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        摘要:從機(jī)床與過程的相互作用出發(fā)，闡述了機(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新的概念，指出刀具材料是機(jī)床發(fā)展的推動(dòng)者，新需求是機(jī)床創(chuàng)新的拉動(dòng)者。繼而從以人為中心的觀點(diǎn)探討了機(jī)床與人和環(huán)境的關(guān)系。最后描述了機(jī)床產(chǎn)品不連續(xù)創(chuàng)新的特征和案例，機(jī)床產(chǎn)品創(chuàng)新不是孤立的事件，其形成機(jī)制和過程呈現(xiàn)出與生物進(jìn)化類似的路徑依賴特征。
 
        關(guān)鍵詞：產(chǎn)品創(chuàng)新；機(jī)床；創(chuàng)新理念
 
        1 、機(jī)床與過程的相互作用
 
        1.1 工件和刀具是一對(duì)矛盾體
 
       金屬切削的基本工作原理是，借助高硬度的刀具從硬度較低的工件毛坯上切除多余的金屬，從而獲得具有一定形位精度和表面質(zhì)量的特定形狀的零件。簡(jiǎn)言之，以硬克軟。實(shí)現(xiàn)這一切削過程，工件和刀具之間需要有相對(duì)運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，機(jī)床就是提供力、力矩和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的工具機(jī)，而工件和刀具就是機(jī)床內(nèi)部一對(duì)直接相互對(duì)抗的矛盾體。以車床
為例，機(jī)床主軸通過卡盤夾持工件，使其旋轉(zhuǎn)，而固定有刀具的滑座在數(shù)控系統(tǒng)的控制下沿床身縱向移動(dòng)，在刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中伴隨著刀具和工件的對(duì)抗。刀具切除工件上的一層金屬，從而在工件上形成具有一定尺寸精度和表面粗糙度的新表面，如圖 1 所示。
  
  

       
                             圖1 機(jī)床加工過程的模型
 
       在刀具和工件的相互作用的過程中，不僅通過運(yùn)動(dòng)軌跡形成了新的幾何表面，還伴隨著一系列復(fù)雜的物理過程。工件和刀具的相互對(duì)抗作用是加工系統(tǒng)的內(nèi)在激勵(lì)，在加工系統(tǒng)中產(chǎn)生了 3 種過程載荷：靜態(tài)力 Fs、動(dòng)態(tài)力 Fd 和熱量 Q。機(jī)床在這 3 種過程載荷作用下產(chǎn)生了一系列物理響應(yīng)和變化 [1]，僅就 X 一個(gè)軸而言，即可發(fā)生：
 
      1） 由于受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)切削力而引起的變形 δx(Fs,Fd)。
      2） 由于切削過程產(chǎn)生的熱而形成的溫度場(chǎng)和局部溫升 δT(Q)。
      3）機(jī)床部件由于溫度場(chǎng)產(chǎn)生的熱變形 δx(T)。
 
      上述物理響應(yīng)的結(jié)果都是負(fù)面的，是與提高機(jī)床加工精度和生產(chǎn)效率的根本目標(biāo)背道而馳的，它制約工件的加工質(zhì)量（精度和表面質(zhì)量），導(dǎo)致刀具和機(jī)床的磨損以及加工效率的降低，如圖 2 所示。機(jī)床設(shè)計(jì)師的任務(wù)就是采取各種措施盡可能地減少這些負(fù)面影響，找出其規(guī)律，并進(jìn)一步謀求誤差補(bǔ)償?shù)目赡苄裕拍軌虿粩嗵岣邫C(jī)床的性能。

      遺憾的是，除靜態(tài)受力所造成的構(gòu)件變形外，人們對(duì)刀具和工件這對(duì)矛盾體的對(duì)抗機(jī)理和后果的認(rèn)識(shí)還不是很深刻，對(duì)其普遍規(guī)律尚未完全掌握，難以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和防止。
  

      
  
                   圖 2 加工過程載荷對(duì)機(jī)床的影響
 
      為了進(jìn)一步理解工件和刀具這一對(duì)矛盾體的相互作用，必須了解什么因素使其對(duì)立，矛盾雙方如何轉(zhuǎn)化。無論是車削還是銑削，當(dāng)?shù)度星腥牍ぜr(shí)，都會(huì)使工件表面層產(chǎn)生塑性變形、擠壓和崩裂，金屬一小塊一小塊地變成切屑而與工件表面脫離。形成這一過程的第一個(gè)必要條件是刀具材料的硬度，只有硬才能切軟。但是，工件材料的變形過程伴
隨工件表面和刀具切削表面之間的劇烈摩擦和產(chǎn)生大量的熱，使刀具刃口變軟，造成刀具切削刃的磨損，即工件對(duì)刀具產(chǎn)生的反作用將導(dǎo)致刀具切削能力的降低甚至喪失。第二個(gè)必要條件是，機(jī)床必須提供足夠的能形成切屑的力、扭矩和速度，才能保證一定的金屬切除率，滿足加工效率的要求。
 
      切削速度越高，刀刃與工件和切屑的摩擦越劇烈，發(fā)熱量就越大，刀具的磨損必然更快，刀具的壽命加劇縮短。為了提高生產(chǎn)率，必須尋求新的刀具材料和結(jié)構(gòu)。由此可見，工件和刀具的矛盾雙方不斷發(fā)生轉(zhuǎn)化，主要矛盾的一方從刀具轉(zhuǎn)到機(jī)床，隨著機(jī)床性能的提高又轉(zhuǎn)回到刀具，如圖 3 所示。
 
     1.2 刀具材料是機(jī)床發(fā)展的推動(dòng)者
 
     刀具材料在機(jī)床發(fā)展史中起到推動(dòng)者的作用。在第一次工業(yè)革命初期主要使用淬硬的高碳工具鋼刀具，切削速度很低，僅約 10m/min 左右。20 世紀(jì)初，出現(xiàn)了高速鋼刀具，使切削速度提高到30m/min~50m/min，無論加工效率和生產(chǎn)力都有了巨大的飛躍。
  

     
  
                         圖 3 工件與刀具是一對(duì)矛盾體
 
     20 世紀(jì) 50 年代開始，硬質(zhì)合金刀具逐漸獲得廣泛應(yīng)用，使切削速度進(jìn)一步提高到 200m/min 以上。隨后，涂層硬質(zhì)合金和陶瓷刀具的出現(xiàn)和不斷改進(jìn)，使切削速度進(jìn)一步提高，高速加工獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，從而對(duì)機(jī)床性能提出了更高的要求。100 多年來，車削加工非合金鋼的切削速度變化如圖 4 所示。從圖中可見，從 1910 年到 2010 年的 100 年，車削速度大約提高了 50 倍[2]。
  
  

     
  
                    圖 4 車削加工切削速度的百年變化
 
 
     每一次新的刀具材料出現(xiàn)，都可能導(dǎo)致切削速度成倍地提高，從而對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式，特別是動(dòng)態(tài)性能都提出了新的要求。以車削為例，提高切削速度就要提高主軸轉(zhuǎn)速和功率，為了保證切屑的正常形成，必須同時(shí)提高進(jìn)給速度。隨著機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件速度的提高和驅(qū)動(dòng)功率的增大，機(jī)床發(fā)生振動(dòng)的傾向加大，機(jī)構(gòu)的磨損加劇，給機(jī)床結(jié)構(gòu)配置、零部件設(shè)計(jì)和材料的選用提出了新的挑戰(zhàn)。如此反復(fù)不已，通過工件和刀具這一對(duì)矛盾體的相互作用，推動(dòng)著制造技術(shù)和機(jī)床結(jié)構(gòu)向前不斷地發(fā)展。
 
     1.3 新需求是創(chuàng)新的拉動(dòng)者
 
     隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)，特別是汽車、航空航天、微電子、模具等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新產(chǎn)品層出不窮，零件的形狀越來越復(fù)雜，零件的材料更加難以加工，零件的幾何精度和表面質(zhì)量要求也越來越高。這些國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的新需求不僅促使新的工藝、新的刀具材料和結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，更需要能夠滿足這些加工要求的新一代機(jī)床。
 
     據(jù)統(tǒng)計(jì)，數(shù)控機(jī)床的加工精度和切削速度每8~10 年提高一倍。定位精度很快將告別微米時(shí)代而進(jìn)入亞微米時(shí)代，機(jī)床的精密化與高速化匯合而成新一代高性能數(shù)控機(jī)床。高性能數(shù)控機(jī)床是下一代汽車和航空制造需要的關(guān)鍵裝備，是未來 10 年數(shù)控機(jī)床的亮點(diǎn)，如圖 5 所示。
  
  

    
                圖 5 不同類型機(jī)床的切削速度和加工精度
 
     制造技術(shù)的進(jìn)步不僅是切削速度和加工精度的提高，還表現(xiàn)在加工工藝的變化。例如，1990~1995 年期間，數(shù)控車床主要用于加工回轉(zhuǎn)體零件；從 20 世紀(jì) 90 年代中期開始，在數(shù)控車床上配置了自驅(qū)動(dòng)的銑削刀具，可以加工具有回轉(zhuǎn)表面的殼體零件；進(jìn)入 21 世紀(jì)，各種機(jī)器的性能日益提高，其能加工零件的結(jié)構(gòu)和形狀也越來越復(fù)雜，并且希望在一臺(tái)機(jī)床上將一個(gè)復(fù)雜零件加工完畢，借助工序集中以縮短加工流程、提高效率和保證加工精度，如圖 6 所示。工序集約化的需求導(dǎo)致車銑復(fù)合加工機(jī)床的出現(xiàn)，機(jī)床的總體配置、加工工藝和數(shù)控軸數(shù)，與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床相比都發(fā)生了很大的變化。
 
     工業(yè)新需求對(duì)機(jī)床而言是一種外部矛盾，促使工件和刀具的矛盾對(duì)立和加劇、相互轉(zhuǎn)化加速，即外部矛盾通過內(nèi)部矛盾拉動(dòng)機(jī)床進(jìn)一步發(fā)展。特別是專、特、精的機(jī)床產(chǎn)品，為用戶采用新的工藝開辟了道路。這就是為什么要提倡機(jī)床制造廠要當(dāng)好用戶的工藝師的根本原因，掌握這一規(guī)律后開發(fā)出來的新產(chǎn)品就會(huì)有所創(chuàng)新、有所突破，能夠大幅度提高生產(chǎn)率，才能得到機(jī)床用戶的認(rèn)可，必將駛向無人競(jìng)爭(zhēng)的藍(lán)海，開辟一片新天地。
  

     
  
                        圖 6 車削零件復(fù)雜程度的變化
 
 
      例如，近一個(gè)世紀(jì)以來，在刀具材料的推動(dòng)和工業(yè)需求的拉動(dòng)下，車床的發(fā)展歷經(jīng)從皮帶車床、齒輪箱變速車床、數(shù)控車床、帶有自驅(qū)動(dòng)刀具的轉(zhuǎn)塔數(shù)控車床、向具有自動(dòng)裝卸工件功能的正倒置車削加工單元和具有自動(dòng)換刀功能的車銑復(fù)合加工中心的變遷，如圖 7 所示。
  
       
  
                        圖 7 車床的百年變遷
   
     1.4 顫振：矛盾的激化[3]
 
     工件與刀具的相互對(duì)抗不是穩(wěn)態(tài)的。機(jī)床是由若干相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件組成的柔性多體耦合系統(tǒng)，產(chǎn)生于耦合鏈兩末端的工件和刀具之間的切削力是變化的，在銑削加工時(shí)尤為明顯，其大小與切削層的面積（或切屑厚度）有關(guān)，而變化頻率與銑刀的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)有關(guān)，如圖 8 所示。
  

      
  
                                圖8 銑削過程的顫振機(jī)理
 
       從圖中可見，裝夾在機(jī)床主軸上的銑刀是一個(gè)具有有限剛度和阻尼的彈性系統(tǒng)。當(dāng)?shù)洱X切入工件時(shí)，在切削力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定位移，加以參與切削的刀具齒數(shù)也是變數(shù)，切屑厚度及其所產(chǎn)生的切削力呈明顯的周期變化特征，從而對(duì)加工系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)激振力，成為工件和刀具對(duì)抗的一種特定形態(tài)。當(dāng)這種激勵(lì)能量達(dá)到一定能級(jí)，且其頻率與機(jī)
床固有頻率接近時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧振，使工件和刀具的矛盾激化，出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，加工過程就從穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)。顫振是人們不希望看到的，是機(jī)床和過程的相互作用的危險(xiǎn)地帶。它加劇刀具的磨損、導(dǎo)致加工表面質(zhì)量降低，甚至使加工過程無法進(jìn)行。如何防止出現(xiàn)顫振，避免矛盾的激化是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，也是高性能機(jī)床設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
 
      采用小的背吃刀量（吃刀深度）保持加工過程處于穩(wěn)定區(qū)是消極的辦法，與高性能數(shù)控機(jī)床必須具有高金屬切除率的目標(biāo)相悖。因此，提高工件和刀具系統(tǒng)的剛度和阻尼，使圖 8 中的穩(wěn)定性葉瓣圖上移，減少工件和刀具矛盾激化的可能性是機(jī)床設(shè)計(jì)師的重要任務(wù)。但是，提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼是有一定限度的。研究加工穩(wěn)定性葉瓣圖可以發(fā)
現(xiàn)，當(dāng)切削速度增大時(shí)，隨著切削力變化的頻率相應(yīng)變大，越發(fā)偏離機(jī)床的固有頻率，工件和刀具間的激化過程就有可能來不及形成，加工過程穩(wěn)定區(qū)會(huì)呈葉瓣?duì)钤龃蟮默F(xiàn)象。因此，提高切削速度不一定會(huì)出現(xiàn)顫振，反而可能使加工過程更加穩(wěn)定，這就是高速加工的秘訣。
 
     但困難的是，這個(gè)葉瓣圖是與每一把刀具、每一組工件（特別是不同材料）以及加工過程的切削用量有關(guān)，需要通過軟件仿真和實(shí)驗(yàn)來加以確定。1.5 仿真：預(yù)測(cè)和防止顫振[4]進(jìn)入 21 世紀(jì)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)有了很大的進(jìn)展，軟件的功能日益強(qiáng)大，使機(jī)床的研究和設(shè)計(jì)進(jìn)入全面關(guān)注動(dòng)態(tài)性能的時(shí)代。現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅是運(yùn)動(dòng)、功能和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，必須考慮所設(shè)計(jì)的機(jī)床動(dòng)態(tài)性能如何，而且要在機(jī)床沒有制造出來以前就能夠用它來“加工”工件，這就要借助虛擬機(jī)床來進(jìn)行仿真，以預(yù)測(cè)和防止出現(xiàn)顫振。借助仿真預(yù)測(cè)和防止顫振的概念如圖 9 所示。
  
      
  
                    圖 9 借助仿真預(yù)測(cè)和防止顫振
 
    由圖可知，在零件的 CAD 文件生成數(shù)控程序后，將刀具軌跡輸入數(shù)控系統(tǒng)，轉(zhuǎn)化為各軸的位移、進(jìn)給、速度、加速度和加加速度（Jerk）的指令。這些指令作為機(jī)床多體動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)特性輸入，加載到相應(yīng)軸的進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)模型上。同時(shí)根據(jù)切削用量和刀具建立的切削動(dòng)力學(xué)模型又將動(dòng)態(tài)的切削力加載到機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型上，構(gòu)成了數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床和加工過程三者的協(xié)同仿真模型。
 
     從協(xié)同仿真的結(jié)果可以預(yù)測(cè)這臺(tái)機(jī)床在當(dāng)前加工條件下的工件表面質(zhì)量和加工過程的穩(wěn)定性。如果工件的表面粗糙度不能滿足要求或加工過程出現(xiàn)顫振，首先建議通過改變切削用量，借助穩(wěn)定性葉瓣圖，找到穩(wěn)定區(qū)域。在優(yōu)化切削用量不能獲得理想結(jié)果的情況下，改變加工策略（切削路徑）或選擇不同加工工藝方案也可能消除振動(dòng)。