复杂工况高效高精度加工技术
高效高精度加工是机床用户追求的永恒目标,加工工艺作为获取优质零件的必要环节,其优劣对零件加工质量和效率有直接影响。当前,机床用户在切削加工编程阶段由于缺乏对机床本体性能的认识,仅考虑刀具与工件的几何约束关系进行工艺编程,工艺制定和参数选择多凭人员的习惯和经验。此外,在加工复杂型面零件时,强时变、参变的切削负载将激发工艺系统的复杂响应,易导致加工过程失稳、零件报废。目前提高加工质量的常用方法是采用“加工-分析-测量-修正-再加工”的思路,生产周期长,成本高。随着对高效高精度加工的不断追求,这种传统的被动式工艺制定流程难以充分发挥机床的使用效率。
实际上,加工过程与工艺系统之间存在交互机制,想要实现高效高精度加工,首先需研究切削过程与工艺系统之间的动态交互作用机理,针对不同机床性能、刀具性能和零件加工要求,综合工艺系统特性和工艺过程,考虑物理性能约束,提出面向高效高精度加工的刀具路径规划与工艺参数优化方法,实现工艺系统与加工过程的最优匹配。其次,研究考虑加工过程影响的机床自适应控制技术,在伺服驱动环节和数控环节开发先进控制策略,实现多源物理量在线测量、加工误差分析与补偿,提高加工效率和质量。
精度保持性相关技术
精度保持性是评价数控机床性能的重要指标之一,也是影响国产数控机床性能的主要瓶颈。当前,国内还没有一个比较系统的精度保持性研究体系。另外,通过对国产数控机床精度衰退的调研,发现造成国产数控机床精度保持性差的原因主要是非正常磨损。因此,为提高国产机床的精度保持性,需针对国产数控机床的设计、制造过程和使用环境,建立精度保持性理论体系,研究相应的改善措施。在几何精度保持性方面,设计阶段应考虑导轨滑块、丝杠螺母等动结合部的寿命设计,考虑重力影响的大型结合面的精度设计在制造阶段实现内应力的合理控制,动、静结合面的小或无应力装配,最终减小移动部件质心位置变化造成的基础件变形、基础件内应力释放变形、装配应力造成的螺栓蠕变等引起的导轨滑块非正常磨损。
在主轴精度保持性方面,重点研究主轴轴承间隙(配合)、轴承预紧力等装配参数,以及主轴密封与润滑方式,设计阶段考虑服役状态合理选择轴承与主轴配合、冷却参数以及密封结构等。制造阶段关注服役态下轴承预紧力保证措施,以减小轴承非正常磨损。在运动精度保持性方面,研究运动部件非正磨损造成的机械参数变化,电器参数老化造成的电器参数变化,以及两者间的机电参数不匹配而引起的运动精度保持性衰退机理,研究机械参数、电器参数的辨识方法及自适应控制算法,实现运动精度的恢复与保持。在整机精度监控方面,实时监控机床使用阶段的工作环境和运行状态,选择合适的监控参数以及参数阈值,保证机床在正常条件下使用,也是延长精度保持性的有效措施。
可靠性相关技术
机床可靠性技术已成为机床行业最主要的关键技术之一,也是一直影响国产数控机床市场信誉和竞争力的主要问题。经过数十年的发展和积累,国产数控机床可靠性技术研究虽然在可靠性建模、故障分析、可靠性设计、可靠性试验和可靠性增长等方面取得了明显进展,但与国外机床相比还处于落后状态。数控机床是一个故障模式多样、故障机理复杂、故障可修复的复杂系统,其可靠性研究在技术上多学科相互交叉、时间上贯穿机床全生命周期、空间上涉及多部门协同,是一项复杂的系统工程。国产机床可靠性所面临的核心技术问题是,需针对机床全生命周期强化可靠性试验、建模、分析、设计等方面的基础研究,深入开展机床制造可靠性、装配可靠性、早期故障排除可靠性、使用可靠性、维修性设计和预防性维修策略等可靠性技术研究,提高可靠性数据积累能力,提出数控机床整机、功能部件和关键零件的可靠性概率设计方法,深入研究故障产生的物理本质、故障相关性、故障模式及规律,重视维修性和可用性,实现数控机床设计、制造和使用全生命周期内的可靠性增长,加快凝练出国产机床可靠性技术体系,制定可靠性技术规范和技术标准,提高国产机床可靠性。