機床及其制造系統(tǒng)的柔性化將在可重組制造(Reconfigurable Manufacturing)技術(shù)的支持下,通過對制造系統(tǒng)的快速重組實現(xiàn)更敏捷和經(jīng)濟地適應(yīng)不確定市場對產(chǎn)品多變的要求;數(shù)控車、銑、磨等機床的工作精度正以平均每年提升8%-10%的幅度向納米級高精度邁進,并不斷地拓展新穎的精密加工方法;機床的綠色設(shè)計與制造以重視環(huán)保的潔凈生產(chǎn)為重點,干切削或微量(≤100ml/h)切削液的高效加工技術(shù)日趨成熟。
數(shù)控機床的主軸轉(zhuǎn)速和功率的大幅度提高為高速切削的應(yīng)用提供了良好的條件。高速切削的界限,在不同的年代,隨著切削方法和被加工材料的不同,其數(shù)值也不盡相同,通常認為的高速切削是指比傳統(tǒng)的切削速度和進給速度高出5~8倍。高的進給速度在切削鋼和鑄鐵時可達20~50m/min,相當(dāng)每個刀齒的進給量為1.0-1.5mm。顯然應(yīng)用高速加工能增大單位時間材料被切除的體積(材料切除率Q),但按目前機床的情況來看,要充分發(fā)揮先進刀具的高速加工能力,還必須開發(fā)有更高驅(qū)動功率和結(jié)構(gòu)剛度的機床,因此當(dāng)前航空、汽車和模具等制造行業(yè)普遍地采用高速加工,并不是只限于提高切削效率,還著眼于用它在以下3方面獲得對加工品質(zhì)和經(jīng)濟效益的提升。
1、減小切削力,保證薄壁零件加工的形狀精度。通過提高切削速度(Vc)和降低進給量(f),在保持相同材料切除率Q的條件下,使每個刀齒的進給量減小而使切削力降低。
2、提高加工表面質(zhì)量。在保持相同的切削效率(即相同Q值)下,提高切削速度可改善切屑形成過程和增加切削阻尼有利于抑制顫振,而相應(yīng)地減少每個刀齒的進給量能降低切削表面軌跡形成的殘留高度,改善表面粗糙度,從而有利于精密零件和模具的加工。
3、減少被加工零件的溫升和熱變形。高的切削速度和低的進給量所形成的連續(xù)切屑流將使更多的切削熱被切屑帶走,減少零件和刀具的熱變形,有利于保證批量生產(chǎn)的零件尺寸穩(wěn)定性。
因此,數(shù)控機床采取提高切削速度和切削進給后,對改善加工質(zhì)量、縮短切削工時等有明顯的效果,但為了達到機床利用率進一步提高的目標(biāo),還需對數(shù)控機床實現(xiàn)全面高速化。對現(xiàn)有數(shù)控機床使用情況統(tǒng)計得出:其有效切削時間與全部工時之比(機床利用率)僅為 25%~35%,其余的75%~65%均消耗在機床調(diào)整、程序運行檢查、空行程、起制動空運轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾等輔助時間以及待工時間(由于技術(shù)準(zhǔn)備和調(diào)度不及時引起的非工作時間)與故障停機時間上。因此需通過提高各軸快移速度和加(減)速度、主軸變速的角加(減)速度、刀具(工件)自動交換速度,改善數(shù)控系統(tǒng)的操作方便性和監(jiān)控功能以及加強信息管理才有可能全面壓縮輔助時間和減少待工時間,使數(shù)控機床的利用率達到60%以上。
數(shù)控機床高速化進入工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵因素除了刀具性能的提升之外,有賴于內(nèi)裝式電機主軸單元(簡稱電主軸)和直線電機驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用于車、銑加工的高速強力電主軸在20世紀80年代已開始在數(shù)控車床和加工中心上應(yīng)用,為推進高速切削起到了重要作用。直線電機驅(qū)動技術(shù)的研發(fā)開辟了控制軸運動高速化的新領(lǐng)域。直線電機用于數(shù)控機床控制軸的驅(qū)動上成為數(shù)控機床向高速化、精密化發(fā)展的一項重要技術(shù)支持,也引起了機床研究人員和機床制造廠對其應(yīng)用技術(shù)的關(guān)注,并已在一些高速數(shù)控機床產(chǎn)品上應(yīng)用。直線電機在機床上的應(yīng)用普及面不如電主軸,主要有下列一些問題需進一步研究解決。
1、研發(fā)快速制動系統(tǒng),防止由越程碰撞引起的過載損壞。
2、直接驅(qū)動的直線電機對過載的敏感性以及對過載保護裝置的設(shè)置要求均高于應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電機-滾珠絲杠副驅(qū)動,故要發(fā)展制動時間≤10ms的動作靈敏的逆變反接制動和機械制動方法。
3、采用周密的有效防護措施。
4、為了防止鐵磁性切屑細末和臟物等積聚于直線電機的永磁體上,通常要采用高密封性的防護罩,并通入正壓外噴氣流,但橡膠密封件在運動換向時的摩擦力變化會影響輪廓加工的運動軌跡精度。
另一種措施是改進機床的結(jié)構(gòu),使直線電機位于切屑不易達到的部位。如立式加工中心結(jié)構(gòu),它的3個運動軸的直線電機均位于切削區(qū)的上方,且運動部件的質(zhì)量較輕,有良好的防護性和動態(tài)性能。進一步完善直線電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低成本,獲得適宜的經(jīng)濟性。直線電機驅(qū)動裝置的成本目前還遠高于伺服旋轉(zhuǎn)電機-滾珠絲杠副驅(qū)動的費用(約高5~10倍)。因此對直線電機需進行價值分析,擴大其性能價格比優(yōu)勢,并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化程度,增加其定制生產(chǎn)的規(guī)模以提高其經(jīng)濟性,這樣將有可能使這項先進技術(shù)在加工中心等高速數(shù)控機床上得到較普遍的應(yīng)用。
高效柔性化加工技術(shù)是指它能及時地適應(yīng)市場多變的要求,迅速地制造出所需的產(chǎn)品,并在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下,以良好的經(jīng)濟效益實現(xiàn)高生產(chǎn)率。其解決方案主要有:
1、提高機床的材料切除率以提高切削效率,并注意降低空程等輔助時間;
2、應(yīng)用復(fù)合加工縮短過程鏈以提高工效;
3、從系統(tǒng)角度發(fā)展可重組制造系統(tǒng)、通過快速、低成本的重構(gòu),以優(yōu)化的工藝流程和適配的裝備達到產(chǎn)品迅速上市和經(jīng)濟性高的綜合效果。
增加數(shù)控機床的復(fù)合加工功能將進一步提高其工序集中度,不僅可減少多工序加工零件的上下料時間,而且更主要地可避免零件在不同機床上進行工序轉(zhuǎn)換而增加的工序間輸送和等待的時間,尤其在未組成有效的生產(chǎn)線的條件下,這種工序間的等待時間將遠遠地超過零件在機床上的工作時間,從而延長了零件的生產(chǎn)周期。復(fù)合數(shù)控機床的高效化可用數(shù)控五面加工龍門銑床(加工中心)說明,它使零件的生產(chǎn)周期縮短至工序分散的非數(shù)控機床的16%,同時又使加工過程中的切削時間比率由17%增至70%,大大提高了機床的利用率,同時由于減少多次安裝零件引起的誤差,易于保證加工精度。由于復(fù)合數(shù)控機床具有良好的工藝適用性,避免了在制品的儲存和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié),有力地支持了準(zhǔn)時制(JIT),因此對它的研發(fā)已被給予了極大的關(guān)注。盡管就功能來講各種復(fù)合數(shù)控機床的界限會漸現(xiàn)淡化,但各機床制造廠仍保留了各自的特點和側(cè)重點,使復(fù)合數(shù)控機床呈現(xiàn)出多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
用生產(chǎn)線或自動線組成的制造系統(tǒng),由于其工藝流程和物流路徑的優(yōu)化以及生產(chǎn)規(guī)劃、技術(shù)準(zhǔn)備、質(zhì)量管理和過程調(diào)度及時,使機床的利用率遠比單機或機群組合為高。隨著市場競爭加劇,產(chǎn)品更迭頻度加快,使其經(jīng)濟壽命期大大縮短,以專用機床和組合機床為主組成的自動線由于其調(diào)試投入期較長,當(dāng)衰退期來臨較早時,必然導(dǎo)致平均利用率降低,歐美對汽車等行業(yè)統(tǒng)計利用率為53%,我國約為45%~50%。
采用數(shù)控機床組成的柔性生產(chǎn)線FMS/FML,具有較好的柔性,可適應(yīng)一定范圍內(nèi)的零件品種的變化,因而其機床利用率可達70%以上。但是它仍然在敏捷性和經(jīng)濟性方面存在著一些問題:首先,當(dāng)加工零件的品種超出所設(shè)計的FMS/FML加工的零件族組時,就需對其硬軟件配置作較長時間的調(diào)整,不能使新產(chǎn)品迅速上市;即使應(yīng)用通用的數(shù)控機床組成中、大批量的生產(chǎn)線,也往往存在功能冗余的問題。德國H.Schulz教授統(tǒng)計歐、美和亞洲22個國家370家批量生產(chǎn)廠,得出近乎80%的加工中心只利用了機床的20% 功能。顯然這種用擴大功能儲備以備不時之需的做法,既是對資源的浪費,也是增大投資的不經(jīng)濟之舉。
為此,在20世紀90年代后期發(fā)展了一種新的制造系統(tǒng)模式,稱之為快速重組制造系統(tǒng)(RRMS),也稱可重組(或可重構(gòu))制造系統(tǒng)(RMS)。該系統(tǒng)配置適用功能的機床和易于調(diào)整的布局方式,具有系統(tǒng)隨機過程優(yōu)化規(guī)劃、開放式控制系統(tǒng)、規(guī)范化接口、易重構(gòu)的組態(tài)控制軟件和快速提升制造質(zhì)量的診斷系統(tǒng)等。一旦需對加工的零件品種和批量作出變化時,可以在充分利用原有資源的基礎(chǔ)上,通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、改變和更新機床和機床上的功能模塊,很快地形成新的制造系統(tǒng)。它在全球化經(jīng)濟和不確定性市場的環(huán)境下具有明顯的適應(yīng)性,因此美國國家研究院(NRC)于1998年提出的《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)預(yù)測》中把可重組制造系統(tǒng)列為2020年前制造業(yè)面臨的十大關(guān)鍵技術(shù)之首。RRMS的主要特性為:可重構(gòu)性(Reconfigarability)、可重用性(Reusability)、可變動性(Mobility)和可縮放性(Scalability)。這4個特征可用如下12個要素來表達,每個特征分別包含3個要素,即:
可重構(gòu)性為:模塊化、定制化、組態(tài)化;
可重用性為:可診斷、可升級、可分解;
可變動性為:易變化、易調(diào)整、易移動;
可縮放性為:集成化、單元化、自治化。
為了使制造系統(tǒng)能實現(xiàn)上述特性,可以從系統(tǒng)、單元和設(shè)備等3個層次進行重構(gòu),從單元和系統(tǒng)的角度來講,它的規(guī)劃、布局和控制應(yīng)能便于調(diào)整重組,并通過診斷技術(shù)快速提升制造能力以縮短試運行周期,并已取得初步應(yīng)用成果。從設(shè)備角度來講,應(yīng)發(fā)展可重構(gòu)機床(Reconfigurable Machine Tools,RMT),要進行機床設(shè)計方法的創(chuàng)新,發(fā)展在用戶應(yīng)用環(huán)境下對其部件、元件及軟件功能模塊進行重組的機床結(jié)構(gòu)技術(shù),以降低機床功能變換的成本和延長機床的應(yīng)用壽命。預(yù)期在最近的5~10年內(nèi),RMT技術(shù)在新一代機床開發(fā)中將會取得重要的進展。
機床既是實施先進制造技術(shù)的重要裝備,也是制造信息集成的一個重要載體,因此,機床的發(fā)展和創(chuàng)新在一定程度上映射出加工技術(shù)的主要趨向。在20世紀后期形成的以數(shù)控技術(shù)為中心的柔性制造技術(shù),預(yù)期在未來仍將延續(xù)進展并成為加工技術(shù)發(fā)展的主流。它的特征可以歸結(jié)為3F,3I和3S,即:
3F表示柔性化(Flexibility)、聯(lián)盟化(Federalization)和新穎化(Fashion);
3I表示集成化(Integration)、信息化(Information)和智能化(Intelligence);
3S表示系統(tǒng)化(System)軟件化(Softwar)和個性化(Speciality)。
這些特征表明了將進一步深化發(fā)展適應(yīng)多品種變批量生產(chǎn)的柔性自動化技術(shù);基于先進工藝和結(jié)構(gòu)原理發(fā)展新穎裝備來優(yōu)化制造過程;推進機床創(chuàng)新設(shè)計,經(jīng)濟地滿足用戶對產(chǎn)品個性化的加工要求;構(gòu)建靈捷的制造系統(tǒng),快速響應(yīng)市場需求,以高質(zhì)量產(chǎn)品迅速地批量上市;有效地發(fā)揮信息技術(shù)和軟件技術(shù)在制造過程中提高技術(shù)水平和管理水平的作用;探求在網(wǎng)絡(luò)化分布制造的協(xié)作聯(lián)盟環(huán)境下的數(shù)控技術(shù)等。