Teknologi pemotongan berkecepatan tinggi: kekuatan transformatif dari pemesinan khusus CNC

Pada tahun 1931, Dr. Carl Salom dari Jerman pertama kali mengajukan teori pemesinan jet berkecepatan tinggi, dan sejak itu, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi telah mengalami sejarah perkembangan yang panjang. Dari tahap penelitian teoritis dan eksplorasi, ke tahap eksplorasi penelitian dasar terapan, kemudian ke tahap penelitian terapan, kini sudah memasuki tahap pengembangan dan penerapan.

Dalam proses pembangunan, teknologi-teknologi utama terus dikembangkan. Misalnya, teknologi spindel berkecepatan tinggi, sejak munculnya peralatan mesin pemotong berkecepatan tinggi pada Pameran Peralatan Mesin Internasional Jepang ke-11 pada tahun 1982, jumlah peralatan mesin berkecepatan tinggi telah meningkat secara signifikan dari tahun ke tahun. Kecepatan spindel telah dikembangkan dari lebih dari 10.000r/menit pada awalnya menjadi 100.000r/menit atau bahkan lebih tinggi saat ini. Teknologi utama spindel berkecepatan tinggi mencakup struktur bantalan keramik dan pelumasan kabut oli. Saat ini, sistem spindel peralatan mesin dengan nilai dn di atas 1.5×10⁶ hampir semuanya merupakan bantalan keramik.

Kemajuan sistem umpan pada kecepatan tinggi dan akselerasi tinggi juga luar biasa. Penerapan sekrup timah besar dan munculnya mode penggerak langsung motor linier memenuhi kebutuhan kinerja sistem umpan peralatan mesin penggerak nol, dengan akurasi pemosisian tinggi, keakuratan pemosisian berulang, dan kecepatan respons dinamis.

Teknologi pemotongan berkecepatan tinggi memiliki karakteristik pengembangan yang berbeda pada berbagai tahap pemesinan khusus CNC. Pada tahap awal, hal ini terutama bersifat eksplorasi teoretis, dan seiring dengan kemajuan teknologi, secara bertahap menunjukkan keunggulan dalam penerapan praktis. Saat ini, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi telah banyak digunakan di bidang kedirgantaraan, otomotif, pemrosesan cetakan, dan industri lainnya, dan juga memainkan peran yang semakin penting dalam bidang pemesinan khusus CNC.

Spindel berkecepatan tinggi telah membuat terobosan berkelanjutan dalam teknologi, menggunakan teknologi canggih seperti bantalan keramik dan bantalan hidrostatis. Bantalan keramik memiliki karakteristik kekerasan tinggi, kekuatan tekan tinggi, konduktivitas termal yang baik, dan ketahanan aus, yang secara efektif dapat meningkatkan masa pakai dan kapasitas beban spindel berkecepatan tinggi. Saat ini, sistem spindel peralatan mesin dengan nilai dn di atas 1.5×10⁶ hampir semuanya mengadopsi bantalan keramik. Selain itu, perkembangan spindel aerostatik dan spindel pendukung bantalan maglev juga membawa terobosan baru pada spindel berkecepatan tinggi. Misalnya, pusat permesinan ASV-40 yang diproduksi oleh Toshiba Machinery Company Jepang menggunakan spindel aerostatik dengan kecepatan spindel 80000r/mnt; Pusat permesinan berkecepatan tinggi yang diproduksi oleh Mori Seiki, Jepang, menggunakan spindel berkecepatan tinggi yang didukung bantalan maglev, dan kecepatannya dapat mencapai 40000r/mnt. Teknologi spindel canggih ini sangat meningkatkan kecepatan dan akurasi spindel, memberikan dukungan kuat untuk pemotongan berkecepatan tinggi.

Sistem umpan berkecepatan tinggi dalam struktur inovasi berkelanjutan, penggunaan sekrup bola timah berkecepatan tinggi, motor linier, dan struktur canggih lainnya, sangat meningkatkan kecepatan dan akselerasi umpan. Kecepatan pengumpanan sekrup bola timah berkecepatan tinggi mencapai 60m/menit, dan yang lebih umum adalah 20 ~ 30m/menit. Penerapan motor linier telah membawa perubahan revolusioner pada sistem umpan berkecepatan tinggi. Motor linier menghilangkan jarak bebas dan deformasi elastis pada sistem transmisi mekanis, mengurangi gesekan transmisi, dan hampir tidak memiliki jarak bebas mundur. Motor linier memiliki karakteristik akselerasi dan deselerasi yang tinggi, dan akselerasinya dapat mencapai 2g, yaitu 10 hingga 20 kali lipat dari perangkat penggerak tradisional, dan kecepatan umpan 4 hingga 5 kali lipat dari perangkat penggerak tradisional. Digerakkan oleh motor linier, ia memiliki keunggulan nyata berupa daya dorong besar per satuan luas, mudah menghasilkan gerakan berkecepatan tinggi, dan struktur mekanis tidak memerlukan perawatan. Penerapan teknologi ini memenuhi persyaratan pergerakan cepat dan penempatan peralatan mesin yang akurat, serta memberikan jaminan yang dapat diandalkan untuk pemotongan berkecepatan tinggi.

Alat pemotong memainkan peran penting dalam pemotongan berkecepatan tinggi. Dengan meningkatnya kecepatan potong, material, parameter geometris, dan struktur badan pahat telah banyak berubah. Saat ini, bahan perkakas potong kecepatan tinggi yang umum digunakan adalah berlian polikristalin (PCD), kubik boron nitrida (CBN), keramik, keramik dasar Ti (C,N), perkakas berlapis (CVD), karbida butiran ultrahalus dan sebagainya. Bahan perkakas ini memiliki ketahanan panas yang tinggi, ketahanan guncangan termal, sifat mekanik suhu tinggi yang baik, dan keandalan yang tinggi. Pada saat yang sama, sistem perkakas pemotongan berkecepatan tinggi harus memenuhi persyaratan akurasi geometrik yang baik dan akurasi posisi berulang penjepitan yang tinggi, kekakuan penjepitan, keadaan keseimbangan yang baik serta keamanan dan keandalan selama operasi kecepatan tinggi. Kurangi massa badan pahat sebanyak mungkin untuk mengurangi gaya sentrifugal yang dialami oleh putaran kecepatan tinggi, memenuhi persyaratan keselamatan pemotongan kecepatan tinggi, dan meningkatkan mode penjepitan pahat.

Optimalisasi parameter proses pemotongan kecepatan tinggi adalah salah satu teknologi utama yang membatasi penerapan pemotongan kecepatan tinggi. Karena pemotongan kecepatan tinggi adalah mode pemotongan baru, terdapat kekurangan contoh aplikasi referensi dan parameter pemotongan praktis serta database parameter pemesinan. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari dan mengadopsi metode pemrograman baru untuk membuat data pemotongan sesuai dengan kurva karakteristik daya spindel berkecepatan tinggi, dan memanfaatkan sepenuhnya keunggulan pemotongan kecepatan tinggi CNC. Pengembangan dan penerapan teknologi pemotongan berkecepatan tinggi bergantung pada pengembangan komprehensif teknologi unit utama seperti spindel berkecepatan tinggi, sistem pengumpan berkecepatan tinggi, dan perkakas pemotong berkecepatan tinggi. Hanya koordinasi berbagai teknologi yang dapat mencapai efisiensi tinggi, presisi tinggi, dan keandalan pemotongan berkecepatan tinggi.

Teknologi pemotongan berkecepatan tinggi memiliki banyak keunggulan dalam penggilingan cangkang rongga paduan aluminium berkecepatan tinggi CNC. Pertama-tama, ini dapat meningkatkan efisiensi pemrosesan, pemotongan kecepatan tinggi CNC memungkinkan penggunaan laju umpan yang lebih besar, 5 hingga 10 kali lebih tinggi dari pemotongan konvensional, laju penghilangan material per unit waktu dapat ditingkatkan 3 hingga 6 kali lipat. Ini sangat penting untuk pemesinan CNC pada bagian rongga paduan aluminium dan dapat sangat mengurangi waktu pemrosesan. Kedua, dapat memastikan kualitas pemrosesan, dan dibandingkan dengan pemotongan konvensional, gaya pemotongan dapat dikurangi setidaknya 30% selama pemotongan kecepatan tinggi, sehingga mengurangi deformasi pemrosesan. Proses pemotongan berkecepatan tinggi cepat, lebih dari 95% panas pemotongan sangat sedikit, bagian tidak akan menyebabkan deformasi pembengkokan atau pemuaian karena kenaikan suhu, terutama cocok untuk memproses bagian yang mudah mengalami deformasi panas. Dalam hal pemilihan alat pemesinan dan kecepatan pengumpanan, kecepatan potong seluruh pabrik akhir karbida untuk memproses bagian paduan aluminium umumnya dapat mencapai 1000m/mnt. Jika pabrik akhir D8 digunakan, kecepatan spindel ditentukan menjadi 18000r/menit, kecepatan pengumpanan seadanya diatur ke 6000mm/menit, dan kecepatan pengumpanan akhir dapat dipilih menjadi 2000-3000mm /menit dengan mempertimbangkan kekakuan dari benda kerja cangkang rongga dan persyaratan kualitas permukaan bagian-bagiannya. Jika kinerja peralatan mesin tinggi, kecepatan potong dan kecepatan pengumpanan dapat ditingkatkan secara tepat.

Dalam produksi aktual, teknologi permesinan berkecepatan tinggi memiliki beragam aplikasi. Untuk contoh hidup seadanya, penggunaan pertama pemotong penggilingan tepi sisipan lapisan TiAIN 5 inci, kecepatan spindel 450 ~ 500 rpm, laju pengumpanan 150 ~ 175 ipm, kedalaman pemotongan 0,050 inci, memproses sejumlah besar chip yang beterbangan. Setelah hidup seadanya, sebagian besar benda kerja dikirim ke luar untuk perlakuan panas. Semi-finishing dimulai segera setelah benda kerja dikembalikan, biasanya dengan ball-end mill berukuran 2 inci pada 2000 rpm dan kecepatan pengumpanan 125 hingga 150 ipm. Untuk pemotongan profil mengikuti pola penggilingan bolak-balik, jarak lintasan berada dalam 0,125 inci. Untuk pemotongan zigzag, kecepatan dan kecepatan pengumpanan yang serupa, kedalaman potong 0,020 hingga 0,050", dan kepala berdiameter kecil 2,5" dapat digunakan. Selain itu, alat yang lebih kecil juga dapat digunakan untuk menyambung talang.

Pemotongan berkecepatan tinggi memiliki persyaratan khusus untuk sistem CNC. Karena kecepatan spindel dan kecepatan umpan pemotong pada peralatan mesin pemotong berkecepatan tinggi meningkat pesat, sistem CNC diharuskan memiliki kecepatan komputasi dan kemampuan pemrosesan data yang cukup cepat. Mekanisme servo umpan harus mampu mewujudkan penyesuaian sewenang-wenang dalam rentang yang luas dari kecepatan rendah hingga kecepatan tinggi, dan mengatasi kontradiksi kesalahan mengikuti sistem yang besar ketika kecepatan servo umpan tinggi. Sistem CNC diharuskan memiliki siklus servo yang lebih pendek dan resolusi yang lebih tinggi, sekaligus memiliki fungsi pemantauan lintasan mesin. kemampuan interpolasi kurva.

Saat ini, ada beberapa masalah dalam sistem pemotongan kecepatan tinggi CNC. Pertama, arsitekturnya tertutup, yang membatasi skalabilitas dan kompatibilitas sistem. Kedua, kurangnya integrasi dengan CAM, sehingga pemrograman dan pemrosesan menjadi kurang lancar dan efisien. Selain itu, interpolator dan pengontrol umpan sistem CNC memiliki keterbatasan. Ketepatan interpolasi perlu ditingkatkan, dan fungsi feedforward serta sejumlah besar segmen program lanjutan harus digunakan. Selain itu, teknologi kontrol kontur seperti interpolasi NURBS, akselerasi mundur, interpolasi halus, akselerasi dan deselerasi bel juga dapat digunakan. Pengontrol umpan harus mampu mengatasi persyaratan akselerasi tinggi dan respons cepat pada pemotongan kecepatan tinggi dengan lebih baik.

Suku cadang baja tahan karat dihadapkan pada tren pengerasan kerja dalam proses pemotongan berkecepatan tinggi, yang membawa banyak masalah pada pemrosesan. Berbagai jenis baja tahan karat karena sifat mekanik dan komposisi kimianya berbeda, kesulitan pemotongan CNC tidak sama. Kekuatan dan ketangguhan termal yang tinggi tidak mudah terpotong selama pemotongan CNC berkecepatan tinggi, dan kerja yang dikonsumsi selama deformasi pemotongan cukup besar. Kedalaman lapisan pengerasan kerja dapat berkisar dari puluhan mikron hingga ratusan mikron, dan fenomena pengerasan kerja yang dihasilkan oleh pemotongan sebelumnya berdampak buruk pada pemotongan berikutnya, dan kekerasan yang tinggi dari lapisan pengerasan kerja menyebabkan pahat tersebut sangat mudah dipakai.

Untuk mengatasi masalah pengerasan kerja, Anda dapat memilih pahat yang tepat, seperti bentuk ujung tombak yang mengutamakan ketajaman, ketajaman yang baik dapat mengurangi panas yang dihasilkan akibat gesekan dengan benda kerja, sehingga mencegah pengerasan kerja. Pada saat yang sama, perlu untuk mengatur kondisi pemrosesan terbaik dan Pengaturan cairan pendingin terbaik.

Penerapan teknologi pemotongan berkecepatan tinggi juga menghadapi tantangan seperti daya rekat chip yang kuat dan konduktivitas termal yang buruk. Dalam proses pemotongan CNC, serpihan pemotongan mudah menempel atau meleleh pada ujung pahat dan mata pisau, membentuk tumor chip, menyebabkan kekasaran permukaan permukaan pemrosesan benda kerja menurun, sekaligus meningkatkan getaran selama proses pemotongan. dan mempercepat keausan alat. Dan sejumlah besar panas pemotongan tidak dapat dilakukan pada waktunya, dan bahkan panas yang dihasilkan oleh pemotongan tidak dapat dilakukan ke seluruh chip, mengakibatkan total panas alat yang masuk dibandingkan baja karbon biasa, sehingga ujung tombak kehilangan kinerja pemotongan pada suhu tinggi.

Selain itu, pemotongan berkecepatan tinggi, sebagai mode pemotongan baru, kurangnya contoh aplikasi referensi dan parameter pemotongan praktis serta database parameter pemesinan. Hal ini mengharuskan pengujian dan eksplorasi terus-menerus dalam aplikasi praktis, sehingga meningkatkan biaya dan waktu pemrosesan.

Teknologi pemotongan berkecepatan tinggi memiliki potensi besar dalam meningkatkan efisiensi produksi karena kecepatannya yang tinggi, presisi tinggi, dan kualitas permukaan yang tinggi. Pertama-tama, pemotongan berkecepatan tinggi dapat memperpendek siklus produksi secara signifikan. Misalnya, dalam industri manufaktur otomotif, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi dapat dengan cepat memproses komponen-komponen utama seperti blok mesin dan rumah transmisi, sehingga sangat mengurangi waktu pemrosesan dan meningkatkan efisiensi produksi. Menurut statistik yang relevan, setelah penerapan teknologi pemotongan berkecepatan tinggi, waktu pemrosesan suku cadang mobil dapat dikurangi sebesar 30% hingga 50%. Kedua, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi dapat mengurangi biaya pemrosesan. Karena pemotongan berkecepatan tinggi dapat mencapai proses pemesinan kasar, semi-finishing, dan finishing, penggunaan proses dan perkakas berkurang, sehingga mengurangi biaya produksi. Mengambil contoh pembuatan cetakan, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi dapat mengurangi penggunaan EDM, mengurangi biaya pemrosesan, dan meningkatkan akurasi dan kualitas permukaan cetakan. Selain itu, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi juga dapat meningkatkan kualitas produk. Saat memotong dengan kecepatan tinggi, gaya potongnya kecil dan getarannya kecil, dapat memproses bagian yang sangat presisi, dan kekasaran permukaan berkurang 1 hingga 2 tingkat, yang memenuhi kebutuhan industri manufaktur modern akan produk berpresisi tinggi.

Perkembangan teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan mendorong perkembangan industri manufaktur mesin ke arah efisiensi tinggi, presisi tinggi, fleksibilitas tinggi, dan ramah lingkungan. Di satu sisi, penerapan teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan mendorong kemajuan teknologi industri manufaktur mesin. Teknologi pemotongan berkecepatan tinggi memerlukan dukungan sejumlah teknologi canggih seperti peralatan mesin pemotong berkecepatan tinggi, perkakas pemotong berkecepatan tinggi, sistem kontrol numerik berkinerja tinggi, dan perkembangan teknologi ini akan mendorong tingkat teknis keseluruhan industri pembuatan mesin. Misalnya, penelitian dan pengembangan peralatan mesin pemotong berkecepatan tinggi memerlukan teknologi spindel yang canggih, teknologi sistem umpan, dan teknologi desain struktural, dan terobosan dalam teknologi ini akan menyediakan peralatan pemrosesan yang lebih canggih untuk industri manufaktur mesin. Di sisi lain, promosi teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan meningkatkan daya saing industri manufaktur mesin. Di tengah persaingan yang semakin ketat di industri manufaktur global, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi dapat meningkatkan kualitas produk, mengurangi biaya produksi, memperpendek siklus produksi, dan memenangkan keunggulan kompetitif pasar bagi perusahaan. Mengambil contoh industri manufaktur dirgantara, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi dapat memproses bahan ringan seperti paduan aluminium dan paduan titanium, meningkatkan kinerja dan keselamatan pesawat, serta meningkatkan daya saing perusahaan di pasar internasional.

Di masa depan, penelitian teknologi utama dalam teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan berkembang ke arah kecepatan yang lebih tinggi, presisi yang lebih tinggi, dan lebih cerdas. Dalam hal peralatan mesin pemotong berkecepatan tinggi, kecepatan spindel dan kecepatan pengumpanan akan lebih ditingkatkan, dan sistem spindel serta sistem pengumpanan yang lebih canggih akan dikembangkan untuk meningkatkan kekakuan dan stabilitas peralatan mesin. Misalnya, sistem spindel yang menggunakan teknologi levitasi magnetik dan teknologi tekanan aerostatik dapat mencapai lebih dari 100.000 RPM; Sistem pengumpanan yang menggunakan motor linier dan teknologi umpan balik skala kisi dapat berakselerasi hingga 5g dan akurasi posisi dapat mencapai tingkat mikron. Dalam hal perkakas potong berkecepatan tinggi, material perkakas dan teknologi pelapisan yang lebih canggih akan dikembangkan untuk meningkatkan kekerasan, ketahanan aus, dan ketahanan panas perkakas. Misalnya, kekerasan alat yang menggunakan teknologi pelapisan nano dapat ditingkatkan 2 hingga 3 kali lipat, dan ketahanan aus dapat ditingkatkan 5 hingga 10 kali lipat. Dalam hal sistem kontrol numerik, teknologi pemrograman dan algoritma kontrol yang lebih maju akan dikembangkan untuk meningkatkan kecepatan komputasi dan kapasitas pemrosesan data sistem kontrol numerik. Misalnya, sistem kontrol numerik yang menggunakan teknologi kecerdasan buatan dan teknologi analisis data besar dapat secara otomatis mengoptimalkan parameter pemotongan sesuai dengan karakteristik bahan dan alat pemesinan, sehingga meningkatkan efisiensi dan kualitas pemrosesan.

Pada tingkat aplikasi, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan terus memperluas bidang aplikasi dan mencapai cakupan aplikasi yang lebih luas. Di satu sisi, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan lebih banyak digunakan dalam industri manufaktur tradisional. Misalnya, di bidang manufaktur mesin, manufaktur mobil, manufaktur dirgantara, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi secara bertahap akan menggantikan teknologi pemotongan tradisional dan menjadi metode pemrosesan utama. Di sisi lain, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan diterapkan di sektor manufaktur yang sedang berkembang. Misalnya, di bidang pencetakan 3D, manufaktur mikro dan nano, manufaktur biomedis, dan sebagainya, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi dapat dikombinasikan dengan teknologi manufaktur canggih lainnya untuk mencapai pemesinan presisi tinggi pada komponen berbentuk kompleks. Selain itu, teknologi pemotongan berkecepatan tinggi akan berkembang ke arah manufaktur ramah lingkungan. Misalnya, penggunaan teknologi pemotongan kering dan teknologi pelumasan mikro dapat mengurangi penggunaan cairan pemotongan, mengurangi pencemaran lingkungan, dan mencapai manufaktur ramah lingkungan.