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模具机床技术发展现状和趋势

作者:admin 来源: 日期:2018-3-2 17:55:43 人气: 标签:模具机床 技术发展现状和趋势
 

  模具机床技术发展现状和趋势
  世界机床工业的动向
  机床行业的发展受到汽车及其零部件、电子电气、建筑、医疗、通讯等行业对生产设备投资力度的影响。当需求扩大时,机床生产厂家一片繁忙;当需求减少时,机床厂家之间竞争激烈,整个机床行业的营业额缩小、经营利润减少、公司裁员。在机床工业界有种说法那就是机床公司的规模不能太大,过度扩大公司的规模是危险的。在美国除了几个生产低价位机床的公司以外,其他的公司都已倒闭。在欧洲,由于剧烈的竞争使得公司间不得不进行合并或结构重组。在日本,20世纪90年代的泡沫经济后,也有几个主要的机床公司申请了破产。
  但是,被称为是“工作母机”的机床是必不可少的设备。尽管世界各个地域的国民生产总值的情况有所不同,但世界总的国民生产总值(GDP)总是在不断增长,从1980年的9.9兆美元增长到了2004年的35.7兆美元。可以预测产业界对机床的需求是会稳定增长。另外,各种产业对金属切削机床的需求是有周期的。机床的使用寿命大约是14~15年, 也就是说每隔15年左右就有一个需求高峰。从1980年到1999年大约20年间, 美国是第一大机床消费国,日本是第二大机床消费国,占13.5%。到了2004年,中国成为全世界最大的机床消费国,占全世界机床产量的21%。欧洲的几个主要工业国的需求占有率基本保持不变,而其他国家需求则下降了。虽然机床的需求在全世界各地不断变化,但全世界机床年销售总值自1995年以来一直维持在350亿美元左右 。近年来中国机床的生产量激增,在2004年超过了美国、意大利成为第三大生产国。日本虽然是机床第一生产大国,但是在本国的销售量上却不稳定。
  机床技术的发展
  目前日本使用的34.1%的机床使用时间超过15年,27.3%的机床使用年限在10~15年之间,19.4%的机床使用年限在5~10年间。 简单地说,日本机床的机龄有一半超过10年。20世纪90年代的10年间,提高生产效率与减少非切削时间是最重要的两项课题。随着客户生产需求发生变化,机床的柔性变得非常重要。这是因为现在大批量的工件生产需求逐渐减少,生产过程的复合化与群组制造单元 ( cellular manufacturing)逐渐发展成型。由切削加工中心组成的多用途的柔性制造系统逐步替代了传统的大量专用生产线。 车削加工中心也增加了许多功能,如第二主轴、Y轴及铣削功能,从而出现了车铣复合机床。
  机床的主轴及进给系统是机床的主要构件,也是提高生产效率的关键。最近几年,机床的主轴转速不断地增加,dmN 值(主轴轴承节圆直径与转速的乘积)在20世纪90年代早期约60万就可以称之为高速了,在1990年的日本国际机床展(JIMTOF)中主轴dmN 值超过60万的机床不到出展机床总数的50%。但在1996年大部分的dmN 值都超过60万。
  高速主轴的研发最关键的就是轴承设计和材料的改进,润滑和冷却技术的改善。传统轴承用黄油就足以润滑,为加速主轴转速,20世纪80年代晚期用油气混合润滑。20世纪90年代用内环润滑,是把润滑剂注入轴承内环,再由离心力直接传到润滑点,还有微雾润滑,将最少的润滑剂注入使产热减少。
  关于冷却,在20世纪90年代早期就有冷却液贯通主轴来对轴承内环进行冷却的方法。对轴承外环也进行冷却液冷却,轴承内、外环就不会有温度差,从而减小热变形,提高轴承的寿命。主轴电机也与轴承一样重要。在20世纪80年代,大多数的机床都是用皮带或齿轮带动主轴的,这种主轴会因为皮带、齿轮或转轴不对称而引起震动,并且会产生噪音和引起机械传动功率的损耗,致使主轴速度难以得到大幅度的提升。为解决这个问题,内藏式主轴(built-in motor)在20世纪80年代末期被开发出来,这种主轴与电机集成在一起,能提高回转速度、减少主轴体积、提高电机输出,并且能缩短轴承跨距,避开轴承的临界速度。还有最近发展起来的无接触式轴承如磁浮或空气轴承,也可以解决这个问题。
  在刀具方面,CBN刀具、各种涂层(coating)技术及碳化物的烧结技术使主轴可以达到更高的速度,在过去的10年间CBN刀具切削铸铁的切削速度增加了25%。尤其是在切削钛合金零件及其他硬度高的工件。高速切削使用小直径的刀具、并有小的切削进给量,进给速度高。切屑散热快,刀屑热在传递给工件或刀具前就被切屑带走了。而快速进给也是提高生产效率的因素之一,在20世纪90年代切削加工中心的快速进给最高达到20m/min,20世纪90年代中期到了40 m /min,到1999年时高达50 m /min,以25%的速度增加。

  模具机床产业的未来
  机床的生产方面   计算机辅助设计和制造极大地提高了机床开发的速度,在研发体系使用3D CAD是快速发展量产高品质机床不可缺少的工具。20世纪90年代,我们在一条装配线上每月制造多达100种热卖的产品,在当时是最有生产效率的组装制造方法。进入21世纪以后,森精机导入群组制造单元(Cellular Manufacturing)生产方式来满足每一位顾客的特殊需求,同时减少库存、减少准备时间(Lead Time)以及增加生产能力,将接订单到交货的时间减少到最短。群组制造单元是由一个工人进行全过程的装配,缩短过程中每一个环节的等待时间。在这种新的生产系统中,工人的技术受到高度的挑战,同时也会给工人带来成就感。另外,不同的机床企业在制造基地的安排上有所不同。有的机床公司在世界不同地方进行机床生产,有的公司则集中生产。例如,森精机虽然开发不同的机床技术,但所有的产品只在日本国内的工厂制作。由于市场对机床的需求层次不同,机床厂家必须提供适合不同市场性价比的产品。
  机床的技术方面   主轴是高速机床的关键部件,非接触轴承如磁浮及空气轴承,最近几年来并未如预期的那样在一般机床上广泛使用,而传统的滚筒轴承及主轴电机对主轴加速提升速度做出了很大的贡献。这些过去10年所发展的技术在未来10年中会继续得到改善,主轴的转速会进一步提高。也许10年内对于高档机床,主轴最高转速每分钟6万转会变得普遍,那将是今天一般主轴速度的2~3倍。我们估计这会使切削速度增加一倍,而每分钟100m的快速进给也会变得普遍。和滚动珠导螺杆比,虽然线性电机的占有率会有一定的上升,但我们估计滚珠螺杆的占有率仍然会很高。因为快速进给在每分钟一百米内的话,滚珠螺杆驱动在价格上具有优势。
  生产系统方面   人民币的升值会影响低价制造业的蓬勃发展,日本等国家要重新评估国内生产的重要性,我们估计高品质制造在日本国内市场未来10年内仍会有很大的市场。 日本市场将会对占用较小的空间、节省能源、高精度和高速度的机床保持持续的需求。
  制造业存在多种自动化制造系统,如生产线(transfer line)、柔性生产线(flexible transfer line)、柔性制造系统(flexible manufacturing system)和柔性制造单元(flexible manufacturing cell)。在未来10年内,我们预期会对制造系统具备再调整性提出很高的要求,即所谓的可再构成生产系统(Reconfigurable Machine Tool System)。森精机为了达到批量生产的要求,开发出一种机型为NX2000的机床,它的宽度仅680mm,同时进给加速度也可增加。在NX2000系统中有卧式切削中心、立式切削中心、卧式车床、立式车床,这些机床都有相同的宽度与深度,因此可以在很短的时间内将一条生产线改成另一条具有不同用途的生产线。如一个配备6台机床的生产线,当设计变更后,需要第三台卧式切削中心时,可以很容易地以立式切削中心做替代。
  机床技术还在持续地发展,在未来10年内还会有许多重要技术产生,机床的切削速度会比现在快1倍。由机床构成的柔性加工系统将会更加受到欢迎。

  功率监控在机床中的应用
  在切削过程中,由于机械摩擦和热效应等作用,刀具会产生磨损,这种磨损少则使刀具的几何形状受到改变,大则使刀具刃口烧坏,甚至崩落。当磨损到一定程度时必须重磨,否则将影响工件的尺寸精度和表面粗糙度,降低产品质量,甚至报废。而对于尚能切削的刀具,若磨刀过于频繁,又使机床生产率降低、刀具材料的消耗加剧、劳动生产率下降,生产成本增加。为此,机床操作工人必须在切削过程中,不断地对刀具的磨损加以监视,及时换刀、磨刀,才能克服上述弊病。这对于一人看管多台自动化机床操作的工人来说,要求是很苛刻的。
  当前,靠人工监视刀具的磨损已远远不能适应自动化机床及自动化程度日益提高的要求,实现刀具磨损的自动监控是完善机床自动化、实现无人化必不可少的重要部分。国外对此已进行了大量的试验研究,日本、德国、美国、英国、荷兰等国已把刀具磨损的自动监控技术应用于实际生产中。
  据国外资料介绍,在加工中直接和间接检测刀具磨损的方法多达数十种。近年来,我们对刀具磨损自动监控的功率检测法及主轴轴向力检测法等进行了试验研究,已研制出功率监控保护装置——电脑功率监控器,现已广泛地投入使用。
  1 功率监控原理
  本功率监控装置是运用电动机的功率检测法原理工作的。即当机床进行切削时,随着刀具的磨损,机床主轴电动机的负荷及其电流,电压与电流间的相位置角将发生变化,导致功率改变。利用这一变化规律可实现对刀具磨损折断的微机动态在线自动监控。当功率改变到一定数值时(即刀具磨损到应重磨的程度),自动检测监控装置发出报警信号,刀架自动退出,机床自动停止运转,操作工人即可及时换刀、磨刀和排除故障。
  本系统还可通过监控电动机功率来间接监控主轴扭矩的大小,达到定扭矩监控。图1是本装置的电气原理方框图。工作原理如下:
  经过机床主驱动电动机的由电流传感器、电压传感器检出电流、电压信号,经低通滤波器后分别进行波形变换、整形,获得两个可调节的方波脉冲和直流电平信号。两个方波和直流信号送入到单片机的A/D转换器变成数字量信号,经过单片机的CPU进行比较,得到电机的功率值,再与预定的功率阈值进行比较达到自动监控。功率的检测是通过单片机进行动态采样运算,用荧光数码管显示出所检出的功率值。另一路输出控制电路、延时器,报警器、停机控制电路发出刀具磨损报警信号并使机床自动停止运转。对于不同的刀具、工件材料以及切削用量参数,可以靠预定值拨码来加以设定。在自动化机床、自动线上加工一批工件时,往往使用确定的工件材料、刀具和切削用量,所以只要在试切削时调整好上述参数,就能在以后的加工中确保刀具磨损时自动报警和停机。
  2 电机功率检测的监控处理
  电机功率是通过电流传感器、电压传感器经过单片机检测运算得出电机的输入功率,是各种损耗功率与切削功率之和。
  PL=Pf+Pc
  式中 PL——电机输入功率
  Pf——各种损耗功率总和
  Pc——切削功率、包括切削状态各种信息
  Pf=Pi+Pa
  Pi——空载损耗功率
  Pa——与负载有关的附加损耗功率
  Pa=a·Pc
  a——损耗功率系数
  则
  PL=Pi+(1+a)Pc
  通常在刀具钻头磨损中是基于(1+a)×Pc进行处理的。大量试验证明,Pi在切削过程中是缓慢波动的,尤其是机床达到稳定切削状态之前(开机空载预热2h或加载切削40min,机床进入稳定状态),波幅可达±20%,这样计算Pc时Pi必须实时检测。研究表明依赖于动力传递路线和机床润滑状态,也在一定的范围内变化,通常可以对其有限变化略去不计。对功率数据的检测监控是基于净切削功率值时进行的。

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