“范式转移”(Paradigm shift)——机床的现状和展望

前言

在市场繁荣大背景下的第2 9届日本国际机床展(JIMTOF 2018),到场人数超过了15万人,创下历史最高纪录。最最引人注目的是以IoT为关键字的“可视化”技术,展会会场上有超过70家公司300台的设备和IoT相关。

笔者在仔细观察了每一台出展的机床后,又参观了每一家机床厂商的展台。迄今为止,机床设备给人的印象是“通过对铁的加工而获得更有价值的产品”,而在此次展会上,带有“可视化”概念的多款产品参展,由此可见,这正是机床设备在逐渐发生质的变化的证据,我们期待着今后会有很大进展。

笔者从2009年开始,以在中国的机床展为中心,见证了世界机床的变化,但是在这次JIMTOF上,第一次亲自感受到就连机床设备,也受到了IoT的影响。

机床,决不是IoT技术下的主角产品。但是在机床的制造和使用两方面,IoT却均是不可缺少的,是支持机床高速化、高精度的重要产品。此次的展会上,就连最普通的加工中心也展示了精细到7纳米、5纳米的加工样品。其主要原因不仅仅是机床的精度在提高,而且滚轴的精度也提高了,工具前端的振动也减小了(图1)。因此本文将介绍JIMTOF2018上展出的机床设备的最新动向。


图1 为实现表面粗糙度Ra7nm、Sa5nm做出巨大贡献的热装式卡盘(左侧为MAKINO的IQ500,右侧为北京精雕JDGR200-AB分别对模具材料STAVAX HRC52进行PCD圆头加工的样品、JIMTO2018、MST展台)

机床的现状

通过机床加工能够制成的产品很多,大致分为以下四类。

 (1)工业机械中广泛使用的部件(滚珠螺丝、线性导轨、轴接头、离合器制动等)

(2)在设备上固定加工工件的工件固定工具(动力链,特殊链,制动器,旋转中心等)

(3)在设备上固定工具的工具固定件(数控车床等)

(4)主要用来安装加工工件的附属品(圆桌,机械),以及用于支援加工的装置(切碎装置,自动工具更换装置,油温调节器等)

其中,生产数量和生产额最多的设备为线性导轨,其次为球状螺丝、离合器制动器、切口用座机和数控件。

2017年机床市场最大大问题是,局部零部件的供不应求。我经常听到这样的话,即使接受了机床的订单,由于无法得到局部零部件,所以无法生产。局部零部件不仅用于机床,还用于半导体等制造设备,为了满足所有领域的需要,要一举提高产量,这需要扩充局部零部件的生产设备,但这并不是件容易的事情。

技术动向

机床设备所包含的零件,固定件,附属设备等种类很多,本稿将从中挑选具有代表性的部分,并介绍其技术动向。

1.直线导轨

直线导轨取代了滑动导轨,成为以机床为首的半导体制造装置,是需要直线输送的机器和装置必不可少的机械要素,现在,装有滑动导轨的机床甚至是比较少见的了。

球形直线导轨是1972年首次在日本投产的机器要素。最初是作为滚珠花键轴的改良版被发明,之后加以改良,被当时的美国Car nailer & Trekker公司的工程中心首次投入到使用中,一跃成为焦点并迅速开始普及。

直线导轨不仅可以用在机床、半导体制造装置中,在机器人、医疗机械、普通机械、车站前门等直线移动机构的机械类中也普遍使用。

直线导轨首次运用在机床上时,因为有振动多,衰减低等多种问题而被指责,但是随着直线导轨用挡板的开发,转道体(球和圆筒部分)之间的接触消失,摩擦力的变动减至1/10以下,开发出(图2)有8条转动沟的直线导轨,可以有效减低振动并且提高振动衰减能力。


图2 滚珠轮轴的LM向导SPR/SPS(出处:THK目录https://tech.thk.com/出处:THKhttps://tech.thk.com/upload/catalog_claim/pdf/362_SPR_SPS.pdf)

得到了海外厂商,尤其是台湾厂商的大力支持,产品得到了很高的评价,并开始在日本普及。另外,中国的制造商将此作为“中国制造2025”项目的重要技术之一,并以到2025年使国产化占比达到80%为目标,在这一领域上下了很大功夫。最新消息说,在无固定器导轨方面,产品已经达到国际水准,带固定器导轨方面还有研究的余地。

2.球形螺丝

球状螺丝是主管机床运动和定位的关键部件。球形螺丝的精度代表着机床的精度,并且是与产品精度直接相关的重要部件。

球状螺丝于1961年在日本首次作为机床用输送螺丝量产,随着数控机床的迅速发展。由于可实现高精度的输送,使用起来比较方便,因此不仅在机床中,在半导体、液晶制造装置、机器人、喷射成形机和冲压等工业用机械中也被广泛使用。

球状螺丝的特点是由于使用了弯曲摩擦,螺丝的效率明显高于滑动螺丝。随着机床的发展,螺丝必须具备高精度和稳定性。所以采用了中空球状螺丝,使得螺丝轴和螺母都可以及时冷却。另外,噪音问题也正在通过球型循环机构的改善和杠铃的采用而得到改善。

线性马达被认为是球状螺丝取代产品,球状螺丝在高速往返运动和长距离输送机构方面有很多弊端。线性马达因为能很好的解决这些问题而逐渐被用在机床设备上,但是因为造价较高,所以还未得到广泛使用。

由于球状螺丝和直线导轨均会使用到转动体,因此无法避免年久变形以及寿命问题。还有当细微的切粉进入到球状螺丝内部而导致使用寿命不足一年就发生裂缝的情况。

为了应对此类问题。还开发了可检测数种现象的传感器,以及寿命预测、检测振动、热和润滑状态等系统(图3)。

不过,为了监测球状螺丝的状态,最好不要单独考虑球状螺丝,而是应该将伺服马达与接头作为整体系统来考虑。

3.联轴器

联轴器是连接滚珠丝杠与伺服电动机必不可少的部件。调整两个轴使各自的旋转中心一致是极难的事。实际的旋转轴不是在理想的中心旋转,而是由轴承支撑旋转,在轴方向和半径方向的不断变动产生运动。也就是说,螺丝轴的旋转中心并非在理想决定的中心线上,而是稍稍偏离理想中心在旋转。如果两个轴心偏移,伺服电机以一定的速度旋转,驱动的球形螺丝会产生旋转不均的情况,造成传送表面速度的变动。因此,在使用轴接头的情况下,最好尽量使两者的轴心保持一致。

联轴器是为了缓和两个轴的冲击,使半径方向具有灵活性。因此,对于马达的运动来说,包括了球形螺丝延迟反应的要素。例如,当电动机由正转向逆转转变时,有可能出现反应迟缓的情况。为了防止这种情况,选择具有较高刚性的螺纹接头就显得尤为重要。

在JIMTOF 2018上也有很多与“联轴器”技术相关的产品出展(图4)。比如能够实时检测扭矩的传感器内置型联轴器。检测到的数据可以使用蓝牙和Wi-Fi来提取。但目前存在给传感器供电的问题。因为必须要在有限的空间内供电,所以与机器的设计成为一体的改进十分重要。

另一个重要的点是,活用提取出的扭矩数据。如果查看机器的运转状况可以使用伺服电机的扭矩信息,就不需要通过联轴器,也不需要花费成本。如果能明确了解到从联轴器上提取的有效信息是什么,则可未来就可以作为嵌入传感器的部分产品而扩大使用范围。

4.固定加工工件的卡盘

作为固定加工工件代表的三爪卡盘,由于具有自动调心机构,所以主要用于固定圆筒状工件,用于车床、内面磨床、5轴复合加工中心上等。用三爪卡盘固定加工工件时精度会变得很高。

如图5所示,商品目录上记载着三爪卡盘固定加工工件时的精度很高,T I R(拨号盘的指针的振幅)不到0.01mm,即使在非顶级作业的情况下也能维持其精度。通过视频也可以确认,TIR仅仅在2μm以内,确实可以达到高精度。该技术的决定性在于,当重新安装顶杆时,需要分析精度是否下降,从而减小可能产生误差的各部分的间隙。选择的T型螺母掌握着维持精度的关键。


图3 将多功能传感器嵌入滚珠丝杠的螺母中检测振动、温度、润滑状态,预测寿命的系统(JIMTOF 2018、Hi-Win的展位)


图4 内置扭矩传感器的联轴器(出处:MIKI PULLEY 带传感器的联轴器 扭矩数值立即确认,日刊工业新闻)https://www.nikkan.co.jp/articles/view/0047686


图5  实现高精度(T I R 0 . 0 1 m m以下)的三爪卡盘(出处:KitagawaBR08形http://prod.kiw.co.jp/mtools/csd/1996.html)

5.铣刀夹头

铣刀夹头是用于安装在加工中心的主轴上来紧固铣刀的一种筒形的夹具。能否将机床和工具的性能100%抽出,这与铣刀夹头的性能息息相关。主轴与夹头之间的接口,按照ISO进行标准化,主要采用Tapa结合的方式。但是种类十分的多(表1)。


表1 标准化的锥柄

日本的领先于世界标准化的BT锥柄(7/24锥柄)成为ISO的标准,在此之前,以德国的DIN为基础的7/24锥柄已成为ISO标准。日本的BT锥柄成为ISO标准的同时,基于美国标准的ANSI锥柄也被纳为ISO标准。

另一方面,由于7/24锥柄的安装精度不太好,德国提议以HSKShank作为加工中心接口,并成为ISO标准。此后,根据日本的提案,转向中心用的HSK-T被标准化,与此同时,Sandvik(瑞典)的CAPTO、Kennametal(美国)的KM也成为ISO标准。

铣刀夹头中的具有代表性的就是紧固铣刀的夹具。最近,作为以高精度加工和高速加工为目标的卡盘,热装式卡盘开始普及。在紧固铣刀的同时,并不是像弹簧卡盘一样依靠摩擦力,而是利用热胀冷缩的原理,通过卡盘加热使得夹头张开并插入工具,进而冷却使之紧固。热装式卡盘普及的原因是因为其结构简单,误差较小,安装后工具自身的振动较小,可以更快地旋转,进而实现高精度加工(参见图1)。

最近,液压卡盘也很流行(图6)。与热装式卡盘的方式不同,铣刀、钻头等刀具的安装、拆卸不需要特别的装置,只需一根扳手就能简单搞定。反复安装时的芯部偏差在1.5μm以下,工具尖端的振动也小于1μm以下。不仅如此,振动的衰减性也很出色,作为今后卡盘工具里的常客,各公司正在竞相开发。但是,由于紧固扭矩不是很大,因此更适合进行精加工切削。


图6 液压卡盘的原理和振动衰减性(出典https://nttoolthai.com/products/hydro_chuck/)

另外,在高速旋转的情况下,由于包括卡盘在内的工具的不匹配导致工具刀尖发生抖动,因此发行了ISO16043,以如何进行工具的匹配为方针进行了总结。根据此方针,工具的优良匹配等级需要达到G2.5,根据使用的旋转速度,达到G2.5十分困难。

“试图在40,000 r/min中使用质量为350g的HSK-40卡盘,如果必须要求改卡盘达到G2.5,则可接受的不匹配度仅为0.21 g•m m(0.6 g•m m/kg),可接受的卡盘重心偏移量为0. 6μm,这是基本上无法实现的数值。”

如果想达到指定的匹配优良度G的话,旋转速度也必须达到指定要求,但是需要明白的是,根据旋转速度的不同,是不可能满足指定的匹配度G的。

6.附属装置(Attachment)

6-1.NC旋转工作台

附属装置的代表例子是NC旋转工作台,它可以以任意角度进行倾斜,用于各种各样的厂家。

NC旋转工作台的驱动通常使用便于实现高减速比的蜗轮来进行,但也会使用高频齿轮和低频齿轮。在韩国和中国,为了实现N C 旋转工作台的高速化,采用Rolagiyakamu驱动的机床厂商正在增加。此外,最近还开发了类似于滚子齿形凸轮的球型驱动器(图7),用滚子齿形凸轮的滚子来代替球形。

在5轴加工中心和复合加工机同时进行控制时,旋转轴的齿侧间隙是一个大问题。只要使用机械减速器,齿隙的影响是不可避免的。与机械减速机构相比,DD电机在响应、转速和齿隙等方面具有优异的性能。


图7 球型驱动器 tsudakoma original新一代驱动机构《BallDrive》(出处:https://www.tsudakoma.co.jp/business/mta/technology/index.html)


图8 NC旋转工作台用刻度盘制动器(出处:mmk MATSUMOTO(MATSUMOTO MACHINE)目录Concept JE-1·1804)

但是,并不是说DD电机没有任何问题。例如,蜗轮等在工作台倾斜的状态下保持一定的位置时,如果是蜗轮的话,停止旋转则继续保持其位置,但如果是DD马达的话,则必须不断产生扭矩。解决这个问题的一个方法就是使用适当的制动器。但是,如果由于使用制动器而使NC工作台的中心位置偏离就没有意义了。例如,图8所示的例子是使用与油压卡盘相同的油压技术的金刚石式制动器。包括机械减速机构的数控工作台产生与蜗轮齿数成比例的旋转不规则,例如,使用蜗轮。只要采用机械减速机构,这种旋转不平度可以很小,但不容易避免,条纹留在工作表面。

6-2.机用虎钳

机用虎钳又叫机用平口钳,是配合机床加工时用于夹紧加工工件的一种机床附件。为了减少步骤转换的次数或者是加工复杂的曲面就必须要使用到5轴加工中心。但是,要将加工工件放在倾斜的工作台上进行加工时,为了消除主轴头和工作台表面之间发生的干扰,需要把加工工件安装在冶具或者是夹钳上再进行加工(图9)。

这样的夹钳必须要求夹紧时加工工件不会浮动或掉落。最近的机用虎钳几乎不会发生这种现象,而且还开发出了能够通过适当的夹紧力来紧固工件的产品。即,使夹具作业“可视化”的装置(图10)。

这种夹钳可以检测出工件在被紧固时的力,所以在必要的场合下可以在加工过程中监视夹钳所需的力量。但是,如果想要持续不断地发送数据,则会面临与联轴器一样的如何持续向传感器供电的问题。


图9  5 轴加工中心使用的机用虎钳( 出处:N A B E Y A 目录No.C18-082A)


图10 导入可视技术的机用虎钳(出处:IMAO,目录2018.11)(实时显示夹紧力!夹紧不足 夹紧合适 夹紧过量 正在申请专利)

7.离合器・制动器

离合器和制动器是虽然在JIMTOF 2018中没有出现但是却很重要的设备之一。合器制动是利用电磁力、油压、空气压、机械动力等来开启或关闭驱动力的接头,根据构造和动力的传输形态被分类为电磁、机械、油压、空压等。

电磁离合器、电磁制动器随着机械、设备的省力化、自动化、机械化的需求的增加,机种也变得丰富起来。成为各种机器在远程操作中不可缺少的零部件之一。不过。在动力传递系统中,电磁离合器和电磁制动器已经正在向伺服电机转变。

离合器制动器的结构也正在简单化、小型化、轻量化和薄型化,例如,在打印机中,用于打开/关闭供纸辊、碳粉搅拌、感光鼓等驱动。在工业用电磁力中电磁离合器制动被广泛地使用(图11)。


图11 电磁离合器制动的构造(出处:htttps://www.mikipulley.co.jp/JP/Products/ElectoromagneticClutchesAndBrakes/index.html)

离合器・制动器的摩擦面所使用的摩擦材料主要由布、皮、软木等制成,需要在轻载、低速条件下使用。随着负荷的增加和高速化发展,加入金属线的特殊玻璃纤维的WOVEN系摩擦材料和使用了氨基纤维的MOLD系摩擦材料等新型材料被渐渐取代了旧的摩擦材料,另外,为了加速高速化•大型化还使用了烧结合金等新型材料。

结语

这就是JIMTOF 2018,我们可以从中切实感受到IoT化的浪潮在急速涌向机床业界。将传感器嵌入到各个元件和要素部件中,收集数据,掌握作业的进展状况和机械状态,减少浪费,并与改善相关联,着手构建能够准确地提供重要信息的系统。让我们一起期待着机床业今后的发展吧。

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