Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie: die transformative Kraft der kundenspezifischen CNC-Bearbeitung

Im Jahr 1931 wurde Dr. Carl Salom aus Deutschland stellte als Erster die Theorie der Hochgeschwindigkeits-Strahlbearbeitung vor, und seitdem hat die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie eine lange Entwicklungsgeschichte hinter sich. Von der theoretischen Forschungs- und Explorationsphase über die Explorationsphase der angewandten Grundlagenforschung bis hin zur angewandten Forschungsphase ist es nun in die Entwicklungs- und Anwendungsphase eingetreten.

Im Entwicklungsprozess werden Schlüsseltechnologien ständig weiterentwickelt. Zum Beispiel die Hochgeschwindigkeits-Spindeltechnologie: Seit dem Aufkommen von Hochgeschwindigkeits-Schneidmaschinen auf der 11. Japan International Machine Tool Show im Jahr 1982 ist die Zahl der Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen von Jahr zu Jahr erheblich gestiegen. Die Spindelgeschwindigkeit wurde von anfangs mehr als 10.000 U/min auf heute 100.000 U/min oder sogar höher entwickelt. Zu den Schlüsseltechnologien der Hochgeschwindigkeitsspindel gehören die Keramiklagerstruktur und die Ölnebelschmierung. Derzeit werden Werkzeugmaschinenspindelsysteme mit dn-Werten über 1 verwendet.5×10⁶ sind fast ausschließlich Keramiklager.

Herausragend sind auch die Fortschritte bei hoher Geschwindigkeit und hoher Beschleunigung des Zuführsystems. Der Einsatz großer Leitspindeln und die Einführung des Direktantriebsmodus von Linearmotoren erfüllen die Anforderungen an die Leistung des Vorschubsystems von Werkzeugmaschinen mit Nullantrieb, mit hoher Positionierungsgenauigkeit, wiederholter Positionierungsgenauigkeit und dynamischer Reaktionsgeschwindigkeit.

Die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie weist in den verschiedenen Phasen der kundenspezifischen CNC-Bearbeitung unterschiedliche Entwicklungsmerkmale auf. In der Anfangsphase handelte es sich hauptsächlich um theoretische Untersuchungen, und mit dem Fortschritt der Technologie zeigten sich allmählich Vorteile in der praktischen Anwendung. Heutzutage ist die Technologie des Hochgeschwindigkeitsschneidens in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Formenverarbeitung und anderen Branchen weit verbreitet und spielt auch im Bereich der kundenspezifischen CNC-Bearbeitung eine immer wichtigere Rolle.

Die Hochgeschwindigkeitsspindel hat kontinuierliche technologische Durchbrüche erzielt und fortschrittliche Technologien wie Keramiklager und hydrostatische Lager eingesetzt. Keramiklager zeichnen sich durch hohe Härte, hohe Druckfestigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit aus, wodurch die Lebensdauer und Belastbarkeit von Hochgeschwindigkeitsspindeln wirksam verbessert werden kann. Derzeit ist das Spindelsystem der Werkzeugmaschine mit einem dn-Wert über 1 ausgestattet.5×10⁶ fast alle verwenden Keramiklager. Darüber hinaus hat die Entwicklung der aerostatischen Spindel und der Magnetschwebelager-Stützspindel auch neue Durchbrüche bei Hochgeschwindigkeitsspindeln gebracht. Beispielsweise verwendet das Bearbeitungszentrum ASV-40 der japanischen Toshiba Machinery Company eine aerostatische Spindel mit einer Spindelgeschwindigkeit von 80.000 U/min. Das von Mori Seiki, Japan, hergestellte Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentrum verwendet eine Hochgeschwindigkeitsspindel, die von Magnetschwebelagern getragen wird, und seine Geschwindigkeit kann 40.000 U/min erreichen. Diese fortschrittlichen Spindeltechnologien verbessern die Spindelgeschwindigkeit und -genauigkeit erheblich und bieten eine starke Unterstützung für das Hochgeschwindigkeitsschneiden.

Das Hochgeschwindigkeits-Vorschubsystem in der Struktur kontinuierlicher Innovation, der Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Kugelumlaufspindeln, Linearmotoren und anderen fortschrittlichen Strukturen verbessern die Vorschubgeschwindigkeit und Beschleunigung erheblich. Die Vorschubgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeits-Kugelumlaufspindeln beträgt bis zu 60 m/min, häufiger sind 20 bis 30 m/min. Der Einsatz von Linearmotoren hat revolutionäre Veränderungen im Hochgeschwindigkeits-Vorschubsystem mit sich gebracht. Der Linearmotor eliminiert das Spiel und die elastische Verformung des mechanischen Übertragungssystems, verringert die Übertragungsreibung und hat nahezu kein Rückwärtsspiel. Der Linearmotor verfügt über hohe Beschleunigungs- und Verzögerungseigenschaften, und die Beschleunigung kann 2 g erreichen, was dem 10- bis 20-fachen der herkömmlichen Antriebsvorrichtung entspricht, und die Vorschubgeschwindigkeit beträgt das 4- bis 5-fache der herkömmlichen. Der Antrieb erfolgt über einen Linearmotor und bietet die offensichtlichen Vorteile einer großen Schubkraft pro Flächeneinheit, einer einfachen Erzeugung von Hochgeschwindigkeitsbewegungen und einer wartungsfreien mechanischen Struktur. Der Einsatz dieser Technologien erfüllt die Anforderungen an die schnelle Bewegung und genaue Positionierung von Werkzeugmaschinen und bietet eine zuverlässige Garantie für Hochgeschwindigkeitsschneiden.

Schneidwerkzeuge spielen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden eine entscheidende Rolle. Mit der Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit haben sich das Material, die geometrischen Parameter und die Struktur des Werkzeugkörpers stark verändert. Die derzeit am häufigsten verwendeten Materialien für Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge sind polykristalliner Diamant (PKD), kubisches Bornitrid (CBN), Keramik, Keramik auf Ti-(C,N)-Basis, beschichtete Werkzeuge (CVD), ultrafeinkörniges Hartmetall und so weiter. Diese Werkzeugmaterialien zeichnen sich durch eine hohe Hitzebeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und eine hohe Zuverlässigkeit aus. Gleichzeitig muss das Werkzeugsystem des Hochgeschwindigkeitsschneidens die Anforderungen einer guten geometrischen Genauigkeit und einer hohen Genauigkeit der wiederholten Positionierung der Klemmung, der Klemmsteifigkeit, eines guten Gleichgewichtszustands sowie der Sicherheit und Zuverlässigkeit während des Hochgeschwindigkeitsbetriebs erfüllen. Reduzieren Sie die Masse des Werkzeugkörpers so weit wie möglich, um die Zentrifugalkraft bei Hochgeschwindigkeitsrotation zu verringern, die Sicherheitsanforderungen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden zu erfüllen und den Spannmodus des Werkzeugs zu verbessern.

Die Optimierung der Prozessparameter des Hochgeschwindigkeitsschneidens ist eine der Schlüsseltechnologien, die den Einsatz des Hochgeschwindigkeitsschneidens einschränken. Da es sich beim Hochgeschwindigkeitsschneiden um einen neuen Schneidmodus handelt, mangelt es an Referenzanwendungsbeispielen und einer Datenbank mit praktischen Schneidparametern und Bearbeitungsparametern. Daher ist es notwendig, eine neue Programmiermethode zu studieren und einzuführen, um die Schnittdaten an die Leistungskennlinie der Hochgeschwindigkeitsspindel anzupassen und die Vorteile des CNC-Hochgeschwindigkeitsschneidens voll auszuschöpfen. Die Entwicklung und Anwendung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie hängt von der umfassenden Entwicklung wichtiger Einheitstechnologien wie Hochgeschwindigkeitsspindel, Hochgeschwindigkeitsvorschubsystem und Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen ab. Nur durch die Koordination verschiedener Technologien können eine hohe Effizienz, hohe Präzision und hohe Zuverlässigkeit des Hochgeschwindigkeitsschneidens erreicht werden.

Die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie bietet viele Vorteile beim CNC-Hochgeschwindigkeitsfräsen von Hohlraumschalen aus Aluminiumlegierung. Erstens kann es die Bearbeitungseffizienz verbessern. Das CNC-Hochgeschwindigkeitsschneiden ermöglicht die Verwendung einer größeren Vorschubgeschwindigkeit, die 5 bis 10 Mal höher ist als beim herkömmlichen Schneiden, und die Materialabtragsrate pro Zeiteinheit kann um das 3 bis 6-fache erhöht werden. Dies ist für die CNC-Bearbeitung von Hohlraumteilen aus Aluminiumlegierungen von großer Bedeutung und kann die Bearbeitungszeit erheblich verkürzen. Zweitens kann die Bearbeitungsqualität sichergestellt werden, und im Vergleich zum herkömmlichen Schneiden kann die Schnittkraft beim Hochgeschwindigkeitsschneiden um mindestens 30 % reduziert werden, wodurch die Bearbeitungsverformung verringert wird. Der Hochgeschwindigkeits-Schneidprozess ist schnell, mehr als 95 % der Schneidwärme ist sehr gering, die Teile verursachen keine Verformung oder Dehnungsverformung aufgrund des Temperaturanstiegs, besonders geeignet für die Bearbeitung von Teilen, die sich leicht durch Hitze verformen lassen. In Bezug auf die Auswahl des Bearbeitungswerkzeugs und der Vorschubgeschwindigkeit kann die Schnittgeschwindigkeit des gesamten Hartmetall-Schaftfräsers zur Bearbeitung von Teilen aus Aluminiumlegierung im Allgemeinen 1000 m/min erreichen. Wenn der D8-Schaftfräser verwendet wird, wird die Spindelgeschwindigkeit auf 18.000 U/min festgelegt, die Schruppvorschubgeschwindigkeit wird auf 6.000 mm/min eingestellt und die Schlichtvorschubgeschwindigkeit kann unter Berücksichtigung der Steifigkeit des Schaftfräsers auf 2.000–3.000 mm/min gewählt werden Hohlraumschale Werkstück und die Anforderungen an die Oberflächenqualität der Teile. Bei hoher Maschinenleistung können Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit entsprechend erhöht werden.

In der eigentlichen Produktion hat die Hochgeschwindigkeitsbearbeitungstechnologie ein breites Anwendungsspektrum. Ein typisches Schruppbeispiel ist der erste Einsatz eines 5-Zoll-TiAIN-Beschichtungseinsatzkantenfräsers, Spindelgeschwindigkeit 450 ~ 500 U/min, Vorschubgeschwindigkeit 150 ~ 175 ipm, Schnitttiefe 0,050 Zoll, Verarbeitung einer großen Anzahl fliegender Späne. Nach dem Schruppen wird der Großteil des Werkstücks zur Wärmebehandlung nach draußen geschickt. Die Vorbearbeitung beginnt, sobald das Werkstück zurückgegeben wird, normalerweise mit einem 2-Zoll-Kugelfräser bei 2000 U/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 125 bis 150 ipm. Beim Profilschneiden nach einem hin- und hergehenden Fräsmuster liegt der Spurabstand innerhalb von 0,125 Zoll. Für das Zickzackschneiden können ähnliche Geschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten, eine Schnitttiefe von 0,020 bis 0,050 Zoll und ein kleiner Kopf mit 2,5 Zoll Durchmesser verwendet werden. Darüber hinaus können zum Verbinden der Fase auch kleinere Werkzeuge verwendet werden.

Das Hochgeschwindigkeitsschneiden stellt besondere Anforderungen an CNC-Systeme. Da die Spindelgeschwindigkeit und die Fräservorschubgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeits-Schneidemaschinen stark erhöht werden, muss das CNC-System über eine ausreichend schnelle Rechengeschwindigkeit und Datenverarbeitungsfähigkeit verfügen. Der Vorschubservomechanismus sollte in der Lage sein, eine beliebige Einstellung in einem weiten Bereich von niedriger bis hoher Geschwindigkeit zu realisieren und den Widerspruch eines großen Systemfolgefehlers zu überwinden, wenn die Vorschubservogeschwindigkeit hoch ist. Das CNC-System muss einen kürzeren Servozyklus und eine höhere Auflösung haben und gleichzeitig über die Überwachungsfunktion der zu bearbeitenden Bahn verfügen. Fähigkeit zur Kurveninterpolation.

Derzeit gibt es einige Probleme im CNC-System zum Hochgeschwindigkeitsschneiden. Erstens ist die Architektur geschlossen, was die Skalierbarkeit und Kompatibilität des Systems einschränkt. Zweitens ist die Integration mit CAM unzureichend, was zu einer weniger reibungslosen und effizienten Programmierung und Verarbeitung führt. Darüber hinaus unterliegen die Interpolatoren und Vorschubregler von CNC-Systemen Einschränkungen. Die Interpolationsgenauigkeit muss verbessert werden und die Feedforward-Funktion sowie eine große Anzahl erweiterter Programmsegmente sollten genutzt werden. Darüber hinaus können auch Kontursteuerungstechnologien wie NURBS-Interpolation, Rückstoßbeschleunigung, sanfte Interpolation, Glockenbeschleunigung und -verzögerung verwendet werden. Der Vorschubregler muss den hohen Beschleunigungs- und Reaktionsanforderungen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden besser gerecht werden.

Edelstahlteile sind beim Hochgeschwindigkeitsschneiden mit dem Trend der Kaltverfestigung konfrontiert, was viele Probleme bei der Verarbeitung mit sich bringt. Da verschiedene Arten von Edelstahl aufgrund unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften und chemischer Zusammensetzung unterschiedlich sind, ist die Schwierigkeit beim CNC-Schneiden unterschiedlich. Hohe thermische Festigkeit und Zähigkeit lassen sich beim CNC-Hochgeschwindigkeitsschneiden nicht leicht abtrennen, und der Arbeitsaufwand bei der Schnittverformung ist recht groß. Die Tiefe der Kaltverfestigungsschicht kann zwischen mehreren zehn Mikrometern und Hunderten von Mikrometern liegen, und das durch den vorherigen Schnitt erzeugte Kaltverfestigungsphänomen wirkt sich nachteilig auf den nächsten Schnitt aus, und die hohe Härte der Kaltverfestigungsschicht führt dazu, dass das Werkzeug beschädigt wird besonders angenehm zu tragen sein.

Um das Problem der Kaltverfestigung zu lösen, können Sie das richtige Werkzeug auswählen, beispielsweise eine Schneidkantenform mit Schwerpunkt auf Schärfe. Eine gute Schärfe kann die durch Reibung mit dem Werkstück erzeugte Wärme reduzieren und so eine Kaltverfestigung verhindern. Gleichzeitig ist es notwendig, die besten Verarbeitungsbedingungen und die besten Kühlmitteleinstellungen einzustellen.

Bei der Anwendung der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie bestehen auch Herausforderungen wie eine starke Spananhaftung und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit. Beim CNC-Schneidprozess haften Schnittreste leicht an der Spitze des Werkzeugs und der Klinge oder schmelzen dort und bilden einen Spantumor, der zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauheit der Werkstückbearbeitungsoberfläche führt und gleichzeitig die Vibrationen während des Schneidprozesses erhöht und beschleunigter Werkzeugverschleiß. Und eine große Menge an Schneidwärme kann nicht rechtzeitig abgeleitet werden, und selbst die beim Schneiden erzeugte Wärme kann nicht auf den gesamten Span geleitet werden, was dazu führt, dass die Gesamtwärme des eingehenden Werkzeugs größer ist als bei gewöhnlichem Kohlenstoffstahl, so dass die Schneidkante verliert bei hoher Temperatur die Schneidleistung.

Darüber hinaus mangelt es beim Hochgeschwindigkeitsschneiden als neuem Schneidmodus an Referenzanwendungsbeispielen und einer Datenbank für praktische Schneidparameter und Bearbeitungsparameter. Dies macht ein ständiges Testen und Erforschen praktischer Anwendungen erforderlich, was den Verarbeitungsaufwand und die Verarbeitungszeit erhöht.

Die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie bietet aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit, hohen Präzision und hohen Oberflächenqualität ein großes Potenzial zur Verbesserung der Produktionseffizienz. Erstens kann das Hochgeschwindigkeitsschneiden den Produktionszyklus erheblich verkürzen. Beispielsweise können in der Automobilindustrie mithilfe der Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie Schlüsselkomponenten wie Motorblöcke und Getriebegehäuse schnell bearbeitet werden, wodurch die Bearbeitungszeit erheblich verkürzt und die Produktionseffizienz verbessert wird. Den einschlägigen Statistiken zufolge kann die Bearbeitungszeit von Autoteilen nach Einführung der Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie um 30 bis 50 % verkürzt werden. Zweitens kann die Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie die Bearbeitungskosten senken. Da beim Hochgeschwindigkeitsschneiden Schrupp-, Halbschlicht- und Endbearbeitungsprozesse durchgeführt werden können, wird der Einsatz von Prozessen und Werkzeugen reduziert, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden. Am Beispiel des Formenbaus kann die Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie den Einsatz von EDM reduzieren, die Verarbeitungskosten senken und die Genauigkeit und Oberflächenqualität der Form verbessern. Darüber hinaus kann die Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie auch die Produktqualität verbessern. Beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit ist die Schnittkraft gering und die Vibration gering, es können sehr präzise Teile bearbeitet werden und die Oberflächenrauheit wird um 1 bis 2 Stufen reduziert, was den Anforderungen der modernen Fertigungsindustrie an hochpräzise Produkte entspricht.

Die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie wird die Entwicklung der Maschinenbauindustrie in Richtung hoher Effizienz, hoher Präzision, hoher Flexibilität und Umweltfreundlichkeit fördern. Einerseits wird der Einsatz der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie den technologischen Fortschritt im Maschinenbau fördern. Die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie erfordert die Unterstützung einer Reihe fortschrittlicher Technologien wie Hochgeschwindigkeits-Schneidmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge und leistungsstarke numerische Steuerungssysteme. Die Entwicklung dieser Technologien wird das technische Niveau des Ganzen vorantreiben Maschinenbauindustrie. Beispielsweise erfordert die Forschung und Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeugmaschinen fortschrittliche Spindeltechnologie, Vorschubsystemtechnologie und Strukturdesigntechnologie, und Durchbrüche in diesen Technologien werden fortschrittlichere Bearbeitungsausrüstung für die Maschinenbauindustrie liefern. Andererseits wird die Förderung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie die Wettbewerbsfähigkeit des Maschinenbaus verbessern. Vor dem Hintergrund des zunehmend härteren Wettbewerbs in der globalen Fertigungsindustrie kann die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie die Produktqualität verbessern, die Produktionskosten senken, den Produktionszyklus verkürzen und Wettbewerbsvorteile für Unternehmen auf dem Markt erzielen. Am Beispiel der Luft- und Raumfahrtindustrie kann die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie leichte Materialien wie Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen verarbeiten, die Leistung und Sicherheit von Flugzeugen verbessern und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen auf dem internationalen Markt steigern.

Zukünftig wird sich die Schlüsseltechnologieforschung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie in Richtung höherer Geschwindigkeit, höherer Präzision und intelligenter entwickeln. Im Hinblick auf Hochgeschwindigkeits-Schneidmaschinen werden die Spindelgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit weiter verbessert und fortschrittlichere Spindelsysteme und Vorschubsysteme entwickelt, um die Steifigkeit und Stabilität der Werkzeugmaschine zu verbessern. Beispielsweise kann das Spindelsystem mit Magnetschwebetechnik und aerostatischer Drucktechnik mehr als 100.000 U/min erreichen; Das Vorschubsystem mit Linearmotor und Gitterskalen-Feedback-Technologie kann bis zu 5 g beschleunigen und die Positionierungsgenauigkeit kann den Mikrometerbereich erreichen. Im Hinblick auf Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge werden fortschrittlichere Werkzeugmaterialien und Beschichtungstechnologien entwickelt, um die Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit der Werkzeuge zu verbessern. Beispielsweise kann die Härte des Werkzeugs durch die Nanobeschichtungstechnologie um das 2- bis 3-fache und die Verschleißfestigkeit um das 5- bis 10-fache erhöht werden. Im Hinblick auf numerische Steuerungssysteme werden fortschrittlichere Programmiertechnologien und Steuerungsalgorithmen entwickelt, um die Rechengeschwindigkeit und Datenverarbeitungskapazität numerischer Steuerungssysteme zu verbessern. Beispielsweise können numerische Steuerungssysteme, die künstliche Intelligenz und Big-Data-Analysetechnologie nutzen, Schnittparameter entsprechend den Eigenschaften von Bearbeitungsmaterialien und -werkzeugen automatisch optimieren und so die Bearbeitungseffizienz und -qualität verbessern.

Auf Anwendungsebene wird die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie das Anwendungsfeld weiter erweitern und ein breiteres Anwendungsspektrum erreichen. Einerseits wird die Technologie des Hochgeschwindigkeitsschneidens in der traditionellen Fertigungsindustrie stärker zum Einsatz kommen. Beispielsweise wird in den Bereichen Maschinenbau, Automobilbau, Luft- und Raumfahrtfertigung die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie nach und nach die traditionelle Schneidtechnologie ersetzen und zur gängigen Verarbeitungsmethode werden. Andererseits wird die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie im aufstrebenden Fertigungssektor eingesetzt. Beispielsweise kann in den Bereichen 3D-Druck, Mikro- und Nanofertigung, biomedizinische Fertigung usw. die Hochgeschwindigkeitsschneidetechnologie mit anderen fortschrittlichen Fertigungstechnologien kombiniert werden, um eine hochpräzise Bearbeitung komplex geformter Teile zu erreichen. Darüber hinaus wird sich die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie in Richtung einer umweltfreundlichen Fertigung weiterentwickeln. Beispielsweise kann der Einsatz von Trockenschneidetechnologie und Mikroschmierungstechnologie den Einsatz von Schneidflüssigkeit reduzieren, die Umweltverschmutzung verringern und eine umweltfreundliche Fertigung erreichen.