Technologia szybkiego cięcia: transformacyjna moc obróbki CNC na zamówienie

W 1931 roku dr Carl Salom z Niemiec po raz pierwszy zaproponował teorię obróbki strumieniowo-ciśnieniowej z wysokimi prędkościami. Od tego czasu technologia cięcia z wysokimi prędkościami ma długą historię rozwoju. Od etapu badań teoretycznych i eksploracji, poprzez fazę eksploracji badań podstawowych stosowanych, aż po fazę badań stosowanych, weszła w fazę rozwoju i zastosowań.

W procesie rozwoju stale rozwijane są kluczowe technologie. Na przykład, w przypadku technologii wrzecion szybkoobrotowych, od momentu pojawienia się obrabiarek szybkoobrotowych na 11. Międzynarodowych Targach Obrabiarek w Japonii w 1982 roku, liczba obrabiarek szybkoobrotowych znacząco wzrosła z roku na rok. Prędkość obrotowa wrzeciona wzrosła z ponad 10 000 obr./min na początku do 100 000 obr./min, a nawet więcej obecnie. Kluczowe technologie wrzecion szybkoobrotowych obejmują ceramiczną konstrukcję łożysk i smarowanie mgłą olejową. Obecnie wrzeciona obrabiarek o wartościach dn powyżej 1,5×10⁶ są niemal w całości wyposażone w łożyska ceramiczne.

Postęp w zakresie dużych prędkości i przyspieszeń układu posuwu jest również imponujący. Zastosowanie dużej śruby pociągowej i pojawienie się trybu napędu bezpośredniego silnika liniowego spełniają wymagania dotyczące wydajności układu posuwu obrabiarek z napędem zerowym, zapewniając wysoką dokładność pozycjonowania, powtarzalność pozycjonowania i szybkość reakcji dynamicznej.

Technologia szybkiego skrawania charakteryzuje się różnymi cechami rozwojowymi na różnych etapach obróbki CNC. Na wczesnym etapie była to głównie eksploracja teoretyczna, a wraz z postępem technologicznym stopniowo zyskiwała na znaczeniu w praktyce. Obecnie technologia szybkiego skrawania jest szeroko stosowana w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, w obróbce form i innych gałęziach przemysłu, a także odgrywa coraz ważniejszą rolę w dziedzinie obróbki CNC.

Wrzeciona szybkoobrotowe nieustannie się rozwijają, wykorzystując zaawansowane technologie, takie jak łożyska ceramiczne i hydrostatyczne. Łożyska ceramiczne charakteryzują się wysoką twardością, wysoką wytrzymałością na ściskanie, dobrą przewodnością cieplną i odpornością na zużycie, co skutecznie wydłuża żywotność i zwiększa nośność wrzecion szybkoobrotowych. Obecnie prawie wszystkie systemy wrzecion obrabiarek o wartości dn powyżej 1,5×10⁶ wykorzystują łożyska ceramiczne. Ponadto, rozwój wrzeciona aerostatycznego i wrzeciona podtrzymującego łożyska maglev również przyniósł nowe przełomy w dziedzinie wrzecion szybkoobrotowych. Na przykład, centrum obróbcze ASV-40 produkowane przez japońską firmę Toshiba Machinery Company wykorzystuje wrzeciono aerostatyczne o prędkości obrotowej 80000 obr./min; centrum obróbcze szybkoobrotowe produkowane przez japońską firmę Mori Seiki wykorzystuje wrzeciono szybkoobrotowe podparte łożyskami maglev, a jego prędkość może sięgać 40000 obr./min. Te zaawansowane technologie wrzecion znacznie poprawiają prędkość obrotową i dokładność wrzeciona, zapewniając solidne wsparcie dla obróbki z dużą prędkością.

Szybki system posuwu, oparty na ciągłych innowacjach, dzięki zastosowaniu śrub kulowych, silników liniowych i innych zaawansowanych konstrukcji, znacznie poprawia prędkość posuwu i przyspieszenie. Prędkość posuwu szybkich śrub kulowych sięga 60 m/min, a najczęściej spotykana to 20–30 m/min. Zastosowanie silników liniowych przyniosło rewolucyjne zmiany w szybkim systemie posuwu. Silnik liniowy eliminuje luz i odkształcenia sprężyste mechanicznego układu napędowego, zmniejsza tarcie i praktycznie eliminuje luz wsteczny. Silnik liniowy charakteryzuje się wysokim przyspieszeniem i hamowaniem, osiągając przyspieszenie 2g, czyli 10–20 razy większe niż w przypadku tradycyjnych napędów, a prędkość posuwu jest 4–5 razy większa niż w przypadku tradycyjnych napędów. Napędzany silnikiem liniowym, ma oczywiste zalety: duży nacisk na jednostkę powierzchni, łatwość wykonywania szybkich ruchów i brak konieczności konserwacji konstrukcji mechanicznej. Zastosowanie tych technologii spełnia wymagania dotyczące szybkiego przemieszczania i precyzyjnego pozycjonowania obrabiarek, a także zapewnia niezawodną gwarancję szybkiego cięcia.

Narzędzia skrawające odgrywają kluczową rolę w obróbce szybkobieżnej. Wraz ze wzrostem prędkości skrawania, materiał, parametry geometryczne i struktura korpusu narzędzia uległy znacznej zmianie. Obecnie powszechnie stosowanymi materiałami narzędzi skrawających szybkobieżnych są diament polikrystaliczny (PCD), regularny azotek boru (CBN), ceramika, ceramika na bazie Ti (C, N), narzędzia powlekane (CVD), węglik spiekany o ultradrobnym ziarnie itd. Te materiały narzędziowe charakteryzują się wysoką odpornością na ciepło, szoki termiczne, dobrymi właściwościami mechanicznymi w wysokich temperaturach i wysoką niezawodnością. Jednocześnie system narzędzi do obróbki szybkobieżnej musi spełniać wymagania dotyczące dobrej dokładności geometrycznej, wysokiej dokładności powtarzalnego pozycjonowania mocowania, sztywności mocowania, dobrego stanu wyważenia oraz bezpieczeństwa i niezawodności podczas obróbki szybkobieżnej. Należy maksymalnie zredukować masę korpusu narzędzia, aby zmniejszyć siłę odśrodkową działającą na narzędzia podczas obróbki szybkobieżnej, spełnić wymagania bezpieczeństwa obróbki szybkobieżnej i poprawić sposób mocowania narzędzia.

Optymalizacja parametrów procesu skrawania z dużą prędkością jest jedną z kluczowych technologii ograniczających zastosowanie skrawania z dużą prędkością. Ponieważ skrawanie z dużą prędkością jest nowym trybem skrawania, brakuje przykładów referencyjnych zastosowań oraz bazy danych praktycznych parametrów skrawania i obróbki. Dlatego konieczne jest zbadanie i przyjęcie nowej metody programowania, aby dostosować dane skrawania do krzywej charakterystyki mocy wrzeciona szybkoobrotowego i w pełni wykorzystać zalety skrawania z dużą prędkością CNC. Rozwój i zastosowanie technologii skrawania z dużą prędkością zależy od kompleksowego rozwoju kluczowych technologii jednostkowych, takich jak wrzeciono szybkoobrotowe, system posuwu z dużą prędkością i narzędzia skrawające z dużą prędkością. Tylko koordynacja różnych technologii może osiągnąć wysoką wydajność, wysoką precyzję i wysoką niezawodność skrawania z dużą prędkością.

Technologia szybkiego skrawania ma wiele zalet w szybkim frezowaniu CNC korpusów wnęk ze stopów aluminium. Przede wszystkim, może poprawić wydajność obróbki. Szybkie skrawanie CNC pozwala na zastosowanie większego posuwu, od 5 do 10 razy wyższego niż skrawanie konwencjonalne, co pozwala na 3- do 6-krotne zwiększenie wydajności usuwania materiału w jednostce czasu. Ma to ogromne znaczenie dla obróbki CNC elementów wnęk ze stopów aluminium i może znacznie skrócić czas obróbki. Po drugie, zapewnia jakość obróbki, a w porównaniu z skrawaniem konwencjonalnym, siła skrawania może zostać zmniejszona o co najmniej 30% podczas szybkiego skrawania, co zmniejsza odkształcenia. Proces szybkiego skrawania jest szybki, a ponad 95% ciepła skrawania jest bardzo niskie, a elementy nie ulegają odkształceniom ani deformacjom rozszerzalnościowym z powodu wzrostu temperatury, co jest szczególnie przydatne do obróbki elementów podatnych na odkształcenia cieplne. Jeśli chodzi o dobór narzędzia obróbczego i prędkości posuwu, prędkość skrawania frezu trzpieniowego z węglika spiekanego do obróbki elementów ze stopów aluminium może zazwyczaj osiągnąć 1000 m/min. W przypadku użycia frezu walcowo-czołowego D8, prędkość wrzeciona wynosi 18000 obr./min, prędkość posuwu obróbki zgrubnej 6000 mm/min, a prędkość posuwu obróbki wykończeniowej 2000-3000 mm/min, biorąc pod uwagę sztywność przedmiotu obrabianego w formie gniazda i wymagania dotyczące jakości powierzchni. Przy wysokiej wydajności obrabiarki, prędkość skrawania i posuw można odpowiednio zwiększyć.

W rzeczywistej produkcji technologia obróbki szybkobieżnej ma szeroki zakres zastosowań. W typowym przykładzie obróbki zgrubnej, pierwsze użycie 5-calowego frezu czołowego z powłoką TiAIN, prędkość wrzeciona 450–500 obr./min, posuw 150–175 cali/min, głębokość skrawania 0,050 cala, obróbka dużej liczby wiórów. Po obróbce zgrubnej większość przedmiotu obrabianego jest kierowana na zewnątrz w celu obróbki cieplnej. Obróbka półwykańczająca rozpoczyna się natychmiast po powrocie przedmiotu obrabianego, zazwyczaj przy użyciu 2-calowego frezu kulowego o prędkości 2000 obr./min i prędkości posuwu 125–150 cali/min. W przypadku frezowania profilowego posuwisto-zwrotnego odstęp między torami wynosi 0,125 cala. W przypadku frezowania zygzakowatego, można zastosować podobne prędkości i posuwy, głębokość skrawania od 0,020 do 0,050 cala, oraz małą głowicę o średnicy 2,5 cala. Ponadto do łączenia faz można używać także mniejszych narzędzi.

Obróbka z dużą prędkością skrawania stawia szczególne wymagania systemom CNC. Ponieważ prędkość wrzeciona i prędkość posuwu frezu w obrabiarkach szybkoobrotowych są znacznie zwiększone, system CNC musi charakteryzować się wystarczającą szybkością obliczeniową i możliwościami przetwarzania danych. Mechanizm serwoposuwu powinien umożliwiać dowolną regulację w szerokim zakresie prędkości, od niskiej do wysokiej, a także eliminować sprzeczności wynikające z dużego błędu śledzenia systemu przy wysokiej prędkości serwoposuwu. System CNC musi charakteryzować się krótszym cyklem serwo i wyższą rozdzielczością, a jednocześnie posiadać funkcję monitorowania trajektorii, aby maszyna mogła wykonywać obliczenia. System CNC musi również posiadać funkcję interpolacji krzywych.

Obecnie w systemach CNC do szybkiego cięcia występują pewne problemy. Po pierwsze, architektura jest zamknięta, co ogranicza skalowalność i kompatybilność systemu. Po drugie, brak wystarczającej integracji z CAM, co skutkuje mniej płynnym i wydajnym programowaniem i przetwarzaniem. Ponadto, interpolatory i regulatory posuwu systemów CNC mają ograniczenia. Należy poprawić precyzję interpolacji oraz wykorzystać funkcję sprzężenia wyprzedzającego i dużą liczbę zaawansowanych segmentów programu. Dodatkowo, możliwe jest wykorzystanie technologii sterowania konturem, takich jak interpolacja NURBS, przyspieszenie odrzutu, płynna interpolacja, przyspieszenie i hamowanie dzwonowe. Regulator posuwu musi lepiej radzić sobie z wysokim przyspieszeniem i wymaganiami szybkiej reakcji w procesie szybkiego cięcia.

Elementy ze stali nierdzewnej są poddawane procesowi utwardzania zgniotowego w procesie skrawania z dużą prędkością, co stwarza wiele problemów. Różne rodzaje stali nierdzewnej, ze względu na zróżnicowane właściwości mechaniczne i skład chemiczny, charakteryzują się odmiennymi trudnościami w obróbce CNC. Wysoka wytrzymałość termiczna i udarność utrudniają skrawanie z dużą prędkością, a praca potrzebna do odkształcenia materiału podczas skrawania jest dość duża. Głębokość warstwy utwardzającej zgniotowo może wahać się od kilkudziesięciu do kilkuset mikronów, a zjawisko utwardzania zgniotowego generowane przez poprzednie skrawanie ma negatywny wpływ na kolejne skrawanie. Wysoka twardość warstwy utwardzającej zgniotowo powoduje, że narzędzie jest szczególnie podatne na zużycie.

Aby rozwiązać problem utwardzania zgniotowego, należy dobrać odpowiednie narzędzie, np. o odpowiednim kształcie krawędzi skrawającej, z naciskiem na jej ostrość. Dobra ostrość może zmniejszyć ciepło generowane przez tarcie o obrabiany przedmiot, zapobiegając w ten sposób utwardzaniu zgniotowemu. Jednocześnie konieczne jest ustawienie optymalnych warunków obróbki i ustawień chłodziwa.

Zastosowanie technologii szybkiego skrawania wiąże się również z wyzwaniami, takimi jak silne przyleganie wiórów i słaba przewodność cieplna. W procesie skrawania CNC, wióry łatwo przywierają do końcówki narzędzia i ostrza lub topią się na nich, tworząc guz wiórowy. Powoduje to pogorszenie chropowatości obrabianej powierzchni, a jednocześnie zwiększa wibracje podczas skrawania i przyspiesza zużycie narzędzia. Ponadto, duża ilość ciepła skrawania nie może być odprowadzana na czas, a nawet ciepło generowane podczas skrawania nie może być odprowadzane do całego wióra. W rezultacie, całkowite ciepło narzędzia jest większe niż w przypadku zwykłej stali węglowej, przez co krawędź skrawająca traci swoje właściwości skrawania w wysokich temperaturach.

Ponadto, skrawanie z dużą prędkością, jako nowy tryb obróbki, nie posiada przykładów zastosowań referencyjnych ani bazy danych praktycznych parametrów skrawania i obróbki. To wymusza ciągłe testowanie i sprawdzanie w praktycznych zastosowaniach, co zwiększa koszty i czas obróbki.

Technologia szybkiego cięcia ma ogromny potencjał w zakresie poprawy wydajności produkcji ze względu na wysoką prędkość, wysoką precyzję i wysoką jakość powierzchni. Przede wszystkim, technologia szybkiego cięcia może znacznie skrócić cykl produkcyjny. Na przykład w przemyśle motoryzacyjnym technologia szybkiego cięcia pozwala na szybką obróbkę kluczowych komponentów, takich jak bloki silników i obudowy skrzyń biegów, znacznie skracając czas obróbki i poprawiając wydajność produkcji. Według odpowiednich statystyk, po wdrożeniu technologii szybkiego cięcia, czas obróbki części samochodowych może zostać skrócony o 30% do 50%. Po drugie, technologia szybkiego cięcia może obniżyć koszty obróbki. Ponieważ technologia szybkiego cięcia umożliwia obróbkę zgrubną, półwykańczającą i wykańczającą, zmniejsza się wykorzystanie procesów i narzędzi, co obniża koszty produkcji. Biorąc za przykład produkcję form, technologia szybkiego cięcia może ograniczyć użycie elektrodrążenia, obniżyć koszty obróbki oraz poprawić dokładność i jakość powierzchni formy. Ponadto, technologia szybkiego cięcia może również poprawić jakość produktu. Podczas cięcia z dużą prędkością siła cięcia jest niewielka, a wibracje niewielkie, co umożliwia obróbkę bardzo precyzyjnych części, a chropowatość powierzchni zmniejsza się o 1 do 2 poziomów, co spełnia potrzeby nowoczesnego przemysłu wytwórczego w zakresie produktów o wysokiej precyzji.

Rozwój technologii szybkiego cięcia będzie promować rozwój przemysłu maszynowego w kierunku wysokiej wydajności, precyzji, elastyczności i ekologii. Z jednej strony, zastosowanie technologii szybkiego cięcia będzie sprzyjać postępowi technologicznemu w przemyśle maszynowym. Technologia szybkiego cięcia wymaga wsparcia szeregu zaawansowanych technologii, takich jak obrabiarki szybkotnące, narzędzia szybkotnące, wysokowydajne systemy sterowania numerycznego, a rozwój tych technologii będzie napędzał poziom techniczny całego przemysłu maszynowego. Na przykład, badania i rozwój obrabiarek szybkotnących wymagają zaawansowanej technologii wrzecion, technologii systemów posuwowych i technologii projektowania konstrukcji, a przełomowe osiągnięcia w tych technologiach zapewnią bardziej zaawansowany sprzęt przetwórczy dla przemysłu maszynowego. Z drugiej strony, promocja technologii szybkiego cięcia poprawi konkurencyjność przemysłu maszynowego. W obliczu coraz bardziej zaciętej konkurencji w globalnym przemyśle wytwórczym, technologia szybkiego cięcia może poprawić jakość produktów, obniżyć koszty produkcji, skrócić cykl produkcyjny i zapewnić przedsiębiorstwom przewagę konkurencyjną na rynku. Biorąc za przykład przemysł lotniczy i kosmiczny, technologia szybkiego cięcia umożliwia obróbkę lekkich materiałów, takich jak stopy aluminium i stopy tytanu, poprawia osiągi i bezpieczeństwo samolotów oraz zwiększa konkurencyjność przedsiębiorstw na rynku międzynarodowym.

W przyszłości kluczowe badania technologiczne w zakresie technologii szybkiego skrawania będą się rozwijać w kierunku większej prędkości, wyższej precyzji i większej inteligencji. W przypadku obrabiarek do szybkiego skrawania, prędkość wrzeciona i prędkość posuwu będą dalej ulepszane, a bardziej zaawansowane systemy wrzecion i systemów posuwu zostaną opracowane w celu poprawy sztywności i stabilności obrabiarki. Na przykład, system wrzeciona wykorzystujący technologię lewitacji magnetycznej i technologię ciśnienia aerostatycznego może osiągnąć prędkość ponad 100 000 obr./min; system posuwu wykorzystujący silnik liniowy i technologię sprzężenia zwrotnego z podziałką gratingową może przyspieszyć do 5g, a dokładność pozycjonowania może sięgać mikronów. W przypadku narzędzi do szybkiego skrawania, opracowywane będą bardziej zaawansowane materiały narzędziowe i technologie powlekania w celu poprawy twardości, odporności na zużycie i odporności cieplnej narzędzi. Na przykład, twardość narzędzia dzięki technologii nanopowłoki może zostać zwiększona 2-3-krotnie, a odporność na zużycie 5-10-krotnie. W przypadku systemów sterowania numerycznego, opracowywane będą bardziej zaawansowane technologie programowania i algorytmy sterowania w celu poprawy szybkości obliczeniowej i wydajności przetwarzania danych systemów sterowania numerycznego. Przykładowo systemy sterowania numerycznego wykorzystujące technologię sztucznej inteligencji i analizę dużych zbiorów danych mogą automatycznie optymalizować parametry skrawania zgodnie z właściwościami materiałów i narzędzi obróbczych, zwiększając wydajność i jakość obróbki.

Na poziomie zastosowań, technologia szybkiego cięcia będzie nadal poszerzać pole zastosowań i osiągać szerszy zakres zastosowań. Z jednej strony, technologia szybkiego cięcia będzie szerzej wykorzystywana w tradycyjnym przemyśle wytwórczym. Na przykład, w dziedzinach produkcji maszyn, przemysłu samochodowego, przemysłu lotniczego i kosmicznego, technologia szybkiego cięcia będzie stopniowo zastępować tradycyjną technologię cięcia i stanie się główną metodą przetwarzania. Z drugiej strony, technologia szybkiego cięcia będzie stosowana w rozwijającym się sektorze wytwórczym. Na przykład, w dziedzinach druku 3D, mikro- i nanoprodukcji, produkcji biomedycznej itd., technologia szybkiego cięcia może być łączona z innymi zaawansowanymi technologiami produkcyjnymi w celu osiągnięcia precyzyjnej obróbki części o złożonych kształtach. Ponadto, technologia szybkiego cięcia będzie rozwijać się w kierunku zielonej produkcji. Na przykład, zastosowanie technologii suchego cięcia i technologii mikrosmarowania może zmniejszyć zużycie płynu obróbkowego, zmniejszyć zanieczyszczenie środowiska i osiągnąć zieloną produkcję.