Technologia szybkiego cięcia: rewolucyjna moc niestandardowej obróbki CNC

W 1931 roku dr. Carl Salom z Niemiec jako pierwszy zaproponował teorię obróbki strumieniowej z dużą prędkością i od tego czasu technologia cięcia z dużą prędkością ma długą historię rozwoju. Od etapu badań teoretycznych i eksploracji, poprzez etap eksploracji badań stosowanych, a następnie do etapu badań stosowanych, wszedł on obecnie w fazę rozwoju i zastosowania.

W procesie rozwoju kluczowe technologie są stale udoskonalane. Na przykład technologia wrzecion wysokoobrotowych: od czasu pojawienia się szybkoobrotowych obrabiarek skrawających podczas 11. Międzynarodowego Salonu Obrabiarek w Japonii w 1982 r. liczba szybkoobrotowych obrabiarek znacznie wzrasta z roku na rok. Prędkość wrzeciona wzrosła z ponad 10000 obr/min na początku do 100 000 obr/min lub nawet więcej obecnie. Kluczowe technologie wrzeciona o dużej prędkości obejmują ceramiczną konstrukcję łożyska i smarowanie mgłą olejową. Obecnie systemy wrzecion obrabiarek o wartościach dn powyżej 1.5×10⁶ to prawie wyłącznie łożyska ceramiczne.

Postęp w zakresie dużych prędkości i dużych przyspieszeń układu podawania jest również znakomity. Zastosowanie dużej śruby pociągowej i pojawienie się trybu napędu bezpośredniego silnika liniowego zaspokajają potrzeby wydajności układu podawania obrabiarek z napędem zerowym, z wysoką dokładnością pozycjonowania, powtarzalną dokładnością pozycjonowania i dynamiczną szybkością reakcji.

Technologia szybkiego cięcia ma różną charakterystykę rozwoju na różnych etapach niestandardowej obróbki CNC. W początkowej fazie były to głównie eksploracje teoretyczne, a wraz z postępem technologii stopniowo wykazywały zalety w praktycznym zastosowaniu. Obecnie technologia szybkiego cięcia jest szeroko stosowana w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, przetwórstwie form i innych gałęziach przemysłu, a także odgrywa coraz większą rolę w dziedzinie niestandardowej obróbki CNC.

Wrzeciono wysokoobrotowe dokonuje ciągłych przełomów technologicznych, wykorzystując zaawansowane technologie, takie jak łożyska ceramiczne i łożyska hydrostatyczne. Łożysko ceramiczne charakteryzuje się wysoką twardością, wysoką wytrzymałością na ściskanie, dobrą przewodnością cieplną i odpornością na zużycie, co może skutecznie poprawić żywotność i nośność wrzeciona o dużej prędkości. Obecnie układ wrzeciona obrabiarki o wartości dn powyżej 1.5×10⁶ prawie wszystkie wykorzystują łożyska ceramiczne. Ponadto rozwój wrzeciona aerostatycznego i wrzeciona podporowego z łożyskiem magnetycznym przyniósł również nowe przełomy w dziedzinie wrzeciona wysokoobrotowego. Na przykład centrum obróbcze ASV-40 wyprodukowane przez firmę Toshiba Machinery Company z Japonii wykorzystuje wrzeciono aerostatyczne o prędkości wrzeciona 80000 obr/min; Wysokoobrotowe centrum obróbcze wyprodukowane przez Mori Seiki w Japonii wykorzystuje szybkie wrzeciono obsługiwane przez łożyska maglev, a jego prędkość może osiągnąć 40000 obr./min. Te zaawansowane technologie wrzecion znacznie poprawiają prędkość i dokładność wrzeciona, zapewniając silne wsparcie w przypadku obróbki z dużą prędkością.

Szybki system podawania w strukturze ciągłych innowacji, zastosowanie szybkiej śruby kulowej pociągowej, silnika liniowego i innych zaawansowanych konstrukcji znacznie poprawia prędkość i przyspieszenie posuwu. Prędkość posuwu szybkiej śruby kulowej pociągowej wynosi aż 60 m/min, a częściej wynosi 20 ~ 30 m/min. Zastosowanie silnika liniowego przyniosło rewolucyjne zmiany w systemie szybkiego podawania. Silnik liniowy eliminuje luz i odkształcenie sprężyste mechanicznego układu przeniesienia napędu, zmniejsza tarcie w przekładni i prawie nie ma luzu wstecznego. Silnik liniowy ma wysoką charakterystykę przyspieszania i zwalniania, a przyspieszenie może osiągnąć 2 g, czyli 10 do 20 razy więcej niż w przypadku tradycyjnego urządzenia napędowego, a prędkość posuwu jest 4 do 5 razy więcej niż w przypadku tradycyjnego urządzenia napędowego. Napędzany silnikiem liniowym, ma oczywiste zalety: duży ciąg na jednostkę powierzchni, łatwy do uzyskania ruch z dużą prędkością, a konstrukcja mechaniczna nie wymaga konserwacji. Zastosowanie tych technologii spełnia wymagania szybkiego ruchu i dokładnego pozycjonowania obrabiarek oraz zapewnia niezawodną gwarancję szybkiego cięcia.

Narzędzia skrawające odgrywają kluczową rolę w cięciu z dużą prędkością. Wraz ze wzrostem prędkości skrawania zmieniły się znacząco materiał, parametry geometryczne i struktura korpusu narzędzia. Obecnie powszechnie stosowanymi materiałami narzędzi skrawających do obróbki szybkościowej są diament polikrystaliczny (PCD), sześcienny azotek boru (CBN), ceramika, ceramika na bazie Ti (C,N), narzędzia powlekane (CVD), węglik o ultradrobnym ziarnie i tak dalej. Te materiały narzędziowe mają wysoką odporność na ciepło, odporność na szok termiczny, dobre właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach i wysoką niezawodność. Jednocześnie system narzędzi do szybkiego cięcia musi spełniać wymagania dobrej dokładności geometrycznej i wysokiej dokładności powtarzalnego pozycjonowania mocowania, sztywności mocowania, dobrego stanu wyważenia oraz bezpieczeństwa i niezawodności podczas pracy z dużymi prędkościami. Zmniejsz masę korpusu narzędzia tak bardzo, jak to możliwe, aby zmniejszyć siłę odśrodkową powstającą w wyniku obrotu z dużą prędkością, spełnić wymagania bezpieczeństwa dotyczące szybkiego cięcia i poprawić tryb mocowania narzędzia.

Optymalizacja parametrów procesu skrawania szybkobieżnego jest jedną z kluczowych technologii ograniczających zastosowanie skrawania szybkobieżnego. Ponieważ cięcie z dużymi prędkościami jest nowym trybem skrawania, brakuje przykładów zastosowań referencyjnych oraz praktycznej bazy danych parametrów skrawania i parametrów obróbki. Dlatego konieczne jest zbadanie i przyjęcie nowej metody programowania, aby dane skrawania były odpowiednie dla krzywej charakterystyki mocy wrzeciona o dużej prędkości i w pełni wykorzystać zalety szybkiego cięcia CNC. Rozwój i zastosowanie technologii szybkiego cięcia zależy od wszechstronnego rozwoju kluczowych technologii jednostkowych, takich jak wysokoobrotowe wrzeciono, szybki system posuwu i wysokoobrotowe narzędzia skrawające. Tylko koordynacja różnych technologii pozwala osiągnąć wysoką wydajność, wysoką precyzję i wysoką niezawodność szybkiego cięcia.

Technologia szybkiego cięcia ma wiele zalet w przypadku szybkiego frezowania CNC powłoki wnęki ze stopu aluminium. Przede wszystkim może poprawić wydajność obróbki, szybkie cięcie CNC pozwala na zastosowanie większego posuwu, 5 do 10 razy większego niż cięcie konwencjonalne, w jednostce czasu szybkość usuwania materiału można zwiększyć od 3 do 6 razy. Ma to ogromne znaczenie w obróbce CNC części wnękowych ze stopu aluminium i może znacznie skrócić czas przetwarzania. Po drugie, może zapewnić jakość obróbki, a w porównaniu z cięciem konwencjonalnym siła skrawania może zostać zmniejszona o co najmniej 30% podczas cięcia z dużą prędkością, zmniejszając odkształcenie podczas obróbki. Proces cięcia z dużą prędkością jest szybki, ponad 95% ciepła skrawania jest bardzo małe, części nie spowodują wypaczenia ani deformacji rozszerzającej ze względu na wzrost temperatury, szczególnie nadaje się do obróbki części, które są łatwe do odkształcenia pod wpływem ciepła. Jeśli chodzi o wybór narzędzia obróbczego i prędkości posuwu, prędkość skrawania całego frezu palcowego z węglików spiekanych do obróbki części ze stopu aluminium może zazwyczaj osiągnąć 1000 m/min. Jeśli używany jest frez palcowy D8, prędkość wrzeciona określa się na 18000 obr/min, prędkość posuwu przy obróbce zgrubnej ustawia się na 6000 mm/min, a prędkość posuwu wykańczającego można wybrać na 2000-3000 mm/min, biorąc pod uwagę sztywność przedmiotu obrabianego z powłoką wnęki i wymagań dotyczących jakości powierzchni części. Jeśli wydajność obrabiarki jest wysoka, można odpowiednio zwiększyć prędkość skrawania i posuw.

W rzeczywistej produkcji technologia obróbki szybkościowej ma szeroki zakres zastosowań. Typowy przykład obróbki zgrubnej: pierwsze użycie 5-calowego frezu czołowego z powłoką TiAIN, prędkość wrzeciona 450 ~ 500 obr./min, prędkość posuwu 150 ~ 175 ipm, głębokość skrawania 0,050 cala, obróbka dużej liczby lecących wiórów. Po obróbce zgrubnej większość przedmiotu obrabianego jest wysyłana na zewnątrz do obróbki cieplnej. Półwykańczająca obróbka rozpoczyna się natychmiast po zwróceniu przedmiotu obrabianego, zwykle za pomocą 2-calowego frezu z kulistą końcówką, pracującego z prędkością 2000 obr./min i prędkością posuwu od 125 do 150 ipm. W przypadku cięcia profili po frezowaniu postępowo-zwrotnym odstęp między ścieżkami wynosi 0,125 cala. Do cięcia zygzakowego można zastosować podobne prędkości i prędkości posuwu, głębokość skrawania od 0,020 do 0,050 cala i małą głowicę o średnicy 2,5 cala. Ponadto do łączenia fazowania można również użyć mniejszych narzędzi.

Cięcie z dużą prędkością ma specjalne wymagania dla systemów CNC. Ponieważ prędkość wrzeciona i prędkość posuwu frezu w szybkich obrabiarkach skrawających są znacznie zwiększone, system CNC musi mieć wystarczająco dużą prędkość obliczeniową i zdolność przetwarzania danych. Mechanizm serwa posuwu powinien umożliwiać dowolną regulację w szerokim zakresie od niskiej do dużej prędkości i przezwyciężyć sprzeczność występującą w przypadku dużego systemu po błędzie, gdy prędkość serwa posuwu jest wysoka. Od systemu CNC wymaga się krótszego cyklu serwomechanizmu i wyższej rozdzielczości, a jednocześnie posiadania funkcji monitorowania trajektorii maszyny. możliwość interpolacji krzywych.

Obecnie występują pewne problemy w systemie CNC szybkiego cięcia. Po pierwsze, architektura jest zamknięta, co ogranicza skalowalność i kompatybilność systemu. Po drugie, nie ma wystarczającej integracji z CAM, co skutkuje mniej płynnym i wydajnym programowaniem i przetwarzaniem. Ponadto interpolatory i sterowniki posuwu systemów CNC mają ograniczenia. Należy poprawić precyzję interpolacji, zastosować funkcję wyprzedzającą i dużą liczbę zaawansowanych segmentów programu. Ponadto można zastosować technologię kontroli konturu, taką jak interpolacja NURBS, przyspieszanie odrzutu, płynna interpolacja, przyspieszanie i zwalnianie dzwonu. Sterownik posuwu musi lepiej radzić sobie z wymaganiami dotyczącymi dużych przyspieszeń i szybkiej reakcji podczas cięcia z dużą prędkością.

Części ze stali nierdzewnej borykają się z tendencją do utwardzania przez zgniot w procesie skrawania z dużymi prędkościami, co stwarza wiele problemów w obróbce. Różne rodzaje stali nierdzewnej ze względu na różne właściwości mechaniczne i skład chemiczny, trudność cięcia CNC nie jest taka sama. Wysoka wytrzymałość termiczna i wytrzymałość nie są łatwe do odcięcia podczas szybkiego cięcia CNC, a praca zużyta podczas odkształcania cięcia jest dość duża. Głębokość warstwy utwardzającej się przez zgniot może wynosić od kilkudziesięciu mikronów do setek mikronów, a zjawisko umocnienia przez zgniot generowane przez poprzednie skrawanie ma niekorzystny wpływ na kolejne skrawanie, a duża twardość warstwy utwardzającej się przez zgniot powoduje, że narzędzie być szczególnie łatwe w noszeniu.

Aby rozwiązać problem utwardzania przez zgniot, można wybrać odpowiednie narzędzie, np. kształt krawędzi tnącej z naciskiem na ostrość, dobra ostrość może zmniejszyć ciepło powstające w wyniku tarcia o obrabiany przedmiot, zapobiegając w ten sposób hartowaniu przez zgniot. Jednocześnie konieczne jest ustawienie najlepszych warunków przetwarzania i najlepszych ustawień chłodziwa.

Zastosowanie technologii skrawania z dużą prędkością wiąże się również z wyzwaniami, takimi jak duża przyczepność wiórów i słaba przewodność cieplna. W procesie cięcia CNC pozostałości po cięciu łatwo przylegają lub topią się na końcówce narzędzia i ostrzu, tworząc guz wiórowy, powodując pogorszenie chropowatości powierzchni obrabianego przedmiotu, jednocześnie zwiększając wibracje podczas procesu cięcia i przyspieszające zużycie narzędzi. Duża ilość ciepła skrawania nie może zostać odprowadzona na czas, a nawet ciepło wytworzone podczas skrawania nie może zostać odprowadzone do całego wióra, co powoduje, że całkowite ciepło przychodzącego narzędzia jest wyższe niż w przypadku zwykłej stali węglowej, tak że krawędź skrawająca traci właściwości cięcia w wysokiej temperaturze.

Ponadto w cięciu szybkobieżnym, jako nowym trybie skrawania, brakuje referencyjnych przykładów zastosowań oraz praktycznej bazy danych parametrów skrawania i parametrów obróbki. Powoduje to konieczność ciągłego testowania i odkrywania praktycznych zastosowań, co zwiększa koszty i czas przetwarzania.

Technologia cięcia z dużą prędkością ma ogromny potencjał w zakresie poprawy wydajności produkcji ze względu na dużą prędkość, wysoką precyzję i wysoką jakość powierzchni. Przede wszystkim szybkie cięcie może znacznie skrócić cykl produkcyjny. Na przykład w przemyśle motoryzacyjnym technologia szybkiego cięcia umożliwia szybką obróbkę kluczowych komponentów, takich jak bloki silnika i obudowy przekładni, znacznie skracając czas przetwarzania i poprawiając wydajność produkcji. Według odpowiednich statystyk, po przyjęciu technologii szybkiego cięcia, czas obróbki części samochodowych można skrócić o 30% do 50%. Po drugie, technologia szybkiego cięcia może obniżyć koszty przetwarzania. Ponieważ cięcie z dużą prędkością umożliwia realizację procesów obróbki zgrubnej, półwykańczającej i wykańczającej, zmniejsza się wykorzystanie procesów i narzędzi, zmniejszając w ten sposób koszty produkcji. Biorąc za przykład produkcję form, technologia szybkiego cięcia może zmniejszyć użycie obróbki elektroerozyjnej, obniżyć koszty przetwarzania oraz poprawić dokładność i jakość powierzchni formy. Ponadto technologia szybkiego cięcia może również poprawić jakość produktu. Podczas cięcia z dużą prędkością siła skrawania jest niewielka, a wibracje niewielkie, może obrabiać bardzo precyzyjne części, a chropowatość powierzchni zmniejsza się o 1 do 2 poziomów, co odpowiada potrzebom nowoczesnego przemysłu wytwórczego na produkty o wysokiej precyzji.

Rozwój technologii szybkiego cięcia będzie sprzyjał rozwojowi przemysłu produkcji maszyn w kierunku wysokiej wydajności, wysokiej precyzji, wysokiej elastyczności i ekologii. Z jednej strony zastosowanie technologii szybkiego cięcia będzie sprzyjać postępowi technologicznemu przemysłu maszynowego. Technologia szybkiego cięcia wymaga wsparcia szeregu zaawansowanych technologii, takich jak szybkoobrotowe obrabiarki skrawające, szybkoobrotowe narzędzia skrawające, wysokowydajne systemy sterowania numerycznego, a rozwój tych technologii będzie napędzał poziom techniczny całego przemysł produkcji maszyn. Na przykład badania i rozwój szybkich obrabiarek skrawających wymagają zaawansowanej technologii wrzecion, technologii systemów podawania i technologii projektowania strukturalnego, a przełomy w tych technologiach zapewnią bardziej zaawansowany sprzęt przetwarzający dla przemysłu produkującego maszyny. Z drugiej strony promocja technologii szybkiego cięcia poprawi konkurencyjność przemysłu maszynowego. W kontekście coraz bardziej zaciętej konkurencji w światowym przemyśle produkcyjnym, technologia szybkiego cięcia może poprawić jakość produktu, obniżyć koszty produkcji, skrócić cykl produkcyjny i zdobyć przewagę konkurencyjną na rynku dla przedsiębiorstw. Biorąc za przykład przemysł lotniczy i kosmiczny, technologia szybkiego cięcia może przetwarzać lekkie materiały, takie jak stop aluminium i stop tytanu, poprawiać wydajność i bezpieczeństwo samolotów oraz zwiększać konkurencyjność przedsiębiorstw na rynku międzynarodowym.

W przyszłości kluczowe badania technologiczne w zakresie technologii szybkiego cięcia będą rozwijać się w kierunku większej prędkości, wyższej precyzji i większej inteligencji. Jeśli chodzi o obrabiarki szybkotnące, prędkość wrzeciona i prędkość posuwu zostaną w dalszym ciągu ulepszone, a także opracowane zostaną bardziej zaawansowane systemy wrzecion i systemy posuwu w celu poprawy sztywności i stabilności obrabiarki. Na przykład system wrzeciona wykorzystujący technologię lewitacji magnetycznej i technologię ciśnienia aerostatycznego może osiągnąć ponad 100 000 obr./min; System podawania wykorzystujący silnik liniowy i technologię sprzężenia zwrotnego skali siatki może przyspieszyć do 5 g, a dokładność pozycjonowania może osiągnąć poziom mikronów. Jeśli chodzi o narzędzia skrawające o dużej prędkości, opracowane zostaną bardziej zaawansowane materiały narzędziowe i technologie powlekania w celu poprawy twardości, odporności na zużycie i odporności cieplnej narzędzi. Na przykład twardość narzędzia wykorzystującego technologię nanopowłoki można zwiększyć 2 do 3 razy, a odporność na zużycie można zwiększyć 5 do 10 razy. Jeśli chodzi o systemy sterowania numerycznego, opracowane zostaną bardziej zaawansowane technologie programowania i algorytmy sterowania w celu poprawy szybkości obliczeń i wydajności przetwarzania danych w systemach sterowania numerycznego. Na przykład systemy sterowania numerycznego wykorzystujące technologię sztucznej inteligencji i technologię analizy dużych zbiorów danych mogą automatycznie optymalizować parametry skrawania zgodnie z charakterystyką materiałów i narzędzi do obróbki, poprawiając wydajność i jakość przetwarzania.

Na poziomie aplikacji technologia szybkiego cięcia będzie w dalszym ciągu poszerzać zakres zastosowań i zapewniać szerszy zakres zastosowań. Z jednej strony technologia szybkiego cięcia będzie szerzej stosowana w tradycyjnym przemyśle produkcyjnym. Na przykład w dziedzinie produkcji maszyn, samochodów, przemysłu lotniczego technologia szybkiego cięcia stopniowo zastąpi tradycyjną technologię cięcia i stanie się głównym sposobem przetwarzania. Z drugiej strony, technologia szybkiego cięcia będzie stosowana w powstającym sektorze produkcyjnym. Na przykład w dziedzinie druku 3D, produkcji mikro i nano, produkcji biomedycznej itp. technologię szybkiego cięcia można połączyć z innymi zaawansowanymi technologiami produkcyjnymi, aby uzyskać precyzyjną obróbkę części o skomplikowanych kształtach. Ponadto technologia szybkiego cięcia będzie się rozwijać w kierunku zielonej produkcji. Na przykład zastosowanie technologii cięcia na sucho i technologii mikrosmarowania może zmniejszyć zużycie płynu obróbkowego, zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska i osiągnąć ekologiczną produkcję.