国际数控机床、五轴高速加工中心的现状分析

一 国际数控机床 五轴高速加工中心的现状分析一 国际数控机床 五轴高速加工中心的现状分析 1 国际数控机床发展现状分析国际数控机床发展现状分析 1 1 数控机床是国际机床市场的消费主流数控机床是国际机床市场的消费主流 2007年我国机床产值世界排名第3 约107 5亿美元 而外向度 对外出口 比率 仅15 3 而同样是2007年 德国的外向度高达72 日本53 意大 利 58 西班牙52 9 我国台湾省竞达78 我们虽然已步入机床大国的行 列 却远远不是机床强国 与国际市场上的各大机床强国相比 仍有不小差距 进入21世纪以后 世界机床进口额中大部分是数控机床 美国进口机床的 数控化率达 70 中国为 60 目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控 电加工机床 数控车床 数控铣床为主转向以高速多轴加工中心 专用数控机 床 成套设备为主 1 2 全球机床产业结构逐渐发生变化全球机床产业结构逐渐发生变化 2003年至2005年间 日本 中国 韩国和台湾地区的机床产量增长了 10 从占世界总量的 36 7 上升到 47 世界机床行业正在发生结构性变化 其中两个最显著的特点就是 机床的制造和消费正在从西方转向东方 2005 年 世界机床产量总值为 518 55 亿美元 比 2004 年的 456 27 亿美元提高了13 6 上面提到的三国和台湾地区的产值从 2002 年的 117 89 亿美元 猛增到 2005 年的 243 7 亿美元 其中 日本的产量增长了 118 1 中国为 112 8 台湾 地区为 85 6 韩国为 77 4 2005 年日本的机床产值达到 132 59 亿美元 其产量占世界总量的四分之一强 超过德国位居世界第一 中国的机床产量增 幅强劲 2005 年产值达到 50 亿美元 超过意大利 跃居世界第三机床生产大 国 其大部分产品为内销 台湾地区已取代美国 机床产量世界排名第五 2005 年产值为 32 95 亿美元 韩国也已超过瑞士排在第七位 2005 年产值达 到 28 16 亿美元 而西班牙的机床产量位居世界第九位 2005年产值为 11 41 亿美元 年度增长率为 11 9 低于全世界机床生产国年度增长 13 6 的水平 2 国际五轴高速加工中心发展现状分析国际五轴高速加工中心发展现状分析 近十多年来 由于刀具 驱动 控制和机床等技术的不断进步 高速加工 和高效加工 特别是高速硬铣已在模具制造业中得到了广泛应用和推广 传统 的电火花加工在很多场合已被高速硬铣所替代 通过高速硬铣对一次装夹下的 模具坯件进行综合加工 不仅大大提高了模具的加工精度和表面质量 大幅度 减少了加工时间 而且简化了生产工艺流程 从而显著缩短了模具的制造周期 降低了模具生产成本 高速加工中心不断提高的工作性能是模具制造业得以高效和高精度加工模 具的重要前提 近年来 在驱动技术的推动下 涌现出结构创新 性能优良的 众多不同类型的高速加工中心 90 年代中后期出现的三轴高速加工中心 如瑞 士 Mikron 公司在 1996年末推出的 HSM700 型高速加工中心 现已发展到五 轴高速加工中心 在驱动方式上 已从直线运动 X Y Z 轴 的伺服电机和滚 珠丝杠驱动发展到目前的直线电机驱动 回转运动 A和C轴 采用了直接驱动 的力矩电机 有的公司并通过直线电机和力矩电机使加工中心发展成全采用直 接驱动的五轴加工中心 显著提高了加工中心的行程速度 动态性能和定位精 度 2 1 五轴高速加工中心的结构特点及优点五轴高速加工中心的结构特点及优点 目前 根据坐标轴的配置 五轴加工中心基本上可分为两种结构型式 一 种是 三个直线轴 X Y Z 用于刀具运动和两个附加旋转轴 A和C 用于工件 的回转和摆动的结构型式 这种类型的高速加工中心 如德国Roder公司的 RXP500DS RXP800DS 德国Alzmetall公司的GS1000 5 T 瑞士Mikro的 HSM400U HSM600U和称之为超高速加工中心的XSM400U XSM600U 以及德 国Hermle的C30U C40U C50U等 另一种是 五个坐标轴中的一个摆动轴 A 设 置在主轴头上的结构型式 通过叉形主轴头实现主轴刀具的摆动 而摆动主轴 头也可通过牢固夹紧 使其定位在摆动角度范围内的任意位置上 这种类型的 机床如德国德马吉公司的D五轴高速加工中心75V linear D五轴高速加工中心 105V linear Mikro的HPM1850U和德国Rolf Wisser的高速铣床 GAMMA605 1200等 有个别机床有把摆动轴和回转轴均设置在主轴头上 如 德国Parat公司的G996V BSH 5A高速铣削中心和德国Edel公司的五轴或六轴龙门 铣床 五轴高速加工中心在价格上要比三轴加工中心高很多 据德马吉75V系列 的五轴加工中心与三轴加工中心进行价格比较 五轴要比三轴的价格约高 50 五轴高速加工中心价格虽高 但这种高档机床特别适合用来加工几何形 状复杂的模具 五轴加工中心在加工较深 较陡的型腔时 可以通过工件或主 轴头的附加回转及摆动为立铣刀的加工创造最佳的工艺条件 并避免刀具及刀 杆与型腔壁发生碰撞 减小刀具加工时的抖动和刀具破损的危险 从而有利于 提高模具的表面质量 加工效率和刀具的耐用度 用户在采购加工中心时 是 选用三轴加工中心还是五轴加工中心 应根据模具型腔几何形状的复杂程度和 精度等要求来决定 从高速加工中心不断创新的过程中可以看出 充分利用当今技术领域里的 最新成就 特别是利用驱动技术和控制技术的最新成果 是不断提高加工中心 高速性能 动态特性和加工精度的关键 2 2 世界五轴高速加工中心的技术发展趋势世界五轴高速加工中心的技术发展趋势 在 21 世纪的今后 100 年中 世界科技和机械制造业将有更大的新的发展 市场对各种机床 特别是五轴高速加工中心将会有更高的新的要求 目前 在 美 德 日等工业发达国家 五轴高速加工中心 在科研 设计 制造 使用上 技术已比较成熟 而且各种机 电 液 气 光 基础元部件 刀具 测量 NC 系统等均能互相配套 今后的发展 与世界经济景气状况 波动变化将有 较密切的关系 世界景气 资金充足 用户需要发展生产 市场对新装备的需 求就更多 要求也就更高 促使所有机床及 五轴高速加工中心 向更高性能发 展 反之 资金短缺 需求减少 就需求低 中档 经济廉价机床较多 以现有技术水平为基础和起点 今后世界五轴高速加工中心的技术发展趋 势主要有以下几方面 1 高速 高效 机床向高速化方向发展 不但可大幅度提高加工效率 降低加工成本 而 且还可提高零件的表面加工质量和精度 超高速加工技术对制造业实现高效 优质 低成本生产有广泛的适用性 进入21世纪以来 欧 美 日各国争相开发应用新一代五轴高速加工中心 加快机床高速化发展步伐 高速主轴单元 电主轴 转速 15000 r min 高速 且高加减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 到了新的技术水平 随着超高速切削机理 超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨 具 大功率高速电主轴 高加 减速度直线电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键技术的解决 为开发应 用新一代五轴高速加工中心提供了技术基础 2 高精度 从精密加工发展到超精密加工 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 当前 在机械加工高精度的要求下 普通级数控机床的加工精度已由 10 m 提高到 5 m 精密级加工中心的加工精度则从 3 5 m 提高到 1 1 5 m 甚至更高 超精密加工精度进入纳米级 0 001 微米 主轴回转精度 要求达到 0 01 0 05 微米 加工圆度为 0 1 微米 加工表面粗糙度 Ra 0 003 微米等 这些机床一般都采用矢量控制的变频驱动电主轴 电机与主轴一体化 主轴径向跳动小于 2 m 轴向窜动小于1 m 轴系不平衡度达到 G0 4 级 高速高精加工机床的进给驱动 主要有 回转伺服电机加精密高速滚珠丝杠 和 直线电机直接驱动 两种类型 此外 新兴的并联机床也易于实现高速进给 滚珠丝杠由于工艺成熟 应用广泛 不仅精度能达到较高 ISO34081级 而且实现高速化的成本也相对较低 所以迄今仍为许多高速加工机床所采用 当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度 90m min 加速度 1 5g 滚珠丝杠属机械传动 在传动过程中不可避免存在弹性变形 摩擦和反向 间隙 相应地造成运动滞后和其它非线性误差 为了排除这些误差对加工精度 的影响 1993年开始在机床上应用直线电机直接驱动 由于是没有中间环节的 零传动 不仅运动惯量小 系统刚度大 响应快 可以达到很高的速度和加速 度 而且其行程长度理论上不受限制 定位精度在高精度位置反馈系统的作用 下也易达到较高水平 是高速高精加工机床特别是中 大型机床较理想的驱动 方式 目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208m min 加 速度 2g 并且还有发展余地 3 高可靠性 随着数控机床网络化应用的发展 数控机床的高可靠性已经成为数控系统 制造商和数控机床制造商追求的目标 对于每天工作两班的无人工厂而言 如 果要求在16小时内连续正常工作 无故障率在P t 99 以上 则数控机床 的平均无故障运行时间 MTBF 就必须大于3000小时 对一台数控机床而言 如主机与数控系统的失效率之比为10 数控的可靠比主机高一个数量级 此时数控系统的 MTBF就要大于 33333 3 小时 而其中的数控装置 主轴及驱 动等的MTBF就必须大于10万小时 当前国外数控装置的 MTBF 值已达6000小时以上 驱动装置达 30000小 时以上 但是 可以看到距理想的目标还有差距 4 复合化 在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运 上下料 安装调整 换刀和主轴的升 降速上 为了尽可能降低这些无用时间 人们希望将不同的 加工功能整合在同一台机床上 因此 复合功能的机床成为近年来发展很快的 机种 柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后 机床便能按照 数控加工程序 自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工 以 完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车 铣 钻 镗 磨 攻丝 铰孔和扩 孔等多种加工工序 就棱体类零件而言 加工中心便是最典型的进行同一类工 艺方法多工序复合加工的机床 事实证明 机床复合加工能提高加工精度和加 工效率 节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期 5 多轴化 一个轴 只能加工一道线 两个轴 就能加工一个面 三个轴 就能加工 立体空间部件 四轴以上 功能就更为强大 工作平面都能旋转 加工精度极 高 多轴联动的高性能数控机床 能同时控制四个以上坐标轴的联动 通常三 轴机床可以实现二轴 二轴半 三轴加工 五轴机床也可以只用到三轴联动加 工 而其他两轴不联动 它能将数控铣床 数控镗床 数控钻床等功能组合在 一起 零件在一次装夹后 可以将加工面进行铣 镗 钻 扩 铰及攻螺纹等 多工序加工 能有效地避免由于多次安装造成的定位误差 可加工形状复杂 精度要求高的零件 如叶轮叶片等 随着5轴联动数控系统和编程软件的普及 5轴联动控制的加工中心和数控 铣床已经成为当前的一个开发热点 由于在加工自由曲面时 5 轴联动控制对 球头铣刀的数控编程比较简单 并且能使球头铣刀在铣削 3 维曲面的过程中始 终保持合理的切速 从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率 而在 3 轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削 因 此 5 轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和 竞争的焦点 国外还在研究 6 轴联动控制使用非旋转刀具的加工中心 虽然其加工形状 不受限制且切深可以很薄 但加工效率太低一时尚难实用化 6 智能化 智能化是21世纪制造技术发展的一个大方向 智能加工是一种基于神经网 络控制 模糊控制 数字化网络技术和理论的加工 它是要在加工过程中模拟 人类专家的智能活动 以解决加工过程许多不确定性的 要由人工干预才能解 决的问题 智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 为追求加工效率和加 工质量的智能化 如自适应控制 工艺参数自动生成 自动识别负载自动选定 模型 自整定等 为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 如前馈控制 电 机参数的自适应运算 简化编程 简化操作的智能化 如智能化的自动编程 智能化的人机界面等 智能诊断 智能监控 方便系统的诊断及维修等 世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多 其中日本智能化数控装 置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性 7 网络化 数控机床的网络化 主要指机床通过所配装的数控系统与外部的其它控制 系统或上位计算机进行网络连接和网络控制 数控机床一般首先面向生产现场 和企业内部的局域网 然后再经由因特网通向企业外部 这就是所谓 Internet Intranet 技术 随着网络技术的成熟和发展 业界又提出了数字制造的概念 数字制造 又称 e 制造 是机械制造企业现代化的标志之一 也是国际先进机床制造商当 今标准配置的供货方式 随着信息化技术的大量采用 越来越多的国内用户在 进口数控机床时要求具有远程通讯服务等功能 机械制造企业在普遍采用 CAD CAM 的基础上 越加广泛地使用数控加工设备 数控应用软件日趋丰富 和具有 人性化 虚拟设计 虚拟制造等高端技术也越来越多地为工程技术人 员所追求 通过软件智能替代复杂的硬件 正在成为当代机床发展的重要趋势 在数字制造的目标下 通过流程再造和信息化改造 ERP 等一批先进企业管理 软件已经脱颖而出 为企业创造出更高的经济效益 8 柔性化 数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是 从点 数控单机 加工中心和 数控复合加工机床 线 F五轴高速加工中心 FMS FTL FML 向面 工 段车间独立制造岛 FA 体 CIMS 分布式网络集成制造系统 的方向发 展 另一方面向注重应用性和经济性方向发展 柔性自动化技术是制造业适应 动态市场需求及产品迅速更新的主要手段 是各国制造业发展的主流趋势 是 先进制造领域的基础技术 其重点是以提高系统的可靠性 实用化为前提 以 易于联网和集成为目标 注重加强单元技术的开拓 完善 CNC