用这种适宜于重切削的龙门铣头,比其他同等扭矩,功率,转速,锁紧力的铣头要轻30%左右,甚至有的型号要轻450kg。当然,他们在设计上也下足功夫,使得铣头体积比同类产品要小10-20%左右。


这种轻量化改进结果,就使得该系列产品既节能,又提高进给速度,并且最大限度地减少加工时产生的震动,因为震动少,从而生产出来的产品表面粗糙度好,精度 能控制在5?以内。




E2-291展台,帝马数字机器(深圳)的VBZ640立加,这台BT40主轴的机床,正以4000r/min转速,把一块15mmΧ15mm的钢件,铣削成一根Φ0.7mmΧ25mm长的一根针。



此举当然引起大家好奇,因为该机其实很平常,数控系统选用FANUC 0M半闭馈。但床身则采用人造花岗岩,这就证明了它的高刚性、高抗振性及抗热变形性能。值此我敢断言,无论从质量或者环保角度来看,人造花岗岩取代铸铁势必越来越多。


然而,优质床身仅是一个方面,还需优质装配。该公司每台机床出厂,均经过球杆仪检验,这就给大家提了个醒,机床出厂仅靠激光螺补直线轴,其效果是不及检测二维走圆来得好。


同样,瑞士Starrag集团的宝美公司和西普公司,他们联合开发的s-191 Linear ,是一台微纳坐标镗级的车铣插磨复合加工中心,机床定位精度2.5μ,重复精度1μ,能对高硬度的激光陀螺仪进行加工,虽其主体为微晶玻璃(K9)非常坚硬,然而由于采用了直线电机、扭矩马达、全机床恒温及西普手工刮研等先进技术,使用单点金刚石刀具,经一次装夹就可完成高精度、高表面质量完成微晶腔体所有机械加工。除此以外,该机床的所有铸件均采用特殊的高强度铸铁,可见优质新材料的应用对机床精度是如此重要。


二、初露端倪的自动化智能工厂之路


进入新世纪后,人类已迈入新工业革命时代。作为制造业脊梁的机床工具领域,当今的竞争己不局限于单机的竞争,也不停留在成套成线的集成形式,两化融合的自动化智能工厂才是今后发展趋向。如果解读德国工业4.0的话,其一是智能化生产,其二就是智能化工厂。


智能工厂是数字化、网络化、智能化技术与制造技术交叉融合,以客户产品数据、优化的制造工艺流程、协调的生产制造设备为核心,以数字化产品设计、生产流程管理与调度、数字化智能化制造设备与生产线、自动化的物料配送装置为重点的系统集成,实现面向产品设计、成型、加工、装配、检测、设备安全保障、服务等各环节动态优化与整合,旨在高效、优质、清洁、安全、敏捷的制造产品和服务用户的一种新的制造模式。


在W1馆的GF展台,他们展示了一条为精密模具量身定制的自动化生产线。由一台机器人Transformer连接在精密模具制造中典型应用的高速铣削加工中心、精密数控电火花成形机和一台测量机组成。这条自动化生产线配有4m长的导轨,20工位的工件库和40工位的电极库,还配有自动化车间管理软件,约可承重200kg。拥有这条自动化生产线,可实现24小时加工,帮客户提升生产力高达280%。




上海机床厂有限公司去年为重庆綦江齿轮厂量身定制的带桁架机械手的H234数控端面外圆磨床生产线,目前已经成为该用户智能制造加工数字化车间关键组成部分。




H234数控端面外圆磨床适用于大批量加工轴类件的外圆、端面的设备。采用FANUC-0i数控系统分别控制砂轮架(X轴)的进给和工作台(Z轴)的移动;前置式修整器,利用数控两轴联动修整砂轮。能在一次安装工件条件下,完成多档外圆、端面磨削的自动循环磨削。


整套自动线包括:二台H234数控端面外圆磨床和一套机器人桁架式机械手。二台磨床分别采用不同相位的砂轮,可以在工件不掉头的条件下,完成所有的外圆及端面档的磨削。桁架式机械手可自动上料、换料、换工位、下料。整套自动线可实现单锥结合齿工件的无人化、全自动加工。


此外,上海机床厂也为上海通用汽车有限公司汽车发动机曲轴生产线度身打造的MK8220/SD 双砂轮架数控切点跟踪曲轴磨床生产线,作为国家重大专项课题,它能在一次装夹下能用两个砂轮架同时磨削曲轴主轴颈和连杆颈,不仅满足了汽车发动机曲轴精密加工要求,汽车发动机曲轴生产线磨削进一步实现自动化与智能化打开了空间,奠定了基础。


谈及智能化工厂,免不了要讲机器人。这次展会上机器人与机床联手巳是屡见不鲜了,鉴于此方面介绍笔者前几届巳有评述,限于篇幅,这里就不赘述了。


三、层出不穷的机床结构创新


专业观众参观展览会,大都如饥如渴地想了解些结构创新,这也是展会显示实力之处,CIMT2015当然不乏靓点。


1、DMG的增材制造


引人注目的DMG MORI集团LASERTEC 65 3D,是道地的增材制造机床,然而不是3D打印,当然称其复合加工也可以,因为这是一台全功能5轴数控铣床上融入了增材式激光堆焊技术。



该机床是在高刚性monoBLOCK?整体结构5轴加工中心上面,配一个2 kW的二极管激光器进行激光堆焊,当增材加工结束后,就再进行精密铣镗钻铰多工序加工。当然,铣削加工与激光加工之间能全自动切换,它能完整加工带底切的复杂工件,也能修复诸如模具等机械零件,甚至是全面的喷涂加工。


与传统的激光焊接方法不同,激光堆焊技术通过金属粉末喷嘴可生产大型零件。堆焊速度可达1 kg/h,比通常激光方法生产零件的速度快10倍。粉末堆焊技术具有灵活性及焊接速度快等优点,如果用整块原材料加工的话,需要铣削切除的比例达95%,而用增材方法仅在需要的地方堆焊。这将大幅节省材料和降低成本。


2、不断改进的Z3铣头


这次DS公司展出的Z3铣头,他们在卧式的三杆并联铣头上加了个立铣头,从而使加工范围更大了。




传统的A/C摆角加工方式,由于受到结构的限制,摆角驱动扭矩较小,联动加工时能承受的切削力矩有限,且结构件加工中很多时候需要实现某些小的加工角度的变化,这时,A/C摆角结构的局限性就暴露无疑,需要进行较大范围的摆动才能达到,可能会造成刀具与零件的干涉。


Z3的主轴结构,通过完全线性的自由移动结合最低的移动质量,实现了高速,高效,高动态的万向摆动加工,空间不受任何限制,使得飞机结构件的全新加工方式得以实现,同时获得了传统加工方式达不到的表面质量。


其主要参数是: 

A、B轴锥形工作空间的角度:+/-45°;主轴在± 45°位置时的Z轴行程: 370mm;A、B轴转速:80°/sec. ;A、B轴加速度:685 °/sec2;Z轴加速度1g;主轴功率:120 kW,扭矩:83 Nm, 转速 30,000 rpm。


3、新颖的并联机构


这次瑞士馆威力铭·马科黛尔WILLEMIN-MACODEL展台也可谓人头攒动,观众对701S这台称得上微纳级的机床十分感兴趣。




这是一台新型的并联机床,但其结构与当今大多数并联机床相反,即采用正置型式,就是垂直于水平面的主轴固定,而零件靠下面的三条腿并联机构进行回转与摆动,从而完成高速高效的精密加工。机床无需刀柄,刀具直插主轴。该机床最小分辨可达到10nm, 主轴转速80000r/min, 加速度为5g。


所谓刀具直插主轴,就是主轴采用弹簧夹头型式,让圆柱刀柄直接进入。当然这种夹头是专利,厂商丝毫不肯透露一丝结构信息。只是说,如果用通常的刀柄装夹,那么主轴与刀柄以及刀柄与刀具之间,势必产生两次结合面之间的累积誤差,而刀具直插主轴,误差就减少了一次。同时由于采用直插形式,主轴端面至刀尖距离较短,切削时机床刚性相对就好,刀尖所受挠度也来得小,这也是提高精度的一项措施。


结束语


中国机床工业,到2016年已整整走过了100年历程。据正式文字记载,首台机床始于上海明精机床厂的一台皮带车床开。我们欣慰地看到,在这段历史进程中,我们从原来的落后弱小变成了机床制造大国,这当然是经过几代人艰苦奋斗而得来的。瞻望未来,中国机床由大转强称雄世界,应该不需要再等百年时间了。


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