Технология высокоскоростной резки: преобразующая сила обработки на станках с ЧПУ по индивидуальному заказу.

В 1931 году немецкий доктор Карл Салом впервые предложил теорию высокоскоростной струйной обработки, и с тех пор технология высокоскоростной резки прошла долгий путь развития. От стадии теоретических исследований и изысканий до стадии фундаментальных прикладных исследований, а затем до стадии прикладных исследований, она вступила в стадию разработки и применения.

В процессе развития постоянно совершенствуются ключевые технологии. Например, технология высокоскоростных шпинделей: с момента появления высокоскоростных режущих станков на 11-й Японской международной выставке станков в 1982 году количество высокоскоростных станков значительно увеличивалось из года в год. Скорость вращения шпинделя выросла с более чем 10000 об/мин вначале до 100000 об/мин и даже выше сегодня. Ключевые технологии высокоскоростных шпинделей включают в себя керамическую подшипниковую конструкцию и масляную смазку. В настоящее время системы шпинделей станков со значениями dn выше 1,5×10⁶ почти все оснащены керамическими подшипниками.

Выдающиеся показатели скорости и ускорения системы подачи также впечатляют. Применение большого ходового винта и появление режима прямого привода линейного двигателя отвечают требованиям к характеристикам системы подачи станков с нулевым приводом, обеспечивая высокую точность позиционирования, точность повторного позиционирования и скорость динамического отклика.

Технология высокоскоростной резки имеет различные особенности развития на разных этапах обработки деталей на станках с ЧПУ. На ранних этапах она носила преимущественно теоретический характер, а с развитием технологий постепенно продемонстрировала свои преимущества на практике. Сегодня технология высокоскоростной резки широко используется в аэрокосмической, автомобильной, литейной и других отраслях промышленности, а также играет все более важную роль в области обработки деталей на станках с ЧПУ.

В высокоскоростных шпинделях постоянно происходят технологические прорывы благодаря использованию передовых технологий, таких как керамические и гидростатические подшипники. Керамические подшипники обладают такими характеристиками, как высокая твердость, высокая прочность на сжатие, хорошая теплопроводность и износостойкость, что позволяет эффективно увеличить срок службы и несущую способность высокоскоростных шпинделей. В настоящее время в системах шпинделей станков с коэффициентом dn выше 1,5×10⁶ почти все используются керамические подшипники. Кроме того, разработка аэростатических шпинделей и шпинделей с магнитной левитацией также принесла новые достижения в высокоскоростных шпинделях. Например, обрабатывающий центр ASV-40 производства японской компании Toshiba Machinery Company использует аэростатический шпиндель со скоростью вращения 80000 об/мин; высокоскоростной обрабатывающий центр производства японской компании Mori Seiki использует высокоскоростной шпиндель с магнитной левитацией, скорость вращения которого может достигать 40000 об/мин. Эти передовые технологии значительно повышают скорость и точность вращения шпинделя, обеспечивая надежную поддержку высокоскоростной резки.

В высокоскоростных системах подачи, благодаря постоянным инновациям в конструкции, использование высокоскоростных шариковых винтовых передач, линейных двигателей и других передовых решений значительно повышает скорость подачи и ускорение. Скорость подачи высокоскоростных шариковых винтовых передач достигает 60 м/мин, а наиболее распространенная составляет 20–30 м/мин. Применение линейных двигателей произвело революционные изменения в высокоскоростных системах подачи. Линейный двигатель устраняет зазоры и упругие деформации механической системы передачи, снижает трение передачи и практически не имеет зазоров при обратном ходе. Линейный двигатель обладает высокими характеристиками ускорения и замедления, ускорение может достигать 2g, что в 10–20 раз больше, чем у традиционных приводных устройств, а скорость подачи в 4–5 раз выше, чем у традиционных. Привод на основе линейного двигателя имеет очевидные преимущества: большая тяга на единицу площади, легкость создания высокоскоростного движения и отсутствие необходимости в техническом обслуживании механической конструкции. Применение этих технологий отвечает требованиям быстрого перемещения и точного позиционирования станков и обеспечивает надежную гарантию высокоскоростной резки.

Режущие инструменты играют жизненно важную роль в высокоскоростной резке. С увеличением скорости резания значительно изменяются материал, геометрические параметры и структура корпуса инструмента. В настоящее время наиболее распространенными материалами для высокоскоростных режущих инструментов являются поликристаллический алмаз (PCD), кубический нитрид бора (CBN), керамика, керамика на основе Ti (C,N), инструменты с покрытием (CVD), ультрамелкозернистый карбид и т. д. Эти материалы обладают высокой термостойкостью, термоударопрочностью, хорошими высокотемпературными механическими свойствами и высокой надежностью. В то же время, система инструмента для высокоскоростной резки должна соответствовать требованиям высокой геометрической точности и высокой точности позиционирования при многократном зажиме, жесткости зажима, хорошего баланса, а также безопасности и надежности при высокоскоростной работе. Необходимо максимально уменьшить массу корпуса инструмента, чтобы снизить центробежную силу, испытываемую высокоскоростным вращением, обеспечить безопасность высокоскоростной резки и улучшить режим зажима инструмента.

Оптимизация параметров процесса высокоскоростной резки является одной из ключевых технологий, ограничивающих ее применение. Поскольку высокоскоростная резка — это новый способ обработки, существует недостаток примеров применения и практических баз данных параметров резки и параметров обработки. Поэтому необходимо изучить и внедрить новый метод программирования, позволяющий адаптировать параметры резки к характеристикам мощности высокоскоростного шпинделя и в полной мере использовать преимущества высокоскоростной резки с ЧПУ. Развитие и применение технологии высокоскоростной резки зависит от комплексного развития ключевых технологий, таких как высокоскоростной шпиндель, система высокоскоростной подачи и высокоскоростные режущие инструменты. Только координация различных технологий может обеспечить высокую эффективность, точность и надежность высокоскоростной резки.

Технология высокоскоростной резки имеет множество преимуществ при высокоскоростном фрезеровании алюминиевых сплавов методом обработки полостей на станках с ЧПУ. Во-первых, она позволяет повысить эффективность обработки: высокоскоростная резка на станках с ЧПУ позволяет использовать более высокую скорость подачи, в 5-10 раз превышающую скорость традиционной резки, а скорость съема материала за единицу времени может быть увеличена в 3-6 раз. Это имеет большое значение для обработки алюминиевых сплавов методом обработки на станках с ЧПУ и позволяет значительно сократить время обработки. Во-вторых, она обеспечивает качество обработки: по сравнению с традиционной резкой, усилие резания может быть снижено как минимум на 30% при высокоскоростной резке, что уменьшает деформацию при обработке. Процесс высокоскоростной резки происходит быстро, более 95% тепла резания выделяется очень мало, детали не деформируются и не расширяются из-за повышения температуры, что особенно подходит для обработки деталей, легко подверженных тепловой деформации. Что касается выбора инструмента и скорости подачи, скорость резания твердосплавной концевой фрезы для обработки деталей из алюминиевых сплавов обычно достигает 1000 м/мин. При использовании концевой фрезы D8 скорость вращения шпинделя определяется как 18000 об/мин, скорость черновой подачи устанавливается на уровне 6000 мм/мин, а скорость чистовой подачи может быть выбрана в диапазоне 2000-3000 мм/мин с учетом жесткости заготовки и требований к качеству поверхности деталей. При высокой производительности станка скорость резания и скорость подачи могут быть соответствующим образом увеличены.

В реальном производстве высокоскоростная обработка находит широкое применение. В качестве типичного примера черновой обработки можно привести использование 5-дюймовой фрезы с титановым покрытием (TiAIN), скорость вращения шпинделя 450–500 об/мин, подачу 150–175 дюймов в минуту, глубину резания 0,050 дюйма, при этом обрабатывается большое количество стружки. После черновой обработки большая часть заготовки отправляется на термообработку. После возврата заготовки начинается получистовая обработка, обычно с помощью 2-дюймовой шаровой фрезы со скоростью вращения 2000 об/мин и подачей 125–150 дюймов в минуту. Для профильной резки с возвратно-поступательным движением фрезера шаг фрезы составляет 0,125 дюйма. Для зигзагообразной резки используются аналогичные скорости и подачи, глубина резания 0,020–0,050 дюйма, а также небольшая головка диаметром 2,5 дюйма. Кроме того, для соединения фаски можно использовать и более мелкие инструменты.

Высокоскоростная резка предъявляет особые требования к системам ЧПУ. Поскольку скорость вращения шпинделя и скорость подачи фрезы в высокоскоростных станках значительно возрастают, система ЧПУ должна обладать достаточно высокой вычислительной скоростью и возможностями обработки данных. Механизм сервопривода подачи должен обеспечивать произвольную регулировку в широком диапазоне скоростей, от низких до высоких, и преодолевать противоречие, связанное с большой ошибкой следования системы при высокой скорости сервопривода подачи. Система ЧПУ должна иметь более короткий цикл сервопривода и более высокое разрешение, а также функцию мониторинга траектории обработки и возможность интерполяции кривых.

В настоящее время в системах ЧПУ для высокоскоростной резки существуют некоторые проблемы. Во-первых, архитектура закрытая, что ограничивает масштабируемость и совместимость системы. Во-вторых, недостаточная интеграция с CAM-системами приводит к менее плавному и эффективному программированию и обработке. Кроме того, интерполяторы и контроллеры подачи в системах ЧПУ имеют ограничения. Необходимо повысить точность интерполяции, а также использовать функцию прямой связи и большое количество расширенных сегментов программы. Помимо этого, можно использовать технологии управления контуром, такие как NURBS-интерполяция, ускорение отдачи, плавная интерполяция, колоколообразное ускорение и замедление. Контроллер подачи должен лучше справляться с высокими требованиями к ускорению и быстрой реакции при высокоскоростной резке.

Детали из нержавеющей стали сталкиваются с тенденцией к упрочнению при высокоскоростной резке, что создает множество проблем в процессе обработки. Различные виды нержавеющей стали из-за разных механических свойств и химического состава имеют разную сложность обработки на станках с ЧПУ. Высокая термическая прочность и ударная вязкость затрудняют резку при высокоскоростной обработке на станках с ЧПУ, а трудозатраты при деформации при резке довольно велики. Глубина слоя упрочнения может варьироваться от десятков до сотен микрон, а явление упрочнения, вызванное предыдущей резкой, оказывает негативное воздействие на последующую резку, и высокая твердость слоя упрочнения приводит к особенно быстрому износу инструмента.

Для решения проблемы упрочнения материала при обработке можно выбрать подходящий инструмент, например, форму режущей кромки с упором на остроту. Хорошая острота позволяет снизить тепловыделение, выделяемое при трении о заготовку, тем самым предотвращая упрочнение материала. Одновременно необходимо установить оптимальные условия обработки и параметры охлаждающей жидкости.

Применение высокоскоростной технологии резки также сталкивается с такими проблемами, как сильное прилипание стружки и низкая теплопроводность. В процессе резки на станках с ЧПУ стружка легко прилипает или плавится на кончике инструмента и лезвии, образуя стружковые «опухоли», что приводит к ухудшению шероховатости поверхности обрабатываемой заготовки, а также увеличивает вибрацию в процессе резки и ускоряет износ инструмента. Кроме того, большое количество тепла, выделяемого при резке, не может быть своевременно отведено, и даже тепло, выделяемое при резке, не может быть отведено от всей стружки, в результате чего общее количество тепла, выделяемого инструментом, превышает количество тепла, выделяемого обычной углеродистой сталью, что приводит к снижению режущей способности режущей кромки при высоких температурах.

Кроме того, высокоскоростная резка, как новый метод резки, не имеет примеров применения и базы данных практических параметров резки и обработки. Это делает необходимым постоянное тестирование и исследование в практических условиях, что увеличивает стоимость и время обработки.

Технология высокоскоростной резки обладает огромным потенциалом для повышения эффективности производства благодаря высокой скорости, точности и качеству поверхности. Во-первых, высокоскоростная резка может значительно сократить производственный цикл. Например, в автомобильной промышленности технология высокоскоростной резки позволяет быстро обрабатывать ключевые компоненты, такие как блоки цилиндров и корпуса трансмиссий, значительно сокращая время обработки и повышая эффективность производства. Согласно соответствующей статистике, после внедрения технологии высокоскоростной резки время обработки автомобильных деталей может сократиться на 30–50%. Во-вторых, технология высокоскоростной резки может снизить затраты на обработку. Поскольку высокоскоростная резка позволяет выполнять черновую, получистовую и чистовую обработку, сокращается использование технологических процессов и инструментов, что снижает производственные затраты. В качестве примера рассмотрим производство пресс-форм: технология высокоскоростной резки позволяет сократить использование электроэрозионной обработки, снизить затраты на обработку и повысить точность и качество поверхности пресс-форм. Кроме того, технология высокоскоростной резки также может улучшить качество продукции. При высокоскоростной резке усилие резания и вибрация невелики, что позволяет обрабатывать очень точные детали, а шероховатость поверхности снижается в 1-2 раза, отвечая потребностям современной обрабатывающей промышленности в высокоточных изделиях.

Развитие высокоскоростных технологий резки будет способствовать развитию машиностроительной отрасли в направлении высокой эффективности, высокой точности, высокой гибкости и экологичности. С одной стороны, применение высокоскоростных технологий резки будет способствовать технологическому прогрессу машиностроительной отрасли. Высокоскоростная резка требует поддержки ряда передовых технологий, таких как высокоскоростные станки, высокоскоростные режущие инструменты, высокопроизводительные системы числового программного управления, и развитие этих технологий будет определять технический уровень всей машиностроительной отрасли. Например, исследования и разработки высокоскоростных станков требуют передовых технологий шпинделя, систем подачи и конструктивного проектирования, и прорывы в этих технологиях обеспечат машиностроительную отрасль более современным обрабатывающим оборудованием. С другой стороны, внедрение высокоскоростных технологий резки повысит конкурентоспособность машиностроительной отрасли. В условиях все более жесткой конкуренции в мировой обрабатывающей промышленности высокоскоростные технологии резки могут улучшить качество продукции, снизить производственные затраты, сократить производственный цикл и обеспечить предприятиям конкурентные преимущества на рынке. На примере аэрокосмической отрасли можно показать, что технология высокоскоростной резки позволяет обрабатывать легкие материалы, такие как алюминиевые и титановые сплавы, повышать летно-технические характеристики и безопасность самолетов, а также укреплять конкурентоспособность предприятий на международном рынке.

В будущем ключевые технологические исследования в области высокоскоростной резки будут развиваться в направлении повышения скорости, точности и интеллектуальности. В сфере высокоскоростных режущих станков будет дополнительно улучшена скорость вращения шпинделя и скорость подачи, а также разработаны более совершенные шпиндельные и подающие системы для повышения жесткости и стабильности станка. Например, шпиндельная система, использующая технологию магнитной левитации и аэростатического давления, может достигать скорости вращения более 100 000 об/мин; подающая система, использующая линейный двигатель и технологию обратной связи по решетчатой ​​шкале, может обеспечивать ускорение до 5g, а точность позиционирования может достигать микронного уровня. В сфере высокоскоростных режущих инструментов будут разработаны более совершенные материалы и технологии нанесения покрытий для повышения твердости, износостойкости и термостойкости инструментов. Например, твердость инструмента с использованием нанопокрытия может быть увеличена в 2-3 раза, а износостойкость — в 5-10 раз. В сфере систем числового управления будут разработаны более совершенные технологии программирования и алгоритмы управления для повышения скорости вычислений и производительности обработки данных в системах числового управления. Например, системы числового управления, использующие технологии искусственного интеллекта и анализа больших данных, могут автоматически оптимизировать параметры резания в соответствии с характеристиками обрабатываемых материалов и инструментов, повышая эффективность и качество обработки.

На уровне применения высокоскоростная резка будет продолжать расширять свою область применения и достигать более широкого спектра возможностей. С одной стороны, высокоскоростная резка будет все шире использоваться в традиционной обрабатывающей промышленности. Например, в машиностроении, автомобилестроении, аэрокосмической отрасли высокоскоростная резка постепенно заменит традиционные методы резки и станет основным методом обработки. С другой стороны, высокоскоростная резка будет применяться в новых отраслях обрабатывающей промышленности. Например, в 3D-печати, микро- и нанопроизводстве, биомедицинском производстве и т. д. высокоскоростная резка может сочетаться с другими передовыми технологиями производства для достижения высокоточной обработки деталей сложной формы. Кроме того, высокоскоростная резка будет развиваться в направлении экологически чистого производства. Например, использование технологии сухой резки и технологии микросмазки позволяет сократить расход смазочно-охлаждающей жидкости, уменьшить загрязнение окружающей среды и обеспечить экологически чистое производство.