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智能化:世界机床技术的发展方向

文章来源:sjzwx 更新时间:2013-12-25 09:23:30

 进入21世纪,世界机床技术快速向前发展,在精度、效率、自动化、智能化、网络化、集成化方面,都出现了新的飞跃。在2006年9月6~13日美国举办的IMTS’06展览会上,日本MAZAK企业第一次展出了智能机床,这是一个重大突破。在今后一段时间内,这种类似的综合性智能化机床将引领世界机床技术进入一个新的发展领域。 

六大特色引人注目      

在上世纪80年代,美国曾提出研究发展“适应控制”机床,但由于许多自动化环节如自动检测、自动调节、自动补偿等没有解决,虽有各种试验,但进展较慢。后来在电加工机床(EDM)方面,首先实现了“适应控制”,通过对放电间隙、加工工艺参数进行自动选择和调节,以提高机床加工精度、效率和自动化。日本MAZAK企业2006年9月首先展出的智能机床,向未来理想的“适应控制”机床方面大大前进了一步。    

日本这种智能机床具有六大特色:一、有自动抑制振动的功能。众所周知,在高速加工过程中,机床容易出现振动,刀具也易于磨损。该机能自动抑制振动,大大提高了加工精度。二、能自动测量和自动补偿,减少高速主轴、立拄、床身热变形的影响,使机床加工精度大大提高。三、有自动防止刀具和工件碰撞的功能,能大大减少突发事故,提高机床工作的可靠性。四、有自动补充润滑油和抑制噪音的功能,能大大改善工作条件。五、数控系统具有特殊的人机对话功能,在编程时能在监测画面上显示出刀具轨迹等,进一步提高了切削效率。六、机床故障能进行远距离诊断。    

为生产自动化创造条件     

机床技术发展的前景和目标,是能够实现装备制造业的全盘自动化,由单机自动化向FMC,CIM,CIMS发展,提高加工精度、效率,降低制造成本,为人类创造更多的财富。在实现全盘自动化过程中,需要解决的技术问题异常复杂,不仅要解决代替体力劳动的问题,更要解决代替脑力劳动问题。它包括工艺、刀具、物流、联网、信息存储、控制等。如何用智能化代替人的手工和脑力劳动,是最关键的核心问题。    

 智能机床的出现,为未来装备制造业实现全盘生产自动化创造了条件。首先,通过自动抑制振动、减少热变形、防止干涉、自动调节润滑油量、减少噪音等,可提高机床的加工精度、效率。其次,对于进一步发展集成制造系统来说,单个机床自动化水平提高后,可以大大减少人在管理机床方面的工作量。人能有更多的精力和时间来解决机床以外的复杂问题,更能进一步发展智能机床和智能系统。第三,数控系统的开发创新,对于机床智能化起到了极其重大的作用。它能够收容大量信息,对各种信息进行储存、分析、处理、判断、调节、优化、控制。它还具有重要功能,如:工夹具数据库、对话型编程、刀具路径检验、工序加工时间分析、开工时间状况解析、实际加工负荷监视、加工导航、调节、优化,以及适应控制。     

智能机床的开发,是在纳米化、高速化、复合化、五轴联动化等浪潮之后的一个新的发展,为今后进一步研究开发适应控制、FMS、CIM、CIMS创造了更多有利的条件,为将来发展工厂自动化具有很大的影响和促进作用。     

智能机床科研任重道远    

人类从创造出复杂生产工具———机床以来,为减少体力劳动,不断努力提高机床的自动化程度。迄今为止,有三大阶段:即1930~1960年从手动机床向机、电、液高效自动化机床和自动线发展为第一阶段,主要解决减少体力劳动问题。1952~2006年数字控制机床发展是第二阶段,它解决进一步减少体力和部分脑力劳动问题。2006年开发出智能机床以后,可作为第三阶段,有可能逐步形成热潮。加速发展智能化机床,将进一步解决减少脑力劳动问题。    

21世纪,数控机床将在现有技术基础上,由机械运动的自动化向信息控制的智能化方向发展。其发展速度和高度将取决于人才、科研、创新、合作四者。2006年展出的这个世界第一台智能机床,还需要进一步不断完善、提高。如在机、电、液、气、光元件和控制系统方面,还有许多科研课题,路程还很长。要达到成熟的“适应控制”机床水平,还需要进行许多深入研究工作。特别是在加工工艺参数的自动收集、存储、调节、控制、优化方面;在智能化、网络化、集成化后的可靠性、稳定性、耐用性等方面,都还需要深入研究。    

 数控机床智能化的发展前景,非常广阔。它是世界制造技术进一步提高效率、自动化、智能化、网络化、集成化的努力目标,也是在今天数字控制机床技术基础上向更高阶段发展的努力方向。预计在21世纪前半期,有可能在现有机床技术上实现单台机床的“适应控制”,并逐步向制造系统发展;在后半期,有可能建立不同程度智能化技术水平的CIM、CIMS,其发展时间的快慢,将取决于人类的努力和科学技术水平的提高。

进入21世纪,世界机床技术快速向前发展,在精度、效率、自动化、智能化、网络化、集成化方面,都出现了新的飞跃。在2006年9月6~13日美国举办的IMTS’06展览会上,日本MAZAK企业第一次展出了智能机床,这是一个重大突破。在今后一段时间内,这种类似的综合性智能化机床将引领世界机床技术进入一个新的发展领域。 

作为冲模常用材料的高合金工具钢,其所有的力学性能的高低,与冲模的使用和寿命息息相关。在国外常常通过改锻来提高高合金工具钢的力学性能,而国产高合金工具钢,尤其是冷作模具用高合金工具钢(如Crl2,Crl2MoV),其共晶碳化物极不均匀,若不经改造,是不能满足冲模需要的。因此,需采用先进锻造工艺进行改锻,以达到制模要求。   

冷作模具高合金钢的锻造,不限于获得理想的几何形状、消除冶金缺陷(如锻焊内部疏松、非氧化气孔、细化晶粒、紧密组织等),更重要的是通过合理的锻造操作,大幅度提高钢的力学性能。    

改锻的基本工艺要素   

高合金工具钢轧(锻)材的改锻与一般自由锻有别,各个环节都有具体的要求。欲将其改锻成高质量的冲凸模、凹模锻坯,必须事先确定好以下一些基本要素。

1 对原始毛坯的要求   

模具制造大都是单件、小批量生产,模具锻坯的原始毛坯下料主要采用锯切割。要求两端平整(倾角小于10°),其毛坯尺寸还应考虑加工余量和火耗。为了满足首次镦粗锻造比,便于击碎材料组织颗粒粗大的碳化物,推荐按下式确定毛坯长度尺寸:

2d<L<3d(圆坯料)

2A<L<3A(方坯料)式中:L——毛坯长度;

d——圆毛坯直径;

A——方毛坯边长。

2 加热规范

常用高合金工具钢锻造加热规范见表1。  


钢号

加热温度/℃

锻造温度/℃

始 锻

终 锻

Cr12

1100-1150

1050-1100

850-900

Cr12Mo

1150-1180

1070-1120

840-880

Cr12MoV

1050-1100

1000-1050

840-880

Cr12V

1080-1100

1020-1050

800-850

Cr6WV

1100-1150

1050-1100

800-850

CrWMn 

1100-1150

1050-1100

  
800-850

3 锻造设备吨位   

高合金工具钢在锻造温度下比普通碳钢强度高、塑性差。为了更有利在接近终锻温度进行锻造,便于打碎钢中碳化物,从而改善钢的内部组织,在锻造高合金工具钢时,其锻造设备吨位应选得高一点。根据锻件重量设备参见表2。

表2 锻锤吨位选用推荐表  


锻造重量/kg

<1

<2

<3

<4

<6

<10

<15

<20

锻锤吨位/kg

65

150

200

250

400

500

750

1000

形状、尺寸以及表面质量符合要求,也要求改善其内部质量。迄今为止,后者仍然要靠锻造的变形工步来达到。对于一般的碳钢和低合金钢,必须在始锻温度下,加大锻造比,猛烈锻打,使其锻透,这就足以改善其内部质量。而高合金工具钢,特别是低塑性合金钢,因塑性太低,不能用自由锻造方法锻造。但当它们处在全向不等值压缩状态下(即三向受压应力状态),其塑性可得到提高。在挤压筒中挤压和闭式模腔中模锻,属于这种应力状态。   

用自由锻工艺锻造高合金工具钢时,若采用方一扁方一方拔长的锻造工步,则锻坯受力状态可看作近似的三向压力状态,可更好锻透并挖掘材料塑性潜力。

4 高合金工具钢改锻工步的选定   

高合金工具钢冲模锻坯,要求其共晶碳化物颗粒应细小而匀称并均匀分布,无宏观、微观偏析。未经精炼的国产高合金工具钢轧(锻)材,需进行改锻才能改变材料力学性能,满足冲模锻坯的要求。目前行之有效的改缎方法有以下几种:

(1)顺纤维方向镦拔3词笮庞耐驹上。沿原始毛坏的纤维方向(轴向),确保锻造比>2,在一火内快速连续镦拔3词笮庞耐驹上。这种方式适合高速钢及小尺寸高合金工具钢锻坯的改锻。缺点是若镦拔次数不足或锻造比过小则锻不透,从而导致碳化物分布有明显方向性:操作不当时,还易出现空心裂纹。

(2)变向反复镦拔3词笮庞耐驹上。第一次顺纤维镦拔,第二次垂直于纤维方向拔长再镦粗。按此顺序可分为单十字、双十字和多十字镦拔。这种镦拔工步要点:一火内完成全部十字镦拔;锻造比>2,镦粗前后锻坯高度相差一倍;为避免镦粗凸肚裂纹,应采用倾斜旋转多次轻击快打;拔长采用方一扁方一方走料。生产实践证明,经三种十字镦拔,可以满足多数80mm以下毛坯轧(锻)材各种锻坯改锻的需要。    

虽然采用相同的变形工步,同样的生产条件,但由于锻工操作技术水平不一,加之原始毛坯的内在质量差异,改锻后的效果,有时仍然会有较大差别。   

结束语   

经改锻后的Gr12MoV钢锻坯,其共晶碳化物的不均匀度达到国标2级以上,有的也能达到l级,使原始毛坯轧(锻)材的碳化物不均匀度提高了4级以上。以统计资料显示,这种由改锻高合金工具钢制造的冲模,其寿命均有大幅度提高(达30%—50%)。

 

伟新锻造
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