Tecnología de corte de alta velocidad: el poder transformador del mecanizado personalizado CNC

En 1931, la Dra. Carl Salom de Alemania propuso por primera vez la teoría del mecanizado por chorro de alta velocidad y, desde entonces, la tecnología de corte de alta velocidad ha experimentado una larga historia de desarrollo. Desde la etapa de investigación y exploración teórica, hasta la etapa de exploración de investigación básica aplicada y luego a la etapa de investigación aplicada, ahora ha entrado en la etapa de desarrollo y aplicación.

En el proceso de desarrollo, se desarrollan constantemente tecnologías clave. Por ejemplo, la tecnología de husillo de alta velocidad, desde la aparición de las máquinas herramienta de corte de alta velocidad en la 11ª Exposición Internacional de Máquinas Herramienta de Japón en 1982, el número de máquinas herramienta de alta velocidad ha aumentado significativamente año tras año. La velocidad del husillo se ha desarrollado desde más de 10.000 r/min al principio hasta 100.000 r/min o incluso más en la actualidad. Las tecnologías clave del husillo de alta velocidad incluyen la estructura de cojinete cerámico y la lubricación por niebla de aceite. En la actualidad, los sistemas de husillo de máquinas herramienta con valores dn superiores a 1.5×10⁶ son casi todos rodamientos cerámicos.

También es destacable el progreso de alta velocidad y alta aceleración del sistema de alimentación. La aplicación de husillos grandes y la aparición del modo de accionamiento directo del motor lineal satisfacen las necesidades de rendimiento del sistema de alimentación de las máquinas herramienta de accionamiento cero, con alta precisión de posicionamiento, precisión de posicionamiento repetido y velocidad de respuesta dinámica.

La tecnología de corte de alta velocidad tiene diferentes características de desarrollo en diferentes etapas del mecanizado personalizado CNC. En la etapa inicial, se trataba principalmente de exploración teórica y, con el progreso de la tecnología, gradualmente mostró ventajas en la aplicación práctica. Hoy en día, la tecnología de corte de alta velocidad se ha utilizado ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, de procesamiento de moldes y otras industrias, y también está desempeñando un papel cada vez más importante en el campo del mecanizado personalizado CNC.

El husillo de alta velocidad ha logrado avances continuos en la tecnología, utilizando tecnologías avanzadas como cojinetes cerámicos y cojinetes hidrostáticos. El rodamiento cerámico tiene las características de alta dureza, alta resistencia a la compresión, buena conductividad térmica y resistencia al desgaste, lo que puede mejorar efectivamente la vida útil y la capacidad de carga del husillo de alta velocidad. En la actualidad, el sistema de husillo de máquina herramienta con un valor dn superior a 1.5×10⁶ casi todos adoptan rodamientos cerámicos. Además, el desarrollo del husillo aerostático y del husillo con soporte de rodamiento maglev también ha aportado nuevos avances al husillo de alta velocidad. Por ejemplo, el centro de mecanizado ASV-40 fabricado por Toshiba Machinery Company de Japón utiliza un husillo aerostático con una velocidad de husillo de 80.000 r/min; El centro de mecanizado de alta velocidad fabricado por Mori Seiki, Japón, utiliza un husillo de alta velocidad soportado por cojinetes maglev y su velocidad puede alcanzar 40.000 r/min. Estas tecnologías avanzadas de husillo mejoran en gran medida la velocidad y la precisión del husillo, proporcionando un fuerte soporte para el corte de alta velocidad.

El sistema de alimentación de alta velocidad en la estructura de innovación continua, el uso de husillos de bolas de alta velocidad, motores lineales y otras estructuras avanzadas mejoran en gran medida la velocidad de alimentación y la aceleración. La velocidad de avance del husillo de bolas de alta velocidad es de hasta 60 m/min, y la más común es de 20 ~ 30 m/min. La aplicación del motor lineal ha traído cambios revolucionarios al sistema de alimentación de alta velocidad. El motor lineal elimina la holgura y la deformación elástica del sistema de transmisión mecánica, reduce la fricción de la transmisión y casi no tiene holgura inversa. El motor lineal tiene características altas de aceleración y desaceleración, y la aceleración puede alcanzar 2 g, que es de 10 a 20 veces mayor que la del dispositivo de accionamiento tradicional, y la velocidad de alimentación es de 4 a 5 veces mayor que la del tradicional. Impulsado por un motor lineal, tiene las ventajas obvias de un gran empuje por unidad de área, un movimiento de alta velocidad fácil de producir y una estructura mecánica que no necesita mantenimiento. La aplicación de estas tecnologías cumple con los requisitos de movimiento rápido y posicionamiento preciso de las máquinas herramienta y proporciona una garantía confiable para el corte a alta velocidad.

Las herramientas de corte desempeñan un papel vital en el corte a alta velocidad. Con el aumento de la velocidad de corte, el material, los parámetros geométricos y la estructura del cuerpo de la herramienta han cambiado mucho. En la actualidad, los materiales de herramientas de corte de alta velocidad comúnmente utilizados son diamante policristalino (PCD), nitruro de boro cúbico (CBN), cerámica, cerámica con base de Ti (C, N), herramientas recubiertas (CVD), carburo de grano ultrafino, etc. Estos materiales para herramientas tienen alta resistencia al calor, resistencia al choque térmico, buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas y alta confiabilidad. Al mismo tiempo, el sistema de herramientas de corte a alta velocidad debe cumplir con los requisitos de buena precisión geométrica y alta precisión de posicionamiento repetido de sujeción, rigidez de sujeción, buen estado de equilibrio y seguridad y confiabilidad durante la operación a alta velocidad. Reduzca la masa del cuerpo de la herramienta tanto como sea posible para reducir la fuerza centrífuga que sufre la rotación a alta velocidad, cumpla con los requisitos de seguridad del corte a alta velocidad y mejore el modo de sujeción de la herramienta.

La optimización de los parámetros del proceso de corte a alta velocidad es una de las tecnologías clave que restringen la aplicación del corte a alta velocidad. Debido a que el corte a alta velocidad es un nuevo modo de corte, faltan ejemplos de aplicaciones de referencia y parámetros de corte prácticos y una base de datos de parámetros de mecanizado. Por lo tanto, es necesario estudiar y adoptar un nuevo método de programación para que los datos de corte sean adecuados para la curva característica de potencia del husillo de alta velocidad y aprovechar al máximo las ventajas del corte CNC de alta velocidad. El desarrollo y la aplicación de la tecnología de corte de alta velocidad depende del desarrollo integral de tecnologías unitarias clave, como el husillo de alta velocidad, el sistema de alimentación de alta velocidad y las herramientas de corte de alta velocidad. Sólo la coordinación de varias tecnologías puede lograr una alta eficiencia, alta precisión y alta confiabilidad en el corte a alta velocidad.

La tecnología de corte de alta velocidad tiene muchas ventajas en el fresado CNC de alta velocidad de carcasas de cavidades de aleación de aluminio. En primer lugar, puede mejorar la eficiencia del procesamiento, el corte CNC de alta velocidad permite el uso de una velocidad de avance mayor, de 5 a 10 veces mayor que el corte convencional, y la tasa de eliminación de material por unidad de tiempo se puede aumentar de 3 a 6 veces. Es de gran importancia para el mecanizado CNC de piezas de cavidades de aleación de aluminio y puede reducir en gran medida el tiempo de procesamiento. En segundo lugar, puede garantizar la calidad del procesamiento y, en comparación con el corte convencional, la fuerza de corte se puede reducir en al menos un 30 % durante el corte a alta velocidad, lo que reduce la deformación del procesamiento. El proceso de corte de alta velocidad es rápido, más del 95% del calor de corte es muy pequeño, las piezas no causarán deformaciones ni deformaciones por expansión debido al aumento de temperatura, especialmente adecuado para procesar piezas que son fáciles de deformar por calor. En términos de herramienta de mecanizado y selección de velocidad de avance, la velocidad de corte de toda la fresa de carburo para procesar piezas de aleación de aluminio generalmente puede alcanzar 1000 m/min. Si se utiliza la fresa D8, la velocidad del husillo se determina en 18000 r/min, la velocidad de alimentación de desbaste se establece en 6000 mm/min y la velocidad de alimentación de acabado se puede seleccionar en 2000-3000 mm/min considerando la rigidez de la pieza de trabajo de la carcasa de la cavidad y los requisitos de calidad de la superficie de las piezas. Si el rendimiento de la máquina herramienta es alto, la velocidad de corte y la velocidad de avance se pueden aumentar adecuadamente.

En la producción real, la tecnología de mecanizado de alta velocidad tiene una amplia gama de aplicaciones. Para un ejemplo típico de desbaste, el primer uso de una fresa frontal de borde con inserto de recubrimiento TiAIN de 5 pulgadas, velocidad del husillo de 450 ~ 500 rpm, velocidad de avance de 150 ~ 175 ipm, profundidad de corte de 0,050 pulgadas, procesa una gran cantidad de virutas voladoras. Después del desbaste, la mayor parte de la pieza de trabajo se envía al exterior para tratamiento térmico. El semiacabado comienza tan pronto como se devuelve la pieza de trabajo, generalmente con una fresa de bola de 2 pulgadas a 2000 rpm y una velocidad de avance de 125 a 150 ipm. Para el corte de perfiles siguiendo un patrón de fresado alternativo, el espacio entre pistas es de 0,125 pulgadas. Para el corte en zigzag, se pueden utilizar velocidades y velocidades de avance similares, una profundidad de corte de 0,020 a 0,050 "y un cabezal pequeño de 2,5" de diámetro. Además, también se pueden utilizar herramientas más pequeñas para conectar el chaflán.

El corte de alta velocidad tiene requisitos especiales para los sistemas CNC. Debido a que la velocidad del husillo y la velocidad de avance del cortador de las máquinas herramienta de corte de alta velocidad aumentan considerablemente, se requiere que el sistema CNC tenga una velocidad de cálculo y una capacidad de procesamiento de datos suficientemente rápidas. El mecanismo del servo de alimentación debe poder realizar ajustes arbitrarios en un amplio rango desde baja velocidad hasta alta velocidad, y superar la contradicción del gran error de seguimiento del sistema cuando la velocidad del servo de alimentación es alta. Se requiere que el sistema CNC tenga un servociclo más corto y mayor resolución, al mismo tiempo que tenga la función de monitoreo de la trayectoria a mecanizar. Capacidad de interpolación de curvas.

En la actualidad, existen algunos problemas en el sistema CNC de corte de alta velocidad. En primer lugar, la arquitectura es cerrada, lo que limita la escalabilidad y compatibilidad del sistema. En segundo lugar, hay una integración insuficiente con CAM, lo que resulta en una programación y procesamiento menos fluidos y eficientes. Además, los interpoladores y controladores de avance de los sistemas CNC tienen limitaciones. Es necesario mejorar la precisión de la interpolación y se debe utilizar la función de avance y una gran cantidad de segmentos de programa avanzados. Además, también se puede utilizar la tecnología de control de contorno, como la interpolación NURBS, la aceleración de retroceso, la interpolación suave, la aceleración y desaceleración de campana. El controlador de avance necesita afrontar mejor los requisitos de alta aceleración y respuesta rápida del corte a alta velocidad.

Las piezas de acero inoxidable se enfrentan a la tendencia del endurecimiento por trabajo en el proceso de corte a alta velocidad, lo que trae muchos problemas al procesamiento. Diferentes tipos de acero inoxidable debido a diferentes propiedades mecánicas y composición química, la dificultad del corte CNC no es la misma. La alta resistencia térmica y la tenacidad no son fáciles de cortar durante el corte CNC de alta velocidad, y el trabajo consumido durante la deformación del corte es bastante grande. La profundidad de la capa de endurecimiento por trabajo puede variar desde decenas de micrones hasta cientos de micrones, y el fenómeno de endurecimiento por trabajo generado por el corte anterior tiene un efecto adverso en el siguiente corte, y la alta dureza de la capa de endurecimiento por trabajo hace que la herramienta se ser especialmente fácil de llevar.

Para resolver el problema del endurecimiento por trabajo, se puede elegir la herramienta adecuada, como una forma de filo con énfasis en el filo, un buen filo puede reducir el calor generado por la fricción con la pieza de trabajo, evitando así el endurecimiento por trabajo. Al mismo tiempo, es necesario establecer las mejores condiciones de procesamiento y la mejor configuración del refrigerante.

La aplicación de la tecnología de corte de alta velocidad también enfrenta desafíos como una fuerte adhesión de virutas y una mala conductividad térmica. En el proceso de corte CNC, los restos de corte son fáciles de adherirse o derretirse en la punta de la herramienta y la hoja, lo que forma un tumor de viruta, lo que provoca que la rugosidad de la superficie de procesamiento de la pieza de trabajo se deteriore, al tiempo que aumenta la vibración durante el proceso de corte. y acelerar el desgaste de las herramientas. Y una gran cantidad de calor de corte no se puede conducir a tiempo, e incluso el calor generado por el corte no se puede conducir a toda la viruta, lo que resulta en el calor total de la herramienta entrante que el acero al carbono ordinario, de modo que el filo Pierde el rendimiento de corte a alta temperatura.

Además, el corte a alta velocidad, como nuevo modo de corte, carece de ejemplos de aplicaciones de referencia y de parámetros de corte prácticos y de una base de datos de parámetros de mecanizado. Esto hace que sea necesario probar y explorar constantemente en aplicaciones prácticas, aumentando el costo y el tiempo de procesamiento.

La tecnología de corte de alta velocidad tiene un gran potencial para mejorar la eficiencia de la producción debido a su alta velocidad, alta precisión y alta calidad superficial. En primer lugar, el corte a alta velocidad puede acortar significativamente el ciclo de producción. Por ejemplo, en la industria de fabricación de automóviles, la tecnología de corte de alta velocidad puede procesar rápidamente componentes clave como bloques de motor y carcasas de transmisión, lo que reduce en gran medida el tiempo de procesamiento y mejora la eficiencia de la producción. Según las estadísticas pertinentes, tras la adopción de la tecnología de corte de alta velocidad, el tiempo de procesamiento de las piezas de automóviles se puede reducir entre un 30% y un 50%. En segundo lugar, la tecnología de corte de alta velocidad puede reducir los costos de procesamiento. Debido a que el corte a alta velocidad puede lograr procesos de mecanizado en desbaste, semiacabado y acabado, se reduce el uso de procesos y herramientas, reduciendo así los costos de producción. Tomando como ejemplo la fabricación de moldes, la tecnología de corte de alta velocidad puede reducir el uso de electroerosión, reducir los costos de procesamiento y mejorar la precisión y la calidad de la superficie del molde. Además, la tecnología de corte de alta velocidad también puede mejorar la calidad del producto. Al cortar a alta velocidad, la fuerza de corte es pequeña y la vibración es pequeña, puede procesar piezas muy precisas y la rugosidad de la superficie se reduce de 1 a 2 niveles, lo que satisface las necesidades de la industria manufacturera moderna de productos de alta precisión.

El desarrollo de la tecnología de corte de alta velocidad promoverá el desarrollo de la industria de fabricación de maquinaria hacia una alta eficiencia, alta precisión, alta flexibilidad y ecología. Por un lado, la aplicación de tecnología de corte de alta velocidad promoverá el progreso tecnológico de la industria de fabricación de maquinaria. La tecnología de corte de alta velocidad requiere el apoyo de una serie de tecnologías avanzadas, como máquinas herramienta de corte de alta velocidad, herramientas de corte de alta velocidad, sistemas de control numérico de alto rendimiento, y el desarrollo de estas tecnologías impulsará el nivel técnico de todo el industria de fabricación de maquinaria. Por ejemplo, la investigación y el desarrollo de máquinas herramienta de corte de alta velocidad requieren tecnología avanzada de husillos, tecnología de sistemas de alimentación y tecnología de diseño estructural, y los avances en estas tecnologías proporcionarán equipos de procesamiento más avanzados para la industria de fabricación de maquinaria. Por otro lado, la promoción de la tecnología de corte de alta velocidad mejorará la competitividad de la industria de fabricación de maquinaria. En el contexto de una competencia cada vez más feroz en la industria manufacturera global, la tecnología de corte de alta velocidad puede mejorar la calidad del producto, reducir los costos de producción, acortar el ciclo de producción y obtener ventajas competitivas en el mercado para las empresas. Tomando como ejemplo la industria de fabricación aeroespacial, la tecnología de corte de alta velocidad puede procesar materiales livianos como aleaciones de aluminio y titanio, mejorar el rendimiento y la seguridad de las aeronaves y mejorar la competitividad de las empresas en el mercado internacional.

En el futuro, la investigación tecnológica clave de la tecnología de corte de alta velocidad se desarrollará hacia una mayor velocidad, mayor precisión y mayor inteligencia. En términos de máquinas herramienta de corte de alta velocidad, se mejorarán aún más la velocidad del husillo y la velocidad de avance, y se desarrollarán sistemas de husillo y sistemas de alimentación más avanzados para mejorar la rigidez y estabilidad de la máquina herramienta. Por ejemplo, el sistema de husillo que utiliza tecnología de levitación magnética y tecnología de presión aerostática puede alcanzar más de 100.000 RPM; El sistema de alimentación que utiliza un motor lineal y tecnología de retroalimentación de escala de rejilla puede acelerar hasta 5 gy la precisión de posicionamiento puede alcanzar el nivel de micras. En términos de herramientas de corte de alta velocidad, se desarrollarán materiales de herramientas y tecnologías de recubrimiento más avanzados para mejorar la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor de las herramientas. Por ejemplo, la dureza de la herramienta que utiliza tecnología de nanorrecubrimiento se puede aumentar de 2 a 3 veces y la resistencia al desgaste se puede aumentar de 5 a 10 veces. En términos de sistemas de control numérico, se desarrollarán tecnologías de programación y algoritmos de control más avanzados para mejorar la velocidad de cálculo y la capacidad de procesamiento de datos de los sistemas de control numérico. Por ejemplo, los sistemas de control numérico que utilizan tecnología de inteligencia artificial y tecnología de análisis de big data pueden optimizar automáticamente los parámetros de corte de acuerdo con las características de los materiales y herramientas de mecanizado, mejorando la eficiencia y la calidad del procesamiento.

A nivel de aplicación, la tecnología de corte de alta velocidad seguirá ampliando el campo de aplicación y logrará una gama más amplia de aplicaciones. Por un lado, la tecnología de corte de alta velocidad se utilizará más ampliamente en la industria manufacturera tradicional. Por ejemplo, en los campos de la fabricación de maquinaria, la fabricación de automóviles y la fabricación aeroespacial, la tecnología de corte de alta velocidad reemplazará gradualmente a la tecnología de corte tradicional y se convertirá en el método de procesamiento principal. Por otro lado, la tecnología de corte de alta velocidad se aplicará en el sector manufacturero emergente. Por ejemplo, en los campos de la impresión 3D, la micro y nanofabricación, la fabricación biomédica, etc., la tecnología de corte de alta velocidad se puede combinar con otras tecnologías de fabricación avanzadas para lograr un mecanizado de alta precisión de piezas con formas complejas. Además, la tecnología de corte de alta velocidad se desarrollará en dirección a la fabricación ecológica. Por ejemplo, el uso de tecnología de corte en seco y tecnología de microlubricación puede reducir el uso de fluido de corte, reducir la contaminación ambiental y lograr una fabricación ecológica.