3D打印、智能化加工系統、新型加工媒介、機床傳統結構改變,這一系列嶄新的技術正悄悄地改變著機械加工方式和過程,毫不夸張地說,它們將導致機床加工領域的劃時代的變革,引發一場制造業的革命。專家們認為,人類正在迎接一個智能型生產工具時代的到來。
自上世紀50年代出現第一臺數控機床以來,至今已有60余年,如今數控機床正邁向人工智能時代:IT技術、多媒體技術、工業機器人、以納米技術為代表的新材料應用等,使得制造業加工有點像我們兒時玩耍橡皮泥——隨心所欲。直線電機、電主軸使得高速運轉、精確定位成為可能,更高線數的編碼器、精度更高更穩定的光柵尺,使得在線測量精度大幅提高;對工件和刀具的在線實時檢測與智能判斷并高速處理數據,刀具管理及系統控制、高靈敏度的探針、數控系統高速處理芯片、響應速度更快的傳感器和執行器的運用,實現了實時監控制造過程的每個環節并同步修整相關工藝參數。
所有這些還僅僅是開始,是基于“材料去除”這樣一個傳統的加工制造過程,真正意義上的革命,當屬“材料堆積成型”的快速成型技術,也稱“3D打印”技術。它是采用一系列待加工的材料,例如復合紙、高聚物質、金屬粉末、高溫合金、復合陶瓷、鑄造型砂等,運用電熱、激光束、等離子束等作為能量源,或冷加工的粘和介質,按分層實體“堆積”實現制造過程,大大縮短整機開發生產周期。除了應用于制造機械零件原型、型砂制芯,甚至也進入立體藝術品型體塑形和人體醫學仿生件(如骨關節)制造等相關領域。這是計算機科學、新材料科學、新能源科學綜合集成發展的最新產物。
這項問世不久的嶄新制造技術,自出現以來,迅速引起各界廣泛關注,據發明人恩里科介紹,這種“3D打印機”可以“打印”一個完整的雕塑或者教堂建筑。當其工作時,它的上千個噴嘴中會同時噴出沙子和一種鎂基膠。這種特制的膠水會將沙子粘成像巖石一樣堅固的固體,并形成特定的形狀,然后只需要按照預先設定的形狀一層層噴上這種材料,最終成形。設想一下,如果其噴嘴噴出的不是沙子,而是某種金屬粉末和膠水,那是否能形成預先設計好的金屬零件呢?
這種3D打印制造技術如進入機械加工領域,帶來的不僅僅是效率的成倍提高,而且幾乎不會產生任何廢棄物。由于采用與“金屬去除法”截然不同的逆過程,這種技術對原材料的利用幾乎達到了100%,其節能、節材的效果令人刮目相看。
利用IT技術,實現加工過程的實時通訊,讓遠距離遙控監測機床加工、修正工藝參數成為可能;工業機器人的加入,讓機床與機床之間實現了柔性、連續的作業鏈,甚至多臺機床串聯,大大提高加工件的精度,提高加工效率;對于機床本身,人們也在不斷追求能滿足更高效率和精度的體系結構,并聯機床由此應運而生,傳統機床結構一般都可為串聯式,幾何精度誤差、力的傳遞和剛度的損失,都會形成串聯累積,這種累積有時會造成致命誤差。
而并聯結構機床,是通過多桿結構在三維空間同時運動來移動主軸頭實現加工動作,與串聯結構相比,并聯結構具有更為簡化、剛度更高、動態性能更好等一系列主要優點。
目前,世界上個主要發達國家經濟從事這方面的研究,期望能有突破性進展,如瑞典TRICEPT公司,國內哈爾濱量具刃具集團與哈爾濱工業大學合作研發的并聯結構機床,齊二機床集團與清華大學合作開發的龍門式“混聯”結構(即串聯與并聯混合)機床等。
直線電機、電主軸、電滾珠絲桿和力矩電動機等新技術部件,簡化了機床結構,在很大程度上提高了機床的剛度和動態性能,以及工件或刀具運動速度和加工精度。
由于虛擬技術、虛擬制造的運用,機床從設計環節、工件工藝流程的制定、加工制造的過程甚至在機床尚未誕生時,其性能、功效便可在電腦上進行檢驗、測定,從而大幅提高設計效率,避免重復勞動。
無論是機床結構的變化、改進,還是智能化加工系統或新型加工媒介的應用,金屬加工領域借助相關科學技術的進步發展來裝備、提高自身,將前沿科學技術與傳統的機械技術有機融合,使得這門歷史悠久的制造業獲得嶄新的面貌。有資料顯示,高技術在相關領域的應用,不但大大提高該領域行業的技術水平,還能產生巨大的經濟效益。比如,微波爐的發明和應用,最初就是美國航天局(NASA)為解決航天員們的吃飯問題而設計的,而后推廣至民用領域,至今,微波爐已成為每個家庭不可或缺的廚房用具。
還有一個至關重要的方面是綠色制造,綠色制造的一個重要環節是,一個產品的生命周期,企業必須全程負責,從搖籃到墳墓。如一臺機床,從制造到報廢,報廢后如何回收再制造,都要有一個通盤的考慮、設計。這在未來將會是一個極為重要的方面。
歷史無數次證明,現代科學技術的關聯性和互相交叉滲透,會深刻改變某一產業領域的面貌。這種影響的過程不斷累積、疊加,最終在某一時間節點形成突破性的變革,從而顛覆以往的體系結構,并給相關產業造成巨大促進作用,或者相反,淘汰某個過時的產業體系。
因為如此,關注相關學科技術的發展,對其影響作出正確的評價,積極利用現代科學技術的成果,用以改進本行業的技術、工藝,是每個行業企業的必修課。
現在多種關聯技術正在深刻影響機械加工的方式和過程,一場靜悄悄的革命正在金屬加工領域展開,它究竟將導致金屬加工行業怎樣的巨變,人們將拭目以待。
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