機(jī)床技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)
高速數(shù)控加工起源于90年代初，它以電主軸實(shí)現(xiàn)主軸高速和以直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)高直線移動(dòng)速度為主要特征，主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的轎車工業(yè)等領(lǐng)域。目的是力圖用高主軸轉(zhuǎn)速和高速直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的單主軸加工中心來替代多主軸但難以實(shí)現(xiàn)高主軸轉(zhuǎn)速和高速進(jìn)給的組合機(jī)床，從而在大批量生產(chǎn)中，既得到高度的柔性利于產(chǎn)品快速地更新?lián)Q代，而又不降低生產(chǎn)效率。
在實(shí)際生產(chǎn)中，一些馳名的汽車廠如我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。當(dāng)前最新趨勢(shì)是：繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。有的公司為了降低成本，不用直線電機(jī)，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導(dǎo)程的滾珠絲杠；日本東芝機(jī)械則采用中空通冷卻液的雙滾珠絲杠來增強(qiáng)傳動(dòng)剛度。但不管采用何種形式的滾珠絲杠，其最大移動(dòng)速度一般不大于50m/min，加速度最高為0.5g～1g，但是，HüLLERHILLE公司的nbh110高速加工中心，由于采用了“框中框”結(jié)構(gòu)，使得移動(dòng)部件質(zhì)量較小。因此盡管用了滾珠絲杠，其X、Y、Z軸直線速度仍可高達(dá)75m/min，加速度達(dá)1g。
高速加工應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域是用立方氮化硼刀具進(jìn)行淬硬鋼的高速銑削或車削，這對(duì)模具工業(yè)非常有利。為了追求最終的高精度，一般希望在模具淬硬以后進(jìn)行精加工。在以前，對(duì)付淬硬模具唯一可用的加工手段是電加工。電加工的放電燒蝕是微切屑加工，效率極低。而高速銑削淬硬鋼的效率卻可以高出幾十倍，從而成為電加工的理想替代工藝。雖然，對(duì)那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半徑圓弧曲面和清角等高速銑削無能為力，但可以用高速銑削進(jìn)行粗、半精加工，而用電加工作最后加工，這樣可大大縮短模具加工周期。對(duì)那些為數(shù)眾多的異形且窄而深的槽類模具，仍只能采用電加工方法。為此，電加工永遠(yuǎn)不會(huì)被完全取代。
高速銑削淬硬鋼對(duì)電加工的挑戰(zhàn)，促使電加工機(jī)床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年（1996年著手研制）在世界上率先推出了直線電機(jī)取代滾珠絲杠的電火花成形機(jī)床。在IMTS2000上Sodick的電火花線切割機(jī)床和打孔機(jī)床也全部用上了直線電機(jī)。以直線運(yùn)動(dòng)速度為36m/min左右、分辨率為1μm的直線電機(jī)傳動(dòng)取代直線速度只有1.3m/min左右，分辨率為1μm的滾珠絲杠，其傳動(dòng)的優(yōu)越性不能直接體現(xiàn)在高速度上。這是由電火花機(jī)床為不斷維持放電間隙的前移而又不致于短路的伺服性質(zhì)所決定的。它表現(xiàn)為瞬時(shí)進(jìn)、瞬時(shí)停、甚至瞬時(shí)后退。由于直線電機(jī)大幅度提高了傳動(dòng)剛進(jìn)，且有高達(dá)3000N的直線推力，因此有可能產(chǎn)生瞬時(shí)高加（減）速度，形成高頻率瞬時(shí)的斷續(xù)沖擊，沖走由電蝕產(chǎn)生的鐵屑。這樣既可免除一切“沖刷”（Flushing）裝置，又可一直保持最小且一致的火花間隙而達(dá)到快速的進(jìn)給。從而不僅可大幅度提高效率（一般可提高40%）、精度，改善表面粗糙度，還可以解決以往由于無法解決“沖刷”問題（如很難在微小且密集的電極上鉆“沖刷”用小孔等）而不能進(jìn)行電加工的問題。
航空和宇航工業(yè)是高速加工的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。其原因一是其主導(dǎo)材料為鋁和鋁合金；二是其零件常具有厚度極薄的壁和筋，剛度很差。只有高速切削時(shí)切削力很小才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。最新趨勢(shì)是：近來這些行業(yè)流行采用大型整體鋁合金坯料制造大型部件，如機(jī)翼、機(jī)身等，來替代多個(gè)零件，以避免眾多的鉚釘、螺釘和其它聯(lián)結(jié)方式。這樣不僅可省去昂貴的裝配工時(shí)和工裝，還可使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。因而，在這屆IMTS2000上，美國(guó)CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了專門用于飛機(jī)工業(yè)的大型高速銑床（其型號(hào)分別為HyperMach和JoMach159）。這類機(jī)床有以下特點(diǎn)：
（1）進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速和功率：由于飛機(jī)工業(yè)采用整體坯料“掏空”的方法加工零件，切削量極大。因而，主軸轉(zhuǎn)速和功率可增加的空間也很大。據(jù)CINCINNATI公司稱，以往在飛機(jī)工業(yè)中，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min和22kW就是高速了。隨著技術(shù)進(jìn)步，先進(jìn)機(jī)床已提高到40000r/min和40kW。而他們的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即達(dá)到了新的高度。
?。?）超長(zhǎng)的X行程和龍門移動(dòng)：由于“機(jī)翼”類為細(xì)長(zhǎng)型零件，JoMach機(jī)床的X軸行程長(zhǎng)達(dá)30m，而Y軸只有2m。據(jù)稱它將被用于加工歐洲下一代戰(zhàn)斗機(jī)“臺(tái)風(fēng)”的機(jī)翼。HyperMach機(jī)床的X行程最長(zhǎng)為46m，Y軸也只有2m。英國(guó)Marwin公司Alumax系列機(jī)床的雙面總長(zhǎng)度達(dá)100m。如此長(zhǎng)的X行程，只能是龍門（往往是多個(gè)龍門）移動(dòng)而不可能是工作臺(tái)移動(dòng)。
（3）采用直線電機(jī)作高速直線傳動(dòng)：和以往航空工業(yè)大型機(jī)床用斜齒輪齒條或蝸桿條傳動(dòng)不同，這類高速銑床也用上了直線電機(jī)。這是為了適應(yīng)主軸超高速、特大功率和超長(zhǎng)X行程的需要。HyperMach機(jī)床采用直線電機(jī)以后，進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g。據(jù)CICINNATI公司稱，他們?cè)贖yperMach上曾試切一件薄壁飛機(jī)零件，只花了30分鐘。同樣的零件在一般高速銑床上加工費(fèi)時(shí)3小時(shí)，而在普通數(shù)控床需8小時(shí)。這充分顯示了超高速機(jī)床的威力。
Jobs公司2000年推出的另一臺(tái)用于航空和模具工業(yè)的高速大型銑床LinX，為橋式布局，也應(yīng)用了直線電機(jī)，最高進(jìn)給速度達(dá)60m/min，加速度0.6g，主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，功率為44kW。據(jù)稱，由于高速主軸和高速進(jìn)給，加工時(shí)間可減少50%，機(jī)床結(jié)構(gòu)還得到簡(jiǎn)化，減少了25%的零件，從而易于維護(hù)。
以上說明直線電機(jī)應(yīng)用已從最初的汽車工業(yè)，擴(kuò)展到電加工機(jī)床，航空工業(yè)和大型模具的加工。
不僅如此，這次IMTS2000展品中，板材沖壓機(jī)和激光板材切割機(jī)床也應(yīng)用了直線電機(jī)，如Alabama公司的激光切割機(jī)，采用直線電機(jī)后，速度為150m/min，加速度為1.3g。另外，直線電機(jī)還被應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，如Helmel公司的MierostarHS產(chǎn)品，直線移動(dòng)速度達(dá)30m/min，這樣，測(cè)頭每分鐘可作120次以上的接觸測(cè)量。
高速化另一個(gè)關(guān)鍵功能部件——電主軸最近有以下新進(jìn)展：
?。?）瑞士Fischer公司推出在電主軸部件上裝有在線自動(dòng)動(dòng)平衡裝置的產(chǎn)品。應(yīng)用在加工中心上，每換一次刀進(jìn)行一次包括刀具質(zhì)量在內(nèi)的自動(dòng)動(dòng)平衡。據(jù)稱可在一秒鐘內(nèi)消除80～90%由動(dòng)不平衡所引起的振動(dòng)。
?。?）瑞士IBAG公司推出了靜壓軸承的電主軸，據(jù)稱使用壽命大于2萬小時(shí)。
?。?）美國(guó)Ingersoll公司推出了動(dòng)靜壓軸承的電主軸，作為一個(gè)獨(dú)立部件出售。
?。?）瑞士IBAG公司推出了磁浮軸承的電主軸。
?。?）瑞士IBAG公司在其電主軸部件上配備軸向尺寸監(jiān)測(cè)傳感器，可與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)結(jié)進(jìn)行軸向尺寸的補(bǔ)償。
（6）永磁同步電機(jī)的電主軸也已出現(xiàn)。此前電主軸的電機(jī)均為異步感應(yīng)電機(jī)。其定子發(fā)熱可以冷卻，而轉(zhuǎn)子發(fā)熱無法冷卻。但永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵不發(fā)熱。此外，同功率的同步電機(jī)外形尺寸比異步電機(jī)小，有利于實(shí)現(xiàn)小尺寸、大功率，也即可提高功率密度（PowerDensity）。但目前僅有少數(shù)機(jī)床公司（如Mazak）在研制。專業(yè)的電主軸公司尚未見有產(chǎn)品供應(yīng)。
歐洲至少有三家著名的電主軸公司（瑞士Fischer、IBAG，德國(guó)GMN）正在搶灘美國(guó)市場(chǎng)，紛紛在美國(guó)建立分公司進(jìn)行銷售、維修和翻新等業(yè)務(wù)。原因是電主軸的核心技術(shù)是精密加工和精密裝配，對(duì)工人的技藝水平要求很高，這些正是瑞士、德國(guó)的強(qiáng)項(xiàng)；在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，滾動(dòng)軸承的壽命均是較低的。主要失效形式為由于材料疲勞而喪失精度（電主軸精度一般為徑向2μm，軸向1μm）。因此不具備本地維修、翻新的能力是不可能打開市場(chǎng)的。一些電主軸公司建議戶購(gòu)置一個(gè)備品，因?yàn)橐话愕木S修、翻新時(shí)間為兩周。這樣，可把停機(jī)時(shí)間減至最小。
在實(shí)際生產(chǎn)中，一些馳名的汽車廠如我國(guó)的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。當(dāng)前最新趨勢(shì)是：繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。有的公司為了降低成本，不用直線電機(jī)，而采用中空通冷卻液、加大直徑和加大導(dǎo)程的滾珠絲杠；日本東芝機(jī)械則采用中空通冷卻液的雙滾珠絲杠來增強(qiáng)傳動(dòng)剛度。但不管采用何種形式的滾珠絲杠，其最大移動(dòng)速度一般不大于50m/min，加速度最高為0.5g～1g，但是，HüLLERHILLE公司的nbh110高速加工中心，由于采用了“框中框”結(jié)構(gòu)，使得移動(dòng)部件質(zhì)量較小。因此盡管用了滾珠絲杠，其X、Y、Z軸直線速度仍可高達(dá)75m/min，加速度達(dá)1g。
高速加工應(yīng)用的另一個(gè)領(lǐng)域是用立方氮化硼刀具進(jìn)行淬硬鋼的高速銑削或車削，這對(duì)模具工業(yè)非常有利。為了追求最終的高精度，一般希望在模具淬硬以后進(jìn)行精加工。在以前，對(duì)付淬硬模具唯一可用的加工手段是電加工。電加工的放電燒蝕是微切屑加工，效率極低。而高速銑削淬硬鋼的效率卻可以高出幾十倍，從而成為電加工的理想替代工藝。雖然，對(duì)那些大型模具上的深而窄的槽、小曲率半徑圓弧曲面和清角等高速銑削無能為力，但可以用高速銑削進(jìn)行粗、半精加工，而用電加工作最后加工，這樣可大大縮短模具加工周期。對(duì)那些為數(shù)眾多的異形且窄而深的槽類模具，仍只能采用電加工方法。為此，電加工永遠(yuǎn)不會(huì)被完全取代。
高速銑削淬硬鋼對(duì)電加工的挑戰(zhàn)，促使電加工機(jī)床也走向“高速”化。日本Sodick公司于1999年（1996年著手研制）在世界上率先推出了直線電機(jī)取代滾珠絲杠的電火花成形機(jī)床。在IMTS2000上Sodick的電火花線切割機(jī)床和打孔機(jī)床也全部用上了直線電機(jī)。以直線運(yùn)動(dòng)速度為36m/min左右、分辨率為1μm的直線電機(jī)傳動(dòng)取代直線速度只有1.3m/min左右，分辨率為1μm的滾珠絲杠，其傳動(dòng)的優(yōu)越性不能直接體現(xiàn)在高速度上。這是由電火花機(jī)床為不斷維持放電間隙的前移而又不致于短路的伺服性質(zhì)所決定的。它表現(xiàn)為瞬時(shí)進(jìn)、瞬時(shí)停、甚至瞬時(shí)后退。由于直線電機(jī)大幅度提高了傳動(dòng)剛進(jìn)，且有高達(dá)3000N的直線推力，因此有可能產(chǎn)生瞬時(shí)高加（減）速度，形成高頻率瞬時(shí)的斷續(xù)沖擊，沖走由電蝕產(chǎn)生的鐵屑。這樣既可免除一切“沖刷”（Flushing）裝置，又可一直保持最小且一致的火花間隙而達(dá)到快速的進(jìn)給。從而不僅可大幅度提高效率（一般可提高40%）、精度，改善表面粗糙度，還可以解決以往由于無法解決“沖刷”問題（如很難在微小且密集的電極上鉆“沖刷”用小孔等）而不能進(jìn)行電加工的問題。
航空和宇航工業(yè)是高速加工的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。其原因一是其主導(dǎo)材料為鋁和鋁合金；二是其零件常具有厚度極薄的壁和筋，剛度很差。只有高速切削時(shí)切削力很小才能對(duì)這些筋、壁進(jìn)行加工。最新趨勢(shì)是：近來這些行業(yè)流行采用大型整體鋁合金坯料制造大型部件，如機(jī)翼、機(jī)身等，來替代多個(gè)零件，以避免眾多的鉚釘、螺釘和其它聯(lián)結(jié)方式。這樣不僅可省去昂貴的裝配工時(shí)和工裝，還可使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高。因而，在這屆IMTS2000上，美國(guó)CINCINNATI和意大利Jobs公司均展出了專門用于飛機(jī)工業(yè)的大型高速銑床（其型號(hào)分別為HyperMach和JoMach159）。這類機(jī)床有以下特點(diǎn)：
（1）進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速和功率：由于飛機(jī)工業(yè)采用整體坯料“掏空”的方法加工零件，切削量極大。因而，主軸轉(zhuǎn)速和功率可增加的空間也很大。據(jù)CINCINNATI公司稱，以往在飛機(jī)工業(yè)中，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min和22kW就是高速了。隨著技術(shù)進(jìn)步，先進(jìn)機(jī)床已提高到40000r/min和40kW。而他們的HyperMach已提高到60000r/min和80kW，也即達(dá)到了新的高度。
?。?）超長(zhǎng)的X行程和龍門移動(dòng)：由于“機(jī)翼”類為細(xì)長(zhǎng)型零件，JoMach機(jī)床的X軸行程長(zhǎng)達(dá)30m，而Y軸只有2m。據(jù)稱它將被用于加工歐洲下一代戰(zhàn)斗機(jī)“臺(tái)風(fēng)”的機(jī)翼。HyperMach機(jī)床的X行程最長(zhǎng)為46m，Y軸也只有2m。英國(guó)Marwin公司Alumax系列機(jī)床的雙面總長(zhǎng)度達(dá)100m。如此長(zhǎng)的X行程，只能是龍門（往往是多個(gè)龍門）移動(dòng)而不可能是工作臺(tái)移動(dòng)。
（3）采用直線電機(jī)作高速直線傳動(dòng)：和以往航空工業(yè)大型機(jī)床用斜齒輪齒條或蝸桿條傳動(dòng)不同，這類高速銑床也用上了直線電機(jī)。這是為了適應(yīng)主軸超高速、特大功率和超長(zhǎng)X行程的需要。HyperMach機(jī)床采用直線電機(jī)以后，進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min，快速為100m/min，加速度達(dá)2g。據(jù)CICINNATI公司稱，他們?cè)贖yperMach上曾試切一件薄壁飛機(jī)零件，只花了30分鐘。同樣的零件在一般高速銑床上加工費(fèi)時(shí)3小時(shí)，而在普通數(shù)控床需8小時(shí)。這充分顯示了超高速機(jī)床的威力。
Jobs公司2000年推出的另一臺(tái)用于航空和模具工業(yè)的高速大型銑床LinX，為橋式布局，也應(yīng)用了直線電機(jī)，最高進(jìn)給速度達(dá)60m/min，加速度0.6g，主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，功率為44kW。據(jù)稱，由于高速主軸和高速進(jìn)給，加工時(shí)間可減少50%，機(jī)床結(jié)構(gòu)還得到簡(jiǎn)化，減少了25%的零件，從而易于維護(hù)。
以上說明直線電機(jī)應(yīng)用已從最初的汽車工業(yè)，擴(kuò)展到電加工機(jī)床，航空工業(yè)和大型模具的加工。
不僅如此，這次IMTS2000展品中，板材沖壓機(jī)和激光板材切割機(jī)床也應(yīng)用了直線電機(jī)，如Alabama公司的激光切割機(jī)，采用直線電機(jī)后，速度為150m/min，加速度為1.3g。另外，直線電機(jī)還被應(yīng)用于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，如Helmel公司的MierostarHS產(chǎn)品，直線移動(dòng)速度達(dá)30m/min，這樣，測(cè)頭每分鐘可作120次以上的接觸測(cè)量。
高速化另一個(gè)關(guān)鍵功能部件——電主軸最近有以下新進(jìn)展：
?。?）瑞士Fischer公司推出在電主軸部件上裝有在線自動(dòng)動(dòng)平衡裝置的產(chǎn)品。應(yīng)用在加工中心上，每換一次刀進(jìn)行一次包括刀具質(zhì)量在內(nèi)的自動(dòng)動(dòng)平衡。據(jù)稱可在一秒鐘內(nèi)消除80～90%由動(dòng)不平衡所引起的振動(dòng)。
?。?）瑞士IBAG公司推出了靜壓軸承的電主軸，據(jù)稱使用壽命大于2萬小時(shí)。
?。?）美國(guó)Ingersoll公司推出了動(dòng)靜壓軸承的電主軸，作為一個(gè)獨(dú)立部件出售。
?。?）瑞士IBAG公司推出了磁浮軸承的電主軸。
?。?）瑞士IBAG公司在其電主軸部件上配備軸向尺寸監(jiān)測(cè)傳感器，可與機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)結(jié)進(jìn)行軸向尺寸的補(bǔ)償。
（6）永磁同步電機(jī)的電主軸也已出現(xiàn)。此前電主軸的電機(jī)均為異步感應(yīng)電機(jī)。其定子發(fā)熱可以冷卻，而轉(zhuǎn)子發(fā)熱無法冷卻。但永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵不發(fā)熱。此外，同功率的同步電機(jī)外形尺寸比異步電機(jī)小，有利于實(shí)現(xiàn)小尺寸、大功率，也即可提高功率密度（PowerDensity）。但目前僅有少數(shù)機(jī)床公司（如Mazak）在研制。專業(yè)的電主軸公司尚未見有產(chǎn)品供應(yīng)。
歐洲至少有三家著名的電主軸公司（瑞士Fischer、IBAG，德國(guó)GMN）正在搶灘美國(guó)市場(chǎng)，紛紛在美國(guó)建立分公司進(jìn)行銷售、維修和翻新等業(yè)務(wù)。原因是電主軸的核心技術(shù)是精密加工和精密裝配，對(duì)工人的技藝水平要求很高，這些正是瑞士、德國(guó)的強(qiáng)項(xiàng)；在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，滾動(dòng)軸承的壽命均是較低的。主要失效形式為由于材料疲勞而喪失精度（電主軸精度一般為徑向2μm，軸向1μm）。因此不具備本地維修、翻新的能力是不可能打開市場(chǎng)的。一些電主軸公司建議戶購(gòu)置一個(gè)備品，因?yàn)橐话愕木S修、翻新時(shí)間為兩周。這樣，可把停機(jī)時(shí)間減至最小。
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