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模具機(jī)床技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢
世界機(jī)床工業(yè)的動(dòng)向
機(jī)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(duì)生產(chǎn)設(shè)備投資力度的影響。當(dāng)需求擴(kuò)大時(shí)，機(jī)床生產(chǎn)廠家一片繁忙；當(dāng)需求減少時(shí)，機(jī)床廠家之間競爭激烈,整個(gè)機(jī)床行業(yè)的營業(yè)額縮小、經(jīng)營利潤減少、公司裁員。在機(jī)床工業(yè)界有種說法那就是機(jī)床公司的規(guī)模不能太大，過度擴(kuò)大公司的規(guī)模是危險(xiǎn)的。在美國除了幾個(gè)生產(chǎn)低價(jià)位機(jī)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(jìn)行合并或結(jié)構(gòu)重組。在日本，20世紀(jì)90年代的泡沫經(jīng)濟(jì)后，也有幾個(gè)主要的機(jī)床公司申請(qǐng)了破產(chǎn)。
但是，被稱為是“工作母機(jī)”的機(jī)床是必不可少的設(shè)備。盡管世界各個(gè)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�？梢灶A(yù)測產(chǎn)業(yè)界對(duì)機(jī)床的需求是會(huì)穩(wěn)定增長。另外，各種產(chǎn)業(yè)對(duì)金屬切削機(jī)床的需求是有周期的。機(jī)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(gè)需求高峰。從1980年到1999年大約20年間, 美國是第一大機(jī)床消費(fèi)國，日本是第二大機(jī)床消費(fèi)國，占13.5%。到了2004年，中國成為全世界最大的機(jī)床消費(fèi)國，占全世界機(jī)床產(chǎn)量的21%。歐洲的幾個(gè)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(jī)床的需求在全世界各地不斷變化，但全世界機(jī)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(jī)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(jī)床第一生產(chǎn)大國，但是在本國的銷售量上卻不穩(wěn)定。
機(jī)床技術(shù)的發(fā)展
目前日本使用的34.1%的機(jī)床使用時(shí)間超過15年，27.3%的機(jī)床使用年限在10～15年之間，19.4%的機(jī)床使用年限在5～10年間。 簡單地說，日本機(jī)床的機(jī)齡有一半超過10年。20世紀(jì)90年代的10年間，提高生產(chǎn)效率與減少非切削時(shí)間是最重要的兩項(xiàng)課題。隨著客戶生產(chǎn)需求發(fā)生變化，機(jī)床的柔性變得非常重要。這是因?yàn)楝F(xiàn)在大批量的工件生產(chǎn)需求逐漸減少，生產(chǎn)過程的復(fù)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(fù)合機(jī)床。
機(jī)床的主軸及進(jìn)給系統(tǒng)是機(jī)床的主要構(gòu)件，也是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。最近幾年，機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速不斷地增加，dmN 值（主軸軸承節(jié)圓直徑與轉(zhuǎn)速的乘積）在20世紀(jì)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(jī)床展（JIMTOF）中主軸dmN 值超過60萬的機(jī)床不到出展機(jī)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(guān)鍵的就是軸承設(shè)計(jì)和材料的改進(jìn)，潤滑和冷卻技術(shù)的改善。傳統(tǒng)軸承用黃油就足以潤滑，為加速主軸轉(zhuǎn)速，20世紀(jì)80年代晚期用油氣混合潤滑。20世紀(jì)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(diǎn)，還有微霧潤滑，將最少的潤滑劑注入使產(chǎn)熱減少。
關(guān)于冷卻，在20世紀(jì)90年代早期就有冷卻液貫通主軸來對(duì)軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行冷卻的方法。對(duì)軸承外環(huán)也進(jìn)行冷卻液冷卻，軸承內(nèi)、外環(huán)就不會(huì)有溫度差，從而減小熱變形，提高軸承的壽命。主軸電機(jī)也與軸承一樣重要。在20世紀(jì)80年代，大多數(shù)的機(jī)床都是用皮帶或齒輪帶動(dòng)主軸的，這種主軸會(huì)因?yàn)槠АX輪或轉(zhuǎn)軸不對(duì)稱而引起震動(dòng)，并且會(huì)產(chǎn)生噪音和引起機(jī)械傳動(dòng)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(gè)問題，內(nèi)藏式主軸（built-in motor）在20世紀(jì)80年代末期被開發(fā)出來，這種主軸與電機(jī)集成在一起，能提高回轉(zhuǎn)速度、減少主軸體積、提高電機(jī)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(gè)問題。
在刀具方面，CBN刀具、各種涂層（coating）技術(shù)及碳化物的燒結(jié)技術(shù)使主軸可以達(dá)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(jìn)給量，進(jìn)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(jìn)給也是提高生產(chǎn)效率的因素之一，在20世紀(jì)90年代切削加工中心的快速進(jìn)給最高達(dá)到20m/min，20世紀(jì)90年代中期到了40 m /min，到1999年時(shí)高達(dá)50 m /min，以25%的速度增加。
模具機(jī)床產(chǎn)業(yè)的未來
機(jī)床的生產(chǎn)方面 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造極大地提高了機(jī)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(jī)床不可缺少的工具。20世紀(jì)90年代，我們?cè)谝粭l裝配線上每月制造多達(dá)100種熱賣的產(chǎn)品，在當(dāng)時(shí)是最有生產(chǎn)效率的組裝制造方法。進(jìn)入21世紀(jì)以后，森精機(jī)導(dǎo)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(shí)減少庫存、減少準(zhǔn)備時(shí)間（Lead Time）以及增加生產(chǎn)能力，將接訂單到交貨的時(shí)間減少到最短。群組制造單元是由一個(gè)工人進(jìn)行全過程的裝配，縮短過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)的等待時(shí)間。在這種新的生產(chǎn)系統(tǒng)中，工人的技術(shù)受到高度的挑戰(zhàn)，同時(shí)也會(huì)給工人帶來成就感。另外，不同的機(jī)床企業(yè)在制造基地的安排上有所不同。有的機(jī)床公司在世界不同地方進(jìn)行機(jī)床生產(chǎn)，有的公司則集中生產(chǎn)。例如，森精機(jī)雖然開發(fā)不同的機(jī)床技術(shù)，但所有的產(chǎn)品只在日本國內(nèi)的工廠制作。由于市場對(duì)機(jī)床的需求層次不同，機(jī)床廠家必須提供適合不同市場性價(jià)比的產(chǎn)品。
機(jī)床的技術(shù)方面 主軸是高速機(jī)床的關(guān)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(yù)期的那樣在一般機(jī)床上廣泛使用，而傳統(tǒng)的滾筒軸承及主軸電機(jī)對(duì)主軸加速提升速度做出了很大的貢獻(xiàn)。這些過去10年所發(fā)展的技術(shù)在未來10年中會(huì)繼續(xù)得到改善，主軸的轉(zhuǎn)速會(huì)進(jìn)一步提高。也許10年內(nèi)對(duì)于高檔機(jī)床，主軸最高轉(zhuǎn)速每分鐘6萬轉(zhuǎn)會(huì)變得普遍，那將是今天一般主軸速度的2~3倍。我們估計(jì)這會(huì)使切削速度增加一倍，而每分鐘100m的快速進(jìn)給也會(huì)變得普遍。和滾動(dòng)珠導(dǎo)螺桿比，雖然線性電機(jī)的占有率會(huì)有一定的上升，但我們估計(jì)滾珠螺桿的占有率仍然會(huì)很高。因?yàn)榭焖龠M(jìn)給在每分鐘一百米內(nèi)的話，滾珠螺桿驅(qū)動(dòng)在價(jià)格上具有優(yōu)勢。
生產(chǎn)系統(tǒng)方面 人民幣的升值會(huì)影響低價(jià)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，日本等國家要重新評(píng)估國內(nèi)生產(chǎn)的重要性，我們估計(jì)高品質(zhì)制造在日本國內(nèi)市場未來10年內(nèi)仍會(huì)有很大的市場。 日本市場將會(huì)對(duì)占用較小的空間、節(jié)省能源、高精度和高速度的機(jī)床保持持續(xù)的需求。
制造業(yè)存在多種自動(dòng)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(yù)期會(huì)對(duì)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(gòu)成生產(chǎn)系統(tǒng)（Reconfigurable Machine Tool System）。森精機(jī)為了達(dá)到批量生產(chǎn)的要求，開發(fā)出一種機(jī)型為NX2000的機(jī)床，它的寬度僅680mm，同時(shí)進(jìn)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(jī)床都有相同的寬度與深度，因此可以在很短的時(shí)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(gè)配備6臺(tái)機(jī)床的生產(chǎn)線，當(dāng)設(shè)計(jì)變更后，需要第三臺(tái)臥式切削中心時(shí)，可以很容易地以立式切削中心做替代。
機(jī)床技術(shù)還在持續(xù)地發(fā)展，在未來10年內(nèi)還會(huì)有許多重要技術(shù)產(chǎn)生，機(jī)床的切削速度會(huì)比現(xiàn)在快1倍。由機(jī)床構(gòu)成的柔性加工系統(tǒng)將會(huì)更加受到歡迎。
功率監(jiān)控在機(jī)床中的應(yīng)用
在切削過程中，由于機(jī)械摩擦和熱效應(yīng)等作用，刀具會(huì)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(dāng)磨損到一定程度時(shí)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(bào)廢。而對(duì)于尚能切削的刀具，若磨刀過于頻繁，又使機(jī)床生產(chǎn)率降低、刀具材料的消耗加劇、勞動(dòng)生產(chǎn)率下降，生產(chǎn)成本增加。為此，機(jī)床操作工人必須在切削過程中，不斷地對(duì)刀具的磨損加以監(jiān)視，及時(shí)換刀、磨刀，才能克服上述弊病。這對(duì)于一人看管多臺(tái)自動(dòng)化機(jī)床操作的工人來說，要求是很苛刻的。
當(dāng)前，靠人工監(jiān)視刀具的磨損已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)自動(dòng)化機(jī)床及自動(dòng)化程度日益提高的要求，實(shí)現(xiàn)刀具磨損的自動(dòng)監(jiān)控是完善機(jī)床自動(dòng)化、實(shí)現(xiàn)無人化必不可少的重要部分。國外對(duì)此已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，日本、德國、美國、英國、荷蘭等國已把刀具磨損的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用于實(shí)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(dá)數(shù)十種。近年來，我們對(duì)刀具磨損自動(dòng)監(jiān)控的功率檢測法及主軸軸向力檢測法等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，已研制出功率監(jiān)控保護(hù)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(yùn)用電動(dòng)機(jī)的功率檢測法原理工作的。即當(dāng)機(jī)床進(jìn)行切削時(shí)，隨著刀具的磨損，機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)的負(fù)荷及其電流，電壓與電流間的相位置角將發(fā)生變化，導(dǎo)致功率改變。利用這一變化規(guī)律可實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具磨損折斷的微機(jī)動(dòng)態(tài)在線自動(dòng)監(jiān)控。當(dāng)功率改變到一定數(shù)值時(shí)(即刀具磨損到應(yīng)重磨的程度)，自動(dòng)檢測監(jiān)控裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，刀架自動(dòng)退出，機(jī)床自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，操作工人即可及時(shí)換刀、磨刀和排除故障。
本系統(tǒng)還可通過監(jiān)控電動(dòng)機(jī)功率來間接監(jiān)控主軸扭矩的大小，達(dá)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(jī)床主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的由電流傳感器、電壓傳感器檢出電流、電壓信號(hào)，經(jīng)低通濾波器后分別進(jìn)行波形變換、整形，獲得兩個(gè)可調(diào)節(jié)的方波脈沖和直流電平信號(hào)。兩個(gè)方波和直流信號(hào)送入到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)的CPU進(jìn)行比較，得到電機(jī)的功率值，再與預(yù)定的功率閾值進(jìn)行比較達(dá)到自動(dòng)監(jiān)控。功率的檢測是通過單片機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采樣運(yùn)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(shí)器，報(bào)警器、停機(jī)控制電路發(fā)出刀具磨損報(bào)警信號(hào)并使機(jī)床自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于不同的刀具、工件材料以及切削用量參數(shù)，可以靠預(yù)定值撥碼來加以設(shè)定。在自動(dòng)化機(jī)床、自動(dòng)線上加工一批工件時(shí)，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(shí)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(shí)自動(dòng)報(bào)警和停機(jī)。
2 電機(jī)功率檢測的監(jiān)控處理
電機(jī)功率是通過電流傳感器、電壓傳感器經(jīng)過單片機(jī)檢測運(yùn)算得出電機(jī)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(jī)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(fù)載有關(guān)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(jìn)行處理的。大量試驗(yàn)證明，Pi在切削過程中是緩慢波動(dòng)的，尤其是機(jī)床達(dá)到穩(wěn)定切削狀態(tài)之前(開機(jī)空載預(yù)熱2h或加載切削40min，機(jī)床進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài))，波幅可達(dá)±20%，這樣計(jì)算Pc時(shí)Pi必須實(shí)時(shí)檢測。研究表明依賴于動(dòng)力傳遞路線和機(jī)床潤滑狀態(tài)，也在一定的范圍內(nèi)變化，通常可以對(duì)其有限變化略去不計(jì)。對(duì)功率數(shù)據(jù)的檢測監(jiān)控是基于凈切削功率值時(shí)進(jìn)行的。
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