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上傳時間：2020/9/2 瀏覽次數(shù)： 1168

數(shù)控機床、數(shù)控刀具、數(shù)控量儀被稱為現(xiàn)代機械制造業(yè)的三大支柱。數(shù)控機床是工作母機，數(shù)控刀具和數(shù)控量儀被喻為數(shù)控加工的牙齒和眼睛。三大支柱的技術(shù)進步推動現(xiàn)代制造業(yè)在加工精度、效率和制造方式上的不斷升級。
業(yè)界習慣將“高精度、高效率、高可靠性和專用化”的現(xiàn)代高效刀具稱為數(shù)控刀具。由于數(shù)控刀具的材料一般采用高性能高速鋼、硬質(zhì)合金和超硬材料，因此，磨削成為數(shù)控刀具的主流加工工藝，從而使作為數(shù)控刀具工作母機的數(shù)控工具磨床發(fā)揮了關(guān)鍵作用。數(shù)控刀具的多樣化決定了數(shù)控工具磨床的多品種，如數(shù)控鉆頭刃磨機、數(shù)控銑刀刃磨機、數(shù)控拉刀刃磨機、數(shù)控滾刀刃磨機、數(shù)控絞刀刃磨機、數(shù)控絲錐磨床、數(shù)控圓鋸片刃磨機等發(fā)揮了各自加工相應數(shù)控刀具的獨特作用。近二十年來，多軸聯(lián)動等數(shù)控技術(shù)的進步，推動五軸數(shù)控工具磨得到了快速發(fā)展，由于該機型能夠刃磨各種復雜形狀的數(shù)控刀具，具有萬能性和通用性，五軸數(shù)控工具磨已成為數(shù)控工具磨床家族中耀眼的明星。
一、市場需求廣闊

當今世界，中國已經(jīng)成為世界最大的裝備制造大國。據(jù)報道，2013年我國裝備制造業(yè)產(chǎn)值規(guī)模突破20萬億元，是2008年的2.2倍，約占全球裝備制造業(yè)產(chǎn)值比例的三分之一，穩(wěn)據(jù)世界首位。其中發(fā)電設備產(chǎn)量1.2億千瓦，約占全球60%;造船完工量4534萬載重噸，占全球41%;汽車產(chǎn)量2212萬輛，占全球的25%;機床產(chǎn)量96萬臺，占全球的38%。此外，洗衣機、電冰箱、摩托車、空調(diào)機、電視機、手機等年產(chǎn)量都據(jù)世界前列。機床是裝備制造業(yè)的工作母機，2002至2013年我國已經(jīng)連續(xù)12年成為世界機床第一消費大國，機床消費量約占全球機床消費總量的40%-45%。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，圖2表示2005-2013年我國機床消費量。

我國數(shù)控刀具需求量的快速上升孕育了數(shù)控工具磨床的巨大市場潛力。目前高檔數(shù)控工具磨床主要依靠進口，據(jù)悉：我國主要刀具制造骨干企業(yè)進口4-5軸數(shù)控工具磨床數(shù)量達到百臺以上，一些中等規(guī)模的刀具制造企業(yè)進口該類機床也達到數(shù)十臺。如某刀具制造骨干企業(yè)2012年一次進口4-5軸數(shù)控工具磨90臺，用匯4403萬美元。除刀具制造企業(yè)外，許多機械制造企業(yè)因本單位刀具修磨和制造需要，在進口4-5軸數(shù)控工具磨床中也占有很大比重。

二、五軸數(shù)控工具磨的技術(shù)特點

現(xiàn)代五軸數(shù)控工具磨集數(shù)控加工技術(shù)之大成，主要體現(xiàn)在：

1.精密

高精度是刀具品質(zhì)的體現(xiàn)，它直接反映在加工零件的生產(chǎn)質(zhì)量上。由于現(xiàn)代數(shù)控刀具高精度要求，相應五軸數(shù)控工具磨具有精密機床的秉性。國外五軸數(shù)控工具磨的加工精度達到2μ級，因此要求機床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，采用高檔功能部件，具有良好的靜、動和熱態(tài)性能等。

2.高速

數(shù)控刀具加工形式主要是高速、高精度成形磨削，金剛石磨具和CBN磨具等超硬材料磨具的應用對磨床高速性能提出新要求，如砂輪軸一般采用電主軸，轉(zhuǎn)速超過10000r/min;要求機床具有優(yōu)異的機電耦合、伺服優(yōu)化和高加速性能等。電主軸、力矩電機、直線電機等直驅(qū)部件的應用，已經(jīng)成為國外高檔五軸數(shù)控工具磨高速性能的新亮點。

3.復合

多軸聯(lián)動控制和多工序復合磨削加工是五軸數(shù)控工具磨主要技術(shù)特征之一。五軸數(shù)控工具磨可以實現(xiàn)復雜型面和復合刀具一次裝卡全部磨削。由于聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PNCB)等超硬材料應用于數(shù)控刀具，使得用金剛石砂輪磨削此類數(shù)控刀具顯得力不從心。在科技進步的推動下，應用電火花磨削和激光加工數(shù)控刀具的技術(shù)應運而生，現(xiàn)已開發(fā)此類加工數(shù)控刀具機床。目前，5軸數(shù)控工具磨用于聚晶金剛石的旋轉(zhuǎn)電火花加工集成砂輪磨削于同一臺工具磨床，可供帶電極和砂輪更換裝置的雙主軸和單主軸機型，主要用于金屬、木材、陶瓷、塑料等加工行業(yè)的聚晶金剛石刀具加工，表明應用放電加工和砂輪磨削二合一復合加工PCD刀具的復合機床也已經(jīng)成熟。特種加工和復合加工已經(jīng)成為數(shù)控工具磨的重要發(fā)展方向。

4.智能

五軸數(shù)控工具磨是智能化技術(shù)應用最集中的機型之一。國外先進五軸數(shù)控工具磨裝備有激光測頭、砂輪探針、聲納感應儀、CCD相機等，其機型一般具有機床狀態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化，動、熱態(tài)自動補償，防碰撞功能，刀具加工在機檢測，砂輪在線自動修磨標定和動平衡等功能，提高了刀具磨削的智能化水平。

5.應用軟件

“一半是硬件，一半是軟件”這是五軸數(shù)控工具磨加工數(shù)控刀具的基本特點。沒有豐富的數(shù)控刀具磨削軟件的支撐就無法加工出精彩紛呈、形式多樣的數(shù)控刀具產(chǎn)品。一般磨削軟件包括加工標準刀具模塊和非標刀具模塊，操作者可以應用數(shù)據(jù)庫或自行設置刀具幾何參數(shù)形成3D圖形仿真加工程序。對于圓錐球頭立銑刀等復雜形狀刀具的磨削加工，目前國外實力雄厚的公司可以精確地加工出來，因為加工這種刀具需要高精度多軸聯(lián)動的數(shù)控工具磨床以及高精度加工數(shù)據(jù)計算的高級磨削軟件。由此可見，五軸數(shù)控工具磨是軟件開發(fā)應用最充分的數(shù)控機床之一。

6.自動化

機器人廣泛應用于數(shù)控工具磨床，成功解決了自動交換砂輪和工件自動上下料等問題，因而大大提高了數(shù)控工具磨床的加工效率、精度和一致性。工業(yè)機器人與數(shù)控工具磨的有機融合，形成了自動化的磨削中心(FMC)。

綜上所述，現(xiàn)代五軸數(shù)控工具磨集先進制造技術(shù)于一身，成為當代高新技術(shù)綜合應用的載體。此外，五軸數(shù)控工具磨還可用于醫(yī)療零件、IT業(yè)和航空航天業(yè)特殊材料復雜件等精密加工�？梢灶A見，被喻為 “精靈”的五軸數(shù)控工具磨，在現(xiàn)代制造業(yè)中將發(fā)揮越來越大的作用。

三.五軸數(shù)控工具磨的結(jié)構(gòu)形式

五軸數(shù)控工具磨主要針對復雜數(shù)控刀具進行磨削，為了實現(xiàn)對復雜曲面的磨削，機床加工時要求實現(xiàn)X、Y、Z、A或(B)、C--五軸聯(lián)動。機床一般由主運動部件(砂輪)、進給運動部件、輔助部件、立柱、機座等組成。五軸數(shù)控工具磨運動部件布局結(jié)構(gòu)形式多樣，按被加工件主軸線分立式和臥式兩大類。現(xiàn)介紹國內(nèi)外常用的幾種機床結(jié)構(gòu)形式。

1.被加工件軸線立式布局

如圖6所示，機床的被加工件主軸線立式布局，實現(xiàn)5軸聯(lián)動：

X---工件工作臺橫向移動

Y----工件工作臺縱向移動

Z----磨頭軸上下垂直移動

A---工件主軸回轉(zhuǎn)角度360度

B---磨頭軸回轉(zhuǎn)

C----工件工作臺水平方向擺動

基于這種布局，砂輪可以從前、后、左、右以任意角度接近工件加工，實現(xiàn)5軸聯(lián)動，工件在一次裝夾中可以實現(xiàn)全磨削。這種磨削方式，機動靈活，效率高;消除被加工件重心影響，加工精度高。

2.被加工件軸線臥式布局，工件工作臺實現(xiàn)A,C軸轉(zhuǎn)動

如圖7所示，被加工件軸線臥式布局，工件工作臺帶X軸，并實現(xiàn)A、C軸轉(zhuǎn)動;砂輪主軸上下左右移動實現(xiàn)Y、Z軸移動。立柱可采用整體龍門式，橫梁在立柱上下滑動，砂輪軸在橫梁左右滑動，這種組合結(jié)構(gòu)緊湊、剛性優(yōu)越，砂輪軸移動平穩(wěn)，工件處于同一水平面運動穩(wěn)定，操作方便。

3.被加工件軸線臥式布局，工件工作臺A軸轉(zhuǎn)動，砂輪主軸B軸轉(zhuǎn)動

如圖8所示，被加工件軸線臥式布局，工件工作臺帶有X軸、Z軸和A軸，砂輪主軸帶有Y軸和B軸，這種組合比較靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，加工效率高。

4.被加工件軸線臥式布局，砂輪主軸實現(xiàn)C軸轉(zhuǎn)動

如圖9所示，被加工件軸線臥式布局，工件工作臺帶有X、Y、Z、A軸、砂輪主軸帶有C軸，這種組合增加了C軸剛度和砂輪運行穩(wěn)定性，提高了砂輪運動精度，對于砂輪更換十分有利;工件工作臺運動坐標較多，結(jié)構(gòu)緊湊。

四、 關(guān)鍵技術(shù)與重要配套件

1.關(guān)鍵技術(shù)

高端五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨，涉及主要關(guān)鍵技術(shù)有以下幾個方面：

(1) 用于精密磨削的機床高剛度床身、立柱及主要結(jié)構(gòu)件有限元分析和整機優(yōu)化設計技術(shù); 高強度礦物鑄件的優(yōu)越的機械性能、高減振、高阻尼和復雜結(jié)構(gòu)設計的特點，為高剛度床身提供了可能性。

⑵ 高速電主軸(磨頭)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及潤滑、冷卻技術(shù);

⑶ 高速電主軸砂輪虛擬式在線動平衡、檢測和修整技術(shù);

⑷ 回轉(zhuǎn)軸-A/B/C結(jié)構(gòu)設計及高精度運動技術(shù);

⑸ 直線軸-X/Y/Z設計及重復定位精度控制技術(shù);

⑹ 五軸聯(lián)動工具加工程序編制及系統(tǒng)軟件應用技術(shù);

⑺ 自動刀具測量和定位系統(tǒng)技術(shù);

⑻ 高速磨削冷卻液的注入及高壓大流量切削液過濾、冷卻技術(shù);

⑼ 五軸聯(lián)動數(shù)控工具磨床的總裝及調(diào)試技術(shù)。

(10) 工業(yè)機器人應用等自動化技術(shù)

2.重要配套件

(1)數(shù)控系統(tǒng)

高性能五軸數(shù)控工具磨要求配套的數(shù)控系統(tǒng)具有以下方面特點：具有開放式體系結(jié)構(gòu);高精度納米插補及運動控制;網(wǎng)絡化全數(shù)字系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu);高效曲面加工性能;易于數(shù)控編程和調(diào)試等。數(shù)控系統(tǒng)應具有多軸、多通道控制;具有高速、高精運動性能;數(shù)字化總線通訊;動態(tài)補償、伺服優(yōu)化等智能化功能等。

目前國外廠商一般采用FANUC31i系統(tǒng)和SIEMENS-840D SL系統(tǒng)。這一類控制系統(tǒng)通用性強。而現(xiàn)在工具磨床廠商又熱衷開發(fā)專用數(shù)控系統(tǒng)和刀具磨削軟件，如ANCA公司的ANCA系統(tǒng)、WALTER公司的HMC500和HMC1500/200系統(tǒng)、阿格頓公司的AGATHON系統(tǒng)。這一趨勢表明，專用系統(tǒng)可隨機床要求的復雜程度和加工對象，由模塊化組件來增減加工功能，以實現(xiàn)它的萬能性和經(jīng)濟性。工具磨床專用系統(tǒng)的CNC編程技術(shù)結(jié)合了各種數(shù)學方程表達式，因而可實現(xiàn)廣泛范圍的插補：有直線插補、圓弧插補、漸開線插補、指數(shù)函數(shù)插補、螺旋線插補、樣條函數(shù)插補等功能，能解決各種復雜形狀刀具的高精度加工。

我國華中數(shù)控股份公司、大連光洋科技工程公司、常州杰亞數(shù)控科技有限公司開發(fā)的高檔數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)為國產(chǎn)五軸數(shù)控工具磨配套使用。其中，大連光洋與常州杰亞的五軸磨床采用的是國內(nèi)外比較先進的新材料-礦物鑄件作為他們機床的床身。

礦物鑄造技術(shù)在德國出現(xiàn)和發(fā)展的時間只有僅僅三十多年，但目前該技術(shù)與產(chǎn)品已經(jīng)廣泛被應用于世界范圍內(nèi)的各類高端數(shù)控設備及其它工業(yè)裝備領域，并且因為其良好的性能和經(jīng)濟性，正被越來越多的客戶應用在越來越多的領域。隨著在這一領域起步較早的幾家德國公司在國內(nèi)的生產(chǎn)和推廣，國內(nèi)高端數(shù)控裝備的一流公司也已經(jīng)或者正在嘗試將礦物鑄件應用在他們的產(chǎn)品上，并取得了良好的市場價值和經(jīng)濟效益。

作為近十年左右才剛剛起步的中國礦物鑄造行業(yè)，部分公司已經(jīng)掌握一部分的技術(shù)，也初步形成一定的市場規(guī)模。但總體上還與這些德國公司存在一定的差距，還處于產(chǎn)品的研發(fā)或者市場的初級推廣階段，礦物鑄件廠家在技術(shù)上呈現(xiàn)百花齊放，在性能上參差不齊的狀況，對于本身就處于推廣期礦物鑄件在客戶端帶來一定的困擾，在某種程度上也阻礙了這一技術(shù)在國內(nèi)的快速推廣和應用。

高強度復合礦物鑄造材料是相對于普通強度的礦物鑄造材料而言的，是寶麗斯通針對高強度和高精密機械部件客戶的需要而特別研發(fā)的多種高強度復合礦物鑄造材料的統(tǒng)稱。這種高強度礦物鑄件成份主要包含石英石、雨花石、玄武巖、填料、高性能環(huán)氧樹脂膠和添加劑及特殊性的增強骨料等。其混料、攪拌、澆注、夯實過程與普通礦物鑄件的制作工藝也有顯著的不同。
(2)數(shù)控刀具磨削軟件

國外數(shù)控工具磨床配置的刀具磨削加工軟件可分為兩類：一類是由專業(yè)的刀具磨削軟件公司開發(fā)的軟件，如瑞士MTS公司開發(fā)的刀具磨削軟件tool—kit PRO—FESSIONAL，瑞士NUM公司開發(fā)的刀具磨削軟件NUMROTOplus等;另一類是由工具磨床制造商自主開發(fā)的軟件，這類磨削加工軟件中不但包含了工具磨床制造商(國外知名的工具磨床制造商通常也是知名的刀具制造商)的刀具磨削、機床制造知識，更融入了其長期積累的刀具生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。雖然各公司推出的刀具磨削加工軟件在功能、智能化、可視化等方面存在差異，但一般都具有3D仿真、圖形引導、參數(shù)化編程功能、開放式刀具磨削專家?guī)斓龋�以便于實現(xiàn)數(shù)控刀具的設計和制造。

我國華中數(shù)控股份公司和大連光洋科技工程公司等企業(yè)也已經(jīng)開發(fā)了自主知識版權(quán)的數(shù)控刀具磨削軟件。

(3)功能部件

主要功能部件涉及高性能電主軸(磨頭主軸)、高精度滾珠絲杠和直線滾動導軌、高精度直線光柵和圓光柵、直線電機和力矩電機、高精度滾動軸承、高精度數(shù)控轉(zhuǎn)臺、精密靜壓軸承、靜壓導軌等。

(4)其它配套件

機床的切削液系統(tǒng)需配置高壓、大流量過濾冷卻站，機床要求配置吸油霧器、防爆滅火等環(huán)保安全裝置。

機床智能化、自動化功能需要配置工件(刀具)和砂輪自動測量和定位系統(tǒng)、砂輪虛擬式在線動平衡檢測裝置，以及砂輪庫或自動砂輪轉(zhuǎn)換器及機械手，上下料機器人等，以便提高了機床智能化、自動化水平，滿足日益增長的數(shù)控刀具高效、高精磨削加工需求。

五、國外典型產(chǎn)品簡介

1.WALTER公司Helitronic Power 型工具磨

如圖10所示，該機型被加工件軸線臥式布局，龍門式立柱結(jié)構(gòu)，工件工作臺帶X軸，并實現(xiàn)A,C軸轉(zhuǎn)動;砂輪主軸上下左右移動實現(xiàn)Y、Z軸。一次裝卡可以實現(xiàn)Ф3-320mm，長350mm的回轉(zhuǎn)類復雜數(shù)控刀具磨削。該機配套FANUC31i數(shù)控系統(tǒng)，公司自行開發(fā)數(shù)控刀具磨削軟件。該機床可配置電主軸砂輪、力矩電機轉(zhuǎn)臺、刀具自動定位探針、砂輪自動更換裝置、刀具在線輪廓測量儀、刀具自動支撐架、刀具自動上下料裝置等。選項有：進給率優(yōu)化器、刀具平衡儀、一體化測量系統(tǒng)、扭矩自適應控制等。

2.澳大利亞ANCA公司MX5型五軸數(shù)控工具磨

該機型被加工件軸線臥式布局，龍門式立柱結(jié)構(gòu),采用ANCA CNC CONTROL控制系統(tǒng)，實現(xiàn)X、Y、Z、A、C—五軸聯(lián)動。X/Y/Z---540/510/215mm，C/A---264°/360°，主功率14kW;機床具有2套砂輪架系統(tǒng)，砂輪軸轉(zhuǎn)速10000r/min，其交換時間為10s，砂輪最大直徑203mm;配有激光連續(xù)測量系統(tǒng)，具有機器人上下料系統(tǒng)。加工工件直徑100mm，加工長度300mm，具有自行開發(fā)3D仿真磨削軟件。

六、 加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數(shù)控工具磨的建議

總體來看，國產(chǎn)五軸數(shù)控工具磨與國外先進水平相比，在加工精度、效率、智能化、自動化、數(shù)控和軟件技術(shù)、可靠性和宜人性等都存在差距，加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數(shù)控工具磨，需要國家產(chǎn)業(yè)政策和科技政策支持，更需要產(chǎn)業(yè)界努力。為此，特提出以下建議：

(1)加大“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項對五軸數(shù)控工具磨科研、開發(fā)、示范和推廣的支持力度。

(2)著力提高國產(chǎn)五軸工具磨的技術(shù)水平、產(chǎn)品質(zhì)量和使用可靠性。國內(nèi)外多家知名的五軸磨床制造商先后選擇在礦物鑄件領域掌握核心關(guān)鍵技術(shù)的寶麗斯通裝備技術(shù)（蘇州）有限公司的KL600配方作為他們成熟的四軸、五軸磨床產(chǎn)品或者正在開發(fā)的產(chǎn)品的機床床身，在技術(shù)上搶得先機，取得了超過預期的豐碩成果。

(3)大力發(fā)展五軸數(shù)控工具磨產(chǎn)品配套所需的功能部件，為產(chǎn)品升級和產(chǎn)業(yè)化提供產(chǎn)業(yè)鏈配套支持。

(4)支持重點骨干企業(yè)實施技術(shù)改造，提高五軸數(shù)控工具磨制造工藝裝備水平和試驗檢測能力。

(5)鼓勵以骨干企業(yè)為主導，以市場需求為牽引，“產(chǎn)學研用”結(jié)合，特別要加強刀具制造和工具磨床制造兩個行業(yè)主導企業(yè)的合作，推動科技成果產(chǎn)業(yè)化。

七、結(jié)束語

“工欲善其事，必先利其器”。推動國產(chǎn)五軸數(shù)控工具磨提高技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化程度，加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數(shù)控工具磨，滿足我國制造業(yè)的需求，已經(jīng)成為機床工具行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的緊迫任務。呼吁富有實力的企業(yè)和有志之士發(fā)力，為加快發(fā)展國產(chǎn)高檔五軸數(shù)控工具磨貢獻力量。

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