摘要:從機床與過程的相互作（zuò）用（yòng）出發，闡述了機床產品創新的（de）概念，指出（chū）刀具材料是機床發展的（de）推動（dòng）者（zhě），新需求是機（jī）床創新的拉（lā）動者。繼而從以人為中心的觀點探討了機床與人和環境的（de）關係。最後描述了機床產品不連續創新的（de）特征和案例，機床產品創新不是（shì）孤（gū）立的事件（jiàn），其形成機製和過程呈現出與生物進化類似的路徑依賴特征。
 
        關鍵詞：產品創新；機床；創新理念
 
        1 、機床與過程的相互作（zuò）用
 
        1.1 工件和刀具（jù）是一對矛盾體（tǐ）
 
       金屬切削的基本工作原理是，借助高硬度（dù）的刀具（jù）從硬（yìng）度較低的工件毛坯上（shàng）切除多餘的金屬，從而（ér）獲得（dé）具有一定形位精度和表麵質量（liàng）的特（tè）定形（xíng）狀的零件。簡言之，以硬克軟。實現這（zhè）一切削過程，工件和刀具之間需要有相（xiàng）對運（yùn）動和驅動動力，機（jī）床就是提供力、力（lì）矩和相對運動的（de）工具機，而工件和刀具就是機床內部（bù）一對直接相互對抗（kàng）的矛盾體。以車床
為例，機（jī）床主軸通過卡盤夾持工件，使其（qí）旋轉，而固（gù）定有刀具的（de）滑座在數控（kòng）係統的（de）控製下沿床身縱向移動（dòng），在刀具和工件的相對（duì）運動過程中伴隨著刀具和（hé）工件的對抗。刀具切除（chú）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麵粗糙度的新表麵，如圖 1 所示。
  
  

       
                             圖1 機床（chuáng）加工過程的模型
 
       在刀具和工件的相互作用的過程中，不僅通過運動軌跡形成了（le）新的幾何表麵，還伴隨著一（yī）係列複雜的（de）物理過程。工件（jiàn）和刀具的相互對抗作用是加工係統的內在激勵，在加工係統中產生了 3 種過程載荷：靜態力 Fs、動態力 Fd 和熱量 Q。機床在這 3 種過程載荷作用下產生了一係列物理響應（yīng）和變化 [1]，僅就 X 一個軸而言，即可發生：
 
      1） 由於受靜態和動態切削力而引（yǐn）起的變形 δx(Fs,Fd)。
      2） 由於切（qiē）削（xuē）過程產生的熱而形（xíng）成的溫（wēn）度場和局部（bù）溫升 δT(Q)。
      3）機床部件由（yóu）於溫度場產生的熱變形 δx(T)。
 
      上述物理響應的結果都是（shì）負（fù）麵的，是與提高機床加工精度和生產效率的根本目（mù）標背道而馳的，它製約工件的加工（gōng）質量（精度和表麵質量），導致刀具（jù）和機床的磨損以及加工效率的降低，如圖 2 所示。機床設計師的任務就是采取各種措施盡可能地減少這些負麵（miàn）影響，找（zhǎo）出（chū）其規律（lǜ），並進一步謀求誤（wù）差補償的可（kě）能性，才能夠不（bú）斷提高機床的性能。

      遺憾的是，除靜態受力所造成的構件變形外，人們對刀（dāo）具（jù）和工件這對矛盾體的對抗機（jī）理和後果的認識還不是很深刻，對其普遍規律（lǜ）尚未完全掌握（wò），難以準確地預測和防止。
  

      
  
                   圖 2 加工過程載荷對機床的影響（xiǎng）
 
      為了進一步理解工件和刀具這一對矛盾（dùn）體（tǐ）的相互作用，必須了解什麽因素使其對立，矛盾雙方（fāng）如何轉化。無論是車削還是銑削，當刀刃切入工件時，都會使工件表麵層產生塑性變形、擠壓和崩裂，金屬一小塊一小塊地變成切屑（xiè）而與工件表麵脫離。形成這一過程的第一個必（bì）要條件是刀具材料的硬度，隻有硬才能切軟。但是，工件材料的變形過（guò）程伴
隨工件表（biǎo）麵和刀（dāo）具切削表麵（miàn）之間的劇烈摩擦和（hé）產（chǎn）生大量的熱，使刀具刃口變軟，造成刀具切削刃的磨損，即工件對刀具產生的（de）反（fǎn）作用將導致刀（dāo）具（jù）切削能力（lì）的降低甚至喪失。第二個必要條件是，機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（de）金屬切除（chú）率，滿足加工效（xiào）率（lǜ）的要求。
 
      切削速度（dù）越高，刀刃與（yǔ）工件和切屑的摩擦越劇烈，發熱量就越大，刀具（jù）的磨損必然更快，刀具的壽命（mìng）加劇縮短。為了提高生（shēng）產率，必須尋求新的刀具材料和結構。由此可見，工件和刀具的矛盾雙方不斷發（fā）生轉化，主要矛盾的一方從刀具（jù）轉到機床，隨（suí）著機（jī）床性能的提高又轉回到刀具（jù），如圖 3 所示。
 
     1.2 刀具（jù）材料是機床發展的推動者
 
     刀具材料（liào）在（zài）機床發展史中起到推動者（zhě）的作用。在第一次工（gōng）業革（gé）命初期主（zhǔ）要使用淬硬的高（gāo）碳工具鋼刀具，切削速度很低，僅約（yuē） 10m/min 左（zuǒ）右。20 世紀初（chū），出現了高速鋼刀具，使切削速度提高（gāo）到（dào）30m/min~50m/min，無（wú）論加工（gōng）效率和生產力都有了（le）巨（jù）大的飛躍。
  

     
  
                         圖 3 工件與刀具是一對矛盾體
 
     20 世紀 50 年代開始，硬質合金刀具逐漸獲（huò）得廣泛（fàn）應用，使切削速度進一步提高到 200m/min 以上。隨後，塗層硬質合金和陶瓷刀具的出現和不斷改進，使切削速（sù）度進一步提高，高（gāo）速（sù）加工獲（huò）得了越來（lái）越（yuè）廣泛的應用，從而對機（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（suǒ）示。從圖（tú）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（xuē）加工切削（xuē）速度的百年變化
 
 
     每一次新的刀具材料出現，都可（kě）能導致切削速度成倍地提高，從而對機床的結構和驅動方式，特別是動態性能都提出了新的要求。以車削為例（lì），提高切削速度就要提高主軸轉速和功率（lǜ），為了保證切屑的正常形成，必須同時提高（gāo）進給速度。隨著機床運（yùn）動部件速度的提高和驅動功率的增大，機床發生振動的傾向加大，機構的磨（mó）損加劇，給機床結構配置、零部件設計和材料的選用提出了新的挑（tiāo）戰（zhàn）。如此反複不已，通過工件和刀具這一（yī）對矛盾體的相互作用，推動（dòng）著製造技術（shù）和機床結構向前不斷地發（fā）展。
 
     1.3 新需求是創新的拉動者
 
     隨著科學（xué）技術的進步，製造業，特別是汽車、航空航天、微電子、模具等新興（xìng）產業的發展，新產品層出不窮，零件的形（xíng）狀越來越複雜，零（líng）件的材料更加難以加工，零件的幾何精度和表麵質量要（yào）求也越來越高。這些國民經濟支柱產業的新需求不僅促使新的工（gōng）藝、新的刀具材料和結構的出現（xiàn），更需要能夠滿足這些加工要求的新一代機床。
 
     據統計，數（shù）控機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代而（ér）進入亞微米時代，機床的精密化與高速化匯合而成新一代高性能數控（kòng）機床（chuáng）。高性能（néng）數控機床是下一代汽車和航空製造需要（yào）的關鍵裝備，是未來 10 年數控機床的亮點，如圖 5 所示。
  
  

    
                圖 5 不同類型機床的（de）切削速度和加（jiā）工精度
 
     製造（zào）技（jì）術的進步不僅是切削速度和加工精度（dù）的提高，還（hái）表現（xiàn）在加工工藝的變化（huà）。例如，1990~1995 年期間，數控車床主要用於加工回轉（zhuǎn）體零件；從 20 世紀 90 年（nián）代中期開（kāi）始，在數控車床上配置了自驅動的銑削刀具，可以加工（gōng）具有回轉表（biǎo）麵的殼體零件；進入（rù） 21 世紀（jì），各種機器的性能日益提高，其能加工零件的結構和形狀也越來（lái）越複雜，並且希望在一台機（jī）床上將一個複雜零件加工完（wán）畢，借（jiè）助工序集中以縮短加工流程、提高效率和保（bǎo）證加工精度，如圖 6 所示。工序集約化的需求導致車銑複合（hé）加工機床的出現，機床的總體配置、加工工藝和（hé）數控軸數，與傳統的數控機床相（xiàng）比都發生了很大的變化。
 
     工業新需求對機床而言是一種外部矛盾，促使（shǐ）工件和刀具的矛盾對立和加劇、相互轉化加速，即外部矛盾通過（guò）內部矛盾（dùn）拉動機床進一步（bù）發展。特別是專、特、精的機床產品（pǐn），為用戶（hù）采用新（xīn）的工藝開（kāi）辟了道路。這就是為什麽要提倡機床製造廠要當好用戶的工藝師的根本原因，掌握這一規律後開發出來的新產品就會有所創新、有所（suǒ）突破（pò），能夠大幅度提高生產率，才能得到機床用戶的認可（kě），必將駛向無人競爭的（de）藍海，開辟一片新天地。
  

     
  
                        圖 6 車削零件複雜程度的（de）變化
 
 
      例如，近一（yī）個世紀以來，在刀具材料的推動和工業需求的拉動下，車（chē）床的發展（zhǎn）曆經從皮（pí）帶（dài）車床、齒（chǐ）輪箱變速車床、數控車床、帶有自驅動刀具的轉塔數控車床、向具有自動裝卸工件功能（néng）的正（zhèng）倒置車削加工單元和具（jù）有自動（dòng）換刀功能的車（chē）銑複合加工中心的變（biàn）遷，如圖 7 所示。
  
       
  
                        圖 7 車（chē）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抗不是穩態（tài）的（de）。機床是由若幹相對運動部件組（zǔ）成的柔性多體耦合係（xì）統，產生於耦合鏈（liàn）兩末端（duān）的工件和刀具之間的切削力是變化的，在銑削加工時尤為明顯，其大小與切削層的麵積（或切屑厚度）有關，而變化頻率與銑刀的轉速和齒數有（yǒu）關，如圖 8 所示。
  

      
  
                                圖8 銑削過程的顫振機理
 
       從圖中可見（jiàn），裝夾在機床主軸上的銑刀是一個具有有限剛度和阻（zǔ）尼的彈（dàn）性係統（tǒng）。當刀齒切入工件時，在切削力的作用下會產生一定位移，加以參與切削的（de）刀具齒數也是（shì）變數，切屑厚度（dù）及其所（suǒ）產生的（de）切削力呈（chéng）明顯的周期變化特征，從而對加工係統產生一個激振（zhèn）力，成為工件和刀具對抗的一種特定形態（tài）。當這種（zhǒng）激勵能量達到一（yī）定能級，且其頻率與機
床固有頻率接（jiē）近時就會產生諧振，使工（gōng）件和刀具的矛盾激（jī）化，出現顫振現象（xiàng），加工過程就從穩定狀態進入非穩定狀態。顫振是人們不希望看到的，是機床和過程的相互作用（yòng）的（de）危險地帶。它加劇刀（dāo）具的磨（mó）損、導致加工表麵質量降低，甚至使加（jiā）工過程無法進行（háng）。如何防止出現顫振（zhèn），避免矛（máo）盾的激化是人們關注（zhù）的焦點，也是高性能機床設計的關鍵。
 
      采用小的背吃刀量（liàng）（吃刀深度）保持加工（gōng）過程（chéng）處於穩定區是消極的辦法，與高性能數控機床必須具有（yǒu）高金屬切除率的目標相悖。因此，提高工件和刀（dāo）具係統的剛度和阻尼，使圖（tú） 8 中的穩定性葉瓣圖上（shàng）移，減少工件和刀具矛盾（dùn）激化的可（kě）能性是機（jī）床設計師的重要任務。但是，提（tí）高（gāo）機床結構的剛度（dù）和阻尼是有一（yī）定限度的。研究加工穩定性葉瓣圖可以發
現，當切削速度增大時，隨著（zhe）切削力（lì）變（biàn）化的頻（pín）率相應變大，越發偏離機床的固有頻率，工（gōng）件和刀具間的激化過程就有可能來不（bú）及形成，加工過程穩定區會呈葉瓣狀增大的現象。因此，提高切削速（sù）度不一定會出現顫振，反而可能使加工過程更加穩（wěn）定，這就是高速加工的秘（mì）訣。
 
     但困難的是，這個葉瓣圖是與每一把刀具、每（měi）一（yī）組工件（特別是不同材料）以及（jí）加工（gōng）過程（chéng）的切削用量（liàng）有關，需要通過軟件仿真和實驗來加以確定。1.5 仿真：預測和防止顫振[4]進入 21 世紀，計算機仿真技（jì）術有了很（hěn）大的進展，軟（ruǎn）件（jiàn）的功能日益強大（dà），使機床的研究（jiū）和（hé）設計進入全麵關注（zhù）動態性能的（de）時代。現代機床設計已經不僅僅是運動、功能和強度的設計，必須考（kǎo）慮（lǜ）所設（shè）計的（de）機床動態性能如何，而且要在機床沒有製造出來以前就能夠用（yòng）它來“加工”工件，這就要借助（zhù）虛擬機床（chuáng）來進行（háng）仿（fǎng）真，以預測和防止出現顫振。借助（zhù）仿真預測和防止顫振的概念如圖 9 所示。
  
      
  
                    圖 9 借助仿真預測和防止顫振（zhèn）
 
    由圖可知，在零件的 CAD 文件生成數控程序後（hòu），將（jiāng）刀具軌跡輸入（rù）數控係統，轉化為（wéi）各軸的位移、進給、速度、加速度和加加速度（Jerk）的指令（lìng）。這些指令作為機床多體動力（lì）學模型的運動特（tè）性輸（shū）入，加載到相應軸的進給伺服驅動的動（dòng）態模型上。同時根據切削（xuē）用量和（hé）刀具建立（lì）的切削動力學模型又將動態的切削力加（jiā）載到機（jī）床動（dòng）力學模型上，構成了數控係統、機床和（hé）加工過程三者的協同仿真模型（xíng）。
 
     從協同仿真的結（jié）果可以預測這台機床在當前加工（gōng）條（tiáo）件下的工件表麵質量和加工過程的穩（wěn）定（dìng）性。如果（guǒ）工件的表麵粗（cū）糙度不能滿足要求（qiú）或加工過程出（chū）現顫振，首先建（jiàn）議通過改變（biàn）切削用量，借助穩定性（xìng）葉（yè）瓣圖，找（zhǎo）到穩（wěn）定區域。在優化切（qiē）削用量不能獲得（dé）理想結果的（de）情況下，改變加工策略（切削路徑）或選擇（zé）不（bú）同加工（gōng）工（gōng）藝（yì）方案也（yě）可能（néng）消除振動。