輕型龍門(mén)銑床的設(shè)計(jì)
附錄2
文獻(xiàn)綜述
一、 課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
“十五”期間，我國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品，通過(guò)引進(jìn)技術(shù)、合作生產(chǎn)等形式，在高速、高精、多軸、復(fù)合等方面，都有較大進(jìn)展。尤其是數(shù)控龍門(mén)銑床更為突出。從1999年江蘇多棱（原常州機(jī)床總廠）帶頭打破西方封鎖，研制成功具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的我國(guó)第一臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)銑床以來(lái)，已有濟(jì)南二機(jī)、桂林機(jī)床、北京一機(jī)等多家推出五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)加工中心和數(shù)控龍門(mén)鏜銑床。CCMT2006展會(huì)上，實(shí)力雄厚的沈陽(yáng)機(jī)床集團(tuán)，一次推出3臺(tái)大型龍門(mén)加工中心，擺在展臺(tái)的顯赫位置。其中，4臺(tái)具有五軸聯(lián)動(dòng)功能，1臺(tái)具有五面加工功能，這是前幾次所沒(méi)有的，突出體現(xiàn)了我國(guó)龍門(mén)加工中心和數(shù)控龍門(mén)銑床在五軸聯(lián)動(dòng)功能上，開(kāi)始走向成熟。
在近幾屆國(guó)內(nèi)機(jī)床展覽會(huì)上，看到我國(guó)龍門(mén)加工中心和數(shù)控龍門(mén)銑床在結(jié)構(gòu)性能、技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量等方面，都有很大提高。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家同類(lèi)產(chǎn)品相比，還有較大差距，首先是自主創(chuàng)新能力不夠，當(dāng)前多以仿制為主，或引進(jìn)技術(shù)合作生產(chǎn)，缺乏自主知識(shí)品牌的高檔產(chǎn)品，往往關(guān)鍵的核心技術(shù)，關(guān)鍵的功能部件，還是從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)。例如，在CCMT2006上海機(jī)床展會(huì)上，共展出了8臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)加工中心，采用的關(guān)鍵部件——雙擺角銑頭，除了濟(jì)南二機(jī)和桂林機(jī)床是自己開(kāi)發(fā)的以外，其余6臺(tái)都是購(gòu)買(mǎi)意大利意薩、菲迪亞等國(guó)外公司產(chǎn)品。其次是產(chǎn)品質(zhì)量，尤其是整機(jī)可靠性，還有較大差距，這也是用戶最關(guān)注的問(wèn)題之一。應(yīng)該看到，目前除少數(shù)企業(yè)外，龍門(mén)類(lèi)產(chǎn)品技術(shù)含量普遍較低，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化程度不高。這些都是國(guó)內(nèi)主機(jī)廠需要下大力氣認(rèn)真改進(jìn)、努力提高的地方。
然而中國(guó)數(shù)控龍門(mén)銑床產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問(wèn)題中，許多情況不容樂(lè)觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)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(yán)重、對(duì)自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)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(tái)國(guó)產(chǎn)化數(shù)控五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)銑床通過(guò)廣西科技廳鑒定，該產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與特點(diǎn)有：1.五軸聯(lián)動(dòng)核心功能部件數(shù)控AC擺動(dòng)銑頭的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、制造，并應(yīng)用于龍門(mén)銑床，實(shí)現(xiàn)了龍門(mén)銑床五軸聯(lián)動(dòng)加工。2.采用雙邊向里凸斜支撐的穩(wěn)定的龍門(mén)框架結(jié)構(gòu)。3.采用雙線軌與滑軌的復(fù)合橫向?qū)к壗Y(jié)構(gòu)。4.采用國(guó)產(chǎn)華中數(shù)控系統(tǒng)和洛陽(yáng)軸承研究所的電主軸，從而成為國(guó)產(chǎn)化的首臺(tái)首套五軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)銑床。專(zhuān)家教授鑒定還認(rèn)為，該產(chǎn)品布局與結(jié)構(gòu)合理、先進(jìn)，整機(jī)剛性好，精度高；數(shù)控AC擺動(dòng)銑頭結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)先進(jìn)，性能穩(wěn)定，可選配國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)和電主軸，機(jī)電系統(tǒng)的兼容性好。產(chǎn)品技術(shù)文件齊全，貫徹了國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品達(dá)到國(guó)家安全防護(hù)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(dòng)龍門(mén)銑床FZ38。該機(jī)具有高穩(wěn)性和高結(jié)構(gòu)剛性、連續(xù)移動(dòng)質(zhì)量、高動(dòng)態(tài)性能驅(qū)動(dòng)，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(jī)床使用直線驅(qū)動(dòng)的目的是提高生產(chǎn)率。FZ38達(dá)到了的單位時(shí)間排屑量為：最高4500cm3/min（鋁）；線性軸最高進(jìn)給速度60m/min；主軸最高轉(zhuǎn)速35,000rpm。此外，由扭拒電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)給速度最高可達(dá)150°/s。直線驅(qū)動(dòng)通過(guò)高Kv因素獲得高水準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)控制，使得在高進(jìn)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(jī)床的高精度，減少了表面精加工后的手工打磨，甚至完全沒(méi)有必要；機(jī)床的高進(jìn)給率，使重新定位、刀具方向或換刀等輔助時(shí)間大大減少。這些特性都提升了FZ38的整體經(jīng)濟(jì)效率。
XK2420五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控龍門(mén)銑床是科技部確定的“十五”國(guó)家科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)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(jìn)行空間曲面和五面體加工，可廣泛應(yīng)用于航天、造船、汽車(chē)、軍工等重要行業(yè),代表了當(dāng)今國(guó)際制造業(yè)發(fā)展的最新水平。由上海理工大學(xué)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的“高速擺角鏜銑頭”和“強(qiáng)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(jī)、電機(jī)功率18.5/15.1Kw、最高轉(zhuǎn)速10000r/min(無(wú)級(jí)變速)，可進(jìn)行高速切削；強(qiáng)力擺角鏜銑頭采取兩段無(wú)級(jí)變速，電機(jī)功率30/22Kw、輸出扭矩940Nm，可實(shí)行強(qiáng)力切削；并且配置了立銑頭、臥銑頭等，可組成銑頭庫(kù)進(jìn)行互換，擴(kuò)展了機(jī)床功能。
三、 發(fā)展趨勢(shì)
1、 高速度、高效率
眾所周知，機(jī)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(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)國(guó)內(nèi)外機(jī)床技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。
20世紀(jì)90年代以來(lái)，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)應(yīng)用新一代高速數(shù)控機(jī)床，加快機(jī)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(快移速度60~120m/min，切削進(jìn)給速度高達(dá)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(dá)到了新的技術(shù)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(dá)國(guó)家努力的方向。當(dāng)前，在機(jī)械加工高精度的要求下，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由±10μm 提高到±5μm ；精密級(jí)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(jī)床應(yīng)用領(lǐng)域的日益普及，數(shù)控機(jī)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(jī)床制造廠家十分注重和追求的目標(biāo)。數(shù)控機(jī)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(jī)床制造廠家達(dá)成的共識(shí)。當(dāng)前，國(guó)外先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF 值已達(dá)8萬(wàn)小時(shí)以上。
4、 多軸化
隨著5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的普及，5 軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的一個(gè)開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，也是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)。
5、 復(fù)合化
機(jī)床復(fù)合加工的概念是指將工件經(jīng)過(guò)一次裝夾后，機(jī)床便能按照數(shù)控加工程序，自動(dòng)進(jìn)行同一類(lèi)工藝方法或不同類(lèi)工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要加工工序乃至全部車(chē)、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種加工工序。就箱體類(lèi)零件而言，加工中心是最典型的多工序復(fù)合加工機(jī)床。事實(shí)證明，機(jī)床復(fù)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(dāng)前，機(jī)床復(fù)合化是新一代數(shù)控機(jī)床技術(shù)進(jìn)步的重要標(biāo)志，也是世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家積極開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。
6、 智能化、網(wǎng)絡(luò)化
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和信息化技術(shù)的廣泛采用，數(shù)控機(jī)床的智能化和網(wǎng)絡(luò)化呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
智能加工是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和理論的加工。它是要在加工過(guò)程中模擬人類(lèi)專(zhuān)家的智能活動(dòng)，以解決加工過(guò)程許多不確定性的、非要由人工干預(yù)才能解決的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)化是指數(shù)控機(jī)床通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)與外部的其他控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制的技術(shù)。它首先是將數(shù)控機(jī)床與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)或企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)連網(wǎng)，然后再通過(guò)因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂的Internet/Internet 技術(shù)。目前有越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)用戶在進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。
7、 綠色化
數(shù)控機(jī)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?yàn)榍邢饕杭任廴竟ぷ鳝h(huán)境和危害工人健康，又增加資源和能源的消耗。
目前在國(guó)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(zhǔn)干切削。對(duì)于加工中心來(lái)說(shuō)，主要是采用準(zhǔn)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(jī)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(wèn)題
1. 技術(shù)水平上，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平相比大約落后10～15 年，在高精尖技術(shù)方面則更大。
2. 在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，高端產(chǎn)品(如：多軸、復(fù)合、高速數(shù)控機(jī)床)市場(chǎng)基本上被歐、美、日等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家所壟斷，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、復(fù)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(shù)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(chǎng)受到我國(guó)臺(tái)灣省機(jī)床的較大沖擊，就連我們唯一的價(jià)格優(yōu)勢(shì)也顯得更加脆弱。
3. 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力上，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)前的數(shù)控技術(shù)的深入研究與開(kāi)發(fā)，對(duì)數(shù)控龍門(mén)銑床應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng)。
4. 產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小，雖然近年來(lái)國(guó)產(chǎn)數(shù)控龍門(mén)銑床的產(chǎn)量增加較快，但從總體上看，還沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)；國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足。
5. 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)MTBF( 平均無(wú)故障時(shí)間)大都超過(guò)1 萬(wàn)小時(shí)，但國(guó)際上知名品牌如：FANUC、SIEMENS 等先進(jìn)企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)MTBF 已達(dá)8 萬(wàn)小時(shí)。國(guó)產(chǎn)加工中心MTBF 雖有少數(shù)廠達(dá)500 小時(shí)，但國(guó)外加工中心的先進(jìn)水平已達(dá)800 小時(shí)。
6. 刀庫(kù)和機(jī)械手的可靠性還比較低，近年來(lái)雖有改進(jìn)，但用戶仍然不放心。
7. 位置精度，特別是重復(fù)定位精度還有待于進(jìn)一步提高。
8. 至于外觀粗糙，漏油、漏水、漏氣等老問(wèn)題仍然不同程度的存在。
五、 主要參考文獻(xiàn)
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