Technologie de découpe à grande vitesse : le pouvoir transformateur de l'usinage CNC sur mesure

En 1931, le Dr. L'Allemand Carl Salom a été le premier à proposer la théorie de l'usinage par jet à grande vitesse et depuis lors, la technologie de découpe à grande vitesse a connu une longue histoire de développement. Du stade de recherche théorique et d'exploration, au stade d'exploration de recherche fondamentale appliquée, puis au stade de recherche appliquée, il est désormais entré dans le stade de développement et d'application.

Au cours du processus de développement, des technologies clés sont constamment développées. Par exemple, dans le domaine de la technologie des broches à grande vitesse, depuis l'émergence des machines-outils de coupe à grande vitesse lors du 11e Salon international de la machine-outil du Japon en 1982, le nombre de machines-outils à grande vitesse a considérablement augmenté d'année en année. La vitesse de broche a été développée de plus de 10 000 tr/min au début à 100 000 tr/min ou même plus aujourd'hui. Les technologies clés de la broche à grande vitesse comprennent la structure de roulement en céramique et la lubrification par brouillard d'huile. À l'heure actuelle, les systèmes de broches de machines-outils avec des valeurs dn supérieures à 1.5×10⁶ sont presque tous des roulements en céramique.

Les progrès en matière de vitesse élevée et d'accélération élevée du système d'alimentation sont également remarquables. L'application d'une grande vis mère et l'émergence du mode d'entraînement direct du moteur linéaire répondent aux besoins de performances du système d'alimentation des machines-outils à entraînement nul, avec une précision de positionnement élevée, une précision de positionnement répétée et une vitesse de réponse dynamique.

La technologie de découpe à grande vitesse présente différentes caractéristiques de développement selon les différentes étapes de l'usinage CNC personnalisé. Au début, il s'agissait principalement d'exploration théorique, et avec les progrès de la technologie, elle a progressivement montré des avantages dans l'application pratique. Aujourd'hui, la technologie de découpe à grande vitesse est largement utilisée dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, du traitement des moules et dans d'autres industries, et elle joue également un rôle de plus en plus important dans le domaine de l'usinage CNC personnalisé.

La broche à grande vitesse a réalisé des percées technologiques continues, en utilisant des technologies avancées telles que des roulements en céramique et des roulements hydrostatiques. Le roulement en céramique présente les caractéristiques d'une dureté élevée, d'une résistance à la compression élevée, d'une bonne conductivité thermique et d'une résistance à l'usure, ce qui peut améliorer efficacement la durée de vie et la capacité de charge de la broche à grande vitesse. À l'heure actuelle, le système de broche de machine-outil avec une valeur dn supérieure à 1.5×10⁶ presque tous adoptent des roulements en céramique. En outre, le développement de la broche aérostatique et de la broche de support de roulement maglev a également apporté de nouvelles avancées dans le domaine de la broche à grande vitesse. Par exemple, le centre d'usinage ASV-40 fabriqué par Toshiba Machinery Company du Japon utilise une broche aérostatique avec une vitesse de broche de 80 000 tr/min ; Le centre d'usinage à grande vitesse fabriqué par Mori Seiki, au Japon, utilise une broche à grande vitesse soutenue par des roulements maglev, et sa vitesse peut atteindre 40 000 tr/min. Ces technologies de broche avancées améliorent considérablement la vitesse et la précision de la broche, offrant ainsi un support solide pour la coupe à grande vitesse.

Le système d'alimentation à grande vitesse dans la structure d'innovation continue, l'utilisation de vis à billes à grande vitesse, de moteur linéaire et d'autres structures avancées, améliorent considérablement la vitesse d'alimentation et l'accélération. La vitesse d'alimentation de la vis à billes à grande vitesse peut atteindre 60 m/min, et la plus courante est de 20 à 30 m/min. L'application du moteur linéaire a apporté des changements révolutionnaires au système d'alimentation à grande vitesse. Le moteur linéaire élimine le jeu et la déformation élastique du système de transmission mécanique, réduit le frottement de la transmission et n'a presque aucun jeu inverse. Le moteur linéaire a des caractéristiques d'accélération et de décélération élevées, et l'accélération peut atteindre 2 g, soit 10 à 20 fois celle du dispositif d'entraînement traditionnel, et la vitesse d'avance est 4 à 5 fois celle du dispositif d'entraînement traditionnel. Entraîné par un moteur linéaire, il présente les avantages évidents d'une grande poussée par unité de surface, d'un mouvement facile à produire à grande vitesse et d'une structure mécanique ne nécessitant aucun entretien. L'application de ces technologies répond aux exigences de déplacement rapide et de positionnement précis des machines-outils et offre une garantie fiable pour une coupe à grande vitesse.

Les outils de coupe jouent un rôle essentiel dans la coupe à grande vitesse. Avec l’augmentation de la vitesse de coupe, le matériau, les paramètres géométriques et la structure du corps de l’outil ont considérablement changé. À l'heure actuelle, les matériaux couramment utilisés pour les outils de coupe à grande vitesse sont le diamant polycristallin (PCD), le nitrure de bore cubique (CBN), la céramique, la céramique à base de Ti (C, N), les outils revêtus (CVD), le carbure à grains ultrafins, etc. Ces matériaux d'outils ont une résistance élevée à la chaleur, une résistance aux chocs thermiques, de bonnes propriétés mécaniques à haute température et une fiabilité élevée. Dans le même temps, le système d'outils de coupe à grande vitesse doit répondre aux exigences d'une bonne précision géométrique et d'une précision de positionnement répétée de serrage élevée, d'une rigidité de serrage, d'un bon état d'équilibre, ainsi que de sécurité et de fiabilité pendant un fonctionnement à grande vitesse. Réduisez autant que possible la masse du corps de l'outil pour réduire la force centrifuge subie par la rotation à grande vitesse, répondez aux exigences de sécurité de la coupe à grande vitesse et améliorez le mode de serrage de l'outil.

L'optimisation des paramètres de processus de découpe à grande vitesse est l'une des technologies clés limitant l'application de la découpe à grande vitesse. La coupe à grande vitesse étant un nouveau mode de coupe, il existe un manque d'exemples d'application de référence, de paramètres de coupe pratiques et de bases de données de paramètres d'usinage. Par conséquent, il est nécessaire d'étudier et d'adopter une nouvelle méthode de programmation pour rendre les données de coupe adaptées à la courbe caractéristique de puissance de la broche à grande vitesse et tirer pleinement parti des avantages de la coupe à grande vitesse CNC. Le développement et l'application de la technologie de coupe à grande vitesse dépendent du développement complet de technologies unitaires clés telles que la broche à grande vitesse, le système d'alimentation à grande vitesse et les outils de coupe à grande vitesse. Seule la coordination de diverses technologies permet d'obtenir une efficacité élevée, une haute précision et une haute fiabilité de découpe à grande vitesse.

La technologie de découpe à grande vitesse présente de nombreux avantages dans le fraisage CNC à grande vitesse de coques de cavité en alliage d'aluminium. Tout d'abord, cela peut améliorer l'efficacité du traitement, la découpe CNC à grande vitesse permet l'utilisation d'une vitesse d'avance plus grande, 5 à 10 fois supérieure à la découpe conventionnelle, le taux d'enlèvement de matière par unité de temps peut être augmenté de 3 à 6 fois. Il est d'une grande importance pour l'usinage CNC de pièces de cavité en alliage d'aluminium et peut réduire considérablement le temps de traitement. Deuxièmement, cela peut garantir la qualité du traitement et, par rapport à la découpe conventionnelle, la force de coupe peut être réduite d'au moins 30 % lors de la découpe à grande vitesse, réduisant ainsi la déformation du traitement. Le processus de coupe à grande vitesse est rapide, plus de 95 % de la chaleur de coupe est très faible, les pièces ne provoqueront pas de déformation ou de déformation par expansion en raison de l'augmentation de la température, particulièrement adaptée au traitement de pièces faciles à déformer par la chaleur. En termes d'outil d'usinage et de sélection de la vitesse d'avance, la vitesse de coupe de l'ensemble de la fraise en carbure pour le traitement des pièces en alliage d'aluminium peut généralement atteindre 1 000 m/min. Si la fraise en bout D8 est utilisée, la vitesse de broche est déterminée à 18 000 tr/min, la vitesse d'avance d'ébauche est réglée à 6 000 mm/min et la vitesse d'avance de finition peut être sélectionnée entre 2 000 et 3 000 mm/min en tenant compte de la rigidité de la fraise en bout D8. pièce à usiner de coque de cavité et les exigences de qualité de surface des pièces. Si les performances de la machine-outil sont élevées, la vitesse de coupe et la vitesse d'avance peuvent être augmentées de manière appropriée.

Dans la production actuelle, la technologie d'usinage à grande vitesse a un large éventail d'applications. Pour un exemple d'ébauche typique, la première utilisation d'une fraise à surfacer pour insert de revêtement TiAIN de 5 pouces, vitesse de broche 450 ~ 500 tr/min, vitesse d'avance 150 ~ 175 ipm, profondeur de coupe 0,050 pouces, traitement d'un grand nombre de copeaux volants. Après l'ébauche, la majeure partie de la pièce est envoyée à l'extérieur pour traitement thermique. La semi-finition commence dès le retour de la pièce, généralement avec une fraise à boulets de 2 pouces à 2 000 tr/min et une vitesse d'avance de 125 à 150 ipm. Pour la découpe de profilés suivant un modèle de fraisage alternatif, l'espacement des pistes est inférieur à 0,125 pouces. Pour la coupe en zigzag, des vitesses et vitesses d'avance similaires, une profondeur de coupe de 0,020 à 0,050" et une petite tête de 2,5" de diamètre peuvent être utilisées. De plus, des outils plus petits peuvent également être utilisés pour relier le chanfrein.

La découpe à grande vitesse présente des exigences particulières pour les systèmes CNC. Étant donné que la vitesse de broche et la vitesse d'avance de la fraise des machines-outils de découpe à grande vitesse sont considérablement augmentées, le système CNC doit avoir une vitesse de calcul et une capacité de traitement des données suffisamment rapides. Le mécanisme d'asservissement d'alimentation doit être capable de réaliser un réglage arbitraire dans une large plage allant de basse vitesse à haute vitesse, et de surmonter la contradiction de l'erreur de suivi d'un grand système lorsque la vitesse d'asservissement d'alimentation est élevée. Le système CNC doit avoir un cycle d'asservissement plus court et une résolution plus élevée, tout en ayant la fonction de surveillance de la trajectoire à usiner. capacité d'interpolation de courbe.

À l'heure actuelle, il existe quelques problèmes dans le système CNC de découpe à grande vitesse. Premièrement, l’architecture est fermée, ce qui limite l’évolutivité et la compatibilité du système. Deuxièmement, l'intégration avec CAM est insuffisante, ce qui entraîne une programmation et un traitement moins fluides et moins efficaces. De plus, les interpolateurs et les contrôleurs d'avance des systèmes CNC ont des limites. La précision de l'interpolation doit être améliorée et la fonction de rétroaction et un grand nombre de segments de programme avancés doivent être utilisés. De plus, la technologie de contrôle de contour telle que l'interpolation NURBS, l'accélération du recul, l'interpolation en douceur, l'accélération et la décélération en cloche peuvent également être utilisées. Le contrôleur d'avance doit mieux répondre aux exigences d'accélération élevée et de réponse rapide de la coupe à grande vitesse.

Les pièces en acier inoxydable sont confrontées à la tendance à l'écrouissage lors du processus de découpe à grande vitesse, ce qui pose de nombreux problèmes de traitement. Différents types d'acier inoxydable en raison de différentes propriétés mécaniques et compositions chimiques, la difficulté de la découpe CNC n'est pas la même. Il n'est pas facile de couper une résistance thermique et une ténacité élevées lors de la découpe CNC à grande vitesse, et le travail consommé lors de la déformation de la découpe est assez important. La profondeur de la couche d'écrouissage peut varier de dizaines de microns à des centaines de microns, et le phénomène d'écrouissage généré par la coupe précédente a un effet néfaste sur la coupe suivante, et la dureté élevée de la couche d'écrouissage fait que l'outil être particulièrement facile à porter.

Afin de résoudre le problème de l'écrouissage, vous pouvez choisir le bon outil, tel qu'une forme de tranchant mettant l'accent sur le tranchant, un bon tranchant peut réduire la chaleur générée par le frottement avec la pièce, empêchant ainsi l'écrouissage. Dans le même temps, il est nécessaire de définir les meilleures conditions de traitement et les meilleurs réglages du liquide de refroidissement.

L’application de la technologie de découpe à grande vitesse est également confrontée à des défis tels qu’une forte adhérence des copeaux et une mauvaise conductivité thermique. Dans le processus de découpe CNC, les débris de découpe adhèrent facilement ou fondent sur la pointe de l'outil et de la lame, formant une tumeur de copeaux, provoquant une détérioration de la rugosité de la surface de traitement de la pièce, tout en augmentant les vibrations pendant le processus de découpe. et accélère l'usure des outils. Et une grande quantité de chaleur de coupe ne peut pas être évacuée à temps, et même la chaleur générée par la coupe ne peut pas être conduite vers l'ensemble du copeau, ce qui entraîne une chaleur totale de l'outil entrant par rapport à l'acier au carbone ordinaire, de sorte que le tranchant perd les performances de coupe à haute température.

De plus, la coupe à grande vitesse, en tant que nouveau mode de coupe, manque d'exemples d'application de référence et de paramètres de coupe pratiques et de bases de données de paramètres d'usinage. Cela nécessite de tester et d'explorer constamment des applications pratiques, ce qui augmente le coût et le temps de traitement.

La technologie de découpe à grande vitesse présente un grand potentiel pour améliorer l’efficacité de la production en raison de sa vitesse élevée, de sa haute précision et de sa qualité de surface élevée. Tout d’abord, la découpe à grande vitesse peut raccourcir considérablement le cycle de production. Par exemple, dans l’industrie automobile, la technologie de découpe à grande vitesse peut traiter rapidement des composants clés tels que les blocs moteurs et les carters de transmission, réduisant ainsi considérablement le temps de traitement et améliorant l’efficacité de la production. Selon les statistiques pertinentes, après l'adoption de la technologie de découpe à grande vitesse, le temps de traitement des pièces automobiles peut être réduit de 30 à 50 %. Deuxièmement, la technologie de découpe à grande vitesse peut réduire les coûts de traitement. Étant donné que la découpe à grande vitesse permet d'obtenir des processus d'usinage grossier, de semi-finition et de finition, l'utilisation de processus et d'outils est réduite, réduisant ainsi les coûts de production. En prenant comme exemple la fabrication de moules, la technologie de découpe à grande vitesse peut réduire l'utilisation de l'électroérosion, réduire les coûts de traitement et améliorer la précision et la qualité de surface du moule. De plus, la technologie de découpe à grande vitesse peut également améliorer la qualité des produits. Lors de la coupe à grande vitesse, la force de coupe est faible et les vibrations sont faibles, il peut traiter des pièces très précises et la rugosité de la surface est réduite de 1 à 2 niveaux, ce qui répond aux besoins de l'industrie manufacturière moderne pour les produits de haute précision.

Le développement de la technologie de coupe à grande vitesse favorisera le développement de l'industrie de fabrication de machines dans la direction d'un rendement élevé, d'une haute précision, d'une flexibilité élevée et de l'environnement. D'une part, l'application de la technologie de découpe à grande vitesse favorisera le progrès technologique de l'industrie de fabrication de machines. La technologie de coupe à grande vitesse nécessite la prise en charge d'un certain nombre de technologies avancées telles que les machines-outils de coupe à grande vitesse, les outils de coupe à grande vitesse, les systèmes de commande numérique haute performance, et le développement de ces technologies déterminera le niveau technique de l'ensemble. industrie de fabrication de machines. Par exemple, la recherche et le développement de machines-outils de coupe à grande vitesse nécessitent une technologie avancée de broche, une technologie de système d'alimentation et une technologie de conception structurelle, et les percées dans ces technologies fourniront des équipements de traitement plus avancés pour l'industrie de fabrication de machines. D’un autre côté, la promotion de la technologie de découpe à grande vitesse améliorera la compétitivité de l’industrie de fabrication de machines. Dans le contexte d'une concurrence de plus en plus féroce dans l'industrie manufacturière mondiale, la technologie de découpe à grande vitesse peut améliorer la qualité des produits, réduire les coûts de production, raccourcir le cycle de production et offrir aux entreprises des avantages concurrentiels sur le marché. En prenant l'exemple de l'industrie aérospatiale, la technologie de découpe à grande vitesse peut traiter des matériaux légers tels que l'alliage d'aluminium et l'alliage de titane, améliorer les performances et la sécurité des avions et renforcer la compétitivité des entreprises sur le marché international.

À l'avenir, la recherche technologique clé sur la technologie de coupe à grande vitesse se développera dans le sens d'une vitesse plus élevée, d'une plus grande précision et d'une plus grande intelligence. En termes de machines-outils de coupe à grande vitesse, la vitesse de broche et la vitesse d'avance seront encore améliorées, et des systèmes de broche et des systèmes d'alimentation plus avancés seront développés pour améliorer la rigidité et la stabilité de la machine-outil. Par exemple, le système de broche utilisant la technologie de lévitation magnétique et la technologie de pression aérostatique peut atteindre plus de 100 000 tr/min ; Le système d'alimentation utilisant un moteur linéaire et une technologie de retour d'échelle à grille peut accélérer jusqu'à 5 g et la précision de positionnement peut atteindre le niveau du micron. En termes d'outils de coupe à grande vitesse, des matériaux d'outils et des technologies de revêtement plus avancés seront développés pour améliorer la dureté, la résistance à l'usure et la résistance à la chaleur des outils. Par exemple, la dureté de l'outil utilisant la technologie de nano-revêtement peut être augmentée de 2 à 3 fois et la résistance à l'usure peut être augmentée de 5 à 10 fois. En termes de systèmes de commande numérique, une technologie de programmation et des algorithmes de contrôle plus avancés seront développés pour améliorer la vitesse de calcul et la capacité de traitement des données des systèmes de commande numérique. Par exemple, les systèmes de commande numérique utilisant la technologie de l'intelligence artificielle et la technologie d'analyse des mégadonnées peuvent optimiser automatiquement les paramètres de coupe en fonction des caractéristiques des matériaux et des outils d'usinage, améliorant ainsi l'efficacité et la qualité du traitement.

Au niveau des applications, la technologie de découpe à grande vitesse continuera d'élargir le champ d'application et d'atteindre une gamme d'applications plus large. D’une part, la technologie de découpe à grande vitesse sera plus largement utilisée dans l’industrie manufacturière traditionnelle. Par exemple, dans les domaines de la fabrication de machines, de la construction automobile et de la fabrication aérospatiale, la technologie de découpe à grande vitesse remplacera progressivement la technologie de découpe traditionnelle et deviendra la méthode de traitement dominante. D’autre part, la technologie de découpe à grande vitesse sera appliquée au secteur manufacturier émergent. Par exemple, dans les domaines de l’impression 3D, de la micro et nano fabrication, de la fabrication biomédicale, etc., la technologie de découpe à grande vitesse peut être combinée avec d’autres technologies de fabrication avancées pour réaliser un usinage de haute précision de pièces de formes complexes. En outre, la technologie de découpe à grande vitesse évoluera dans le sens d’une fabrication verte. Par exemple, l'utilisation de la technologie de coupe à sec et de la technologie de microlubrification peut réduire l'utilisation de fluide de coupe, réduire la pollution de l'environnement et parvenir à une fabrication verte.