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在我國,數控技術與裝備的發展亦得到了高度重視,近年來取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控領域,以PC平臺為基礎的國產數控系統,已經走在了世界前列。但是,我國在數控技術研究和產業發展方面亦存在不少問題,特別是在技術創新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。在新世紀到來時,如何有效解決這些問題,使我國數控領域沿著可持續發展的道路,從整體上全面邁入世界先進行列,使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位,將是數控研究開發部門和生產廠家所面臨的重要任務。
為完成此任務,首先必須確立符合中國國情的發展道路。為此,本文從總體戰略和技術路線兩個層次及數控系統、功能部件、數控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發展途徑。
1 總體戰略
制定符合中國國情的總體發展戰略,對21世紀我國數控技術與產業的發展至關重要。通過對數控技術和產業發展趨勢的分析和對我國數控領域存在問題的研究,我們認為以科技創新為先導,以商品化為主干,以管理和營銷為重點,以技術支持和服務為后盾,堅持可持續發展道路將是一種符合我國國情的發展數控技術和產業的總體戰略。
1.1 以科技創新為先導
中國數控技術和產業經過40多年的發展,從無到有,從引進消化到擁有自己獨立的自主版權,取得了相當大的進步。但回顧這幾十年的發展,可以看到我們在數控領域的進步主要還是按國外一些模式,按部就班地發展,真正創新的成分不多。這種局面在發展初期的起步階段,是無可非議的。但到了世界數控強手如林的今天和知識經濟即將登上舞臺的新世紀,這一常規途徑就很難行通了。例如,在國外模擬伺服快過時時,我們開始搞模擬伺服,還沒等我們占穩市場,技術上就已經落后了;在國外將脈沖驅動的數字式伺服打入我國市場時,我們就跟著搞這類所謂的數字伺服,但至今沒形成大的市場規模;近來國外將數字式伺服發展到用網絡(通過光纜等)與數控裝置連接時,我們又跟著發展此類系統,前途仍不樂觀。這種老是跟在別人后面走,按國外已有控制和驅動模式來開發國產數控系統,在技術上難免要滯后,再加上國外公司在我國境內設立研究所和生產廠,實行就地開發、就地生產和就地銷售,使我們的產品在性能價格比上已越來越無多大優勢,因此要進一步擴大市場占有率,難度自然就很大了。
為改變這種現狀,我們必須深刻理解和認真落實“科學技術是第一生產力”的偉大論斷,大力加強數控領域的科技創新,努力研究具有中國特色的實用的先進數控技術,逐步建立自己獨立的、先進的技術體系。在此基礎上大力發展符合中國國情的數控產品,從而形成從數控系統、數控功能部件到種類齊全的數控機床整機的完整的產業體系。這樣,才不會被國外牽著鼻子,永遠受別人的制約,才有可能用先進、實用的數控產品去收復國內市場,打開國際市場,使中國的數控技術和數控產業在21世紀走在世界的前列。
1.2 在商品化上狠下工夫
近幾年我國數控產品雖然發展很快,但真正在市場上站住腳的卻不多。就數控系統而言,國產貨仍未真正被廣大機床廠所接受,因此出現國產數控系統用于舊機床改造的例子較多,而裝備新機床的卻很少,機床廠出產的國產數控機床大多數用的都是國外的系統。這當然不是說舊機床的數控化改造不重要,而是說明從商品的角度看,我們的數控系統與國外相比還存在相當大的差距。
影響數控系統和數控機床商品化的主要因素除技術性能和功能外,更重要的就是可靠性、穩定性和實用性。以往,一些數控技術和產品的研究、開發部門,所追求的往往是一些體現技術水平的指標(如多少通道、多少軸聯動、每分鐘多少米的進給速度等等),而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視,在產品的穩定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現某些產品鑒定時的水平都很高,甚至也獲各種大獎。但這些高指標、高性能的產品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現不盡人意,最后喪失了信譽,打不開市場。這說明,高指標、高性能的樣機型的產品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當大的距離的,將一個高指標、高性能的產品變為一個有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。
另一方面,數控系統和數控機床不像家電類產品那樣易于大批量生產,應用環境也不那么簡單。數控產品是在生產環境中使用,面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發部門對這些問題掌握得不透,就難以將產品設計得很完善。而且數控產品的某些問題在開發、試用,甚至鑒定時都難以發現。這就造成,同樣型號的數控機床在有的用戶那兒運行得很好,而在別的用戶那兒卻表現欠佳。或者同樣型號的數控機床用于加工某些零件工作得很好,但用于加工其他零件時卻不盡人意。出現這種情況,有時是用戶操作人員的水平問題,但有時就是數控產品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題,國外一些公司設立了專門機構來測試考驗自己的產品,如為考驗新開發的數控系統,廠家自己設計和從生產實際中收集了大量零件程序,讓數控系統運行各種各樣的程序,一旦發現問題,即立即反饋給開發部門予以解決。經過這樣的測試考驗過程后,數控系統的潛在問題就大為減少。以往,我們的產品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。好些問題要等到用戶去給我們挑出來。這樣,即使一個小問題也將嚴重影響國產數控產品的聲譽。
因此,我們應充分重視上述問題,在商品化上切實狠下工夫,將其作為數控產業的主干來抓,貫穿于技術研究、產品開發、試制、生產等的全過程中,從而將我們已有的技術水平較高的數控產品變成真正有市場的好商品。
1.3 將管理和營銷作為產業發展重點
經過20來年市場風雨的沖擊,國人已越來越認識到,技術固然重要,但在市場經濟的環境下,要在激烈的全球競爭中獲勝,管理和營銷就顯得更為重要。例如,我國臺灣生產的數控機床不但占領了大陸市場的相當大的份額,而且還打進了美國市場。是臺灣數控機床的技術和質量超過美國了嗎?顯然不是。那他們靠的是什么?重要的一條就是在企業管理和產品營銷上下了工夫。而我們長期以來把主要精力放在開發技術和提高水平上,忽視了經營管理、市場開拓、產品營銷等方面的工作,結果在新技術、新產品開發出來以后,在產品質量提高以后,企業仍然處于產品銷售不暢的困境[1]。國內外的經驗說明,數控產品的競爭力不僅取決于技術,更取決于經營管理能力和營銷能力。
因此,從現在起我們應將管理和營銷作為產業發展重點,真正擺脫計劃經濟時代所遺留下來的思維方式和工作習慣的束縛,建立適應市場的高效、靈敏的運行機制和有效的激勵機制。通過這種機制,一方面切實加強企業管理,激發企業負責人和廣大職工的負責精神、創造精神和獻身精神,努力提高產品的競爭能力;另一方面充分調動企業內外、行業內外一切積極因素,大力加強市場開拓力度,奮力打通營銷渠道??梢詧孕牛羞^硬競爭力的產品,再加上北京開關廠那樣的“找、掙、鉆、搶”精神,我們就一定能在市場競爭中取得勝利。
1.4 大力加強技術支持和服務
數控系統和數控機床作為典型的高技術產品,對用戶的技術支持和服務是相當重要的。以前國產數控產品喪失信譽的原因,除可靠性問題外,另一大問題就是缺乏有力的技術支持和服務。用戶花了很多錢買的數控機床或數控系統,一旦出現問題卻叫天天不應,叫地地不靈,以后誰還敢買我們的產品。因此,應將對用戶的技術支持和服務當成重要的日常工作來抓,使我們在市場上向縱深挺進時,有一個強大后方。因此,為了取得數控產品市場競爭的全面勝利,必須建立以技術支持和服務為核心的強大后方。當然,為贏得主動,后方也須主動出擊。目前,利用先進的信息技術手段(如網絡和多媒體),將為建立新一代立體化的技術支持和服務體系開辟新的途徑。
1.5 堅持可持續發展道路
可持續發展是下一世紀企業發展的重要戰略,我國數控產業要有大的發展也必須堅持走可持續發展的道路。綠色是實現可持續發展的重要途徑,其主要思想是清潔和節約。為此應大力加強綠色數控產品的開發,加速促進數控產品、數控產業以及整個制造業的綠色化,主要戰略措施應考慮以下幾方面:①有效減少產品制造及使用過程中的環境污染。如減少數控機床的鑄件結構,消除鑄造對環境的污染;將數控機床主軸的以油氣、噴油等取代油霧,減少對生產環境的污染;在精密數控機床及其運行環境的溫度控制中取消氟利昂制冷的恒溫技術;以電傳動代替機械傳動,減少噪聲污染。②大幅度降低資源消耗和能源消耗。如以軟件代替硬件,從而減少硬件制造的資源和能源消耗及污染,并減少產品壽命結束后硬件裝置的拆卸回收問題;以永磁驅動代替感應驅動,提高效率和功率因數,節約能源;以電傳動代替機械傳動,提高效率,減少能源消耗。③加強用數控技術改造傳統機床。這既符合運用信息技術和自動化技術改造傳統產業,使傳統產業生產技術和裝備現代化這一產業可持續發展的目標得以實現,又可取得巨大的經濟效益。我國擁有普通機床數百萬臺,加強用數控技術改造傳統機床將成為下世紀我國數控領域的重要發展方向。④大力發展綠色數控機床。綠色數控機床應是材料消耗少、能耗低、無污染,壽命長且便于拆卸回收的新型機床。例如,以并聯結構代替串聯結構就是開發綠色數控機床的一條途徑,這是因為并聯結構機床消耗的金屬材料僅為常規串聯結構機床的幾分之一,其加工量也比常規機床大幅度減少,特別是消除了大型結構件的鑄造,這將顯著降低機床制造過程中的能源消耗和對環境的污染。此外,并聯結構機床有利于采用電傳動,效率高,可有效降低使用中的能源消耗。
國際標準化組織制定了ISO14000環境管理標準,全球環境問題“法律化”的趨勢正在進一步發展,可持續發展將成為企業通向國際市場的通行證[2]。因此,我們的數控產品要在下一世紀走向國際市場,我們的企業就必須“從我做起,從現在做起”。
2 技術途徑
2.1 發展具有中國特色的新一代PC數控系統
數控系統是各類數控裝備的核心,因此通過科技創新首先發展具有中國特色的新型數控系統,將是推動數控產業化進程的有效技術途徑。
實踐證明,10年來我們所走的PC數控道路是完全正確的。PC機(包括工業PC)產量大、價格便宜,技術進步和性能提高很快,且可靠性高(工業PC主機的MTBF已達30年[3])。因此,以其作為數控系統的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數控系統的性能價格比,而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領域的最新成果,如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯網通訊等。此外,以通用微機作為數控平臺還可獲得快速的技術進步,當PC機升級換代時,數控系統也可相應升級換代,從而長期保持技術上的優勢,在競爭中立于不敗之地。
目前,PC數控系統的體系結構有2種主要形式:(1)專用數控加PC前端的復合式結構;(2)通用PC加位控卡的遞階式結構。另外還有一種正在發展的數字化分布式結構。其方案是將由DSP等組成的數字式伺服通過以光纜等為介質的網絡與數控裝置連接起來,組成一完整的數控系統。這種系統雖然性能很好,但由于開發和生產成本太高,近期難以被國內廣大用戶所接受。我們認為,上述結構并不是符合中國國情的最好方案,適合中國國情的應是將所有數控功能全軟件化的集成式結構,因為這種結構的硬件規模最小,不但有利于降低系統成本,而且更重要的是可以有效提高系統的可靠性。
幾十年的經驗表明,可靠性好壞是國產數控系統能否發展的關鍵。雖然影響數控系統可靠性的因素很多,但過大的硬件規模和較低的硬件制造工藝水平往往對可靠性造成最大的威脅。以往,國產數控系統在總體設計時由于種種原因的限制,不得不選用技術指標不太高的普通CPU,這樣,為完成數控的復雜功能往往需要由多個CPU來組成系統,有時還需另加一些專用或通用硬件電路來實現數控系統的一些高實時性功能(如細插補、位置伺服控制等),從而造成系統硬件規模龐大。對于數控系統這種批量不大的產品,在國內現有工藝條件下,很難從硬件制造的角度保證系統的可靠性,因而使得國產數控系統在生產現場的表現不佳,對國產數控系統的形象和聲譽造成嚴重影響,使得不少用戶現在還心有余悸。
因此,我們在開發新型數控系統時,應優先選用新型高性能CPU(如高主頻的Pentium II、Pentium III等)作為系統的運算和控制核心,并盡量用軟件來實現數控的所有功能。這樣,可大幅度減小系統硬件的規模。此外,還應在軟件設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等方面采用強抗擾高可靠性設計與制造技術,從而全面提高系統的可靠性。
由于一個新型高性能CPU可以代替數十個普通CPU(如80286、80386等),因此,在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數控系統的基本功能(如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等)和開關量控制功能(內裝PLC),而且還可以完成伺服控制功能。這樣,以前由DSP完成的數字化伺服控制功能(如位置控制、速度控制、矢量變換控制等)均可由PC中的CPU完成,從而實現內裝式伺服控制,這不僅有效縮小了數控部分的硬件規模,而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規模。
這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟件化集成式數控系統,其硬件規模將達到最小化,整個數控系統除一個PC平臺外,剩下的只有驅動機床運動的功率接口和反饋接口。這既有效提高了系統可靠性,又消除了信息傳遞瓶頸,提高了系統性能,同時還可顯著降低系統成本,使系統(包括電機)售價將可降至現有數控系統的一半左右。顯然,這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力,有望為開創中國數控的新局面作出貢獻。
此外,集成化PC數控系統還有一大優點,就是容易實現開放式結構。這是因為,這種系統的硬件本身已經是完全開放的,構成開放式數控系統的工作完全在軟件上,只要制定好標準和協議,從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放,從而可大大方便用戶的使用。
2.2 推進數控功能部件的專業化生產
解決數控系統問題后,如何實現數控機床的模塊化設計與制造便是我國機床制造企業快速響應市場需求,在競爭中獲勝的另一關鍵。要實現數控機床的模塊化設計制造,必須解決數控機床功能部件的專業化生產問題。目前我國在這方面離實際需求還有相當大的差距。因此,在今后的若干年內,我們必須大力促進數控機床功能部件的開發和專業化生產。其要點如下:
(1)新型永磁電主軸單元 電主軸已成為國際市場上最熱門的數控機床功能部件。但目前這類產品幾乎都為感應異步型,存在以下突出問題:①轉子上存在繞組,有大電流流過,因此轉子發熱嚴重,直接影響主軸精度;②低速出力小且轉矩脈動大,難以滿足寬范圍切削要求;③效率和功率因素低,不僅電機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多;④控制系統復雜、成本高。
因此,利用我國稀土永磁材料的優勢,開發新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元,將可有效解決現有電主軸存在的問題,形成具有中國特色的新一代電主軸產品。由于永磁電主軸的機械結構和控制系統都較感應異步型電主軸簡單,因此易于進行專業化大規模生產。當然,這還要攻克主軸支承(陶瓷軸承、流體動靜壓軸承、磁懸浮軸承)技術、高精度高速動平衡技術、高速驅動、檢測與控制技術、高可靠性安全保證技術等關鍵技術。
(2)廉價的高性能伺服系統 目前,一套進給交流伺服系統(驅動器+電機)的價格一般都在萬元以上,主軸伺服系統的價格高達數萬元,已成為降低國產數控機床成本的一大障礙。因此,應配合新型集成化國產數控系統的發展,大力開發廉價的高性能內裝式伺服系統。由于內裝式伺服的硬件部分只有電機和功率接口,充分利用我國的永磁資源優勢,通過專業化生產可以把電機的造價降下來,而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜,因此將內裝式進給伺服的價格控制在數千元以內,將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內,將是完全可能的。
(3)直線交流伺服系統 直線交流伺服系統是下一世紀數控機床不可缺少的功能部件,目前我國還沒有成熟產品,因此應加強研究、開發和推廣應用??紤]到常規機床的防磁問題較難解決,而并聯機床的防磁相對容易,因此可為常規結構機床開發感應異步型直線電機,為并聯結構機床開發永磁同步型直線電機,從而揚長避短,構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統。在此基礎上,可進一步開發將驅動與支承合二為一的磁懸浮工作臺。
(4)零傳動數控轉臺與擺頭 數控轉臺與擺頭是多坐標數控機床的關鍵部件,傳統的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高,而且難以達到高速加工所需的速度和精度,因而必須另辟蹊徑開發新型零傳動(無機械傳動鏈)數控轉臺和擺頭,以促進我國高速高精度多坐標數控機床的發展。
(5)高速高精度檢測裝置 高速高精度是下世紀數控機床發展的主題,這不但需要高性能的控制和驅動,同時還需要高品質的檢測環節,因此應在現有技術基礎上,進一步開發0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器,此類技術國外對我國是封鎖的。
2.3 加速數控機床的全國產化,打好市場翻身仗
數控產業化的最終成功將體現在數控機床的全國產化和市場占有率上。在上述總體戰略指導下,采取抓兩頭(低價位數控機床和高速高效數控機床)、帶中間(普通數控機床)、促重型(重型關鍵裝備)的方針,將是在國內市場上快速收復失地,在國際市場上穩步進軍,最終打贏國產數控機床市場翻身仗的一種有效戰術和策略。關于普通數控機床的發展已有許多文章作了專門論述,因此下面僅就低價位數控機床、高速高效數控機床和重型數控機床的發展問題作一討論。
(1)大力發展低價位數控機床 低價位機床是功能滿足用戶要求(無功能浪費)、技術指標適中、可靠性好、價格便宜的普及型數控機床。這類機床已成為國際市場上數控機床的發展趨勢之一,也是國內眾多用戶渴求的產品,其市場前景相當廣闊。然而,如果采用國外數控系統(包括伺服)按照傳統思路來發展低價位機床,是很難將價格降至廣大用戶所能接受的水平的。因此,采用本文提出的新型集成化國產數控系統來發展高性能的低價位數控機床,將是一條最有希望成功的道路。只要有一定批量,由此構成的全國產普及型數控車床的售價完全可以控制在10萬元以內,三坐標數控銑床可控制在15萬元左右,加工中心可控制在20萬元左右。此價位的國產數控機床將是具有較強競爭力的。
(2)加速開發高速高效數控機床 高速高效是數控機床發展的另一大潮流。發展高速高效數控機床的技術途徑可有以下幾條:①通過提高切削速度和進給速度,從而達到成倍提高生產效率,有效提高零件的表面加工質量和加工精度并解決常規加工難以解決的某些特殊材料(如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼)和特殊形狀零件(如復雜薄壁零件)的高效加工問題。②通過工藝復合,減少工件的安裝次數,有效縮短搬運和裝夾時間。例如,將五面五軸加工中心與立車復合構成萬能加工中心,可實現一次裝卡完成零件的大部分(或全部)加工。③采用高速高精度圓周銑加工孔和以螺旋軌跡插補實現不鉆底孔的直接攻絲等新加工方法,大幅度減少換刀次數,提高加工效率。④為數控機床開發智能尋位加工功能,消除對精密夾具和人工找正的依賴,有效縮短單件小批加工的準備時間。
在我國現實條件下如果沿用傳統思路是難以實現上述途徑的,因此,必須立足國情,結合實際勇于創新,大膽探索新的道路。 考慮到常規數控機床在總體結構上基本上采用工件和刀具沿各自導軌共同運動的方案,一方面由于機床傳動環節剛性不足和導軌中的摩擦阻力較大,使運動部件難以獲得高的進給速度;另一方面由于工件、夾具和工作臺的總質量比較大,使之難以獲得高的加速度。此外,傳統機床結構是一種串聯開鏈結構,組成環節多、結構復雜,并且由于存在懸臂部件和環節間的聯接間隙,不容易獲得高的總體剛度,因此難以適應高速高效加工的特殊要求。為此,開發國產高速高效數控機床時,可采用工件固定,以直線電機組成并聯短鏈直接驅動主軸和刀具運動、將高速高精度傳動與高剛度支撐合二為一的適合于高速高效加工中心的新型結構。采用該結構的高速高效數控機床不但速度高、剛度高,如果在傳動與控制上處理得當,可以達到比常規機床更高的加工精度和加工質量,而且具有機械結構簡單,零部件通用化、標準化程度高,制造成本低,易于經濟化批量生產等顯著優點。因此,沿此思路發展高速高效數控機床將是一條符合國情、易于取得成功的道路。
(3)突破重型數控機床的設計制造技術 重型數控機床(特別是多坐標重型數控機床)是國民經濟和國防生產中的重大關鍵設備,屬于戰略物資,真正先進的重型數控機床國外是不可能賣給我們的,因此,在我國下世紀數控產品的發展中必須依靠自己的力量進行解決。發展重型數控機床必須有過硬的基礎,我們在數控機床國產化的進程中應不斷總結經驗,加強基礎技術和關鍵技術研究,充分發揮我國產學研相結合的優勢,各部門通力合作、共同努力,爭取在下世紀初取得突破性進展。
目前,在發展重型數控機床中除需加強基礎理論研究外,還應加強其關鍵技術研究。例如,重型機床的控制就是需要加以特殊解決的關鍵問題。因重型機床加工的工件特別昂貴不允許報廢,為了確保機床工作可靠,在數控系統中可采用雙(或多)CPU冗余工作方案,以確保運算和控制的絕對正確,并在出現故障時自動診斷、自動修復或自動替補,確保加工不出問題。此外,在電源上可采取雙蓄電池供電的全隔離供電方案,即一組電池在給系統供電時,可對另一組電池進行充電,電網與控制系統是完全隔離的。這就徹底消除了重型車間中電網電壓波動厲害、干擾嚴重對數控系統造成的影響,從而有效保證系統的可靠性。又如,重型數控機床的驅動也是一大關鍵問題。當行程長度超過5 m,普通滾珠絲桿就難以勝任大負荷的傳動,因此目前一般采用預加負載的雙齒輪-齒條機構、靜壓蝸桿-蝸母條機構、四足(或雙足)爬行進給機構等來實現長行程傳動。但這些方案存在結構復雜、速度和加速度低、動態性能差、難以達到高精度、維護保養復雜等問題。為此可發展陣列式高效直線電機直接驅動技術和空間并聯機構驅動技術,以新的途徑來解決重型數控機床的高速、高精度驅動問題。除此之外,機床結構的優化設計、長行程精密檢測、重力變形補償、切削力變形補償、熱變形補償等也是重型數控機床中必須解決的關鍵問題,必須予以充分重視。
3 結語
制定符合中國國情的總體發展戰略,確立與國際接軌的發展道路,對21世紀我國數控技術與產業的發展至關重要。本文在對數控技術和產業發展趨勢的分析,對我國數控領域存在的問題進行研究的基礎上,對21世紀我國數控技術和產業的發展途徑進行了探討,提出了以科技創新為先導,以商品化為主干,以管理和營銷為重點,以技術支持和服務為后盾,堅持可持續發展道路的總體發展戰略。在此基礎上,研究了發展新型數控系統、數控功能部件、數控機床整機等的具體技術途徑。
我們衷心希望,我國科技界、產業界和教育界通力合作,把握好知識經濟給我們帶來的難得機遇,迎接競爭全球化帶來的嚴峻挑戰,為在21世紀使我國數控技術和產業走向世界的前列,使我國經濟繼續保持強勁的發展勢頭而共同努力奮斗!
作者簡介
周 凱 男,1954年生。清華大學(北京市 100084)精密儀器與機械學系副教授、工學博士。主要從事數控技術、機電控制工程、制造科學與制造系統等方面的研究工作。取得科研成果15項。70余篇。
參考文獻1 楊皖蘇,嚴鴻和.機械科學與技術,1997,26(4):1~6
關鍵詞:階梯孔一次成型;高轉速;高精度
Abstract: with the development of science and technology, more and more difficult to machine materials, at the same time, wide application of automatic processing line, and NC (numerical control) machine tool, CNC (machining center machine tool), FMS (flexible manufacturing system) has been popular, put forward higher request performance, life, machining efficiency of the drilling tool. As the rapid development of the equipment manufacturing industry, forming a ladder hole inner-cooling index able step drill, improves the production efficiency, enhance the service life of the cutting tool, the overall level of technology products has reached the leading domestic.
Key words: forming a stepped hole; high speed; high precision
中圖分類號:P634.4 文獻標識碼: A文章編號:
行業現狀
在我國,可轉位鉆頭在機床上的應用剛剛起步,在汽車工業中,尤其發動機缸體、缸蓋加工,國外早已采用可轉位鉆頭。而我們至今仍采用高速鋼麻花鉆這樣舊傳統刀具,在加工工藝上存在很大差距。由于麻花鉆的結構形狀和幾何參數存在著許多問題,致使鉆孔效率難以得到提高,內冷轉位階梯鉆符合數控先進設備對刀具高切割率、高轉速、高精度、組合切割的要求,必將促進裝備制造業的發展,代替進口,推動刀具國產化步伐。
內冷轉位階梯鉆的先進性
1、與高速麻花鉆相比,內冷轉位階梯鉆采用在刀體上安裝多階轉位刀片(三角形涂層轉位刀片)進行組合切削,進行一次性成孔、擴孔、倒角、粗鉸、精鉸等多個工序,一刀多用,提高工作效率和加工精度。而高速鋼麻花鉆,通常是采用多個直徑不同鉆頭分別加工,首先使用直徑最小的鉆頭加工出一個孔,然后再在孔壁上通過不同直徑的鉆頭加工出階梯孔,與麻花鉆相比,加工階梯孔時減少了頻繁退刀現象,一次成型加工各種階梯孔,提高加工效率。
內冷轉位階梯鉆采用內冷卻方式,切削過程中,一定壓力的冷卻液從鉆頭芯部的孔中注入,再從其頭部的孔中流出,直接射到切削區,然后把切削從刀體的兩條排屑溝中帶走,這種冷卻方式不僅冷卻效果好,而且有利排屑。
采用機械加固的方式將刀片固定在刀體上,在使用中,刀片如果磨損或損壞,可將刀片轉位或更換新刀片,刀具即可繼續使用,刀片精度高,且不需重磨,這樣保證了刀片轉位后或更換刀片后刀具的尺寸精度,非常適用于在自動線、數控機床、加工中心及柔性加工系統中使用,大大減少了調刀時間,提高生產效率。
采用沉孔帶后角棱型、三角形刀片,材質為涂層硬質合金刀片,刀片上有斷屑槽。由于硬質合金的硬度、耐磨性遠遠高于高速鋼,故可大大提高切削速度,從而大大提高切削速度,從而大大提高加工效率。
內冷轉位階梯鉆是合金鋼制造的,在使用過程中刀片需要經常更換,而刀體可以長時間使用,從而有效的節約了鋼材。
內冷轉位階梯鉆端面裝有兩個刀片,采用錯齒排列的方式配置,從而使徑向切削力達到平衡。
三、內冷轉位階梯鉆的關鍵技術:
1、雙螺旋內冷卻系統的設計制造工藝。
2、內冷轉位階梯鉆所用刀片選用轉位涂層硬質合金刀片,牌號的選 擇取決于被加工的材料。
3、刀片的加緊方法:緊固刀片時,用形沉頭螺釘卡緊刀片的沉孔。
四、內冷轉位階梯鉆的創新點:
1、能夠進行鉆削、鏜削復合加工,一鉆多用,提高加工效率和精度,減少刀具費用。
2、用雙螺旋內冷孔加注一定壓力切削液,提高冷卻、效果,結構更加緊湊,提高加工質量。加工精度達到IT7、IT8,表面粗超渡達到Ral~2m
3、刀片可轉位使用,可替換刀片使用,刀體得到重復利用,降低刀具成本,可大幅度節約硬質合金、合金鋼等刀具材料。
4、適于高速切削,其切削速度可達80~120m/min,使用涂層刀可達300m/min.
五、內冷轉位階梯鉆的發展前景
一、單位介紹
太原第一機床廠始建于1952年,是國家生產金屬切削機床的重點企業,是山西省數控產業化基地。企業位于太原市南內環街16號,占地面積13.28萬平方米。三面臨街,地處城市中心區域,地理位置優越,交通便利。企業在冊職工1293人,其中各類專業技術人員320人。資產總額2.23億元,負債總額1.78億元。企業擁有立式加工中心、臥式加工中心、高精度導軌磨、大型數控龍門鏜銑床、三坐標測量儀、雙頻激光干涉儀等高精尖加工和檢測設備468臺,具備完善的工藝保證體系和準確的計量檢測手段。
企業主要產品有高、中、低檔數控車床、臥式車床及龍門框架類機床,共三大系列、61個品種、182種規格,其中:數控車床16個品種,43個規格,跟蹤國內先進水平,市場潛力巨大;臥式車床14個品種,64個規格,性價比高、用戶滿意度好;龍門框架類機床31個品種,75個規格,呈旺銷態勢。特別是新產品數控龍門鏜銑床不僅市場前景看好,而且擁有知識產權,具有核心競爭優勢。以“太一機”為注冊商標的產品暢銷全國,并遠銷世界十多個國家和地區。企業技術力量雄厚,產品開發周期短、見效快,企業技術中心以其強勢的科技開發能力和現代的設計手段被評為省級技術中心;企業以誠信經營和快捷周到的服務著稱,在全國絕大多數省、市、自治區建有銷售網點并形成了長效網絡體系,企業注重產品質量,曾于XX年通過iso9001國際質量體系認證。
二、實習目的
畢業實習是我們在完成本專業基礎課和專業課的學習之后,綜合運用知識的重要的實踐性教學環節,是機電專業必修的實踐課程,在實踐教學體系中占有重要地位。通過畢業實習使自己在實踐中驗證、鞏固和深化已學的專業理論知識,通過知識的運用加深對相關課程理論與方法的理解與掌握。加強對企業及其管理業務的了解,將學到的知識與實際相結合,運用已學的專業理論知識對實習單位的各項業務進行初步分析,善于觀察和分析對比,找到其合理和不足之處。靈活運用所學專業知識,在實踐中發現并提煉問題,提出解決問題的思路和方法,提高分析問題及解決問題的能力。
三、實習內容
在這短短的幾個星期內,大家每天都要學習一項新的技術,并在很短的實習時間里,完成從對各項具體操做的一無所知到制作出一件成品的過程,我們在老師們耐心細致地指導下,很順利的完成各自的實習內容,并且基本上都達到了老師預期的實習要求,圓滿地完成了實習。在實習期間,通過學習車工、鉗工的操作,我們做出了自己的工件,雖然這幾個星期的實習是對我們的一個很大的考驗,但是看到自己平生第一次在車間中做出的工件,我們都喜不自禁,感到很有成就感。
來到工廠,首先工人師父給我們上安全課,告訴我們什么可以弄什么不可以弄,一定要服從廠里還有老師的管理,并且要自己注意安全,不要到處亂跑等,還給我們說了一些活生生的事件,加強我們對安全的認識,并且還給我們說了一些廠子里的優秀業績等,還給我們介紹了一些分廠的各種不同的地方.
接下來幾天實習老師帶領我們來到各分廠熟悉一下車工、鍛工、磨工,銑工等機械設備的構造、工作原理、基本操作和基本功能,等以后實習的時候再讓我們實際操作。通過老師的講解,我們熟悉了普通車刀的組成、安裝與刃磨,了解了車刀的主要角度及作用,刀具切削部分材料的性能和要求以及常用刀具材料,車削時常用的工件裝夾方法、特點和應用,常用量具的種類和方法,了解了車外圓、車端面、車內孔、鉆孔、車螺紋以及車槽、車斷、車圓錐面、車成形面的車削方法和測量方法,了解了常用銑床、刨床、磨床的加工方法和測量方法。
比如在使用磨床機床工作時,頭不能太靠近砂輪,以防止切屑飛入眼睛,磨鑄鐵時要戴上防護眼鏡,不要用手摸或測量正在切削的工件,不要用手直接清除切屑,應用刷子或專用工具清除,嚴禁用手去剎住轉動著的砂輪及工件,開機前必須檢查砂輪是否正常,有無裂痕,檢查工件是否安裝牢固,各手柄位置是否正確。開動銑床機床前,要檢查銑床傳動部件和系統是否正常,各操作手柄是否正確,工件、夾具及刀具是否已夾持牢固等,檢查周圍有無障礙物,才可正常使用,變速、更換銑刀、裝卸工件、變更進給量或測量工件時,都必須停車。更換銑刀時,要仔細檢查刀具是否夾持牢固,同時注意不要被銑刀刃口割傷。銑削時,要選擇合適的刀具旋轉方向和工件進給方向,切削速度、切削深度、進給量選擇要適當,要用鐵勾或毛刷清理鐵屑,不能用手拉或用嘴吹鐵屑,工作加工后的毛刺應夾持在虎鉗上用銼刀銼削,小心毛刺割手。銑齒輪時,必須等銑刀完全離開工件后,方可轉動分度頭手柄。
車工要求較高的手工操作能力。通過老師的講解,我們了解了車刀的種類,常用的刀具材料,刀具材料的基本性能,車刀的組成和主要幾何角度,車床的功能和構造,老師最后給我們示范了車床的操作方法,并示范加工了一個木模,然后就讓我們開始自己獨立實習,雖然操作技術不怎么熟練,經過幾天的車工實習,最后還是各自獨立的完成了實習。
車床運轉時,不能用手去摸工件表面,嚴禁用棉紗擦抹轉動的工件,更不能用手去剎住轉動的卡盤。當用頂尖裝夾工件時,頂尖與中心孔應完全一致,不能用破損或歪斜的頂尖,使用前應將頂尖和中心孔擦凈,后尾座頂尖要頂牢,用砂布打磨工件表面時,應把刀具移動到安全位置,不要讓衣服和手接觸工件表面。加工內孔時,不可用手指支持砂布,應用木棍代替,同時速度不宜太快。禁止把工具、夾具或工件放直接在車床床身上和主軸變速箱上。工作時,必須集中精力,注意頭、手、身體和衣服不能靠近正在旋轉的機件,如工件、帶輪、皮帶、齒輪等。
四、實習收獲
通過車工實習,我們熟悉了有關車工及車工工藝方面的基本知識,掌握了一定的基本操作技能,已經會初步正確使用和操作車床,而且還增強我們的實踐動手能力,以及分析問題和解決問題的能力。
數控車床的操作,就是通過編程來控制車床進行加工。數控機床是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械等高新技術的產物,是技術密集度及自動化程度很高的典型機電一體化加工設備,它與普通機床相比,其優越性是顯而易見的,不僅零件加工精度高,產品質量穩定,且自動化程度極高,可減輕工人的體力勞動強度,大大提高了生產效率。只要輸入正確的程序,車床就會執行相應的操作,通過數控車床的操作及編程,深深地感受到了數字化控制的方便、準確、快捷。通過數控實習,我們了解了數控機床及數控加工概念,掌握了數控機床程序編制內容,數控實習使我們具備了一定的數控加工基礎知識,我們基本上可以能閱讀并且編制簡單數控操作加工程序,初步掌握了數控機床的操作與維護。
車工、鍛工、磨工,銑工實習是切削加工技術的必要途徑之一,可以培養我們的觀察能力、動手能力,開拓我們的視野,使我們平時學習的理論知識和操作實踐得到有效的結合。
在觀察的時候,我們在不懂的地方向工人師父請教,明白了很多書本上沒有的東西. 在聽了工人師傅的講解后,明白了一般零件的加工過程如下:
胚料---劃線---刨床(工藝上留加工余量)--粗車--熱處理,調質--車床半精加工--磨--齒輪加工--淬火(齒面)--磨面
齒輪零件加工工藝:
粗車--熱處理--精車--磨內孔--磨芯,軸端面--磨另一端面--滾齒--鉗齒--剃齒--鍘鍵槽--鉗工--完工
最后我們在師父的指導下,親自加工了一個零件,使我們大家都興奮不易.
在自己親手加工的時候,很多問題都出現在我們的面前,使我們更加加深了各種知識的了解,在自己加工十時,使我對對刀,參數的設置,編程的要求,工藝,還有在加工中的各種操做,以及刀補的建立,還有各種參數的修改,以及各種量具的使用有了更加深刻的了解.
隨著煤炭資源的逐步衰竭,接續產業發展滯后,棗莊經濟社會發展中固有的一系列深層次矛盾和問題逐步顯現。
今后一個時期,棗莊市應緊緊抓住結構調整這條主線,以新型工業化為目標,以工業經濟結構的優化升級推進資源型城市轉型。
一是推動傳統產業新型化。按照“上大、改中、關小”的戰略,努力提升傳統產業發展的質量和水平。科學規劃、有序開發煤炭資源,抓好高產高效礦井建設,穩定提高煤炭綜合產能。鼓勵電力企業上超臨界、超超臨界機組項目,發展熱電聯產企業;大力發展旋窯水泥,推動棗莊由建材大市向建材強市轉變。積極運用先進技術改造提升現有產業,努力上規模、上檔次。堅決關掉小煤礦、小水泥、小鋼鐵等生產企業。
二是推動支柱產業多元化。突出重點,盡快做大做強煤化工、機床、食品加工等技術含量高、市場前景廣闊的產業,使煤化工盡快成為支柱產業。充分發揮魯南機床的龍頭帶動作用,鼓勵機床企業與國內外企業合資合作,提高研發能力,開發高精端產品,進一步擴大機床產品的市場占有率。
三是推動新興產業特色化,促使新興產業盡快形成規模。
四是積極推進工業項目落地。抓好對已列入國家、省和市重點技術改造項目的支持。加強產業政策與信貸、財稅政策的協調和銜接,提高土地、資金、勞動力等生產要素的保障水平,及時協調解決項目實施中的問題。圍繞國家鼓勵發展的產業、產品和技術來篩選項目,優先把符合國家扶持發展的項目作為吸引資金投向、爭取國家及省技改優惠政策的重點來抓。
五是突出抓好工業的節能降耗。進一步完善細化節能目標考核辦法和獎懲細則,突出重點領域,對重點耗能企業和年耗能5000噸標煤以上重點企業開展能源跟蹤監管,重點調度,嚴格考核。大力發展循環經濟,推行清潔生產,推動經濟增長方式的根本轉變。
具體調整方向為:
1、拉長煤炭產業鏈,培植以煤化工為主導的戰略支撐產業
煤化工。依托兗礦魯化“水煤漿氣化及煤化工國家工程研究中心”的技術優勢,重點發展甲醇、醋酸,擴大合成氨、化肥規模。加快魯南高科技化工園區建設,促進煤化工產業聚集。利用煤化工上游產品,開發生產高附加值的精細化工產品,提高行業精細化工產品率。
煤焦化。按照國家產業政策,實行焦化行業準入制度。嚴禁新上單純煉焦項目,全市機焦產量控制在600萬噸/年左右。實行集中布局,綜合利用,加快延伸煤焦化產業鏈,提高產品的技術含量和附加值。
煤電化??傃b機容量控制在500萬千瓦左右。加大電網建設投入,提升電能輸送能力;發展煤電熱聯合企業,拉長產業鏈,實現熱電平衡生產,使電能、熱能的利用逐步向符合國家產業政策的電化工、電冶煉等高附加值的下游產品延伸,實現二次增值。
2、鞏固提高傳統支柱產業
穩定煤炭工業。加快煤炭企業整合,提升煤炭生產和設備制造技術水平,淘汰落后生產能力和生產工藝,改造、整頓和規范小煤礦。煤炭年產量控制在3500萬噸左右。
發展建材工業。突出發展新型旋窯水泥、平板玻璃、石膏深加工及新型墻體材料。扶持新型建材、高檔裝飾裝潢建材、環保節能建材產品,改善建材產業結構,提升我市建材產業等級。
膨脹紡織服裝工業。采用高新科技對紡織企業進行改造,保持和發展針織內衣、牛仔面料及服裝、地毯、巾被系列等產品的比較優勢。
提升機械電子工業。重點發展數控機床、加工中心、數控專用機床及汽車維修檢測系列設備。建設滕州機械制造創業園。
壯大食品工業。結合農業產業化經營、標準化生產,加快培育“小麥―面粉―等級面粉―專用面粉―高檔食品”、“玉米―淀粉―變性淀粉―酒精―醫藥用品”、“大豆―油脂―豆粕―飼料”等三大產業鏈。以肉食加工、釀酒為主導,重點發展無公害食品、綠色食品、有機食品,發展有我市特色的石榴系列深加工食品,優化食品產業結構。
適度發展造紙工業。以高檔涂布白板紙為龍頭,帶動制漿及紙制品業加快發展,積極開發高檔文化用紙、生活用紙及專用紙,加快發展白卡紙、牛皮箱板紙、液體包裝紙,逐步形成規?;?、高檔化的造紙行業。
3、積極發展高技術含量的新興產業
生物醫藥。運用生物技術、基因技術等現代技術,爭取在制劑工藝和產品劑型方面有較大突破,建設現代醫藥工業,在產業規模和素質上進一步擴大和提升,使這一極具潛力的產業迅速發展壯大。
[關鍵詞]高職機電一體化課程建設
[作者簡介]劉美榮(1962-),女,湖北黃岡人,黃岡職業技術學院,副教授,碩士,研究方向為機電專業教育教學。(湖北黃岡438002)聶建文(1957-),男,湖北黃岡人,鄂東職業技術學院,教授,研究方向為高職教育。(湖北黃岡438000)
[中圖分類號]G712[文獻標識碼]A[文章編號]1004-3985(2012)20-0129-02
20世紀80年代以來,將“機械、電子、信息、控制”有機結合,以實現工業產品和生產過程整體最優化與智能化的“機電一體化”高新技術在全球興起。當前,世界制造業不斷向中國東移,促進了我國制造業的發展,其崗位性需求量日益膨脹,同時國際性的高新技術特別是制造業的信息化過程對高級技能應用型人才在質的需求方面越發凸顯。動態的市場經濟要求職業教育動態地適應、積極地調整、主動地服務,運用市場機制來調整專業設置、課程結構及教學內容,開發適合社會需求的機電一體化課程。社會需求是首要依據,技術進步是關鍵和基礎??茖W地選擇支撐專業的技術,構建合理有效的課程體系,才能滿足教學規律的要求,達到培養目標。技術的進步也會產生新的社會需求,這需要相應的專業來滿足。因而,尋求社會需求與專業支撐技術的最佳結合是準確定位培養目標與人才規格、建設專業的首要任務。
一、機電一體化的學科領域
機電一體化專業是為經濟社會發展培養裝備制造類應用型人才而設置的。制造技術的發展趨勢表明產品的設計和制造向數字化、模具化發展。機電一體化技術已形成“機、電、計算機”三分天下的實際格局,是一門跨學科的綜合性學科,是近年來蓬勃發展的微電子技術、計算機科學、機械工程和電力電子技術互相滲透而成的一門新興學科,是在信息論、控制論和系統論基礎上建立起來的應用技術。支撐機電一體化學科的有機械學,包括機械設計、動態系統分析;控制論,包括經典控制、數字控制、現代控制;電子學,包括微處理機及常規儀器儀表和電機、電器、電力、電子學;計算機科學,包括軟件工程、微處理機系統設計。
二、機電一體化專業課程設置存在的不足
機電一體化技術是多種技術交叉融合的產物,技術的發展推動著機電一體化技術的發展,也導致了教學內容與其發展不相適應。具體表現在以下幾個方面:控制技術方面。企業對控制技術方面的教學要求是能選用成熟的控制器,組成完整的控制系統,對設備進行自動控制。現有的教學內容與實際應用存在較大的差距,教學內容側重于系統講授原理,而產品的應用和選用則較少涉及,課程的設置之間缺乏有機聯系,教學內容整合度不高。
在機械傳動與制造技術方面。目前教學內容大都停留在傳統機械上。現代精密機械的新機構、新零件已廣泛應用,但教學內容不夠,傳統的機械傳動技術占主導地位。先進制造技術介紹也不夠。在計算機數控CNC、柔性制造系統FMS、計算機輔助設計、計算機集成制造系統CIMS、準時生產JIT、精益生產LP和敏捷制造AM等方面也應讓學生有所了解。在單片機和PLC技術方面。單片機和PLC技術是信息技術在工業界的具體運用。目前單片機的教學內容仍以MCS-51單片機為主,而現在實用的單片機種類繁多;PLC目前仍以介紹小型PLC的原理、編程為主,而現在不僅小型PLC被廣泛使用,中型、大型PLC及DCS系統也被廣泛使用。在檢測技術與傳感器方面。各種高精度、智能化、組合化的傳感器層出不窮,但教學內容反映不夠。在機械與電氣技術綜合方面。企業的設備和所生產的產品綜合了各種技術,為保證生產順利進行或能勝任技術服務的要求,要求機電一體化專業畢業生能處理設備的基本故障。但目前機電設備維修方面的教學內容,仍把機械與電氣維修截然分開,缺少綜合訓練,這顯然不利于培養機電復合型人才。
三、機電一體化專業建設的總體目標
機電類專業培養掌握必備專業基礎理論和技術業務知識,經過業務、技術實際訓練,能夠勝任生產設備的安裝、調試、維護、管理,運用計算機輔助設計與制造技術,進行機械零件和模具設計、編制制造工藝;同時具有數控加工編程能力、掌握典型數控機床的結構和工作原理等基本知識,能夠熟練操作數控機床等現代機械制造設備的高技能型人才。專業課程有機械制圖、機械技術、液壓與氣壓傳動、電工基礎、電子技術、計算機類等。
機電類專業就業一直不錯,企業對人才需求量大,主要從事工業企業機電設備安裝調試檢修、機電設備技術改造、供電系統運行管理、機電設備技術管理等方面的工作。學生畢業對應的證書有特種作業操作證、低壓電工本、中級制圖員職業資格證、電工操作證書、數控工藝員職業資格證書等。專業重點考慮服務地區制造類企業,根據專業發展的實際情況,將建設目標逐步落實到培養計劃制訂、課程設置、課程教學和實訓等各個工作環節。
四、機電一體化專業的課程設置
根據必備能力、必需知識及必要訓練要求,機電一體化教學要更具系統性、完整性和科學性。構建理論與實踐相統一的課程體系,增加與生產崗位相近的操作性實訓,使學生逐步掌握綜合實踐能力、專業技術應用及操作能力。機電一體化技術要涉及多學科,要相互苛刻要求、取長補短,不斷向理想化技術發展。高職機電一體化專業的課程設置,要考慮專業綜合性、多學科的特點,開設不同的課程。培養學生對應的專業技能,如下表:
學生培養對應專業技能表
為凸顯高職教育特色,對教學設計、課程體系作進一步改革,充分利用專業指導委員會論證人才培養模式,努力推進產學結合,以職業技能證為導向,提高學生的應用能力和崗位適應能力。在專業剖析的基礎上,優化專業課程體系與教學內容。專業能力模塊的設置主要分為數控加工、模具設計與制造、計算機輔助設計與制造和電工操作能力模塊,并以能力模塊需要的知識和技能設置相應的課程;修訂主要課程的課程標準。
機電產品制造工藝及工裝設計專業方向以機電為主,壓縮整合控制類課程,強化“數控機床及應用”“金屬切削機床與刀具”“機床夾具設計”“機械制造工藝學”等課程。機電系統控制專業方向側重于控制類課程,壓縮整合機電類課程,強化“機床電控與PLC應用”“數控原理與系統”“液壓與氣動技術”“單片機原理與應用”等課程。機電設備維修專業方向可開設“數控機床檢修”“電梯的結構與維修”“空調的構造、原理及檢修”“物業管理系統的維護”“智能化家電的原理”等課程;根據新工藝、新技術的發展設置“機械創新設計”“機器人技術”等其他選修課。走理論教學與實踐教學一體化道路,要借鑒德國職業教育“雙元制”的經驗,注重學生實踐技能的培養,努力推進“工學結合”,再現生產情景;完成所有課程的實踐教學指導書的編寫,建構具備優質教學資源的共享平臺。
實驗室建設要重質,建設具有先進水平的、規模適中的實驗實訓基地,在保證專業教學的同時,逐步開展面向企業的科研服務。充分發揮實驗實訓設備的作用,開展與相關企業的深層次合作,在產品開發、技術革新等方面實現突破。建立先進制造技術實驗室,配備三坐標測量儀、快速原型等先進設備,為企業提供技術服務。同時,加大校外實訓基地建設,建立具備一定規模的校外實訓基地,為實施多種模式的高職人才培養形式奠定基礎。
五、高職機電一體化教學需各方支持
1.國家和政府的職責。高職機電專業實踐教學要培養機電領域應用型人才,需要大量的硬件支撐。我國政府應該根據現行高職教育的現狀,制定《高等職業教育法》,從法律上明確高等職業院校實踐教學的地位,加強高等職業院校機電專業實踐教學的經費保障等。要建立完善分級管理、政府統籌、社會參與的職業教育管理體制,政府要完善教育執法與監督機制,規范高職教育,鼓勵高職推進實踐教學,嚴格執行高職學生就業準入制度,規定學生必須考取相關職業資格證書才能畢業。教育部還應推出相關規章制度,制定高職院校的實習實訓標準;改革現有課程,編寫實用的實踐課程教材。
2.企業的職責。企業的目標是追求利潤最大化,與高職機電專業實踐教學追求人才培養目標存在矛盾。目前我國實踐教學主要是靠高職院校自身,沒有形成以學校和企業為主體的“雙主體”模式。為確保校企合作,要建立“雙贏和多贏”的激勵機制,調動校企雙方的積極性,并建立相關制度,落實有關措施,實施長效管理。形成高職實踐教學的“雙主體”,需要建立專門機構,協調企業、高職院校之間的關系,搭建校企對話和對接平臺。同時,建立中小企業科技項目需求和高職院校科研項目開發的信息網絡系統。一方面將企業發展中遇到的問題、需要解決的產品開發難點,編成專題信息予以公布;另一方面將高職院校研究的課題或項目,按專題信息予以公布。經過校企聯動,將市場前景好的項目及時投入企業,利用企業的市場運作能力和資源,將其轉化成經濟效益,并形成企業新的經濟增長點。
建議企業在高職機電專業實踐教學過程中提供以下支持:首先是資金支持。企業是高等職業教育的受益者之一,因此要為高職機電專業實踐教育出一份力。我國的高職機電專業實踐教學需要花費大量的資金進行實訓基地建設和對學生實施技能培訓,足夠的資金保障對高職機電專業實踐教學非常重要。我國經濟基礎薄弱,單靠國家的支持是不夠的,企業應該起到資金支持的作用。其次要提供高職機電專業學生實習的機會。高職機電專業學生到企業實習,融入企業氣氛中,將使學生畢業后盡快適應職業崗位。但由于實習生與用人單位雙方存在責權不明晰、工傷保險制度不完善等問題,中小企業一般不愿承擔接收實習生的風險。如今越來越多的大學生主動走出校園,尋找實習機會,原因在于當下企業在招聘員工時更青睞“熟手”,而就業形勢趨緊的大背景也成為大學生尋找實習機會的助推器。企業不但要提供高職機電專業實踐教學實習基地,而且要參與到學校的人才培養計劃和過程中。對企業來說,在實習的學生中發現人才讓學生畢業后留用,能夠減少員工培養的時間和費用,還可以讓頂崗學習的學生幫助加工產品,提高企業效益。最后要為“雙師”型教師培養提供條件。企業要選派具有豐富經驗的優秀技術人員到高職院校擔任兼職教師。校企合作辦學是培養“雙師型”教師的突破口,能使高職機電專業實踐教學專業課教師更好地掌握專業技能。要鼓勵企業與高職院校緊密合作,并使之成為一項應盡的義務列入日常議事日程。企業要以成為高職院校的合作基地為榮,同時規定所有企業在銷售額中必須有一定的比例承擔高職院校教師和學生的職業技能培訓、實習、橫向科研項目開發;鼓勵企業吸收經過培訓的學生為企業員工。改善和調整現有教師隊伍結構,實現高職院校師資隊伍整體功能優化。可以從聯系緊密的實習基地聘請具有豐富實踐經驗并能指導實踐教學的工程技術人員做兼職教師,通過結構互補,形成師資隊伍整體的“雙師型”素質。當然,企業對高職實踐教學的支持也應該得到承認和回報,政府可以給企業相應政策支持。教育部應該與財政部、國家稅務總局、工商等部門制定企業參與高等職業教育辦學的稅收優惠政策。同時,高職院校要積極把科研成果投入到愿意提供支持的企業,把優秀學生介紹給企業,使企業認識到支持高職實踐教學是值得的。
現代社會高新技術的飛速發展,對機電一體化技術與產品產生著深遠影響,這些影響有的現在已經被認識到,有的現在還無法預見,但未來技術的發展必然會導致機電一體化進一步向信息化、智能化方向邁進。職業技術教育一定要緊跟現代技術發展的步伐,不斷調整知識結構和課程設置,這樣才能產生顯著的社會效益。
[參考文獻]
[1]鮑加農.機電一體化及專業課程設置[J].中國現代教育裝備,2004(1).
自電子技術一問世,電子技術與機械技術的結合就開始了,只是出現了半導體集成電路,尤其是出現了以微處理器為代表的大規模集成電路以后,“機電一體化”技術之后有了明顯進展,引起了人們的廣泛注意。
(一)“機電一體化”的發展歷程
1.數控機床的問世,寫下了“機電一體化”歷史的第一頁;
2.微電子技術為“機電一體化''帶來勃勃生機;
3.可編程序控制器、“電力電子”等的發展為“機電一體化”提供了堅強基礎;
4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術使“機電一體化”躍上新臺階。
二“機電一體化”發展趨勢
1.光機電一體化。一般的機電一體化系統是由傳感系統、能源系統、信息處理系統、機械結構等部件組成的。因此,引進光學技術,實現光學技術的先天優點是能有效地改進機電一體化系統的傳感系統、能源(動力)系統和信息處理系統。光機電一體化是機電產品發展的重要趨勢。
2.自律分配系統化——柔性化。未來的機電一體化產品,控制和執行系統有足夠的“冗余度”,有較強的“柔性”,能較好地應付突發事件,被設計成“自律分配系統”。在自律分配系統中,各個子系統是相互獨立工作的,子系統為總系統服務,同時具有本身的“自律性”,可根據不同的環境條件作出不同反應。其特點是子系統可產生本身的信息并附加所給信息,在總的前提下,具體“行動”是可以改變的。這樣,既明顯地增加了系統的適應能力(柔性),又不因某一子系統的故障而影響整個系統。
3.全息系統化——智能化。今后的機電一體化產品“全息”特征越來越明顯,智能化水平越來越高。這主要收益于模糊技術、信息技術(尤其是軟件及芯片技術)的發展。除此之外,其系統的層次結構,也變簡單的“從上到下”的形勢而為復雜的、有較多冗余度的雙向聯系。
4.“生物一軟件”化—仿生物系統化。今后的機電一體化裝置對信息的依賴性很大,并且往往在結構上是處于“靜態”時不穩定,但在動態(工作)時卻是穩定的。這有點類似于活的生物:當控制系統(大腦)停止工作時,生物便“死亡”,而當控制系統(大腦)工作時,生物就很有活力。仿生學研究領域中已發現的一些生物體優良的機構可為機電一體化產品提供新型機體,但如何使這些新型機體具有活的“生命”還有待于深入研究。這一研究領域稱為“生物——軟件”或“生物系統”,而生物的特點是硬 件(肌體)——軟件(大腦)一體,不可分割??磥?,機電一體化產品雖然有向生物系統化發展趨,但有一段漫長的道路要走。
5.微型機電化——微型化。目前,利用半導體器件制造過程中的蝕刻技術,在實驗室中已制造出亞微米級的機械元件。當將這一成果用于實際產品時,就沒有必要區分機械部分和控制器了。屆時機械和電子完全可以“融合”,機體、執行機構、傳感器、CPU等可集成在一起,體積很小,并組成一種自律元件。這種微型機械學是機電一體化的重要發展方向。
三、典型的機電一體化產品
機電一體化產品分系統(整機)和基礎元、部件兩大類。典型的機電一體化系統有:數控機床、機器人、汽車電子化產品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統、CAD/CAM系統等。典型的機電一體化元、部件有:電力電子器件及裝置、可編程序控制器、模糊控制器、微型電機、傳感器、專用集成電路、伺服機構等。這些典型的機電一體化產品的技術現狀、發展趨勢、市場前景分析從略。
四、北京發展“機電一體化”而臨的形勢和任務
機電一體化工作主要包括兩個層次:一是用微電子技術改造傳統產業,其目的是節能、節材,提高工效,提高產品質量,把傳統工業的技術進步提高一步;二是開發自動化、數字化、智能化機電產品,促進產品的更新換代。
前者是面上的工作,普及工作;后者是提高工作,深層次工作。
(一)北京“機電一體化”工作面臨的形勢
1.北京用微電子技術改造傳統工業的工作量大而廣
(1)在700余家北京市屬工業系統的企業中,有60%以上的企業用微電子技術改造機床設備、工業窯爐、風機電泵、生產過程的任務還未完成需要量的一半。
(2)北京工業系統還有2000余臺機床設備亟需用微電子技術進行改造;在已改造的近6500臺機床設備中,大約有15%需進一步改造。
(3)北京工業系統尚有近250座工業爐窯亟需用電子信息技術進行改造;且610座已改造過的工業爐窯也很有進一步應用模糊技術進行二次改造的必要。
(4)北京工業系統CAD應用還有較大差距。目前,北京工業品設計,CAD應用率僅17%(而美、日等國已超過85%;國內先進地區也超過了30%);CAD的覆蓋率才達到11%(而全國CAD應用工程領導小組指出,“八五”期間大中型企業要達到35%,中小型骨干企業要達到15%—20%;到“九五”時,按國務委員宋健的要求,基本上要甩掉繪圖板)。
(5)北京工業系統共有改造價值的各種風機電泵裝機容量50萬千瓦,尚49萬多千瓦用變調速技術進行改造的任務,占總任務量的99.5%左右。
(6)工業是全市能源消耗大戶。1992年,北京工業系統占全市能耗總量的59.5%.而北京是一個能源嚴重缺乏的城市,1992年北京工業系統萬元產值能耗折合標煤為2.47噸,比上海的1.57噸高57%,比天津的2.15噸高14%,比先進的工業化國家高近9倍。因此,北京工業系統節能降耗的任務非常重,而電力電子技術是節能降耗的王牌。
2.北京用機電一體化技術加速產品更新換代,提高市場占有率的呼聲高,有壓力。北京市的工業產品大約有3萬種,每年約開發試制新產品3000種,更新周期很長。由于更新換代速度跟不上市場變化的需要,影響了北京工業產品的競爭能力。
1993年,北京市工業系統生產的機電一體化產品約837種,在當年生產的產品品種總數中僅占7.8%左右。其中:機械局系統主要產品約1200種,機電一體化產品不到150種機電一體化產品所占比例僅4%強;儀器儀表總公司系統主要產品350種,機電一體化產品210種,機電一體化產品所占比例為60%;輕工系統主要產品總數為649種,機電一體化、智能化產品15種,機電一體化、智能化產品所占比例約2.3%;汽車工業總公司系統平均每輛汽車的總成本為3.5萬元,每輛汽車平均裝用電子產品的費用約300元,不是總成本的1%;與國外約28%的先進水平相差甚遠;與國內先進水平相差一半左右。
3.北京用機電一體化產品取代技術含量和附加值低,耗能、耗水、耗材高,污染、擾民產品的責任重,有意義。在北京工業系統中,能耗、耗水大戶,對環境污染嚴重的企業還占相當大的比重,且不少地處城區和近郊區。近年來北京的工業結構、產品結構雖然幾經調整,但由于多種原因,成效一直不夠明顯。這里面固然有上級領導部門的政出多門問題,有企業的“故土難離”“死守故業”問題,但不可否認也有優化不出理想的產業,優選不出中意的產品問題。上佳的答案早就擺在了這些企業的面前,這就是發展機電一體化,開發和生產有關的機電一體化產品。機電一體化產品功能強、性能好、質量高、成本低,且具有柔性,可根據市場需要和用戶反映時產品結構和生產過程做必要的調整、改革,而無須改換設備。這是解決機電產品多品種、少批量生產的重要出路。同時,可為傳統的機械工業注入新鮮血液,帶來新的活力,把機械生產從繁重的體力勞動中解脫出來,實現文明生產。
另外,從市場需求的角度看,由于我國研制、開發機電一體化產品的歷史不長,差距較大,許多產品的品種、數量、檔次、質量都不能滿足需求,每年進口量都比較大,因此亟需發展。
(二)北京“機電一體化”工作的任務
北京在機電一體化方面的任務可以概括為兩句話:一句話是廣泛深入地用機電一體化技術改造傳統產業;另一句話是大張旗鼓地開發機電一體化產品,促進機電產品的更新換代??偟哪康氖谴龠M機電一體產業的形成、為北京產業結構和產品結構調整作貢獻。
1.北京應用機電一體化技術改造傳統產業的工作重點
(1)大力采用模糊技術,工業爐窯改造應上新臺階
國內外成功的范例表明,應用模糊技術改造工業爐窯比單純用計算機和PID技術好的多。因此,我們建議今后北京在改造工業爐窯時要大力推廣應用模糊技術,到2000年,對應該進行改造但尚未改造的近250座工業爐窯要用模糊 技術等先進電子信息技術改造完畢,其中采用模糊技術改造要在80%.
(2)積極采用數控技術,機床高備改造要達新水平
對機床設備的改造重點應放在經濟型數控系統的推廣應用上。根據需要和可能,到1995年,北京應該改造的機床設備(8420臺)的改造率要達80%以上,到本世紀末要改造完畢。
(3)努力推廣變頻調速技術,風機電泵改造要攀新高度
風機、電泵采用變頻調速后一般可節電20%以上,效果十分顯著。因此,在今后幾乎,北京要把交流變頻調速技術的推廣應用作為重點來抓。到1995年,應該采用變頻調速技術改造的風機、電泵要改造完60%;到本世紀末,北京的風機、電泵和其它調速電機要普遍;采用先進的變頻調速技術。
(4)優先應用CAD/CAM技術,工業設計水平提高要有新目標
北京工業產品更新換代慢,設計工作跟不上需求變化是重要原因之一。目前,北京工業系統CAD的應用率為17%,CAD的覆蓋率為11%,到1995年應分別達到20%和15%,本世紀末,要力爭分別達到55%和45%.
2.北京機電一體化產品開發的奮斗目標
(1)總體目標:到1995年全市的機電一體化產品數應不少于800種,2000年,應不少于2000種,機電產品的機電一體化率分別達到25%和60%.
(2)單項目標:
機床數控化率:1995年,產量數控化率達5%,產值數控化率達16%;2000年,分別達12%和40%.
汽車電子化程度:1995年,平均每輛汽車上裝用和電子產品的費用不少于1000元,在整車成本中所占比例不低于3%;到2000年分別不少于3000元,不低于8%.
PLC的開發生產能力:“八五”期間,開發能力要穩居全國首位:“九五”北京要成為全國主要的PLC生產基地之一。
“電力電子”開發生產能力:“八五”期間掌握第二代電力電子器件的批量生產技術和第三代電力電子器件的開發技術?!熬盼濉逼陂g第三代電力電子器件的生產要形成經濟批量。在電力電子產品應用方面,“八五”期間,開關電源、高頻電源、逆變電源要成為拳頭產品;交流變頻調速裝置要達到批量生產程度;高頻電子鎮流器要能出口創匯:“九五”,北京要形成一個具有電力電子器件、電力電子裝置研制、生產、開發、推廣綜合配套能力的高新技術產業。
模糊控制器的開發生產能力:“八五”要把北京建成全國模糊技術控制器的開發生產基地,開發出用于工業爐窯改造,壓力、溫度、流量控制的模糊技術控制系統典型產品來;交逐步將模糊技術應用于家用電器中。1995年,空調器、洗衣機、電冰箱、吸塵器、電風扇等家用電器產品模糊控制器的普及率要分別達到15、20%、5%、15%、8%左右。到本世紀末,北京家用電器模糊技術普及率要達到50%以上。
其它機電一體化產品的開發生產能力:微機控制多色印刷機要穩居全國第一;電子醫療儀器的開發、生產爭取在“八五”有較大突破,“九五”在品種和產量上全國領先;在“八五”期間,以30萬千瓦汽輪發電機組為代表的發電設備要形成綜合配套能力,打出規模效益來;數字化、智能化儀器儀表,自動化裝置要上品種、上批量……
總之,機電一體化技術既是振興傳統機電工業的新鮮血液和源動力,又是開啟北京機電行業產品結構、產業結構調整大門的鑰匙。如果北京完成好上面所建議的“機電一體化”發展兩方面的目標,那么,到本世紀末,北京就會形成一個銷售額超過200億元的機電一體化產業。其中,數控機床、機電一體化印刷系統、新型電子醫療設備和數字化智能化儀器儀表等機電一體化裝備銷售額可超過150億元:“電力電子”的銷售額可超過20億元;PLC模糊控制器等銷售額可超過15億元;汽車電子化、自動化智能化輕工民用電器產品銷售額可超過25億元。機電一體化產業不僅是北京高新技術產業的主力軍,也是機電行業停工、待產、明虧、潛虧企業的出路所在。
五、北京發展“機電一體化”的對策
(一)加強統籌安排,協調發展計劃
目前,北京地區從事“機電一體化”研究開發及生產的單位很多。各自都有一套發展策略和計是。同時,市政府各有關委、辦、局(總公司)也有不少相應的發展計劃與規劃。各單位的計劃由于受各自立足點、著眼點的限制,難免只考慮局部利益,市政府各主管部門的有關計劃和規劃,也有統一考慮不足,統籌安排不夠的問題,全市缺少綜觀全局的有權威性的發展計劃和戰略規劃。因此,建議市政府責成有關機構在進行深入調查研究、科學分析的基礎上,制定出北京統管全局的“機電一體化”研究、開發、生產計劃和規劃,避免開發上重復,生產上撞車!
(二)強化行業管理,發揮“協會”作用
目前,北京“機電一體化”較熱,而按目前的行業劃分方法和管理體制,“政出多門”是難哆的。因此,北京有必要明確一個“機電一體化”行業的統管機構,根據目前國家政治體制改革和經濟體制改革的精神,以及機電一體化行業特點,我們建議,盡快加強北京機電一體化協會的建設,賦予其行業管理職能。
“協會”要進一步擴大領導機構——理事會的代表層面和復蓋面,要加強辦公室、秘書處的建設;要通過其精明干練的辦事機構、經濟實體,組織“行業”發展計劃、戰略規劃的擬制;指導行業布點布局的調整,進行發展突破口的選擇,抓好重點工程的試點和有關項目的發標、招標工作……
(三)優化發展環境、增大支持力度
優化發展環境指通過宣傳群眾,造成一種社會上下、企業內外都重視、支持“機電一體化”發展的氛圍,如盡快為外商到北京投資發展“機電一體化”產業提供方便;盡可能為興辦開發、生產機電一體化產品的高新技術企業開綠燈;盡力為開發、生產機電一體化產品調配好資源要素等。
增大支持力度,在技術政策上,要嚴格限制耗電、耗水、耗材高的傳統產品的發展,對未采用機電一體化技術落后產品限制強制淘汰;大力提倡用機電一體化技術對傳統產業進行改造,對有關機電一體化技術對傳統產業乾地改造,對有關技術開發、應用項目優先立項、優先支持,對在技術開發、應用中做出貢獻的單位領導、科技人員進行表彰獎勵等。
在經濟政策上,要多給機電一體化科研攻關課題、開發應用項目利用科技專項基金和科技三項費用的機會;銀行發設貸款要多向機電一體化技術改進、生產合資和機電一體化產業規?;ㄔO項目上傾斜;成立“機電一體化”發展基金,支持機電一體化生產發展等。
(四)突出發展重點,兼顧“兩個層次”
機電一體化產業復蓋面非常廣,而我們的財力、人力和物力是有限的,因此我們在抓機電一體化產業發展時不能面面俱到、平鋪直敘,而應分清主次,大膽取舍 ,有所為,有所不為。要注意抓兩個層次上的工作。第一個層次是“面上”的工作,即用電子信息技術對傳統產業進行改造,在傳統的機電設備上植入或嫁接上微電子(計算機)裝置,使“機械”和“電子”技術在淺層次上結合。第二個層次是“提高”工作,即在新產品設計之初,就把“機械”與“電子”統一起來進行考慮,使“機械”與“電子”密不可分,深度結合,生產出來的新產品起碼正做到機電一體化。
我們認為,北京“機電一體化”發展,當務之急,重中之重是:
抓緊開發生產GTO、GTR、VDMOS等新型電力電子器件及其應用裝置——交流變頻調速器、逆變焊機、高頻電子鎮流器等,用電力電子技術進行的節能、節材為主要目的的技術改造;
抓緊推廣應用經濟型數控系統,改造機床設備;開發生產低、中檔數控系統;
[論文摘要]本文通過對高速切削加工技術的優越性和巨大經濟效益的分析,全面論述了高速切削對機床設備及刀具系統的具體要求,闡述了高效率、高精度、高柔性和綠色化的高速切削加工技術是機械加工領域的發展趨勢。
1 高速切削的概念
當切削速度超過被切削材料臨界切削速度時,切削溫度下降,切削抗力減小,刀具使用壽命延長。目前,主軸轉速高達60000r/min,進給速度高達90m/min,加速度達到1.7g的高速切削機床已商品化。并在航天、模具、汽車等行業的實際應用中,產生了巨大的技術經濟效益。高速切削加工不但要求切削主軸的高轉速,而且要求軸向進給的高速度和高加速度、先進的切削刀具等相關的關鍵技術。高速切削應該是可靠的高速切削。通常將切削速度和進給速度達到常規機床5~10倍的切削加工稱之為高速切削。然而,根據Salomon的高速切削理論,高速切削應為切削溫度不再隨切削速度的提高而上升,且以高切削速度、高切削精度、高進給速度與加速度為主要特征的切削加工。因此,對于不同的材料,高速切削的速度范圍是不同的。目前,常用材料的高速切削范圍:鋁合金為1000~7000m/min,碳鋼為500~2000m/min,鈦合金為i00~1000m/min。
2 機床選擇
現階段,為了實現高速切削加工,一般采用高柔性的高速數控機床、加工中心,也有采用專用的高速銑、鉆床。這些設備的共同之處是:必須同時具有高速主軸系統和高速進給系統,才能實現材料切削過程的高速化。高速切削與傳統切削最大的區別是,“機床—刀具—工件”系統的動態特性對切削性能有更強的影響力。在該系統中,機床主軸的剛度、刀柄形式、刀長設定、主軸拉刀力、刀具扭力設定等,都是影響高速切削性能的重要因素。在高速切削中,材料去除率即單位時間內材料被切除的體積,通常受限于“機床—刀具—工件”工藝系統是否出現“顫振”。因此,為了滿足高速切削加工的需求,首先要提高機床動靜剛度尤其是主軸的剛度特性?,F階段高速切削之所以能夠成功,一個很關鍵的因素在于對系統動態特性問題的掌握和處理能力。為了更好地描述機床主軸的剛度特性,工程上提出新的無量綱參數一DN值,用以評價機床的主軸結構對高速切削加工的適應性。所謂DN值即“主軸直徑與每分鐘轉速之積”。新近開發的加工中心主軸DN值大都已超過100萬。為了減輕軸承的重量,還采用了比鋼制品要輕得多的陶瓷球軸承;軸承方式大都采用油氣混合方式。在高速切削加工領域,目前已開發空氣軸承和磁軸承以及由磁軸承和空氣軸承合并構成的磁氣/空氣混合主軸。在機床進給機構方面,高速切削加工所用的進給驅動機構通常都為大導程、多頭高速滾珠絲杠,滾珠采用小直徑氮化硅陶瓷球,以減少其離心力和陀螺力矩;采用空心強冷技術來減少高速滾珠絲杠運轉時由于摩擦產生溫升而造成的絲杠熱變形。近幾年來,用直線電機驅動的高速進給系統問世,這種進給方式取消了從電動機到工作臺溜板之間的一切中間機械傳動環節,實現了機床進給系統的零傳動。由于直線電機沒有任何旋轉元件,不受離心力的作用,可以大大提高進給速度。直線電機的另一大優點是行程不受限制。直線電機的次極是一段一段連續鋪在機床的床身上。次極鋪到哪里,初極工作臺就可運動到哪里,而且對整個進給系統的剛度沒有任何影響。采用高速絲杠或直線電機,能夠大大提高機床進給系統的快速響應。直線電機最高加速度可達2~10G,最大進給速度可達60~200m/min或更高。此外,機床的運動性能也將直接影響加工效率和加工精度。在模具及自由曲面的高速切削加工中,主要采用小切深大進給的加工方法。要求機床在大進給速度條件下,應具有高精度定位功能和高精度插補功能,特別是圓弧高精度插補。圓弧加工是采用立銑刀或螺紋刀具加工零部件或模具時,必不可少的加工方法。
3 刀具選擇
3.1 刀具材料的發展高速切削技術發展的歷史,也就是刀具材料不斷進步的歷史。高速切削的代表性刀具材料是立方氮化硼(CBN)。端面銑削使用CBN刀具時,其切削速度可高達5000m/min,主要用于灰口鑄鐵的切削加工。聚晶金剛石(PCD)刀具被稱之為2l世紀的刀具,它特別適用于切削含有SiO2的鋁合金材料,而這種金屬材料重量輕、強度高,廣泛地應用于汽車、摩托車發動機、電子裝置的殼體、底座等方面。目前,用聚晶金剛石刀具端面銑削鋁合金時,5000m/min的切削速度已達到實用化水平,此外陶瓷刀具也適用于灰口鑄鐵的高速切削加工;
3.2 涂層刀具CBN和金剛石刀具盡管具有很好的高速切削性能,但成本相對較高。采用涂層技術能夠使切削刀具既價格低廉,又具有優異性能,可有效降低加工成本?,F在高速加工用的立銑刀,大都采用TiAIN系的復合多層涂鍍技術進行處理,如目前在對鋁合金或有色金屬材料進行干式切削時,DLC(Diamond Like Carbon)涂層刀具就受到極大的關注,預計其市場前景十分可觀;
1.1數字信號處理技術不夠成熟
數字信號處理就是用數值計算的方式對信號進行加工的理論和技術。相比模擬信號,數字信號不但加強了通信的保密性,提高了抗干擾能力,還可以構建綜合數字通信網。數字電子技術賦予信號“數字”的價值,利用這一特征表象計算信息數據,發送信號指令,以實現快速處理、高速傳輸。但是目前我國的數字信號處理技術還存在一些瓶頸,具體表現在傳輸速率低,業界所使用傳輸信道都是有限帶寬,為了提高數據傳輸,只有將誤碼率限定在某閾限之內。但是這樣一來造成的負面效應是實際信號強度與噪聲強度會對傳輸整體有影響。因此,如何在提高傳輸速率的同時又能保證信號不擾是當前數字信號處理領域要解決的首要問題。
1.2產業結構不合理
近年來,國電子信息發展已經形成一定規模,但是主要以加工為主,缺乏創新。一方面是因為我國電子信息行業起步較晚,另一方面是因為我國電子信息技術方面相應的法律法規還不夠完善,科研成果,專利產品得不到保護,導致科研工作者研發缺乏足夠的信心和創新的動力。與此同時,我國信息產業沒有形成規模效益,信息產品或服務仍以勞動密集型為主,出口產品附加價值低,許多核心技術仍然掌握在發達國家手里。要改變這一現狀不僅要靠國家的政策扶持,充分發揮政策的導向作用,對新興的科技公司給予政策鼓勵,加快提升電子電器行業生產工藝和裝備水平,帶動傳統產業升級改造。還要靠大批優秀人才的努力,而高端技術人才的缺乏也正是制約我國電子信息行業快速發展的瓶頸,因此,只有更多的掌握核心技術和關鍵領域技術的復合型人才貢獻力量,才能突破發達國家的技術封鎖。
2電子技術應用前景
2.1電氣節能領域
節能減排是經濟社會發展的必然趨勢,電機交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段,近幾年的發展,高壓變頻調速技術已經日趨成熟,變頻調速控制,既能節約能源,又具有保護功能,如過流、過壓、過載保護等等,能減少電流對電網的沖擊。應用在生產生活的各個領域。如變頻技術在機床設備上的應用,使得數控機床與以往方式-油壓電機相比,不僅提高了工件的研磨精度,降低工件的表面粗糙度,而且不需要油壓保養,從而提高產品質量和生產效率。變頻技術在電梯上的應用使得交流感應電動機在高速運行時電力傳動效率高從而節省電能,并且使電梯轎廂結構緊湊,重量減輕。與此同時,新能源發電也是電氣節能的一大亮點,電主要包括太陽能、風能、生物質能發電等,這也成為電力電子技術的主要應用領域。以光伏發電系統為例,除了光伏陣列之外,系統所包含的發電機側PWM變換器、系統控制器、變槳控制器等多個電力電子變換環節都與電力電子應用技術密切相關。電子電力應用技術提高了發電容量,電能波動小,電能質量高,從而提高整個電網運行的可靠性。
2.2智能化電子技術領域
當前,電力電子技術已進入高頻化、標準模塊化、集成化和智能化時代。大到最近提出的智能電網概念,即在電力電子技術方面能實現新型儲能、靈活輸電,并且承載大規模可再生能源并網發電,最終實現電網高效、穩定、安全運行。小到智能化的創新產品,從一開始的智能手機,平板電腦到如今風頭正勁的智能家居,可穿戴設備,智能電子產品的發展如火如荼,智能單品、智能套件不斷吸引企業和民眾視角。“互聯網+”的概念不僅在互聯網行業內受到矚目,更是得到了跨界合作的歡迎,智能化的挑戰越來越大,要求企業形成垂直或者橫向的全方位的產業鏈結構。隨著人們生活水平的不斷提高,智能家電等一系列電子產品將會有越來越好的市場前景,智能互聯才是消費電子產品發展趨勢。而作為核心技術,智能化電子也必將成為令人矚目的一大領域。
3結語
模具是工業生產的基礎工藝裝備,是進行少無切削加工的主要工具。模具技術水平的高低,直接影響到產品質量、產量、成本、新產品的投產及老產品更新換代的周期以及企業產品結構調整速度與市場競爭力。在電子、汽車、電機、電器、儀器、儀表、家電和通訊等產品中,60%-80%的零部件都要依靠模具成形。用模具生產制件所表現出來的高精度、高復雜程度、高一致性、高生產率和低消耗,是其他加工制造方法所不能比擬的。模具又是“效益放大器”, 用模具生產的最終產品的價值,往往是模具自身價值的幾十倍、上百倍。模具生產技術水平的高低,已成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志,在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品的開發能力。
模具工業在國民經濟中的重要地位和作用表現在以下幾點:
第一,模具工業是高新技術產業的一個組成部分。
第二,模具工業又是高新技術產業化的重要領域,用信息技術帶動和提升模具工業的制造技術水平,是推動模具工業技術進步的關鍵環節。cad/cae/cam技術在模具工業中的應用,快速原型制造技術的應用,使模具的設計制造技術發生了重大變革。
第三,模具工業是裝備工業的一個組成部分。1998年l1月召開的中央經濟工作會議,首次明確提出了加大裝備工業的開發力度,推進關鍵設備的國產化。將機械工業作為裝備工業,把它同一般的加工工業區別開來,是對機械工業在國民經濟中的地位與作用的重新定位。
二、沖壓模具在國內的現狀與發展
我國沖壓模具市場的情況是:一是進口模具大部分是技術含量高的大型精密模具,而出口模具大部分是技術含量較低的中低檔模具,因此技術含量高的中高檔模具市場滿足率要低于沖壓模具市場總體滿足率,這些模具的發展已滯后于沖壓件生產,而技術含量低的中低檔模具市場滿足率要高于沖壓模具市場總體滿足率;二是由于我國的模具價格要比國際市場價格低很多,具有一定的競爭力,因此國際市場前景看好。
模具cad/cam技術狀況:21世紀開始,cad/cam技術逐漸普及,現在具有一定生產能力的沖壓模具企業基本上都有cad/cam技術,其中部分骨干重點企業還具備cae能力。
模具設計制造能力狀況:部分高精度多工位級進模和多功能模已達到世界水平,且模具制造周期也已達到國外同類模具水準;信息工程等現代制造技術已在許多模具廠得到應用等。但在制造質量、精度、制造周期和成本方面,與國外相比還存在一定的差距。
模具質量狀況:模具質量主要反映在精度和壽命方面,其次是結構和外觀方面。當然,一套好模具,維修還應該是方便的。由于我國沖壓件批量偏小,所以我國沖壓模具在國內市場上壽命問題相對來說并不十分突出,而精度達不到要求、結構不合理、外觀差往往成為質量的主要問題。
模具行業專業化程度及分布狀況:我國模具行業專業化程度還比較低,模具自產自配比例過高。國外模具自產自配比例一般為30%左右,我國沖壓模具自產自配比例約為60%。這就對專業化產生了很多不利影響。由于自配比例高,所以沖壓模具生產能力的分布基本上跟隨沖壓件生產能力的分布。
沖壓模具的發展趨勢有以下幾點:
1全面推廣cad/cam/cae技術;2模具檢測設備向精密、高效和多功能方向發展;3模具加工設備向高速、一體化方向發展;4一體化加工中心是目前正在發展的新技術;5模具材料及表面處理技術發展迅速;6模具工業新工藝、新理念和新模式逐步得到認同。
三、級進模的應用
先進模具之一的多工位級模具是當代所有模具中沖壓功能最多、結構最復雜、生產效率和自動化程度最高的一種沖模。由于采用高硬度硬質合金等材料制造模具和采用先進的精密加工技術,多工位級進模也是使用壽命最長和模具精度很高的一種精密模具。因此,越來越被人們重視而廣泛使用起來。
使用級進模的條件:
1、制件的產量比較大(一般不少于5萬件,但這個數不是絕對的)。
2、制件的精度適中,一般為大于it10級,近幾年隨著模具加工技術的進步,多工位級進模的制造精度明顯有了提高,從而使制件精度也提高,有的在it8級以內。
3、用單工序模不經濟,用復合模又難于沖壓加工的情況下,只能用多工位級進模。
4、用單工序模不便定位和沖壓加工,只能用多工位級進模生產的某些小而復雜的微型或超小型件。這種情況下,制件的產量大小往往不去過多考慮。
四、模具設計中模具cad的優越性
在模具設計與制造中采用cad/cam技術,是模具技術發展的一個顯著特點。采用cad/cam技術,無論在提高生產率、改善擠壓件產品質量,還是在降低制件成本、減輕勞動強度發面,都比傳統的模具設計與制造過程有絕對優勢。其優越性主要表現在以下幾方面:
(1)提高擠壓件產品質量。過去,在人們憑經驗設計計算時,不可能進行多方案綜合分析比較。而采用cad之后,由于計算機的最顯著特點是不怕千萬次重復計算,而且效率又極高,所以能進行多方案論證,多變參數模擬。又由于在計算機系統內,可以存儲模具設計標準和設計準則等各種有關設計資料,為擠壓模具設計提供了科學的數據,并可極大的減少人為因素對設計質量的影響。采用優化設計方法也可使模具的參數和結構更加合理化。通過cad設計數據直接生成數控加工程序和采用數控機床加工,也可使加工出的擠壓模具質量得到進一步的提高。總之,采用cad/cam技術可大幅度的提高擠壓件質量。
(2)縮短模具設計和制造周期及提高生產效率。采用cad的工藝分析和繪圖,大大縮減了模具設計時間,而cad與cam的集成則可顯著的縮短模具從設計到制造的周期。由于模具質量的提高,可靠性增加,調整及修模時間明顯減少,實際上也就是提高了生產率。
(3)減少對熟練工程技術設計人員的需求。由于設計及計算工作采用人機交互型系統,因此,對操作人員的技術水平要求不高,明顯的減少了對熟練工程技術人員的需求;并且,大量的工程計算及模具圖樣設計都由計算機、自動繪圖機來完成,所以設計人員從繁冗的設計和繪圖的工作中解放出來,大大節省了勞動力,使設計人員能更好的從事其他創造性的勞動。