■ 本刊特約撰稿人 徐正平

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被稱(chēng)為工作母機(jī)的機(jī)床，是一切制造業(yè)的基礎(chǔ)，強(qiáng)國(guó)強(qiáng)軍離不開(kāi)它?，F(xiàn)在我們天天都在說(shuō)創(chuàng)新，我認(rèn)為不要把重大發(fā)明與小改小革混為一談，并且發(fā)明與創(chuàng)新往往不是一步到位的，需要逐步完善的過(guò)程。

在機(jī)床范疇內(nèi)的發(fā)明創(chuàng)造實(shí)在太多，下面通過(guò)一些案例，看看機(jī)床在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面有哪些技術(shù)創(chuàng)新。

1.并聯(lián)機(jī)床的發(fā)明

美國(guó)G&L公司在20世紀(jì)90年代的IMTS1994上，首次亮相了一個(gè)VARIAX的六條腿測(cè)量平臺(tái)，當(dāng)今許多場(chǎng)合都沿用這項(xiàng)重要發(fā)明技術(shù)，包括航天飛行器的對(duì)接。就機(jī)床領(lǐng)域而言，并聯(lián)機(jī)床的誕生，使機(jī)床從傳統(tǒng)的C型傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)（串聯(lián)結(jié)構(gòu)），逐步向并聯(lián)運(yùn)動(dòng)發(fā)展。它的原理是以空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，以數(shù)控軟件代替部分硬件、以電子裝置及元器件代替部分機(jī)械裝置，通過(guò)改變桁架桿的長(zhǎng)度及移動(dòng)支點(diǎn)位置，來(lái)迅速實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)位置變動(dòng)，從而打破了傳統(tǒng)機(jī)床以直角坐標(biāo)系為基礎(chǔ)的單一串聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。

德國(guó)DS公司借此原理，迅速開(kāi)發(fā)出Z3銑頭，我在IMTS2000上，第一次目睹了該銑頭實(shí)物（見(jiàn)圖1），它可針對(duì)航空工業(yè)的肋骨、長(zhǎng)桁等特殊要求零件，將主軸銑頭伸入零件的型腔中進(jìn)行加工，從而獲得較高的加速度，如圖2所示是配置Z3銑頭的落地臥式加工中心。

發(fā)展是硬道理，現(xiàn)在隸屬于瑞士Starrag集團(tuán)麾下的DS公司，又在Z3銑頭的基礎(chǔ)上，加裝了C軸立銑頭，使加工范圍更大且更靈活。通過(guò)完全線性的自由移動(dòng)結(jié)合最低的移動(dòng)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了高速、高效、高動(dòng)態(tài)的擺動(dòng)加工，空間也不受限制，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)件加工提供了新裝備，同時(shí)也可獲得傳統(tǒng)加工方式達(dá)不到的表面質(zhì)量（見(jiàn)圖3）。

最早發(fā)明的VARIAX測(cè)量平臺(tái)，六條腿在下面，稱(chēng)之為正置，后來(lái)大多數(shù)并聯(lián)機(jī)床，連桿腿在上面，稱(chēng)之為倒置，如清華大學(xué)、哈量所研發(fā)的。而瑞士威力銘·馬科黛爾（WILLEMINMACODEL）開(kāi)發(fā)的701S又將機(jī)床結(jié)構(gòu)倒了過(guò)來(lái)，就是垂直于水平面的主軸固定，而零件靠下面的三條腿并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)與擺動(dòng)，從而完成高速高效的精密加工，因此即正置（見(jiàn)圖4）。

該機(jī)床無(wú)需刀柄，刀具直插主軸，就是主軸采用彈簧夾頭型式，讓圓柱刀柄直接進(jìn)入夾頭之中，既輕便快捷，又可減少一次結(jié)合面之間的累積誤差。該機(jī)床精度可達(dá)到10nm，主軸轉(zhuǎn)速80 000r/min，加速度為5g，特別適合精密零件如手表表殼等加工。

圖1 Z3銑頭

圖2 DS公司大型落地臥式加工中心

圖3 帶立銑頭的Z3

圖4 正置并聯(lián)機(jī)床

2.無(wú)X軸的加工中心

德國(guó)Alfing公司推出的AS系列無(wú)X軸加工中心，從機(jī)床運(yùn)動(dòng)學(xué)理論上也是新的突破（見(jiàn)圖5）。該機(jī)床是通過(guò)極坐標(biāo)和笛卡爾坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)X軸運(yùn)動(dòng)的。主軸箱由大功率扭矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞Z軸作C軸回轉(zhuǎn)，同時(shí)Y軸迅速上下升降，這兩種運(yùn)動(dòng)方式的復(fù)合就完成了X軸向的運(yùn)動(dòng)。

圖5 ALFING公司的AS系列

從圖6所示的慢動(dòng)作分解上能清楚地看到，機(jī)床主軸在從左向右漸漸移位，在銑頭回轉(zhuǎn)的同時(shí)又迅速配合上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)X軸運(yùn)動(dòng)。由于是兩種運(yùn)動(dòng)方式的疊加，故機(jī)床的快進(jìn)速度可達(dá)到120m/min，加速度為2g。由于機(jī)床的結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積可以縮減，因此特別適合汽車(chē)缸蓋、摩托車(chē)、家電行業(yè)等大批量零件的高速加工。

該機(jī)床床身采用特殊的Hydropol非收縮混凝土與鋼合成的復(fù)合材料，故抗振及抗熱變形性能也較良好。

3.擺線切削

以色列SolidCAM 公司研發(fā)成功的iMachining是一個(gè)有創(chuàng)造性的CAM高效加工解決方案。與傳統(tǒng)的切削加工方法相比，其最大的兩個(gè)特點(diǎn)就是擁有智能的刀具路徑和提供智能工藝參數(shù)。

SolidCAM與德國(guó)hoffmann等公司配合，打造一種擺線銑削技術(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是銑刀在切削過(guò)程中，刀具不僅是走直線，同時(shí)還要走定圓或橢圓復(fù)合運(yùn)動(dòng)，這種切削的嚙合弧很大，隨著嚙合比的減小，刀具的阻力與磨損也就減小，所以銑削的速度可加快而切削力相應(yīng)減小，因此刀具可切得更深，銑削范圍也變得更寬了（見(jiàn)圖7）。

當(dāng)然，iMachining要通過(guò)接觸角計(jì)算（刀具和毛坯接觸圓弧大?。蛔屍涑^(guò)設(shè)定的最大切削角；計(jì)算還要適應(yīng)隨時(shí)都在發(fā)生變化的轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、路徑步距與側(cè)向步距等，在拐角余量大的地方也不會(huì)產(chǎn)生刀具超載荷；較高的進(jìn)給速度可以根據(jù)接觸角的改變進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，以保證大切削深度的安全性；iMachining還設(shè)定了通道功能，在靠近側(cè)壁位置開(kāi)通道分割毛坯，進(jìn)行螺旋式走刀加工，優(yōu)化組合刀路軌跡。iMachining對(duì)硬材料、小刀具可以較大地提高效率；當(dāng)然它還擁有ACP減振技術(shù)；在高進(jìn)給切削時(shí)能及時(shí)做出動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而發(fā)揮機(jī)床自身最大功效。這種革命性的CNC加工技術(shù)可以節(jié)約70%以上的時(shí)間，同時(shí)延長(zhǎng)刀具和機(jī)床的使用壽命，從而為CNC加工提供最佳的CAM解決方案。

圖6 慢動(dòng)作分解

圖7 擺線切削

具體來(lái)講，iMachining智能刀具路徑首先要管理加工角度。當(dāng)切削角度在整個(gè)切削過(guò)程中得到適當(dāng)?shù)目刂茣r(shí)，結(jié)果可以最大限度地減小刀具受力，使刀具切削得更深，而不會(huì)出現(xiàn)過(guò)度磨損或破損。

其次，iMachining智能刀具路徑合理控制進(jìn)給率。由于切削角度可能會(huì)不斷變化（變形螺旋），所以進(jìn)給速率可以保持恒定的切屑厚度。通過(guò)減少刀具上的每齒負(fù)載，刀具壽命也就大大增加了。

第三，iMachining智能刀具路徑需管理好刀具重新定位。由于使用標(biāo)準(zhǔn)刀具路徑時(shí)，通常會(huì)將切削工具移動(dòng)至每個(gè)重新定位到下一個(gè)切削入口位置的起點(diǎn)。而iMachining可以準(zhǔn)確跟蹤已經(jīng)加工的材料，并生成下一條刀具路徑，這種路徑可以進(jìn)行記憶保存，使加工刀具盡可能長(zhǎng)時(shí)間地接觸整個(gè)切削面。這樣，減少不必要的移動(dòng)和空切，從而提高加工效率。

4.超精密機(jī)床的金剛石微鑿加工

機(jī)床的高精密加工和超精密加工，始終是人們不懈追求的目標(biāo)。所謂高精密加工（High Precision Machining）是指加工尺寸允許誤差在微米級(jí)、表面粗糙度值Ra>0.1μm的加工過(guò)程。而超精密加工（Ultra Precision Machining）則是能直接加工出亞微米級(jí)具有光學(xué)功能表面（鏡面）的零件，其精度可達(dá)0.1μm/100mm（相當(dāng)于1/4λ波長(zhǎng)）或更高。

這些高等級(jí)的機(jī)床，必須在材料、設(shè)計(jì)、工藝、元器件及控制系統(tǒng)等諸多方面采取一系列的措施予以保證，如選用人造花崗巖床身，流體主軸軸承，靜壓導(dǎo)軌（運(yùn)動(dòng)精度1μm/m），高精度測(cè)量系統(tǒng)（有效分辨率1nm/m），干擾小的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)和高速、寬帶的控制系統(tǒng)等等，下面僅舉一個(gè)金剛石微鑿（DMC）、也簡(jiǎn)稱(chēng)為鑿削的案例。

金剛石微鑿加工（Diamond Micro Chiseling）是一種新的加工方式，也是一種機(jī)床、刀具與光學(xué)原理三方面技術(shù)的融合，我們用金剛石工具，對(duì)超硬材料的型腔，可以鑿削出多面體的形狀，許多光學(xué)透鏡就是用這一原理加工出來(lái)的。

如圖8所示可以看到，對(duì)于制造尺寸為50～500μm的銳邊棱形凹坑結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的銑削方式由于空間等限制，是無(wú)法完成的。為了實(shí)現(xiàn)此種加工，金剛石微鑿這種無(wú)需刀具旋轉(zhuǎn)的加工方式應(yīng)運(yùn)而生。

金剛石刀具的參數(shù)如下：刀尖角δ=50°，刃口半徑r=1～5μm，前角γ=18°～22°，后角α=2°～3°。前刀面與后刀面之間的棱角，按不同腔體干涉的最大角度設(shè)計(jì)，一般應(yīng)ε=70°。

刀具的運(yùn)動(dòng)方式為：第一步，刀具在兩個(gè)方向上做直線運(yùn)動(dòng)至凹槽底部（-X，Y，-Z）；第二步，刀具退回原位；第三步，工件旋轉(zhuǎn)120°之后重復(fù)第一第二步；之后，再次完整重復(fù)上述第一到第三步的過(guò)程，至此一個(gè)完整的銳邊多棱形凹坑結(jié)構(gòu)形成。

5.六軸聯(lián)動(dòng)龍門(mén)加工中心

創(chuàng)新為先、完善其后，技術(shù)創(chuàng)新有一個(gè)改進(jìn)及完善的過(guò)程。大家都知道德國(guó)茲默曼ZIMMERMANN公司發(fā)明了ABC三軸聯(lián)動(dòng)銑頭，這項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)，不僅是機(jī)床硬件的制造復(fù)雜性，更要保持三個(gè)回轉(zhuǎn)軸的中心點(diǎn)與三個(gè)直線軸的中心點(diǎn)重迭相交，因此機(jī)床的軟件配置也是高難度的。不久前他們推出的是配置ABC三軸聯(lián)動(dòng)銑頭的翻板式工作臺(tái)臥式加工中心（見(jiàn)圖9），很有創(chuàng)意。

圖8 鑿削

圖9 ABC三軸聯(lián)動(dòng)銑頭

茲默曼中國(guó)區(qū)總經(jīng)理肖弟文先生介紹此款大型臥式加工中心（見(jiàn)圖10）時(shí)說(shuō)，為保證高精度加工，其X軸采用齒輪齒條驅(qū)動(dòng)和雙力矩電動(dòng)機(jī)，而Y軸和Z軸均采用雙絲杠驅(qū)動(dòng)，以致精度和穩(wěn)定性達(dá)到最佳效果。擁有專(zhuān)利技術(shù)的工作臺(tái)翻板交換系統(tǒng)，可以在不改變機(jī)床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下擴(kuò)大加工范圍，X軸為26 000mm，Y軸為3 100mm，Z軸為1 000mm。這種交換托盤(pán)只需要轉(zhuǎn)90°就可垂直放置了，機(jī)床上方的兩根平行橫梁，起到起吊與翻板功能。機(jī)床前方X軸向鋪設(shè)傳輸路軌，能迅速將托盤(pán)運(yùn)出輸入，故特別適合航空行業(yè)及其他大型復(fù)雜形狀工件的高效精密加工。

圖10 翻板式臥式加工中心

發(fā)展是硬道理，創(chuàng)新也是硬道理。但創(chuàng)新是有基礎(chǔ)的，更要有質(zhì)量保證。以上的成果只代表走過(guò)的歷程，而新的技術(shù)創(chuàng)新必將更完美、更精彩。