Tecnologia de corte de alta velocidade: o poder transformador da usinagem CNC personalizada

Em 1931, o Dr. Carl Salom, da Alemanha, propôs pela primeira vez a teoria da usinagem a jato de alta velocidade e, desde então, a tecnologia de corte de alta velocidade tem experimentado uma longa história de desenvolvimento. Da fase de investigação e exploração teórica, à fase de exploração da investigação básica aplicada e depois à fase de investigação aplicada, entrou agora na fase de desenvolvimento e aplicação.

No processo de desenvolvimento, tecnologias-chave estão em constante desenvolvimento. Por exemplo, a tecnologia de fuso de alta velocidade, desde o surgimento de máquinas-ferramentas de corte de alta velocidade na 11ª Feira Internacional de Máquinas-Ferramenta do Japão em 1982, o número de máquinas-ferramentas de alta velocidade tem aumentado significativamente ano após ano. A velocidade do fuso foi desenvolvida de mais de 10.000 r/min no início para 100.000 r/min ou até mais hoje. As principais tecnologias do fuso de alta velocidade incluem estrutura de rolamento de cerâmica e lubrificação por névoa de óleo. Atualmente, os sistemas de fusos de máquinas-ferramenta com valores de dn acima de 1.5×10⁶ são quase todos rolamentos de cerâmica.

O progresso da alta velocidade e alta aceleração do sistema de alimentação também é notável. A aplicação de um grande parafuso de avanço e o surgimento do modo de acionamento direto do motor linear atendem às necessidades de desempenho do sistema de alimentação de máquinas-ferramentas de acionamento zero, com alta precisão de posicionamento, precisão de posicionamento repetida e velocidade de resposta dinâmica.

A tecnologia de corte de alta velocidade possui diferentes características de desenvolvimento em diferentes estágios da usinagem CNC personalizada. Na fase inicial, tratava-se principalmente de exploração teórica e, com o avanço da tecnologia, foi gradativamente apresentando vantagens na aplicação prática. Hoje, a tecnologia de corte de alta velocidade tem sido amplamente utilizada nas indústrias aeroespacial, automotiva, de processamento de moldes e outras indústrias, e também desempenha um papel cada vez mais importante no campo da usinagem CNC personalizada.

O fuso de alta velocidade tem feito avanços contínuos em tecnologia, usando tecnologias avançadas, como rolamentos cerâmicos e rolamentos hidrostáticos. O rolamento cerâmico tem características de alta dureza, alta resistência à compressão, boa condutividade térmica e resistência ao desgaste, o que pode efetivamente melhorar a vida útil e a capacidade de carga do fuso de alta velocidade. Atualmente, o sistema de fuso de máquina-ferramenta com valor dn acima de 1.5×10⁶ quase todos adotam rolamentos cerâmicos. Além disso, o desenvolvimento do fuso aerostático e do fuso de suporte de rolamento maglev também trouxe novos avanços para o fuso de alta velocidade. Por exemplo, o centro de usinagem ASV-40 fabricado pela Toshiba Machinery Company do Japão usa um fuso aerostático com uma velocidade de fuso de 80.000 r/min; O centro de usinagem de alta velocidade fabricado pela Mori Seiki, no Japão, utiliza um fuso de alta velocidade suportado por rolamentos maglev e sua velocidade pode chegar a 40.000 r/min. Essas tecnologias avançadas de fuso melhoram muito a velocidade e a precisão do fuso, proporcionando forte suporte para corte em alta velocidade.

O sistema de alimentação de alta velocidade na estrutura de inovação contínua, o uso de fuso de esfera de chumbo de alta velocidade, motor linear e outras estruturas avançadas, melhoram muito a velocidade de alimentação e a aceleração. A velocidade de alimentação do fuso de esferas de chumbo de alta velocidade é de até 60m/min, e a mais comum é de 20 ~ 30m/min. A aplicação do motor linear trouxe mudanças revolucionárias ao sistema de alimentação de alta velocidade. O motor linear elimina a folga e a deformação elástica do sistema de transmissão mecânica, reduz o atrito da transmissão e quase não tem folga reversa. O motor linear possui características de alta aceleração e desaceleração, sendo que a aceleração pode chegar a 2g, que é de 10 a 20 vezes a do acionamento tradicional, e a velocidade de alimentação é de 4 a 5 vezes a do tradicional. Acionado por motor linear, tem as vantagens óbvias de grande empuxo por unidade de área, fácil de produzir movimento de alta velocidade e estrutura mecânica não precisa de manutenção. A aplicação dessas tecnologias atende aos requisitos de movimentação rápida e posicionamento preciso de máquinas-ferramentas e fornece uma garantia confiável para corte em alta velocidade.

As ferramentas de corte desempenham um papel vital no corte em alta velocidade. Com o aumento da velocidade de corte, o material, os parâmetros geométricos e a estrutura do corpo da ferramenta mudaram muito. Atualmente, os materiais comumente usados ​​para ferramentas de corte de alta velocidade são diamante policristalino (PCD), nitreto cúbico de boro (CBN), cerâmica, cerâmica à base de Ti (C,N), ferramentas revestidas (CVD), carboneto de grão ultrafino e assim por diante. Esses materiais de ferramentas têm alta resistência ao calor, resistência ao choque térmico, boas propriedades mecânicas em altas temperaturas e alta confiabilidade. Ao mesmo tempo, o sistema de ferramentas de corte em alta velocidade deve atender aos requisitos de boa precisão geométrica e alta precisão de posicionamento repetido de fixação, rigidez de fixação, bom estado de equilíbrio e segurança e confiabilidade durante operação em alta velocidade. Reduza ao máximo a massa do corpo da ferramenta para reduzir a força centrífuga sofrida pela rotação em alta velocidade, atender aos requisitos de segurança do corte em alta velocidade e melhorar o modo de fixação da ferramenta.

A otimização dos parâmetros do processo de corte em alta velocidade é uma das principais tecnologias que restringem a aplicação do corte em alta velocidade. Como o corte em alta velocidade é um novo modo de corte, faltam exemplos de aplicação de referência, parâmetros práticos de corte e banco de dados de parâmetros de usinagem. Portanto, é necessário estudar e adotar um novo método de programação para tornar os dados de corte adequados à curva característica de potência do fuso de alta velocidade e aproveitar ao máximo as vantagens do corte CNC de alta velocidade. O desenvolvimento e a aplicação da tecnologia de corte de alta velocidade dependem do desenvolvimento abrangente de tecnologias de unidades-chave, como fuso de alta velocidade, sistema de alimentação de alta velocidade e ferramentas de corte de alta velocidade. Somente a coordenação de várias tecnologias pode alcançar alta eficiência, alta precisão e alta confiabilidade no corte em alta velocidade.

A tecnologia de corte de alta velocidade tem muitas vantagens no fresamento CNC de alta velocidade de cavidades de liga de alumínio. Em primeiro lugar, pode melhorar a eficiência do processamento, o corte CNC de alta velocidade permite o uso de uma taxa de avanço maior, 5 a 10 vezes maior que o corte convencional, por unidade de tempo a taxa de remoção de material pode ser aumentada em 3 a 6 vezes. É de grande importância para a usinagem CNC de peças com cavidades de liga de alumínio e pode reduzir bastante o tempo de processamento. Em segundo lugar, pode garantir a qualidade do processamento e, em comparação com o corte convencional, a força de corte pode ser reduzida em pelo menos 30% durante o corte em alta velocidade, reduzindo a deformação do processamento. O processo de corte em alta velocidade é rápido, mais de 95% do calor de corte é muito pequeno, as peças não causarão empenamento ou deformação por expansão devido ao aumento da temperatura, especialmente adequado para processar peças que são fáceis de deformar por aquecimento. Em termos de ferramenta de usinagem e seleção de velocidade de avanço, a velocidade de corte de toda a fresa de topo de metal duro para processamento de peças de liga de alumínio pode geralmente atingir 1000m/min. Se a fresa de topo D8 for usada, a velocidade do fuso é determinada como 18.000 r/min, a velocidade de avanço de desbaste é definida como 6.000 mm/min e a velocidade de avanço de acabamento pode ser selecionada para ser 2.000-3.000 mm/min considerando a rigidez do peça de trabalho com cavidade e os requisitos de qualidade da superfície das peças. Se o desempenho da máquina-ferramenta for alto, a velocidade de corte e a velocidade de avanço podem ser aumentadas adequadamente.

Na produção real, a tecnologia de usinagem de alta velocidade tem uma ampla gama de aplicações. Para um exemplo típico de desbaste, o primeiro uso de fresa de face de borda com pastilha de revestimento TiAIN de 5 polegadas, velocidade do fuso 450 ~ 500 rpm, taxa de avanço 150 ~ 175 ipm, profundidade de corte 0,050 polegadas, processando um grande número de cavacos voando. Após o desbaste, a maior parte da peça é enviada para tratamento térmico. O semiacabamento começa assim que a peça é devolvida, geralmente com uma fresa de ponta esférica de 2 polegadas a 2.000 rpm e uma velocidade de alimentação de 125 a 150 ipm. Para corte de perfil seguindo um padrão de fresamento alternativo, o espaçamento entre pistas é de 0,125 polegadas. Para corte em zigue-zague, velocidades e velocidades de avanço semelhantes, profundidade de corte de 0,020 a 0,050 "e um cabeçote pequeno de 2,5" de diâmetro podem ser usados. Além disso, ferramentas menores também podem ser usadas para conectar o chanfro.

O corte em alta velocidade possui requisitos especiais para sistemas CNC. Como a velocidade do fuso e a velocidade de alimentação do cortador das máquinas-ferramentas de corte de alta velocidade aumentam bastante, o sistema CNC é necessário para ter velocidade de computação rápida e capacidade de processamento de dados suficientes. O servomecanismo de alimentação deve ser capaz de realizar ajustes arbitrários em uma ampla faixa, de baixa velocidade a alta velocidade, e superar a contradição de erro de seguimento de sistema grande quando a velocidade do servo de alimentação é alta. O sistema CNC é obrigado a ter um ciclo servo mais curto e maior resolução, ao mesmo tempo que possui a função de monitoramento da trajetória a ser máquina. capacidade de interpolação de curva.

Atualmente, existem alguns problemas no sistema CNC de corte em alta velocidade. Primeiro, a arquitetura é fechada, o que limita a escalabilidade e a compatibilidade do sistema. Em segundo lugar, a integração com o CAM é insuficiente, resultando numa programação e processamento menos suaves e eficientes. Além disso, os interpoladores e controladores de alimentação dos sistemas CNC apresentam limitações. A precisão da interpolação precisa ser melhorada e a função de feedforward e um grande número de segmentos de programas avançados devem ser usados. Além disso, a tecnologia de controle de contorno, como interpolação NURBS, aceleração de recuo, interpolação suave, aceleração e desaceleração do sino também pode ser usada. O controlador de avanço precisa lidar melhor com os requisitos de alta aceleração e resposta rápida do corte em alta velocidade.

As peças de aço inoxidável enfrentam a tendência de endurecimento no processo de corte em alta velocidade, o que traz muitos problemas ao processamento. Diferentes tipos de aço inoxidável devido às diferentes propriedades mecânicas e composição química, a dificuldade do corte CNC não é a mesma. Alta resistência térmica e tenacidade não são fáceis de serem cortadas durante o corte CNC em alta velocidade, e o trabalho consumido durante a deformação do corte é muito grande. A profundidade da camada de endurecimento pode variar de dezenas de mícrons a centenas de mícrons, e o fenômeno de endurecimento gerado pelo corte anterior tem um efeito adverso no próximo corte, e a alta dureza da camada de endurecimento faz com que a ferramenta ser particularmente fácil de usar.

Para resolver o problema do endurecimento por trabalho, você pode escolher a ferramenta certa, como um formato de aresta de corte com ênfase na nitidez, uma boa nitidez pode reduzir o calor gerado pelo atrito com a peça, evitando assim o endurecimento por trabalho. Ao mesmo tempo, é necessário definir as melhores condições de processamento e as melhores configurações de refrigeração.

A aplicação da tecnologia de corte de alta velocidade também enfrenta desafios como forte adesão de cavacos e baixa condutividade térmica. No processo de corte CNC, os detritos de corte são fáceis de aderir ou derreter na ponta da ferramenta e da lâmina, formando um tumor de cavaco, causando a deterioração da rugosidade da superfície de processamento da peça, enquanto aumenta a vibração durante o processo de corte e acelerando o desgaste da ferramenta. E uma grande quantidade de calor de corte não pode ser dissipada a tempo, e mesmo o calor gerado pelo corte não pode ser conduzido para todo o cavaco, resultando no calor total da ferramenta de entrada do que o aço carbono comum, de modo que a aresta de corte perde o desempenho de corte em alta temperatura.

Além disso, o corte em alta velocidade, como um novo modo de corte, carece de exemplos de aplicação de referência, parâmetros práticos de corte e banco de dados de parâmetros de usinagem. Isso torna necessário testar e explorar constantemente aplicações práticas, aumentando o custo e o tempo de processamento.

A tecnologia de corte de alta velocidade tem grande potencial para melhorar a eficiência da produção devido à sua alta velocidade, alta precisão e alta qualidade superficial. Em primeiro lugar, o corte em alta velocidade pode reduzir significativamente o ciclo de produção. Por exemplo, na indústria automotiva, a tecnologia de corte de alta velocidade pode processar rapidamente componentes importantes, como blocos de motor e carcaças de transmissão, reduzindo significativamente o tempo de processamento e melhorando a eficiência da produção. De acordo com as estatísticas relevantes, após a adoção da tecnologia de corte de alta velocidade, o tempo de processamento das peças automotivas pode ser reduzido em 30% a 50%. Em segundo lugar, a tecnologia de corte de alta velocidade pode reduzir os custos de processamento. Como o corte em alta velocidade pode atingir processos de usinagem de desbaste, semiacabamento e acabamento, o uso de processos e ferramentas é reduzido, reduzindo assim os custos de produção. Tomando como exemplo a fabricação de moldes, a tecnologia de corte de alta velocidade pode reduzir o uso de EDM, reduzir os custos de processamento e melhorar a precisão e a qualidade da superfície do molde. Além disso, a tecnologia de corte de alta velocidade também pode melhorar a qualidade do produto. Ao cortar em alta velocidade, a força de corte é pequena e a vibração é pequena, pode processar peças muito precisas e a rugosidade da superfície é reduzida em 1 a 2 níveis, o que atende às necessidades da moderna indústria manufatureira de produtos de alta precisão.

O desenvolvimento da tecnologia de corte de alta velocidade promoverá o desenvolvimento da indústria de fabricação de máquinas na direção de alta eficiência, alta precisão, alta flexibilidade e verde. Por um lado, a aplicação da tecnologia de corte de alta velocidade promoverá o progresso tecnológico da indústria de fabricação de máquinas. A tecnologia de corte de alta velocidade requer o suporte de uma série de tecnologias avançadas, como máquinas-ferramentas de corte de alta velocidade, ferramentas de corte de alta velocidade, sistemas de controle numérico de alto desempenho, e o desenvolvimento dessas tecnologias impulsionará o nível técnico de todo o indústria de fabricação de máquinas. Por exemplo, a pesquisa e o desenvolvimento de máquinas-ferramentas de corte de alta velocidade requerem tecnologia avançada de fuso, tecnologia de sistema de alimentação e tecnologia de projeto estrutural, e os avanços nessas tecnologias fornecerão equipamentos de processamento mais avançados para a indústria de fabricação de máquinas. Por outro lado, a promoção da tecnologia de corte de alta velocidade melhorará a competitividade da indústria transformadora de máquinas. Num contexto de concorrência cada vez mais acirrada na indústria transformadora global, a tecnologia de corte de alta velocidade pode melhorar a qualidade do produto, reduzir os custos de produção, encurtar o ciclo de produção e ganhar vantagens competitivas de mercado para as empresas. Tomando como exemplo a indústria aeroespacial, a tecnologia de corte de alta velocidade pode processar materiais leves, como ligas de alumínio e ligas de titânio, melhorar o desempenho e a segurança das aeronaves e aumentar a competitividade das empresas no mercado internacional.

No futuro, a pesquisa tecnológica chave da tecnologia de corte de alta velocidade se desenvolverá na direção de maior velocidade, maior precisão e mais inteligência. Em termos de máquinas-ferramentas de corte de alta velocidade, a velocidade do fuso e a velocidade de avanço serão melhoradas ainda mais, e sistemas de fuso e sistemas de alimentação mais avançados serão desenvolvidos para melhorar a rigidez e estabilidade da máquina-ferramenta. Por exemplo, o sistema de fuso que utiliza tecnologia de levitação magnética e tecnologia de pressão aerostática pode atingir mais de 100.000 RPM; O sistema de alimentação usando motor linear e tecnologia de feedback de escala de grade pode acelerar até 5g e a precisão de posicionamento pode atingir o nível de mícron. Em termos de ferramentas de corte de alta velocidade, serão desenvolvidos materiais de ferramentas e tecnologias de revestimento mais avançados para melhorar a dureza, a resistência ao desgaste e a resistência ao calor das ferramentas. Por exemplo, a dureza da ferramenta usando a tecnologia de nanorrevestimento pode ser aumentada de 2 a 3 vezes e a resistência ao desgaste pode ser aumentada de 5 a 10 vezes. Em termos de sistemas de controlo numérico, serão desenvolvidas tecnologias de programação e algoritmos de controlo mais avançados para melhorar a velocidade de computação e a capacidade de processamento de dados dos sistemas de controlo numérico. Por exemplo, sistemas de controle numérico que utilizam tecnologia de inteligência artificial e tecnologia de análise de big data podem otimizar automaticamente os parâmetros de corte de acordo com as características dos materiais e ferramentas de usinagem, melhorando a eficiência e a qualidade do processamento.

No nível da aplicação, a tecnologia de corte de alta velocidade continuará a expandir o campo de aplicação e alcançar uma gama mais ampla de aplicações. Por um lado, a tecnologia de corte de alta velocidade será mais amplamente utilizada na indústria manufatureira tradicional. Por exemplo, nas áreas de fabricação de máquinas, fabricação de automóveis, fabricação aeroespacial, a tecnologia de corte de alta velocidade substituirá gradualmente a tecnologia de corte tradicional e se tornará o método de processamento convencional. Por outro lado, a tecnologia de corte de alta velocidade será aplicada no setor industrial emergente. Por exemplo, nas áreas de impressão 3D, fabricação micro e nano, fabricação biomédica e assim por diante, a tecnologia de corte de alta velocidade pode ser combinada com outras tecnologias de fabricação avançadas para obter usinagem de alta precisão de peças de formatos complexos. Além disso, a tecnologia de corte de alta velocidade se desenvolverá na direção da fabricação verde. Por exemplo, o uso da tecnologia de corte a seco e da tecnologia de microlubrificação pode reduzir o uso de fluido de corte, reduzir a poluição ambiental e alcançar uma fabricação verde.