【正文】 21 系統(tǒng)等。 充分利用接合面間的阻尼 在焊接結(jié)構(gòu)上，壁板和 筋板 之間采用間斷焊接 （ 即焊一段，空一段，再焊一段 ） ，空的那一段振動(dòng)時(shí)互相摩擦，可消耗 振動(dòng)能量，從而獲得良好的阻尼特性。WEBER） 公司為 HYOP80 NC W 型加工中心制成了丙烯酸樹脂混凝土床身，其動(dòng)剛度比鑄鐵件的高 6 倍。 采用新材料制造基礎(chǔ)件 最近 10 年來，德國(guó)和瑞士在應(yīng)用聚合物混凝土制造基礎(chǔ)件的研究中 取得了進(jìn)展。采用阻尼涂層，既可不改變?cè)O(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和剛度，又能獲得較高的阻尼比，其阻尼比 ξ 值可達(dá) ~ 。圖 29 所示為 DNE 480L 型數(shù)控車床的底座和床身結(jié)構(gòu)，底座內(nèi)所充填的混凝土的內(nèi)摩擦 阻尼較高，再配以封砂的床身，使機(jī)床有較高的抗振性。 基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土等阻尼材料 圖 28 兩種車床床身的動(dòng)態(tài)特性比較 在基礎(chǔ)件內(nèi)腔充填泥芯、混凝土，振動(dòng)時(shí)可利用相對(duì)摩擦來耗散振動(dòng)能量，從而提高結(jié)構(gòu)的阻尼特性。前面介紹的合理布置筋板，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)等提高靜剛度的措施，同樣能達(dá)到提高固有頻率的目的。提高靜剛度的措施已在前面有詳細(xì)的介紹。切削過程的自動(dòng)化又使得振動(dòng)難以由人工來控制和消除，數(shù)控機(jī)床只有靠自身機(jī)床結(jié)構(gòu)的高抗振性來減小和克服振動(dòng)對(duì)加工精度、加工過程的影響。 高速切削是產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力的直接因素，強(qiáng)力切削也意味著切削寬度大。自激振動(dòng)的頻率接近或略高于機(jī)床主振型的低階固有頻率，振幅較大，對(duì)加工過程產(chǎn)生極為不利的影響。機(jī)床結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)的能力可以用動(dòng)剛度大小來表示。 強(qiáng)迫振動(dòng)是在各種動(dòng)態(tài)力 （ 如高速回轉(zhuǎn)零件的不平衡力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)件的換向沖擊力、周期變化的切削力等 ） 作用下被迫產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)床加工時(shí)可能產(chǎn)生兩種形式的振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。因此，在結(jié)構(gòu)相同時(shí)， E 值大的材料剛度則高。這是因?yàn)閮煞N床身的筋板布置不同，鋼板焊接結(jié)構(gòu)容易采第五章數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng)用最有利于提高剛度的筋板布置形式，能充分發(fā)揮壁板和筋板的承載及抵抗變形的作用；焊接結(jié)構(gòu)還無需鑄造結(jié)構(gòu)所需的出砂口，有可能將基礎(chǔ)件做成完全封閉的箱形結(jié)構(gòu)。 表 23 列出了 StarTurn1200 型數(shù)控車床焊接床身和 鑄造 床身的剛度的對(duì)比結(jié)果。 18 采用鋼板 焊接 結(jié)構(gòu) 長(zhǎng)期以來，機(jī)床基礎(chǔ)件主要采用 鑄鐵 件。預(yù)加載荷增大了實(shí)際接觸點(diǎn)的面積， 從而達(dá)到提高接觸剛度的目的。如機(jī)床的導(dǎo)軌常采用人工鏟刮 工藝 作為最終的精加工工序，通過刮 研 ，可以增加單位面積上的接觸點(diǎn)，并使接觸點(diǎn)分布均勻，從而增加 導(dǎo)軌副結(jié)合面的實(shí)際接觸面積，提高接觸剛度。平均壓強(qiáng) p 與變形 δ 之比稱為接觸剛度 ， 17 即 （ 23） 由于機(jī)床總有為數(shù)較多的靜、動(dòng)連接面，如果不注意提高接觸剛度，各連接面的接觸變形就會(huì)大大降低機(jī)床的整體剛度，對(duì)加工精度產(chǎn)生非常不利的影響。 為補(bǔ)償主軸箱自重的影響，也可以用加平衡重塊或其他平衡力的方法，抵消部分直接作用于橫梁上的自重，從而減小橫梁因主軸箱自重引起的彎曲變形 （ 圖 27（ b）） 。 如圖 27 所示的大型龍門銑床，當(dāng)主軸部件移到橫梁中部時(shí)，橫梁的彎曲變形 （ 下凹 ） 最大。 圖 26 臥式鏜銑床與臥式加工中心的結(jié)構(gòu)布局比較 補(bǔ)償有關(guān)零、部件的靜力變形 在外力的作用下，機(jī)床的變形是不可避免的，如果能采取 措施 使變形對(duì)加工精度的影響減小，其結(jié)果相當(dāng)于提高了機(jī)床的剛度。 16 圖 26 所示為傳統(tǒng)的臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)布局和臥式加工中心 （ 臥式自動(dòng)換刀數(shù)控鏜銑床 ） 的結(jié) 構(gòu)布局的比較。 圖 25 所示為傳統(tǒng)的車床床身布局 （ 見圖 25（ a）） 與數(shù)控車 床床身布局 （ 見圖 25（ b）） 的受力狀況的分析比較。以機(jī)床主軸為例，在其他條件不變的情況下，縮短主軸前端的懸伸長(zhǎng)度，可以減小主 軸承 受的彎矩，從而減小主軸前端的撓度，提高主軸的剛度。為了加強(qiáng)導(dǎo)軌連接的局部剛度，采用兩條成 Y 形的斜筋支撐導(dǎo)軌。 （ a） XK716 型立式加工中心； （ b） STAMA MCll8 型立式加工中心 圖 23 立柱橫截面 合理布置筋板還可提高基礎(chǔ)件的局部剛度，圖 54 所示為日本三井精機(jī) HS 6A 型超精密重切削臥式加工中心采用的床身結(jié)構(gòu)。由于該立柱承受彎扭組合載荷，故截面采用接近正方形的封閉外形 ， 為了進(jìn)一步提高抗彎、抗扭剛度 ， 內(nèi)部采用了斜方雙層壁 （ 相當(dāng)于斜縱向筋板 ） 和對(duì)角線交叉筋板。 從表中可知 ： 縱向筋板能提高立柱的抗彎和抗扭剛度 ， 提高抗扭剛度效果更為顯著 ； 對(duì)角線斜置筋板和對(duì)角線交叉筋板對(duì)提高立柱的剛度更為有效 。 因而這種結(jié)構(gòu)具有很高的剛度 。 從正面看 ， 立柱截面成封閉框形 ， 輪廓尺寸大 ， 從而保證以高扭轉(zhuǎn)剛度承受切削扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷 。 這種傾斜布置的結(jié)構(gòu)為數(shù)控 車床 所普遍采用。 由表中數(shù)據(jù)可知 ： 在形狀和截面積相同時(shí) ， 減小壁厚 ， 加大截面輪廓尺寸 ， 可大大增加剛度 ； 封閉截面的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不封閉截面的剛度 ； 圓形截面的抗扭剛度高于方形截面 ， 抗彎剛度則低于方形截面 ； 矩形截面在尺寸大的方向具有很高的抗彎剛度 .因此 ,通過合理設(shè)計(jì)截面 形狀和尺寸 ， 可大大提高基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)靜剛度 。 合理 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件的截面形狀和 尺寸 ，采用合理的筋板結(jié)構(gòu) 機(jī)床在外力的作用下 ， 各基礎(chǔ)件將承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷 ， 其彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的大小則取決于基礎(chǔ)件的截面抗彎和抗扭慣性矩 ， 抗彎 、 抗扭慣性矩大 ， 變形則小 ， 剛度就高 。數(shù)控機(jī)床為獲得高效率而具有的大功率和高速度，使它所承受的各種外力負(fù)載更加惡劣，而且加工過程的自動(dòng)化也使得加工誤差無法由人工干預(yù)來修正和補(bǔ)償，所以，數(shù)控機(jī)床的變形對(duì)加工精度的影響會(huì)更為嚴(yán)重。機(jī)床的各部件在這些力的作用下將產(chǎn)生變形，如各 基礎(chǔ) 件的 彎曲 和扭轉(zhuǎn)變形，支承構(gòu)件的局部變形，固定連接面和運(yùn)動(dòng)嚙合面的接觸變形等。 機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度 機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜剛度是指在 切削 力和其他力的作用下，機(jī)床抵抗變形的能力。數(shù)控 技術(shù) 、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的 發(fā)展 及在機(jī)床上的 應(yīng)用 ，為數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化、高精度、高效率提供了可能性，但要將可能性變成現(xiàn)實(shí)，則必須要求數(shù)控機(jī)床的 機(jī)械 結(jié)構(gòu) 具有優(yōu)良的 特性 才能保證。 10 第二章 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)分析 數(shù)控機(jī)床 是一種高 精度 、高 效率 的 自動(dòng) 化 加工設(shè)備 。近 來 由 于 商品之 外觀越益多樣化 、 活潑化 ，造成模具加工程式 日趨困難 不易制作。 為 求工時(shí)短縮及提高加工精度， CNC 工具機(jī) 之投入 實(shí)為模具 加工 自動(dòng)化 之根本基礎(chǔ)。 為 了要以最短時(shí)間制造最佳模組， 自動(dòng)化設(shè)備 之購(gòu)置 及 應(yīng)用 必須作最 適當(dāng) 搭配，以 發(fā)揮整體 提升效益。 ” 自 動(dòng) 化是近年 來 工 業(yè) 界一致目 標(biāo) ,而模具 廠 因其技術(shù) 、 投資密集之特性， 對(duì)于 自 動(dòng) 化之投入更 顯 重要 。但是我們負(fù)擔(dān)不起晝夜不停的人工操作，即便是我們想這樣做也不行，因?yàn)槲覀冸y以找到足夠的合格工人。 公司總裁曼弗雷德 公司只運(yùn)行一個(gè) “有人值守 ”的班次，自動(dòng)化使得機(jī)床能夠連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) : 每周 7 天，晝夜不停。制造業(yè)在 “”之后曾經(jīng)暴跌，并繼續(xù)是一個(gè)影響因素，但是根本原因在于越 來越多的模具加工正轉(zhuǎn)向價(jià)格較低的國(guó)外，尤其是中國(guó)。德國(guó) DMG 公司展出 DMUVoution 系列加工中心，可在一次裝夾下 5 面加工和 5 軸聯(lián)動(dòng)加工，可由 CNC 系統(tǒng)控制或 CAD/CAM 直接或間接控制。機(jī)床五軸加工、六軸加工已日益普及，機(jī)床加工的復(fù)合化已是不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。 復(fù)合化發(fā)展新趨勢(shì) 。美國(guó)、歐共體和日本等國(guó)紛紛實(shí)施戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范 (OMAC、 8 OSACA、 OSEC)的研究和制定，世界 3 個(gè)最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計(jì)劃和技術(shù)規(guī)范的制定，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個(gè)新的變革時(shí)期的來臨。 由于計(jì)算機(jī)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，以及軟件模塊化，開放化技術(shù)的日益成熟，數(shù)控技術(shù)開始進(jìn)入開放化的階段。在加工精度方面，近 10 年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10μm 提高到 5μm，精密級(jí)加工中心則從 3～ 5μm，提高到 1～ ，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí) ()。 精密化加工發(fā)展新趨勢(shì) 。美國(guó) CINCINNATI 公司的HyperMach 機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá) 60m/min，快速為 100m/min，加速度達(dá) 2g，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá) 60000r/min。 隨著數(shù)控系統(tǒng)核心處理器性能的進(jìn)步，目前高速加工中 心進(jìn)給速度最高可達(dá) 80m/min，空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/min 左右。 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)國(guó)防、汽車等的發(fā)展起著越來越重要的作用，這些行業(yè)裝備數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)，如：橋式三、五坐標(biāo)高速數(shù)控 龍門銑床 等。 還要指出的是，雖然國(guó)外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即 CNC）了，而我國(guó)仍習(xí)慣稱數(shù)控（ NC）。 總之，計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。 到了 1990 年， PC 機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高， 但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。到 1971 年，美國(guó) INTEL 公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件 運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（ MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn) 7 稱 CPU）。 到 1970 年，通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路 搭 成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（ HARDWIRED NC），簡(jiǎn)稱為數(shù)控（ NC）。由于采用計(jì)算機(jī)替代原先用硬件邏輯電路組成的數(shù)控裝置，使輸入操作指令的存貯、處理、運(yùn)算、邏輯判斷等各種控制機(jī)能的實(shí)現(xiàn)，均可通過計(jì)算機(jī)軟件來完成，處理生成的微觀指令傳送給 伺服驅(qū)動(dòng) 裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)或液壓執(zhí)行元件帶動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。 1952 年，第一臺(tái) 數(shù)控機(jī)床 問世，成為世 界機(jī)械工業(yè)史上一件劃時(shí)代的事件，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展。 1908年，穿孔的金屬薄片互換式數(shù)據(jù)載體問世 ； 19 世紀(jì)末，以紙為數(shù)據(jù)載體并具有輔助功能的控制系統(tǒng)被發(fā)明； 1938 年，香農(nóng)在美國(guó)麻省理工學(xué)院進(jìn)行了數(shù)據(jù)快速運(yùn)算和傳輸，奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，包括計(jì)算機(jī) 數(shù)字控制 系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開關(guān)量。 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展 與應(yīng)用 數(shù)控基本概念 數(shù)控（英文名字： Numerical Control 簡(jiǎn)稱 :NC）技術(shù)是指用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。國(guó)外技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家，模具制作已實(shí)行 “無紙化 ”，模具師靠電腦設(shè)計(jì)，產(chǎn)品加工也就是向電腦輸入 6 數(shù)據(jù)，進(jìn)行模具開發(fā)。 現(xiàn)在的模具加工，不像以前純粹靠手工制模，更多的是體現(xiàn)在模具設(shè)計(jì)和模具操作 上，模具的質(zhì)量與精度，一般靠先進(jìn)機(jī)床來保證；模具數(shù)字化設(shè)計(jì)制造是提高模具生產(chǎn)企業(yè)整體水平的有效技術(shù)手段，當(dāng)中 3D 設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)仿真模擬分析技術(shù)的應(yīng)用顯示出越來越大的優(yōu)越性。由于市場(chǎng)對(duì)大型、復(fù)雜、高品質(zhì)和高性能鑄件的要求，牽動(dòng)著我國(guó)鑄造模具在生產(chǎn)規(guī)模、制造質(zhì)量，以及技術(shù)水平的提升，逐步形成了門類齊全、配套完善和分布廣泛的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近 4 年來我國(guó)鑄 造模具每年平均增長(zhǎng)速度高達(dá) 24％。 近年來，隨著我國(guó)制造業(yè)，特別是汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，鑄件市場(chǎng)需求大幅上揚(yáng)，帶動(dòng)了鑄造模具制造工業(yè)的興旺，生產(chǎn)總量在沖模、塑料模之后排列第三，約占我國(guó)模具總量的 8％，年銷售額約 80 億元人民幣。 2021年我國(guó)模具產(chǎn)值為 450 億元人民幣以上，約折合 50 多億美元，已僅次于日本、 美國(guó)，躍居世界第三。由于近年市場(chǎng)需求的強(qiáng)大拉動(dòng)，中國(guó)模具工業(yè)高速發(fā)展，市場(chǎng)廣闊，產(chǎn)銷兩旺。 2021 年我國(guó)模具行業(yè)從業(yè)人員 600 多萬，其中從事 模具設(shè)計(jì)的占 1/10，模具設(shè)計(jì)師可達(dá) 60 萬以上。 “目前，歐洲模具業(yè)已越來越感受到來自中國(guó)同行所帶來的影響和壓力，預(yù)計(jì)到 2018 年，中國(guó)將一躍成為全球最大的模具制造業(yè)基地之一。將鋼板放置在上下模之間，在壓力機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)材料的成型，當(dāng)壓力機(jī)打開時(shí)，就會(huì)獲得由模具形狀所確定的工件或去除相應(yīng)的廢料。 而模具加工是指成型和制坯工具的加 工，此外還包括剪切模和模切模具。 簡(jiǎn)而言之，模具是用來成型物品的工具，這種工具有各種零件構(gòu)成，不同的模具由不同的零件構(gòu)成。 模具制造是一切制造之首，所以提升模具工業(yè)的技術(shù)含量，加