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新时代机床制造技术的创新与应用 |
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作者：徐正平 曹琦卉 来源：CMJ 中国机械与金属 |
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21世纪，人类正式进入了第三次工业革命时代。作为现代先进制造业的重要一员，机床制造业同样与时俱进，发生着日新月异的变化。
能源与通信交汇爆发工业革命
继蒸汽机诞生与廉价报纸发行进行交汇的第一次工业革命，以及电话、电报的发明与电力工业引发交汇的第二次工业革命之后，互联网计算机通信技术与新能源的交汇引发了第三次工业革命。这场革命是从21世纪初开始，首先由德国引发，预计从目前开始，还有25-35年的储备期，届时崭新一轮蜂拥而至的工业革命将会不断蓬勃而出。
我们不难发现，大量资源被消耗；石油开采跟不上中、印等发展中国家的需求；废气及烟尘排放所造成的空气污染；废水及有害物质排放所造成的江河湖海水质污染；无节制的城镇化，农田占用、森林砍伐等因素造成的生态环境破坏；以及劳动力成本不断上升等等，都是爆发第三次工业革命的缘由。
第三次工业革命对机床制造技术的影响
受第三次工业革命带来的影响，机床制造技术相继注重节能、环保、绿色等方面的研发，而高效、高速、高精度等始终是机床工业所追求的目标。这些精华的汇集，谱写出了机床革命的前奏。我们不妨将这些成果集中加以梳理一下。
机床的结构创新
并联机床的发明
上世纪末美国G&L公司在芝加哥国际机床展上，首次亮相了并联机床的雏形，那是六条腿的测量平台，由此机床从传统的C型传动链结构向并联运动发展变成一种趋势。
所谓并联机床，就是以空间并联机构为基础，以数控软件代替部分硬件、以电子装置及元器件代替部分机械装置，并通过改变桁架杆的长度及移动支点位置，来迅速实现刀具与工件的相对位置变动，从而打破了传统机床以直角坐标系为基础的串联运动学原理。
并联机床因其刚性差等弱点，正朝串并联相结合方向发展，中国清华大学、哈量、长征机床等单位在这方面的研发居国际领先地位。
俄罗斯六条腿并联机床
倒置立车的发明
德国EMAG公司继而发明的倒置立车，特别适宜于对轻型回转体零件的大批量加工。随即，倒立加工中心、倒立复合加工中心及倒立焊接机床等新颖机种应运而生。
加工工艺的创新
复合加工
复合加工机床与技术毋庸置疑是大规模工件加工厂商的福星，这是因为工艺的集成使工件中间闲置时间大为减少，所以在生产全过程中节拍时间相较传统设备得以显著缩短；可节省购置多台机床的固定资产投入；减少了仓库使用面积，降低仓储费用；缩短换装时间。
上世纪90年代中期，奥地利WFL发明了车铣复合加工中心。而日本MAZAK公司则认为Done In One 是数控机床发展的方向，也就是在一台机床上能完成所有工序加工。
激光加工
伴随着激光切削与激光成型技术的不断发展，DMG公司的DML40 SL，可以把CAD图纸直接输入加工。三个直线轴、两个偏转镜回转轴和一个聚焦轴。激光束以小于200的角度范围射入工件表面，进行加工。
而激光脉动方式YAG，激光功率100W，激光束直径Φ0.04~0.1mm，金属切除率为25mm3/min。
超声波振动加工
由工业金刚石颗粒制成的特殊铣刀、钻头或砂轮，通过20,000次/s的超声波振动高频敲击，对超硬材料进行精密加工。
机床主轴转速6,000r/min，驱动功率10kW，主轴高频振动功率1.5kW。
水切割
水刀就是将普通水经过一个超高压加压器，加压至380Mpa（55,000psi)或更高压力，然后通过一个细小的喷嘴（其直径为Φ0.01-Φ0.04mm），可产生一道速度为915m/s（约音速的3倍）的水箭，来进行切割。水刀分为两种类型：纯水水刀及加砂水刀。
柔性制造（FMS）
对FMS的剖析，应该偏重于总控系统、运输小车、交换托盘库以及清洗机等，机床（主要是卧加）只是加工零件的单元之一。因为由机器人学演绎和发展而来的FMS，主要功能不仅要考验加工单元的自适应能力，更要照顾到工作站周围移动物体能力及响应遥感数据的能力等等。
智能制造
智能化是先进制造技术的重要组成部分之一，它集信息技术、光电技术、通信技术、传感技术等为一体，推动着机床制造的不断进步。MAZAK、OKUMA等日本公司，在这方面的研发己取得多项专利。作为系统供应商，德国海德汉公司在他们的软件中，有集成的自适应进给控制功能（AFC：Adaptive Feed Control）、自动校准和优化机床精度（KinematicOpt）及智能颤纹控制（ACC：Active Chatter Control）等供用户选择。
当今高端机床一般均装有热变形控制系统，以保证机床的稳定工作精度。像日本安田公司，他们开发的高精度卧式坐标加工中心，就带有“机体温度控制装置”，至于防撞功能则更是千变万化、层出不穷。
瑞士GF阿奇夏米尔集团智能加工，一切都是围绕提高工艺水平所进行的。他们的米克朗系列智能加工模块可以帮助用户控制铣削工艺，以获得更高的性能、更高的质量和安全性。
微纳制造
上海机床厂有限公司自主创新研发的纳米磨床，主要应用于超硬脆性、超硬合金、模具钢、无电解镀层镍等材料的微小机电光学零部件的纳米级精度磨削加工。加工范围：非球曲面口径<φ10mm，定位精度≦0.1μm（100nm），重复定位精度≦0.05μm（50nm），表面粗糙度Ra<0.01μm（10nm），具备在线测量补偿加工、砂轮在机修整和在线修锐功能。
两个革命性的举措
3D打印
3D打印在第三次工业革命中应运而生，是一种制造业的新颖加工方式。增材制造能加工出高精度、复杂型面的金属与非金属零件。这种精密加工方式能避免刀具干涉，并能加工激光束被遮挡的照射部位。
3D打印技术有很多种，大致有激光粉末成型法、熔融塑料成型法、光敏树脂成型法等几种，技术原理是无论何种成型法，都是采取原料加层方法形成3D物体，每次打印一层材料只有0.1-0.2mm厚，与二维打印机相比，3D打印机多了一维，即Z轴，通过X-Y-Z轴的运动，将原料逐层堆积而成，如熔融塑料成型法，喷嘴喷出熔融的塑料丝，承物平台作三维运动，即可堆积出3D实物（等于一层层粘上去）。
液氮冷冻加工
MAG公司开发了一套颠覆传统方法的切削冷却系统——“超低温液氮冷却切削技术”，成为机床行业革命性的创新。MAG亚太区总裁李黎先生表示，“这一技术的推广使用将对机床和刀具行业产生革命性的冲击，高效和高寿命将使机床和刀具的消费量降低，同时降低地球资源的消耗”。
切削加工中的切削热而导致刀具加工超硬材料时磨损快，刀具消耗量大，刀具消耗成本甚至超过机床的成本。而超低温液氮冷却切削技术的推出，可以实现通过主轴中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中打出液氮，刀具切削产生的热量被液氮气化（液氮的沸点为-320℃）的瞬间带走，尤其是在超硬材料加工和复合材料加工上会有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具寿命也可以大大延长。
据MAG几年来的切削试验统计，在对钛、镍基合金、球墨铸铁或蠕墨铸铁等难切削材料进行加工时，金属去除率平均可以提高3倍，刀具寿命平均可以延长2 倍，这就意味着一台机床可以当3台机床使用，一个刀片可以当两个刀片使用，大大节省设备、场地、人员的使用和刀具、能源的消耗。
该技术对环境友好。通常金属切削冷却的手段是使用冷却液或冷却油，而冷却液或冷却油不仅污染环境需要回收处理，且油雾处理不好甚至出现燃烧起火等不安全状况，而氮气是安全气体，自然排放到空气中没有任何污染，也不需回收。
未来机床展望
令人费解的缠绕机
针对碳纤维之类材料的零件，可用缠绕方式进行加工。
轨道铣磨车
机床也可是行驶中的列车，其前面车轮是铣刀盘，把损坏的路轨铣平；其后轮是砂轮，把铣平的路轨磨光。
大隈口号及MAZAK模型
日本大隈提出，未来机床发展方向应该是：SPACE CENTER具有高速（SPEED）、高效（POWER）、高精度（ACCURACY）、通讯（COMMUNICATION）、环保（ECOLOGY）等特点。
而MAZAK建立未来机床模型且为：主轴转速100,000r/min，加速度8g，切削速度2马赫，同步换刀，干切削，集车、铣、激光加工、磨、测量于一体。
不尽长江滚滚流，后浪永远推前浪。处于第三次工业革命时期的先进制造技术，它的发展速度，它的变更周期，会比历史上任何时期要来得快，故而新时代的数控机床发展，将使我们目不暇接，并推动着社会发展的不断进步。
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(10/25/2013) |
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