輕型龍門銑床的設計
附錄2
文獻綜述
一、 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀
“十五”期間，我國數(shù)控機床產(chǎn)品，通過引進技術、合作生產(chǎn)等形式，在高速、高精、多軸、復合等方面，都有較大進展。尤其是數(shù)控龍門銑床更為突出。從1999年江蘇多棱（原常州機床總廠）帶頭打破西方封鎖，研制成功具有自主知識產(chǎn)權的我國第一臺五軸聯(lián)動龍門銑床以來，已有濟南二機、桂林機床、北京一機等多家推出五軸聯(lián)動龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床。CCMT2006展會上，實力雄厚的沈陽機床集團，一次推出3臺大型龍門加工中心，擺在展臺的顯赫位置。其中，4臺具有五軸聯(lián)動功能，1臺具有五面加工功能，這是前幾次所沒有的，突出體現(xiàn)了我國龍門加工中心和數(shù)控龍門銑床在五軸聯(lián)動功能上，開始走向成熟。
在近幾屆國內(nèi)機床展覽會上，看到我國龍門加工中心和數(shù)控龍門銑床在結(jié)構性能、技術水平、產(chǎn)品質(zhì)量等方面，都有很大提高。但是，與發(fā)達國家同類產(chǎn)品相比，還有較大差距，首先是自主創(chuàng)新能力不夠，當前多以仿制為主，或引進技術合作生產(chǎn)，缺乏自主知識品牌的高檔產(chǎn)品，往往關鍵的核心技術，關鍵的功能部件，還是從國外購買。例如，在CCMT2006上海機床展會上，共展出了8臺五軸聯(lián)動龍門加工中心，采用的關鍵部件——雙擺角銑頭，除了濟南二機和桂林機床是自己開發(fā)的以外，其余6臺都是購買意大利意薩、菲迪亞等國外公司產(chǎn)品。其次是產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是整機可靠性，還有較大差距，這也是用戶最關注的問題之一。應該看到，目前除少數(shù)企業(yè)外，龍門類產(chǎn)品技術含量普遍較低，數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化程度不高。這些都是國內(nèi)主機廠需要下大力氣認真改進、努力提高的地方。
然而中國數(shù)控龍門銑床產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等
二、 主要研究成果
2005年首臺國產(chǎn)化數(shù)控五軸聯(lián)動龍門銑床通過廣西科技廳鑒定，該產(chǎn)品的技術創(chuàng)新與特點有：1.五軸聯(lián)動核心功能部件數(shù)控AC擺動銑頭的開發(fā)設計、制造，并應用于龍門銑床，實現(xiàn)了龍門銑床五軸聯(lián)動加工。2.采用雙邊向里凸斜支撐的穩(wěn)定的龍門框架結(jié)構。3.采用雙線軌與滑軌的復合橫向?qū)к壗Y(jié)構。4.采用國產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)和洛陽軸承研究所的電主軸，從而成為國產(chǎn)化的首臺首套五軸聯(lián)動龍門銑床。專家教授鑒定還認為，該產(chǎn)品布局與結(jié)構合理、先進，整機剛性好，精度高；數(shù)控AC擺動銑頭結(jié)構合理，技術先進，性能穩(wěn)定，可選配國外先進數(shù)控系統(tǒng)和電主軸，機電系統(tǒng)的兼容性好。產(chǎn)品技術文件齊全，貫徹了國家有關標準。產(chǎn)品達到國家安全防護及環(huán)保要求，具備了批量生產(chǎn)的能力與條件。
2006年茲默曼公司推出全新直線驅(qū)動龍門銑床FZ38。該機具有高穩(wěn)性和高結(jié)構剛性、連續(xù)移動質(zhì)量、高動態(tài)性能驅(qū)動，并采用了MuST主軸交換概念，適用于工具制造、模具模型制造和航空工業(yè)所有通用材料的高速加工。該機床使用直線驅(qū)動的目的是提高生產(chǎn)率。FZ38達到了的單位時間排屑量為：最高4500cm3/min（鋁）；線性軸最高進給速度60m/min；主軸最高轉(zhuǎn)速35,000rpm。此外，由扭拒電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)軸進給速度最高可達150°/s。直線驅(qū)動通過高Kv因素獲得高水準的標準控制，使得在高進給率的情況下仍能保持非常小的拖曳距離和高定位精度。由于機床的高精度，減少了表面精加工后的手工打磨，甚至完全沒有必要；機床的高進給率，使重新定位、刀具方向或換刀等輔助時間大大減少。這些特性都提升了FZ38的整體經(jīng)濟效率。
XK2420五軸五聯(lián)動數(shù)控龍門銑床是科技部確定的“十五”國家科技攻關重點項目，具有三向伺服軸X、Y、Z和主軸C軸及擺角A軸-5根控制軸，能進行空間曲面和五面體加工，可廣泛應用于航天、造船、汽車、軍工等重要行業(yè),代表了當今國際制造業(yè)發(fā)展的最新水平。由上海理工大學開發(fā)設計的“高速擺角鏜銑頭”和“強力擺角銑頭”具有C軸和A軸雙擺角功能：高速擺角鏜銑頭采用內(nèi)裝式主軸電機、電機功率18.5/15.1Kw、最高轉(zhuǎn)速10000r/min(無級變速)，可進行高速切削；強力擺角鏜銑頭采取兩段無級變速，電機功率30/22Kw、輸出扭矩940Nm，可實行強力切削；并且配置了立銑頭、臥銑頭等，可組成銑頭庫進行互換，擴展了機床功能。
三、 發(fā)展趨勢
1、 高速度、高效率
眾所周知，機床向高速化方向發(fā)展，不但可以大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。是進入新世紀以來國內(nèi)外機床技術發(fā)展的重要趨勢。
20世紀90年代以來，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達國家爭相開發(fā)應用新一代高速數(shù)控機床，加快機床高速化發(fā)展步伐。高速主軸單元(電主軸，轉(zhuǎn)速15000－100000r/min)、高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60~120m/min，切削進給速度高達60m/min)、高性能數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達到了新的技術水平。
2、 高精度
追求加工中心的高精度，一直是世界各工業(yè)發(fā)達國家努力的方向。當前，在機械加工高精度的要求下，普通級數(shù)控機床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm ；精密級加工中心的加工精度則從±3~5μm 提高到±1~1.5μm ，甚至更高。
3、 高可靠性
隨著數(shù)控機床應用領域的日益普及，數(shù)控機床的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機床制造廠家十分注重和追求的目標。數(shù)控機床也只有首先具有較高的可靠性，才能談得上高速度、高效率和高精度。這已經(jīng)是眾多的數(shù)控系統(tǒng)制造廠家和數(shù)控機床制造廠家達成的共識。當前，國外先進數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 值已達8萬小時以上。
4、 多軸化
隨著5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當前世界各工業(yè)發(fā)達國家的一個開發(fā)熱點，也是當前數(shù)控技術發(fā)展的制高點。
5、 復合化
機床復合加工的概念是指將工件經(jīng)過一次裝夾后，機床便能按照數(shù)控加工程序，自動進行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個復雜形狀零件的主要加工工序乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴孔等多種加工工序。就箱體類零件而言，加工中心是最典型的多工序復合加工機床。事實證明，機床復合化能顯著提高加工精度和效率，特別是能縮短零件加工周期，并節(jié)省占地面積。當前，機床復合化是新一代數(shù)控機床技術進步的重要標志，也是世界各工業(yè)發(fā)達國家積極開發(fā)的熱點。
6、 智能化、網(wǎng)絡化
隨著計算機技術的快速發(fā)展，網(wǎng)絡技術的日益成熟和信息化技術的廣泛采用，數(shù)控機床的智能化和網(wǎng)絡化呈現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。
智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡技術和理論的加工。它是要在加工過程中模擬人類專家的智能活動，以解決加工過程許多不確定性的、非要由人工干預才能解決的問題。網(wǎng)絡化是指數(shù)控機床通過數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位計算機進行網(wǎng)絡連接和網(wǎng)絡控制的技術。它首先是將數(shù)控機床與生產(chǎn)現(xiàn)場或企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)連網(wǎng)，然后再通過因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂的Internet/Internet 技術。目前有越來越多的國內(nèi)用戶在進口數(shù)控機床時要求具有遠程通訊服務等功能。
7、 綠色化
數(shù)控機床的綠色化是基于環(huán)保和節(jié)能的切削加工工藝方法。目前這一綠色加工工藝主要集中在不使用切削液上，這主要是因為切削液既污染工作環(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。
目前在國外大批量零件的切削加工中，已有10~15%的加工使用了干切削和準干切削。對于加工中心來說，主要是采用準干切削，它通常是讓極微量的切削油與壓縮空氣組成的混合物經(jīng)由機床主軸與工具內(nèi)部的空氣通道噴向切削區(qū)以冷卻刀具和工件。
四、 存在問題
1. 技術水平上，與國外同類產(chǎn)品的先進水平相比大約落后10～15 年，在高精尖技術方面則更大。
2. 在產(chǎn)品結(jié)構上，高端產(chǎn)品(如：多軸、復合、高速數(shù)控機床)市場基本上被歐、美、日等發(fā)達工業(yè)國家所壟斷，國內(nèi)開發(fā)的五軸聯(lián)動數(shù)控機床、復合加工中心、高速加工中心等產(chǎn)品，多數(shù)與廠家品化尚有一段距離，而且在技術水平和性能參數(shù)上與歐、美、日等產(chǎn)品還有較大差距。低端產(chǎn)品(即通用普及型產(chǎn)品)市場受到我國臺灣省機床的較大沖擊，就連我們唯一的價格優(yōu)勢也顯得更加脆弱。
3. 產(chǎn)品開發(fā)能力上，國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對產(chǎn)品競爭前的數(shù)控技術的深入研究與開發(fā)，對數(shù)控龍門銑床應用領域的拓展力度不強。
4. 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來國產(chǎn)數(shù)控龍門銑床的產(chǎn)量增加較快，但從總體上看，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足。
5. 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF( 平均無故障時間)大都超過1 萬小時，但國際上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先進企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)MTBF 已達8 萬小時。國產(chǎn)加工中心MTBF 雖有少數(shù)廠達500 小時，但國外加工中心的先進水平已達800 小時。
6. 刀庫和機械手的可靠性還比較低，近年來雖有改進，但用戶仍然不放心。
7. 位置精度，特別是重復定位精度還有待于進一步提高。
8. 至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問題仍然不同程度的存在。
五、 主要參考文獻
1.《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊（第三冊）.北京：機械工業(yè)出版社，1986
2.王愛玲主編.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：國防工業(yè)出版社，2003
3.林宋，田建君編.現(xiàn)代數(shù)控機床.北京：化學工業(yè)出版社，2003
4.袁國梁.從展會看數(shù)控龍門機床產(chǎn)品的發(fā)展.世界制造技術與裝備市場.2006,(4):23-24
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