機床發展是高效高速加工的前提條件

當前由于機床制造技術的迅速發展，機械制造領域正在醞釀著巨大的變化。數控機床發展成多軸機械加工中心，集約各種工序為一體，明顯地縮短了輔助時間，提高了生產率，同時減少了工件的裝夾次數，提高了加工精度。綜上所述，當前機床的發展目標應是：減少工序的更換，明顯提高效率；趨向于工序集約，易于提高精度；使用復合刀具、球頭立銑刀等先進工具，可提高每單位時間的切削量；走刀速度加快，切削效率提高；能減少銑削后的打光工序；切削工具、托板的自動交換，自動化程度高，輔助時間顯著縮短；由于復雜零件容易加工，促進零件結構的改進等。從航空航天的角度看，普遍認為機床的這種發展，非常適合于單件小批量生產，所以迅速地、較多地在單件小批量生產系統中充實了這些裝備，實踐也表明了自動化的設備是符合航空航天系統制造技術發展的需要的。 
         

    當然，從提高生產率的角度分析，除了自動化加工以外，仍然存在著如何更進一步、更合理地利用各種技術進步的問題。從機床的發展觀察，機床主軸的高速化顯著地提高了轉速，高于0000r/min的機床已經比較普遍。軸承技術的進步，為此提供了可能。主軸的發展，最突出的是電主軸已經商品化。主軸的潤滑技術十分關鍵，受到各方面的關注。多年來，從油脂潤滑發展到油霧潤滑、油氣潤滑、環下(under-race)潤滑，甚至冷風潤滑等。伴隨著高速主軸的發展，油脂潤滑已經不能適應，油霧潤滑由于污染的原因使用也在減少，現在使用最為廣泛的是油氣潤滑，更合理的是環下潤滑，使關鍵的內環得到了更好的潤滑。潤滑性能的提高，使滾珠軸承也能承受70000r/min的高轉速。美國原來在機床主軸上采用的是ABEC7級高精度軸承，現在已經發展到ABEC9級，說明軸承的精度提高是必須的。由于材料的發展，又出現了陶瓷滾珠，使得滾珠軸承的性能更加提高，這也是保證主軸高速化的需要。在提高主軸轉速和精度方面，也有采用氣浮靜壓軸承或者液浮靜壓軸承的，而磁力軸承則能達到更高的水平。         


    幾年前，美國J&L和Ingersoll公司推出了采用直線電機的高速機床，引起巨大的反響，在加大走刀速度方面起到了滾珠絲杠達不到的速度，但是當時因為成本太高，在具體的應用上，較多出現的是加大絲杠的螺距，增加頭數，或者制造成中空的大直徑絲杠，通以溫控的水，保持適宜的溫度。也有主張采用靜壓絲杠的，但是從性能上仍有比較大的差距，它最高可以達到加速度 1～1.5g，而直線電機可以達到10g以上。后來由于直線電機制造技術的進步，其成本明顯降低，應用明顯增加。現在在電火花機床上也采用了直線電機，如日本的SODICK甚至采用3個直線電機。只有走刀的高速化，高速加工才能真正得到實現。當然，圍繞高速加工仍有一系列的技術需要解決，例如，托板交換、工具交換的速度也要增大。  


    德國的DIGMA、CHIRON、STAMA，日本的大隈，瑞土的MIKRON等公司都是世界上有名的高速機床制造商。CHIRON的小型機械加工中心的工具交換時間已經達到0.5s。同時也要求提高主軸的加減速度，使主軸能在極短的時間里停止或者達到最高速，現在已經可以達到2s左右。  
       
    為了滿足高效率加工的需要，機床的強度、剛度、穩定性、抗振性等都接受了挑戰，所以從設計方面采用了CAD方法，預先打好基礎；特別是在結構材料上有了比較明顯的變化，出現了石質材料取代傳統的鑄鐵和鋼的方法，如采用花崗巖、陶瓷、人造花崗巖、人造大理石等。在超精密機床上還有采用零膨脹系數的微晶玻璃(德國稱為Zerodur，日本稱為玻璃陶瓷)的。近幾十年來，機床為了適應生產率的發展要求，在結構材料方面發生了很大的變化，機床的性能有了長足的進步。我國較早研制成功人造花崗巖，在花崗巖的應用上已經有比較長的歷史。德國DIGMA公司的高速機床結構材料就采用了復合聚合物混凝土，提高了機床的剛度，具有振動衰減性優越(為鑄件的1/6～1/8)、低熱變形(為鑄件的1/25～1/40)的特點。         


    近年來機床的發展日新月異，高速化、復合化、多功能化、高精度化的趨勢比較明顯，機械制造領域的主旋律則是提高生產率。例如DMG公司展示的激光銑削機械中心，將不同的工種集約在一臺機床上；為了更好地解決排屑的問題，德國的EMAG公司研制了倒置機械加工中心；當前比較多的公司提供了5軸機械加工中心；特別是虛擬機床的出現，從機床的設計上發生了較大的變化，現在它依舊在發展之中。