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中国数控机床技术离世界先进水平有多远

近年来,我国数控机床产品的快速发展引起国内外关注。其中,多轴、调整、复合型数控机床格外引人注目。
    五轴(及以上)联动数控机床
    五轴(及以上)联动数控机床是现代国防工业急需的战略性装备,也是制造现代模具的基础装备,一直被西方某些大国列为对我禁运的战略物资。1999年,江苏多棱机床公司率先推出我国第一台五轴联动龙门加工中心。接着,北京第一机床厂于2000年,桂林机床厂于2001年,济南第二机床厂、上海重型机床厂于 2002年相继推出五轴联动龙门镗铣/加工中心。
    同时,北京机电研究院、四川长征机床厂也推出五轴联动数控铣。天津第一机床厂、重庆机床厂、南京第二机床厂、秦川机床厂先后推出多轴联动数控齿轮机床。昆明机床厂与清华大学合作、天津第一机床厂与天津大学合作、哈尔滨量具刃具厂与哈尔滨工业大学合作、大连机床厂与清华大学合作,先后推出五轴(及以上)联动虚拟机床。在五轴(及以上)联动数控机床的开发上,近年来我国形成了长江后浪推前浪之势。上述产品开发中,有两项关键技术值得注意。
    1.万能自动镗铣头
    万能自动镗铣头在五轴数控机床中是第一关键部件,也是五轴数控机床制造企业市场竞争的焦点之一。在有些国外厂商的产品售价中,万能自动镗铣头占有高达30%的比率,因而国际合作开发难度较大。
    万能自动镗铣头可分为万能式镗铣头和摆动式镗铣头。在用于五轴联动时,要求双回转轴(A/B或A/C)都有联动功能。如用于多(或五)面加工,只能采用有级分度的万能式镗铣头,不需要联动(即3+2轴加工方式)。
    世纪之交,5家五轴联动龙门镗铣/加工中心研制企业,先后开发出具有80年代国际水平的万能自动镗铣头。包括万能式自动镗铣头、摆角式自动镗铣头。其中的复杂、高精、高刚壳体,精密弧齿锥齿轮副,精密蜗轮副,精密细齿鼠牙盘,精密分度夹紧等关键零件设计制造技术,以及回转轴闭环技术等都有突破。桂林机床厂已有10台在用户中使用。
    目前的问题是,精度、性能(特别是高速、重载性能)与国际先进水平还有差距。国际万能自动镗铣头转角分度定位精度/重复定位精度为 10arc.sec/5arc.sec(VDI标准),高速、重载性能优越,并且技术仍在不断发展。如美国cincinnaty公司在IMTS2000上展出了虚拟轴万能自动镗铣头,结构更简单,更适于安置电主轴。意大利FPT公司万能自动镗铣头可细分为360°×0.01°。
    2.换头技术
    为满足现代模具、飞机结构件高速加工需要,上述5台五轴龙门铣/加工中心,全部配有高速电主轴。转速10000~16000rpm。
    由于在模具加工中,五轴铣削只占3%~5%,高速主轴的使用率也只有5%左右,故五轴联动龙门式、落地式镗铣床/加工中心必须具有换头技术。而且,在拥有换头技术后,可成为五轴--多(或五)面龙门式、落地式镗铣床/加工中心。机床的工艺范围大大扩大,使用率大大提高。国际先进企业都有自动换头技术。北京第一机床厂、济南第二机床厂引进德国、法国著名企业自动换头技术,具有先进水平。江苏多棱机床公司、上海重型机床厂自行开发了换头技术,但属于刚刚起步阶段。
    换头技术除要求定位准确外,还要求快速、简洁。国际先进企业自动换头技术大都有一些独到之处。意大利JOBS公司还开发了插入式主轴更换系统,用换轴代替换头,更快速、简洁。

  快速发展的高速机床 
    为适应市场对调整加工设备的需求,目前我国能够生产高速切削机床的企业已有约 20 家,大部分以引进技术为主,基本上是调整加工中心。主轴转速 10000~ 4 0000r/min ,快移速度 30~60m/min ,加速度 0.5~1g ,换刀时间在 1.5~2s 左右 (t-t) 。其中,已有达到国际一流水平的产品。如:大连机床公司与德国阿亨 (aachen) 大学共同研发的 dhsc500 高速加工中心,相当国际 90 年代后期水平。其主要特点如下: 
    采用国际流行的箱中箱结构。为增强 x 轴送进时的刚性 ( 这时移动惯量高达 1 吨 ) ,在运动箱上、下配置了双伺服电机同步驱动 ( 双反馈 ) ;电主轴采用德国 gmn 公司名牌产品,油加气润滑,转速 18000r/min ;回转工作台采用内装转台伺服电机 (b 轴 ) ;闭环控制,整机四轴联动;全闭环,采用绝对型光栅尺,即使在断电后也可识别所在位置;四托盘自动交换,可多工件、夹具工作;具有较高精度。定位精度 / 重复定位精度: ±5μm/±3μm(vdi 标准 ) ;快移速度 62m/min ;加速度 1g ,属国际先进水平。
     另外,还有南京四开公司研制的直线电机驱动数控车床,在高速加工一种钎具行业的非圆截面异型螺纹时,最大加速度达到 4 ~5g ,最大进给速度超过了 100m/min 。凿岩机与钎杆的连接螺纹为异型螺纹,不能采用通常的成型车刀加工,一般采用液压仿形车床,用靠模及尖刀加工,精度差且效率低,靠模的制造也比较困难。这台数控直线电机车床加工时, x 轴用直线电机代替靠模快速往复运动, z 轴及主轴联动 ( 也可以采用随动方式 ) 。综合运动空间关系由程序控制,螺纹轮廓完全数字化,是一种数字化螺纹加工方式,用尖刀像车外圆一样一刀完成,速度快,精度高,表面质量好。
    复合化数控机床 
    上述五轴多面龙门加工中心,同时也是复合化数控机床的典型事例。此外,还有值得称道的代表。如:
     沈阳机床股份有限公司开发的五轴车铣中心。刀库容量 16 ,数控系统: siemens8 4 0d ,可控 x 、 y 、 z 、 b 、 c 五个轴,具有车削中心加铣削中心的特点。
     沈阳第一机床厂、齐齐哈尔第一机床厂开发的立式车削中心,配有刀库,能在一次装夹情况下,完成车削、铣削、钻孔、攻丝等工序。保证加工精度,减少辅助时间,提高生产效率。
     上海重型机床厂开发的双主轴倒顺式立式车削中心,第一主轴正置,第二主轴倒置。主轴具有 c 轴功能,采用 12 工位动力刀架,具有自动上下料装置和全封闭等多道防护装置,可一次上料完成零件的正反面加工,包括车削、镗孔、钻孔、攻丝等多道工序。适用于大批量轮毂、盘类零件加工。
     江苏金方圆公司开发的数控冲床 -- 激光复合机,是由数控液压转塔冲床和数控激光切割机床复合而成。一次装卡完成冲孔、激光切割工艺,且属高速型,最高冲孔频率 800/1000spm 。

    我国数控机床技术与世界先进水平的差距
     首先是精度普遍不够。只有少数几种产品达到欧洲标准定位精度。精度差距只是表面现象。其实质是基础技术差距的反映。如普遍未进行有限元分析,未做动刚度试验;大多未采用定位精度软件补偿技术、温度变形补偿技术、高速主轴系统的动平衡技术等。
     其次,基础材料开发方面的差距,未普及高强度密烘铸铁,在欧美已有一批先进产品采用聚合物混凝土,我国则还是空白。
     再次,高动、静刚度主机结构和整机性能开发的差距,高速机床主机结构设计方向是增强刚性和减轻移动部件重量,如国际普遍采用龙门式、框式、 o 型整体结构,箱中箱式结构, l 型床身,三轴移动移出机身,侧挂箱式卧式加工中心等。我们则大多未开发。
     还有一重要差距就是应用技术差距。如国外已开始普及的远程服务技术,我们尚待开发;交钥匙工程 -- 从机床选择、工艺装备 ( 刀、夹、附、检具 ) 配置与提供到切削用量的确定,尚待开发;展出的高速机床,普遍不能做硬切削、干切削表演,高速切削机理及切削数据库的研究我国近乎空白;不能提供高速切削软件包,等等。
     当然,关键配套件,特别是新兴配套件差距较大。如电主轴、高速滚珠丝杠副、直线电机、高速高精全数字式数控系统、高精度高频响的位置检测系统等。
     任重道远,要赶上国际先进水平,我们还要不断提高产品开发能力。为中华民族的再次崛起而努力吧。


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