从CIMT2021部分钻削中心展品看相关技术发展趋势

第十七届中国国际机床展览会(CIMT2021)于2021年4月12-17日在北京成功举行。笔者仅对展出的部分钻削中心进行评述探讨。

展品主要特点为：机床结构布局,类似立式加工中心,多数为十字滑台式,也有龙门式(1台);电机与传动部件采用直联式,响应快,振动小;主轴锥柄BT30;主轴采用陶瓷轴承,转速进一步提升,大多主轴转速在12000-24000r/min;主电机功率一般为3.7-5.5kW,个别型号也有7.5 kW和10.1kW;三轴(X、Y、Z)滚动导轨和滚珠丝杠,响应速度快,运动平稳,利于实现高速运动,快速进给48-60m/min;三轴(X、Y、Z)行程基本在500/400/350mm,个别型号为1000/600/350mm(龙门式);工作台尺寸(620-700)mm×(400-600)mm,个别1200mm×600mm(龙门式),负荷250-400kg;定位精度0.005-0.008mm,重复定位精度0.003-0.006mm;基本上采用转塔式刀库,刀数在16-21把,个别14把;换刀动作通过Z轴的升降同时完成,节约换刀时间,换刀时间分别为0.7-1.6s(T-T),1.3-2.4s(C-C)。数控系统采用发那科、三菱的较多,有些产品配置了自行开发的系统。笔者也了解到,境内很多企业与华中数控紧密合作,开发了自己的数控系统。机床全重2250-3500kg,个别款型(龙门式)6000kg;占地面积1600mm×2600mm,个别款型(龙门式)2760mm×2600mm。

1.部分展品介绍

(1)深圳市创世纪机械有限公司(简称台群精机)

展品为T-500B 高速钻攻机。

该机床铸件采用对称结构、热平衡设计方法,改善结构热变形,有利于提高机床热稳定性。大型立柱,大跨距底座,六点支撑结构,提高了高速位移时的刚性及抗振性,有利于加工过程的良好稳定性。机床大倾斜排屑角度,有效提升排屑效果,加快切削液的回流速度。底座与宽型立柱基座采用米汉纳(Meehanite)铸铁,其特殊的金相结构和严格的制程控制,使其具有良好力学性能(强度、刚度等),不易扭曲变形。

低惯量主轴电机与低惯量主轴采用直联式驱动。响应速度快,降低高速攻牙时皮带传动所造成的误差,延长刀具寿命;主轴采用陶瓷滚珠轴承,延长主轴使用寿命。主轴从0加速到15000 r/min只要0.8s,大幅提升主轴应答能力,缩短在刚性攻牙过程中所需大量加减速动作的反应时间;攻牙时可以达到4000r/min(加速时间只要0.3s),大幅提高攻牙效率。

X、Y、Z三轴为滚动直线导轨;消除间隙的滚珠丝杠;采用伺服电机,三轴加速度达到1.5/1.2/1.1G,短距离移动时更能缩短定位时间。快移速度48m/min,节省了加工时间,提高加工效率。

转塔式刀库,刀具交换装置由凸轮式驱动机构,通过Z轴移动完成换刀过程,换刀速度快。

主要参数：工作台尺寸 620mm×400mm,行程(X/Y/Z)500/400/320mm,主轴锥孔BT30,主轴转速50-24000r/min,快速进给60m/min(面访数据,样本为48m/min),主电机功率3.7/5.5kW,刀库容量21把,换刀时间分别为1.2s(邻刀)和2.0s(远刀),定位精度0.006mm,重复定位精度0.004mm,工作台*大负荷250kg。

(2)舒能数控机床有限公司(简称舒能数控)

展品为SNSK T600高速钻攻中心。

该机强度高,刚性、减震性、耐磨性好,基础零部件可在较长时间内保持较好初始精度。

主轴电机与主轴采用直联式,低噪音,低震动,主轴响应速度快,便于实现高速切削,高精度线性滚动导轨和滚珠丝杠。

三轴快速进给48m/min,三轴工作进给24m/min,主电机功率3.7/5.5 kW,刀库容量16把,定位精度0.008mm,重复定位精度0.006mm,工作台*大负荷300kg。

(3)深圳市兴富祥科技有限公司(Henfux)

展品为HSVTP -500T高速钻攻中心。

该产品床身、箱体等主要铸件采用米汉纳铸铁并经时效处理,结构坚固且不易变形。 主电机和主轴采用直联式,响应快,振动小。高速主轴采用陶瓷轴承,主轴转速20000 r/min。

X、Y、Z各轴均采用直线滚动导轨,预拉伸的滚珠丝杠,以消除热变形的误差。高刚性结构设计,提供足够的稳定性,适用于高速运动和加工,高速进给48m/min。

采用转塔刀库,刀库座采用铸造铝合金,重量轻,韧性好,不易折断、变形。运动惯量小,有利于换刀时的快速运动。

主要参数：工作台尺寸650mm×400mm,行程(X/Y/Z)500/400/330mm,主轴锥孔BT30,主轴转速20000r/min,快速进给48m/min,切削速度30 m/min,主电机功率2.2/3.7 kW,刀库容量16把,换刀时间1.3s,定位精度0.008/300mm,重复定位精度0.005/300mm,工作台*大负荷250kg。

(4)南通中南智能科技有限公司(简称中南智能)

展品为T6钻攻中心。

该产品为床身宽幅跨距结构,滑台移动平稳,可承受重切削。电机与主轴采用直联式,采用3.7/5.5KW高转矩电机,主轴锥孔为BT30,主轴转速20000r/min。

X、Y、Z三轴采用高强度重切削线性滚动导轨及预拉伸方式处理的滚柱丝杠,有利于提高移动效率,减少热变形。三轴快速进给48m/min。

转塔式前置刀库,容量16把。满足不同需求。

紧凑的外型尺寸设计,缩小了占地面积,提高厂房的空间利用率。

主要参数：工作台尺寸700mm×400mm,行程(X/Y/Z)600/400/320mm,主轴锥孔BT30,主轴转速20000r/min,快速进给48m/min,主电机功率3.7/5.5kW,刀库容量16把,定位精度0.008mm,重复定位精度0.005mm,工作台*大负荷250kg。

(5)广东润星科技有限公司(简称润星科技)

展品为HS-500T高速钻攻加工中心。

该产品床身、立柱等主要零件通过机床动力分析和有限元分析,几何结构优化,抗振性、热稳定性较好。采用高强度铸铁,更加坚固;树脂砂工艺铸造,变形小,外形美观。

主轴与主电机及 X、Y、Z 三轴驱动系统均采用直联式传动,响应快,振动小。精密滚珠丝杠及滚珠导轨,提高启动速度,确保传动效率。快速进给达60m/min。

采用伺服驱动转塔式刀库,双机械滚轮机构完成换刀,换刀时间短。

主要参数：工作台尺寸650mm×400mm,行程(X/Y/Z)500/400/300mm,主轴锥孔BT30,主轴转速24000r/min,快速进给48m/min,切削速度1-20m/min,主电机功率3.7/5.5 kW,刀库容量21把,换刀时间分别为1.6s(T-T)和2.4s(C-C),定位精度±0.005/300mm,重复定位精度±0.003/300mm,工作台*大负荷300kg。

(6)山东蒂德精密机床有限公司(简称蒂德精机)

展品为VT60B龙门式高速钻攻中心。

该机床身等支撑件采用人造花岗岩,热稳定性、抗振性能均较好。因铸成后基本不再加工,加工残余应力小。

机床总体布局为龙门式,工作台沿床身做Y向运动。滑座在横梁上做横向X轴运动,主轴箱在滑座上做Z轴的上下移动,有效避免了运动部件的悬伸,具有更高的刚性和精度。

主电机与主轴采用直联驱动,主轴响应快,振动小。丝杠由大扭矩交流伺服电机通过直联驱动,保证机床高动态性。采用预拉伸静音精密丝杠,定位精度高,利于实现快速定位。X、Y、Z三轴采用高刚性线性导轨支撑,可承受较重负荷,快速移动。

主要参数：工作台尺寸1200mm×600mm,行程(X/Y/Z)1000/600/350mm,主轴锥孔BT30,主轴转速12000r/min,快速进给60m/min,主电机功率3.7/7.5kW,转塔式刀库容量21把,定位精度0.008/全长,重复定位精度0.005/全长,工作台*大负荷400 kg。

(7)兄弟机械商业(上海)有限公司(Brother)

2款展品,分别为SPEEDIO S500×2 紧凑型加工中心和SPEEDIO W100×d1。下面以SPEEDIO S500×2为例介绍。

该机以长期积累的技术数据为基础,分析、设计产品的结构,从而改善机床刚性、抗振性、重切削能力。高加减速、低惯量主轴电机与主轴采用直联式,振动小。高加减速主轴电机的采用,使主轴能在短时间内启动和停止,反应迅速。

采用高性能电机实现中高速切削时的高效率,低速切削时的高负荷。下图分别为标准式样的沟槽加工(切削量150cc/min,材质S45C,刀具Ф16端铣刀)和高扭矩的大孔径加工(孔径Ф40mm,材质S45C)。

三轴采用滚动导轨和滚珠丝杠,阻尼小、响应快;Z轴加速度2.2G,Z轴升降的高加速、高响应,能实现较少的循环时间,提高生产效率。

改良了无传感器的热变位修正系统,实现了更稳定的修正。

刀库动作优化,利用无停顿的ATC代码(G100),在Z向不停止的状态下,完成刀具的交换。且在Z向移动更换刀具的同时进行X、Y轴和附加轴的定位,换刀时间0.7s(T-T)、1.3s(C-C)。不仅使刀具交换时间大幅缩短,还进一步压缩了其他非加工时间。

采用高效率电机、节能泵、LED灯等节能装置,减少电能的消耗;优化空气回路,调节送气时间,在保证粉尘去除能力的同时,减少空气消耗量,从而减少了CO2的排放,更有利于"碳达标"。

主要参数：工作台尺寸600mm×400mm,行程(X/Y/Z)500/400/300mm,主轴锥孔BT30,主轴转速10000r/min,快速进给(X/Y/Z)50/50/56m/min,切削速度1-30000mm/min,主电机功率10.1/7.1kW,刀库容量14把,刀具*大长度250mm,刀具*大直径110mm,刀具*大重量3kg,换刀时间分别为0.7s(T-T)和1.3s(C-C),各轴双向定位精度0.006-0.02mm,各轴双向重复定位精度0.004mm,工作台*大负荷250kg;机床占地1560mm×2223mm×2794mm,机床重量2250kg。

2.发展趋势

从本届展会的部分展品来看,钻削中心形成以下发展趋势：

(1)结构布局多样化,采用热补偿技术,广泛采用预拉伸丝杠。

(2)新材料的推广和使用。陶瓷(轴承)、人造花岗岩、米汉纳铸铁在支撑件和主要铸件的应用,体现了材料对机床性能的积极影响。严格讲,米汉纳铸铁并非"新"材料,国内称之为密烘铸铁,它由美国米汉纳公司享有专利。指在铁水中加入孕育剂(如：矽化钙等),使金相组织更细密,既有灰铸铁的减震性又有球墨铸铁的高强度和耐磨性特点。相当于250灰铁,属于孕育铸铁。从原材料选择,熔炉设备的设计与操作,造模方法与浇、冒口设计,炉前铁水管治,清箱及后处理,铸件检验步骤,提供确实的且数据化管理方法,保证铸件的均质性,无瑕疵,达到合格的物理、力学性能等,各环节有严格的制程要求,需经过有关方面的认证才能标注。如果我们的材料制造过程也能实现上述的过程控制,也一定能生产出高质量材料,从而使机床性能得到有力提升。

(3)机床设计中引入节能减排的理念。采用节能器件,优化过程控制,从而减低能耗和CO2排放。这方面有些境外企业做得较好。

(4)伺服转塔刀库。由于特殊结构和工作原理,换刀时间将更短,0.7s(T-T),1.3s(C-C)。并且换刀时各坐标可同步运动。

(5)可带APC,可搭载回转工作台加工空间分布的孔系,配合物流系统及(或)机器人组建生产线。

(6)高生产效率。通过优化主轴及相关部件、刀具、切削参数提高材料切除率,主轴转速24000r/min;利用点位加工的特点,注重采用具有高加减速性能的电机,提高快移速度、加速度,减少辅助时间,速度已到60m/min,加速度(X/Y/Z)1.5/1.2/1.1G,境外有的产品Z轴加速度达2.2G。

(7)位置精度的评定方法更多的采用VDI或ISO标准,使结果更可靠;定位精度更高,500行程0.006mm,重复定位0.004mm。原JIS标准的评定方法使用较少了。

(8)某些厂家开始自主或合作研发数控系统。

(9)应用范围更加广泛。除机械行业外,在手机、PC机、通讯设备等领域的应用日益广泛,加工对象不再拘泥于金属。

近年来,随着社会需求的不断扩大和加深,此类机床得到迅猛发展,生产企业不断增多,生产规模逐年扩大,特点更加明显,功能进一步优化。今后,此类机床将继续保持点位加工、小规格(占地和行程)、钻铣负荷轻、速度快,即："点、小、轻、快"的基本特征。

(来源：中国机床工具工业协会cmtba)