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模具機床技術發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
世界機床工業(yè)的動向
機床行業(yè)的發(fā)展受到汽車及其零部件、電子電氣、建筑、醫(yī)療、通訊等行業(yè)對生產(chǎn)設備投資力度的影響。當需求擴大時，機床生產(chǎn)廠家一片繁忙；當需求減少時，機床廠家之間競爭激烈,整個機床行業(yè)的營業(yè)額縮小、經(jīng)營利潤減少、公司裁員。在機床工業(yè)界有種說法那就是機床公司的規(guī)模不能太大，過度擴大公司的規(guī)模是危險的。在美國除了幾個生產(chǎn)低價位機床的公司以外，其他的公司都已倒閉。在歐洲，由于劇烈的競爭使得公司間不得不進行合并或結構重組。在日本，20世紀90年代的泡沫經(jīng)濟后，也有幾個主要的機床公司申請了破產(chǎn)。
但是，被稱為是“工作母機”的機床是必不可少的設備。盡管世界各個地域的國民生產(chǎn)總值的情況有所不同，但世界總的國民生產(chǎn)總值（GDP）總是在不斷增長，從1980年的9.9兆美元增長到了2004年的35.7兆美元。可以預測產(chǎn)業(yè)界對機床的需求是會穩(wěn)定增長。另外，各種產(chǎn)業(yè)對金屬切削機床的需求是有周期的。機床的使用壽命大約是14~15年， 也就是說每隔15年左右就有一個需求高峰。從1980年到1999年大約20年間, 美國是第一大機床消費國，日本是第二大機床消費國，占13.5%。到了2004年，中國成為全世界最大的機床消費國，占全世界機床產(chǎn)量的21%。歐洲的幾個主要工業(yè)國的需求占有率基本保持不變，而其他國家需求則下降了。雖然機床的需求在全世界各地不斷變化，但全世界機床年銷售總值自1995年以來一直維持在350億美元左右 。近年來中國機床的生產(chǎn)量激增，在2004年超過了美國、意大利成為第三大生產(chǎn)國。日本雖然是機床第一生產(chǎn)大國，但是在本國的銷售量上卻不穩(wěn)定。
機床技術的發(fā)展
目前日本使用的34.1%的機床使用時間超過15年，27.3%的機床使用年限在10～15年之間，19.4%的機床使用年限在5～10年間。 簡單地說，日本機床的機齡有一半超過10年。20世紀90年代的10年間，提高生產(chǎn)效率與減少非切削時間是最重要的兩項課題。隨著客戶生產(chǎn)需求發(fā)生變化，機床的柔性變得非常重要。這是因為現(xiàn)在大批量的工件生產(chǎn)需求逐漸減少，生產(chǎn)過程的復合化與群組制造單元 ( cellular manufacturing)逐漸發(fā)展成型。由切削加工中心組成的多用途的柔性制造系統(tǒng)逐步替代了傳統(tǒng)的大量專用生產(chǎn)線。 車削加工中心也增加了許多功能，如第二主軸、Y軸及銑削功能，從而出現(xiàn)了車銑復合機床。
機床的主軸及進給系統(tǒng)是機床的主要構件，也是提高生產(chǎn)效率的關鍵。最近幾年，機床的主軸轉速不斷地增加，dmN 值（主軸軸承節(jié)圓直徑與轉速的乘積）在20世紀90年代早期約60萬就可以稱之為高速了，在1990年的日本國際機床展（JIMTOF）中主軸dmN 值超過60萬的機床不到出展機床總數(shù)的50%。但在1996年大部分的dmN 值都超過60萬。
高速主軸的研發(fā)最關鍵的就是軸承設計和材料的改進，潤滑和冷卻技術的改善。傳統(tǒng)軸承用黃油就足以潤滑，為加速主軸轉速，20世紀80年代晚期用油氣混合潤滑。20世紀90年代用內(nèi)環(huán)潤滑，是把潤滑劑注入軸承內(nèi)環(huán)，再由離心力直接傳到潤滑點，還有微霧潤滑，將最少的潤滑劑注入使產(chǎn)熱減少。
關于冷卻，在20世紀90年代早期就有冷卻液貫通主軸來對軸承內(nèi)環(huán)進行冷卻的方法。對軸承外環(huán)也進行冷卻液冷卻，軸承內(nèi)、外環(huán)就不會有溫度差，從而減小熱變形，提高軸承的壽命。主軸電機也與軸承一樣重要。在20世紀80年代，大多數(shù)的機床都是用皮帶或齒輪帶動主軸的，這種主軸會因為皮帶、齒輪或轉軸不對稱而引起震動，并且會產(chǎn)生噪音和引起機械傳動功率的損耗，致使主軸速度難以得到大幅度的提升。為解決這個問題，內(nèi)藏式主軸（built-in motor）在20世紀80年代末期被開發(fā)出來，這種主軸與電機集成在一起，能提高回轉速度、減少主軸體積、提高電機輸出，并且能縮短軸承跨距，避開軸承的臨界速度。還有最近發(fā)展起來的無接觸式軸承如磁浮或空氣軸承，也可以解決這個問題。
在刀具方面，CBN刀具、各種涂層（coating）技術及碳化物的燒結技術使主軸可以達到更高的速度，在過去的10年間CBN刀具切削鑄鐵的切削速度增加了25%。尤其是在切削鈦合金零件及其他硬度高的工件。高速切削使用小直徑的刀具、并有小的切削進給量，進給速度高。切屑散熱快，刀屑熱在傳遞給工件或刀具前就被切屑帶走了。而快速進給也是提高生產(chǎn)效率的因素之一，在20世紀90年代切削加工中心的快速進給最高達到20m/min，20世紀90年代中期到了40 m /min，到1999年時高達50 m /min，以25%的速度增加。
模具機床產(chǎn)業(yè)的未來
機床的生產(chǎn)方面 計算機輔助設計和制造極大地提高了機床開發(fā)的速度，在研發(fā)體系使用3D CAD是快速發(fā)展量產(chǎn)高品質(zhì)機床不可缺少的工具。20世紀90年代，我們在一條裝配線上每月制造多達100種熱賣的產(chǎn)品，在當時是最有生產(chǎn)效率的組裝制造方法。進入21世紀以后，森精機導入群組制造單元（Cellular Manufacturing）生產(chǎn)方式來滿足每一位顧客的特殊需求，同時減少庫存、減少準備時間（Lead Time）以及增加生產(chǎn)能力，將接訂單到交貨的時間減少到最短。群組制造單元是由一個工人進行全過程的裝配，縮短過程中每一個環(huán)節(jié)的等待時間。在這種新的生產(chǎn)系統(tǒng)中，工人的技術受到高度的挑戰(zhàn)，同時也會給工人帶來成就感。另外，不同的機床企業(yè)在制造基地的安排上有所不同。有的機床公司在世界不同地方進行機床生產(chǎn)，有的公司則集中生產(chǎn)。例如，森精機雖然開發(fā)不同的機床技術，但所有的產(chǎn)品只在日本國內(nèi)的工廠制作。由于市場對機床的需求層次不同，機床廠家必須提供適合不同市場性價比的產(chǎn)品。
機床的技術方面 主軸是高速機床的關鍵部件，非接觸軸承如磁浮及空氣軸承，最近幾年來并未如預期的那樣在一般機床上廣泛使用，而傳統(tǒng)的滾筒軸承及主軸電機對主軸加速提升速度做出了很大的貢獻。這些過去10年所發(fā)展的技術在未來10年中會繼續(xù)得到改善，主軸的轉速會進一步提高。也許10年內(nèi)對于高檔機床，主軸最高轉速每分鐘6萬轉會變得普遍，那將是今天一般主軸速度的2~3倍。我們估計這會使切削速度增加一倍，而每分鐘100m的快速進給也會變得普遍。和滾動珠導螺桿比，雖然線性電機的占有率會有一定的上升，但我們估計滾珠螺桿的占有率仍然會很高。因為快速進給在每分鐘一百米內(nèi)的話，滾珠螺桿驅動在價格上具有優(yōu)勢。
生產(chǎn)系統(tǒng)方面 人民幣的升值會影響低價制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，日本等國家要重新評估國內(nèi)生產(chǎn)的重要性，我們估計高品質(zhì)制造在日本國內(nèi)市場未來10年內(nèi)仍會有很大的市場。 日本市場將會對占用較小的空間、節(jié)省能源、高精度和高速度的機床保持持續(xù)的需求。
制造業(yè)存在多種自動化制造系統(tǒng)，如生產(chǎn)線（transfer line）、柔性生產(chǎn)線（flexible transfer line）、柔性制造系統(tǒng)（flexible manufacturing system）和柔性制造單元（flexible manufacturing cell）。在未來10年內(nèi)，我們預期會對制造系統(tǒng)具備再調(diào)整性提出很高的要求，即所謂的可再構成生產(chǎn)系統(tǒng)（Reconfigurable Machine Tool System）。森精機為了達到批量生產(chǎn)的要求，開發(fā)出一種機型為NX2000的機床，它的寬度僅680mm，同時進給加速度也可增加。在NX2000系統(tǒng)中有臥式切削中心、立式切削中心、臥式車床、立式車床，這些機床都有相同的寬度與深度，因此可以在很短的時間內(nèi)將一條生產(chǎn)線改成另一條具有不同用途的生產(chǎn)線。如一個配備6臺機床的生產(chǎn)線，當設計變更后，需要第三臺臥式切削中心時，可以很容易地以立式切削中心做替代。
機床技術還在持續(xù)地發(fā)展，在未來10年內(nèi)還會有許多重要技術產(chǎn)生，機床的切削速度會比現(xiàn)在快1倍。由機床構成的柔性加工系統(tǒng)將會更加受到歡迎。
功率監(jiān)控在機床中的應用
在切削過程中，由于機械摩擦和熱效應等作用，刀具會產(chǎn)生磨損，這種磨損少則使刀具的幾何形狀受到改變，大則使刀具刃口燒壞，甚至崩落。當磨損到一定程度時必須重磨，否則將影響工件的尺寸精度和表面粗糙度，降低產(chǎn)品質(zhì)量，甚至報廢。而對于尚能切削的刀具，若磨刀過于頻繁，又使機床生產(chǎn)率降低、刀具材料的消耗加劇、勞動生產(chǎn)率下降，生產(chǎn)成本增加。為此，機床操作工人必須在切削過程中，不斷地對刀具的磨損加以監(jiān)視，及時換刀、磨刀，才能克服上述弊病。這對于一人看管多臺自動化機床操作的工人來說，要求是很苛刻的。
當前，靠人工監(jiān)視刀具的磨損已遠遠不能適應自動化機床及自動化程度日益提高的要求，實現(xiàn)刀具磨損的自動監(jiān)控是完善機床自動化、實現(xiàn)無人化必不可少的重要部分。國外對此已進行了大量的試驗研究，日本、德國、美國、英國、荷蘭等國已把刀具磨損的自動監(jiān)控技術應用于實際生產(chǎn)中。
據(jù)國外資料介紹，在加工中直接和間接檢測刀具磨損的方法多達數(shù)十種。近年來，我們對刀具磨損自動監(jiān)控的功率檢測法及主軸軸向力檢測法等進行了試驗研究，已研制出功率監(jiān)控保護裝置——電腦功率監(jiān)控器，現(xiàn)已廣泛地投入使用。
1 功率監(jiān)控原理
本功率監(jiān)控裝置是運用電動機的功率檢測法原理工作的。即當機床進行切削時，隨著刀具的磨損，機床主軸電動機的負荷及其電流，電壓與電流間的相位置角將發(fā)生變化，導致功率改變。利用這一變化規(guī)律可實現(xiàn)對刀具磨損折斷的微機動態(tài)在線自動監(jiān)控。當功率改變到一定數(shù)值時(即刀具磨損到應重磨的程度)，自動檢測監(jiān)控裝置發(fā)出報警信號，刀架自動退出，機床自動停止運轉，操作工人即可及時換刀、磨刀和排除故障。
本系統(tǒng)還可通過監(jiān)控電動機功率來間接監(jiān)控主軸扭矩的大小，達到定扭矩監(jiān)控。圖1是本裝置的電氣原理方框圖。工作原理如下：
經(jīng)過機床主驅動電動機的由電流傳感器、電壓傳感器檢出電流、電壓信號，經(jīng)低通濾波器后分別進行波形變換、整形，獲得兩個可調(diào)節(jié)的方波脈沖和直流電平信號。兩個方波和直流信號送入到單片機的A/D轉換器變成數(shù)字量信號，經(jīng)過單片機的CPU進行比較，得到電機的功率值，再與預定的功率閾值進行比較達到自動監(jiān)控。功率的檢測是通過單片機進行動態(tài)采樣運算，用熒光數(shù)碼管顯示出所檢出的功率值。另一路輸出控制電路、延時器，報警器、停機控制電路發(fā)出刀具磨損報警信號并使機床自動停止運轉。對于不同的刀具、工件材料以及切削用量參數(shù)，可以靠預定值撥碼來加以設定。在自動化機床、自動線上加工一批工件時，往往使用確定的工件材料、刀具和切削用量，所以只要在試切削時調(diào)整好上述參數(shù)，就能在以后的加工中確保刀具磨損時自動報警和停機。
2 電機功率檢測的監(jiān)控處理
電機功率是通過電流傳感器、電壓傳感器經(jīng)過單片機檢測運算得出電機的輸入功率，是各種損耗功率與切削功率之和。
PL＝Pf+Pc
式中 PL——電機輸入功率
Pf——各種損耗功率總和
Pc——切削功率、包括切削狀態(tài)各種信息
Pf＝Pi+Pa
Pi——空載損耗功率
Pa——與負載有關的附加損耗功率
Pa＝a·Pc
a——損耗功率系數(shù)
則
PL＝Pi+(1+a)Pc
通常在刀具鉆頭磨損中是基于(1+a)×Pc進行處理的。大量試驗證明，Pi在切削過程中是緩慢波動的，尤其是機床達到穩(wěn)定切削狀態(tài)之前(開機空載預熱2h或加載切削40min，機床進入穩(wěn)定狀態(tài))，波幅可達±20%，這樣計算Pc時Pi必須實時檢測。研究表明依賴于動力傳遞路線和機床潤滑狀態(tài)，也在一定的范圍內(nèi)變化，通�？梢詫ζ溆邢拮兓匀ゲ挥嫛β蕯�(shù)據(jù)的檢測監(jiān)控是基于凈切削功率值時進行的。
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