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      2010年機床工具領域的突破性發展
    2. 發布日期:2010-12-02      瀏覽次數:1634
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        隨著經濟化的不斷發展,越來越多的機床開始出口到語言與文化完全不同的國家和地區。作為耐用資產的機床,其維修保養和定期檢查不可或缺。因此,用視頻圖像來表示報警的位置及內容的功能、利用互聯網對機床進行自動監測等也成了重點技術之一。
            
        現在有幾種強調操作方便性和加工性能的超精密五軸控制加工機床已經上市銷售,其定位精度一般都達到了1nm。
                為了超精密加工帶有自由曲面等的三維復雜微細形狀,需要有作為旋轉刀具的微小直徑金剛石球頭立銑刀,但這種刀具在市場上并無銷售,所以在數十年前,使用的是將微小直徑單晶金剛石刀頭切去片側,從旋轉軸中心略微偏移(偏置)的刀具(稱為近似球頭立銑刀)。但是.如果通過多軸控制可以實現刀具的傾斜加工以避免零速度切削,那么也就不需要采用偏置了?,F在,已不需要使用近似球頭立銑刀,而是使用常規球頭立銑刀通過多軸控制對帶有復雜曲面的微小工件進行超精密加工。曲面加工所需的NC數據可利用三維CAD系統或對模型進行掃描測量來獲得。
                (4)對未來超精密加工的要求
                加工機床的精度正從納米級向超納米級過渡。今后對超精密加工的要求包括日益微型化的刀具及其安裝換刀技術的開發、便于操作的微細加工用三維CAM與誤差補償技術,以及硬脆材料加工技術。
                第二代激光加工技術
                激光加工作為一種新型加工技術被廣泛應用于制造業已經有1/4世紀。激光加工技術是作為傳統熱加工的替代技術發展起來的,隨后又開發出了獨立的激光加工技術。激光加工機床與加工技術就像車子的兩個輪子?,F在評述一下仍在不斷獲得顯著進步的激光加工機床和加工技術的發展動向及今后的展望。
                (1)激光振蕩器與加工技術的變遷
                激光誕生于1960年。隨后,在60年代至70年代前半期,集中出現了許多應用于產業的激光發明。激光應用技術的探索幾乎是與激光的誕生同時開始的。將激光應用于加工的初步研究主要于70年代在研究機構和大學開展。以80年為分水嶺,出現了日本國產的激光加工機,標志著產業界的激光時代已經到來。
                激光加工技術將光的波長由原來的紅外光領域進一步擴大至紫外光領域,并成功地將脈沖震蕩時間縮為極短,進一步擴大了新的應用可能性。激光加工因應用可能性的不斷擴大與可持續發展性,在很短時期內便作為一種主要加工技術在產業界扎下了根。zui近,以德國為中心,開發出了新的激光振蕩器,并于2003年前后投入市場。此前的激光熱加工在其發展過程中伴隨著高功率化也有不少技術改進,但隨著波長和脈沖縮短所引發的新的加工技術的崛起,可以說激光加工技術現在已進入了第二代。
                (2)第二代激光加工技術
                傳統的加工用激光主要使用CO2激光、YAG激光基波以及準分子激光等。這些激光都在實現高功率化,裝置的性能也在不斷提高。近10年來,二極管激光已實現了陣列化、存儲?;透吖β驶?,使直接使用激光進行加工成為可能,而高功率化又使高速加工成為可能。與此相比,第二代新型激光加工使用由YAG基波、鈦藍寶石等形成的超短脈沖激光、由YAG高次諧波形成的短波長激光、KrF準分子激光等,使利用紫外光進行加工成為可能(多用于微細孔加工、開槽加工和表面改性等)。加工對象和材料也擴大到各種金屬和硅、聚合物、玻璃、陶瓷等非金屬材料,以及鋁、鈦、鎂等有色金屬薄膜。激光加工已從大件加工擴展到微細加工,其應用范圍還在繼續擴大。
                (3)激光加工的發展動向
                在歐美,對材料加工進行理論性研究、開發新的加工概念以及各種基礎性探索方興未艾。飛秒級超短脈沖激光等的應用雖然蘊藏著無限的可能性,但從短期來看,快速實現高功率化仍然可望而不可及??梢灶A期,激光與材料表層的相互作用將是今后激光加工的應用重點。從這個意義上來講,將激光應用于表面處理和表面改性是zui值得期待的領域之一。
                另一方面,在生產現場應用激光加工技術的實用化研究也在如火如荼地開展,其中既有提高激光加工效率以獲得高生產效益的研究、激光高精度控制技術的開發、激光發生裝置的高性能化、準確控制激光的光學技術,也有包括軟件和機器人等硬件在內的加工控制技術等,這些研究正致力于開發能將激光加工理論確實變為生產手段的共性基礎技術。
                激光厚板加工技術也在快速發展。應用于機床等的工業用激光技術的開發也十分活躍。以德國為中心,開發出了用于汽車工業的“遠距離激光”、“掃描射線”等新的激光焊接方法。
                (4)激光加工的未來
                在加工技術日新月異的發展中,要開發新技術,就必須對各種加工現象、對加工性能有影響的各種因素的相互關系、加工現場激光與材料的相互作用等有透徹的了解,為此需要從多方面進行跨學科的探索。
                因為激光的加工手段是光能,因此需要進行“光管理”,從光的發生到傳送、聚光等,都必須正確掌握和管理光的特性。隨著模擬技術和監控技術的進一步智能化,有可能實現更加準確的計算機預測。
                出于經濟性和加工效率的考慮,現有的各種激光發生裝置將會在用途上有所限定,一些低效率的裝置將會被逐漸淘汰。雖然現在流行的各種激光加工技術五花八門,但在加工用途上,應該說波長選擇的時代即將來臨。在不久的將來,“飛秒加工”等目前尚處于萌芽性的研究將逐步變為實用化研究,甚至有一部分將廣泛應用于生產實際。
                激光加工技術的發展需要“光發生技術”、“光控制技術”和“光利用技術”的強有力支持,激光加工是這些技術相互作用的拓展,并在很大程度上與這些技術相互依存和相互影響。激光技術潛在可能性之廣闊將通過新的激光不斷涌現而得以進一步顯現。加工技術雖然樸實無華,但貴在持續,新的發展寓于其持續性上。蘊藏著極大可能性的激光加工技術對于生產技術的發展至關重要。

               隨著IT關聯產品、汽車、家電等工業制品的不斷發展,高性能磨削、研磨加工的重要性日益增大。對于生產技術人員來說,高精度化、率化和自動化是永遠的主題。磨削、研磨技術的研究開發成果推動著工業產品的更新,正腳踏實地向前發展。
                (1)磨削、研磨技術的重要性日益增大
                如今幾乎已普及到所有家庭的個人電腦(PC)所配備的硬磁盤(HDD)過去是在超精密機床上用單晶金剛石刀具切削加工。近年來,磁盤面記錄密度的年增長率達到100%,實現了每1平方英寸達1G的記錄密度。這一技術是在經磨削加工后的鋁合金基盤上鍍上無電解NIP薄膜,再通過研磨加工使其表面平滑而得以實現的。而高性能加工技術的進步,也使得基盤材料從鋁合金更換為剛性比更高的硅酸鋁玻璃、晶化玻璃等,因此,磨削、研磨加工的重要性也更大了。
                (2)高精度化
                直線電機剛開始開發時,因其能實現高速加工而備受矚目。但近年來,使用直線電機的目的已逐漸轉向高精度化。也就是說,在直線電機的諸多優良特性中,很高的定位精度和圓弧插補精度尤其令人刮目相看。其原因是非接觸式的驅動系統沒有傳統伺服電機旋轉減速用的齒輪副、滾珠絲杠、耦合件等各種機械因素引起的誤差,以及直線電機必然采用閉路控制。
                今后,高精度化加工技術的發展將日益加速。在精密加工中,zui重要的加工之一是高精密平面的加工。尤其是在精密測量儀器、光學儀器、硅片等超精密加工領域,要求加工出無限平滑的表面。為此,機床制造商開發出了超精密平面磨床,在采用獨立的可變靜壓滑板技術實現高剛性加工的同時,又實現了即使存在偏載荷,油膜厚度也不會發生變化(工作臺不發生傾斜),磨削平面度達到lμm/m2。此外,加工表面通過拋光可以實現0.03μm/m2的平面度。為了實現高精度加工,就必須克服熱變形。具體來說,需要盡可能減少來自驅動電機和軸承、導向面等的加工發熱。此外,為了不使加工中的工件發生熱變形,還需要控制在加工點產生的熱量和來自工件表面的汽化熱。為此,該超精密平面磨床配置了既恒溫又恒濕的隔離罩,作為完整的系統加以商品化。
                (3)率化
                加大砂輪進給量、降低工件進給速度的間歇進給磨削技術與使用電沉積磨輪的高圓周速度磨削技術相結合而形成的HEDG(High Efficient Deep-Cut Grinding)磨削技術在歐洲已經實用化了,但在日本還幾乎無人采用。另一方面,減小砂輪進給量、提高工件進給速度的快走刀磨削(高速往復式磨削)在金屬模具加工等行業正逐漸成為成型磨削的主流。這種磨削加工方法通過曲柄、液壓伺服裝置或直線電機增加單位時間的工作臺往返次數(對行程較短的工件也可以采用砂輪連續進給),從而可以大幅度提高加工效率,也適用于金屬模具穿孔等短行程磨削。該方法的缺點是工作臺反轉時的高加/減速運動容易引起振動,需要設法加以抑制。為此,可以采用減輕工作臺重量、加重底盤、進行加/減速控制以及進行平衡等方法??熳叩赌ゴ惨驯辉S多平面磨床生產廠家看好,認為可以進行商品化開發,今后將成為金屬成型磨床的主流。
                (4)小型化和環保(節能)化
                在以前的JIMTOF(日本機床展覽會)上,各廠家展出的小型機床很受矚目,主要原因在于:為了適應多品種、小批量生產,需要靈活改組生產線,因此迫切需要統一機床的寬度。而且機床小型化可以帶來許多預期的利好,如縮短生產線長度、減少占用空間、容易變更生產線、提高工廠內部的信息傳遞等。
                某家公司推出了“節省能源和空間”的概念機種。該磨床占地面積不到普通磨床的40%,尤其是寬度尺寸縮小至1200mm以下。一般來說,占地面積縮小不便于維修保養,但該磨床將維修保養部分集中到機器的前后,提高了維修便利性。此外,該公司將磨削液供給量削減了50%(加工有的工件甚至可削減99%),減小了對環境的影響。
                為了實現磨床小型化,需要減小砂輪直徑。為了不降低砂輪速度,需要采用超高速主軸技術。該磨床減小了砂輪交換頻度,也減薄了砂輪厚度,因此基本上用于輪廓加工。此外,為了節省空間,軸驅動系統采用了不需要齒輪箱的直線電機驅動,而且通過程序更換按鈕,一次操作即可自動調整中心距。
                (5)復合化
                某廠家采用立軸磨削技術和車床技術,開發出了融磨削與切削于一體的小型復合磨床,通過一次裝夾工件,就可以高精度、率地完成從車削加工到圓筒、內表面的磨削精加工。由于立軸磨床比橫軸磨床寬度更窄,因此更容易編入生產線。人們期待該復合磨床能盡快投入商業化生產。其他各種復合機床(如激光加工與磨削加工的復合)也在開發之中。
                        微細加工的現狀與未來
                在微電子和光電技術快速發展和產品小型化、復合化、集成化的背景下,為了實現微細復雜形狀和微型構件的加工,發端于超精密車床的超精密加工機床正向自由度更多的多軸控制超精密銑床和多軸控制超精密加工中心發展。由于控制技術的進步,超精密加工機床及加工技術也獲得了很大進展。
                (1)何謂超精密切削加工
                超精密切削加工是將正確制作的刀具形狀復映到工件上的加工方法,其特點是用刀具的刀尖切削工件,制成所需形狀,即根據機床的“母性”原理在運動中實現復制。
                制作微細形狀的過程被稱為微細加工(或微細機械加工)。*,微細加工可以使用半導體制造技術,也可以使用微電子機械系統(MEMS)。但是,采用光學和粒子束加工技術并不擅長加工斜面和曲面形狀,對被加工材料也有一定限制。就此而言,金剛石切削雖然屬于傳統機械加工,卻能夠應用于幾乎所有材料,因此所起的作用很大。
                源于超精密車床的超精密加工機床正向具有更多自由度的多軸控制超精密銑床和超精密加工中心轉變,主要用于加工需求量很大的CD傳感器透鏡及其金屬模具、隱形鏡片、菲涅耳透鏡等具有復雜形狀的微型構件。由于微電子和光電技術的快速發展以及對產品小型化、復合化、集成化的要求,人們對這些產品的加工效率十分關注。
                (2)何謂多軸控制加工
                通過控制機床的直線運動軸、旋轉軸等軸系,巧妙地調節刀具(包括旋轉刀具和非旋轉刀具)與工件的位置與姿勢,就可以加工出各種各樣的工件形狀。與普通機床一樣,超精密機床大多也由構成直交坐標系的X、Y、Z三個直動軸和在其周圍的A、B、C三個旋轉軸構成,為了使刀具在工件加工點附近可處于任意位置和姿勢,就需要對6個軸全部實施控制。此時刀具不能作自由旋轉運動,所以需要使用非旋轉刀具。而使用旋轉刀具時,無需對其旋轉軸的位置進行控制,因此采用5軸控制就足夠了。這種4軸以上的控制稱為多軸控制。一般的加工很少同時進行5軸或6軸控制,但為了不進行重新設定就一次完成對復雜形狀的加工,或工件加工部位以外的部分與刀具發生干涉時,多軸控制加工就*。
                (3)多軸控制超精密機床的現狀
                多軸控制超精密銑床或超精密加工中心的結構可以根據將刀具和工件沿進給軸以納米精度進行定位的結構來加以區分;也可以通過是采用集成在電機上的絲杠來傳遞驅動(絲杠又可分為滾珠絲杠和靜壓絲杠),還是采用直接驅動方式的直線電機來區分。為了實現低摩擦、高直線度地移動工作臺,被驅動工作臺的導向方式也可分為滾動導軌和靜壓(油、空氣)導軌。對于旋轉部分和軸承也同樣如此。
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