[00119383]高端数控机床用直驱动力刀架的研发及产业化

随着中国制造向产业价值链的中高端转型,目前,高端机床的跨界工艺、工序集成能力和“一次性完整加工”的工作方式逐渐成为行业发展的趋势。动力刀架是高端机床实现一机复合加工的核心功能部件,可从换刀速度的提高、被切削工件装夹基准的统一、切削进刀运动可控自由度的增加等方面大幅提升机床的加工效率、精度及复杂曲面成型切削的能力,使机床成为现代柔性生产线的关键装备。 在“重主机、轻配套”大环境下,功能部件是我国机床行业的最大短板。国产刀架长期仿制国外同类产品,刀架振动和噪声大,响应速度慢、精度保持性差、可靠性低。据统计,由刀架引发的故障率达26%以上,居数控机床各功能部件之首。高端刀架市场主要被德国肖特、意大利迪普马所垄断。近年来,国际政治、经济的不确定、不稳定状态,增强了国内对高端数控机床领域国产动力刀架功能部件替代的迫切性。 项目针对精密加工复杂工况下国产刀架响应速度慢、精度保持性差、可靠性低的瓶颈问题,持续攻关、数十次的方案设计和试验,突破了高端直驱动力刀架重大瓶颈问题,主要技术创新如下： ① 研发了低成本大力矩高动态响应直驱动力电机,采用创新的拼块电机定子设计、优化的绕组分层布置结构、高效冷却结构设计,同时结合弱磁控制策略和变量摩擦前馈技术优化设计,达到了同类德国肖特动力刀架电机精度和能效,成本是市场伺服电机价格的40%,保证了高精密加工场合的直驱动力刀架电机运动控制应用中的性能-成本比。 ② 突破直驱动力刀架设计与优化关键技术难点：建立了直驱动力刀架一体化设计,集DSP控制和IPM功率驱动的刀架专用控制系统,具有自动润滑、内正压密封的高精度全齿啮合三齿盘定位技术,基于内正压密封技术的新型格来式密封圈关键技术,提升刀架精度、精度保持性、可靠性等性能,重复定位精度2″,动力输出最高转速8000转/分,精度保持性≥300万次,平均无故障工作时间MTBF≥10000h。 ③ 建立面向刀架的实时监测预警及交互服务模式,实现全闭环运行和数据的实时采集,在线监测刀架运行状况,预警刀架安全隐患。 ④ 以精密制造技术为特征的直驱动力刀架标准化技术体系,实现直驱动力刀架工艺标准化、生产过程控制标准化。 项目核心技术经中国机械工业联合会鉴定和宝鸡机床、沈阳第一机床等用户使用,主要技术性能指标已达到国际同类产品先进水平。目前项目获授权专利12件,其中发明7件;软件著作权1件。产品项目研发过程中获 2013 年科技部技术创新基金、2015 年江苏省重点研发计划、2020年江苏省重点研发计划立项支持,2017年被认定为江苏省首台套重大装备及关键部件。目前,项目产品在国内同类刀架市场占有率超过20%以上,累计实现销售20000万元。 项目实施有助于实现高端数控机床关键刀架功能部件国产化,填补国产高端数控机床重要刀架功能部件短板,打破高精度直驱动力刀架主要依靠进口的局面。