Технология высокоскоростной резки: преобразующая сила индивидуальной обработки с ЧПУ

В 1931 году Др. Карл Салом из Германии первым предложил теорию высокоскоростной струйной обработки, и с тех пор технология высокоскоростной резки прошла долгую историю развития. От этапа теоретических исследований и исследований к этапу прикладных фундаментальных исследований, а затем к этапу прикладных исследований, он теперь вступил в стадию разработки и применения.

В процессе развития постоянно совершенствуются ключевые технологии. Например, технология высокоскоростного шпинделя: 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 шпинделя была увеличена с более чем 10 000 об/мин вначале до 100 000 об/мин или даже выше сегодня. Ключевые технологии высокоскоростного шпинделя включают керамическую опорную конструкцию и смазку масляным туманом. В настоящее время шпиндельные системы станков со значениями dn выше 1.5×10⁶ почти все керамические подшипники.

Также выдающимся является прогресс в области высокой скорости и высокого ускорения системы подачи. Применение большого ходового винта и появление режима прямого привода линейного двигателя отвечают требованиям производительности системы подачи станков с нулевым приводом, обеспечивая высокую точность позиционирования, повторяемую точность позиционирования и скорость динамического реагирования.

Технология высокоскоростной резки имеет разные характеристики развития на разных этапах индивидуальной обработки с ЧПУ. На раннем этапе это были в основном теоретические исследования, а с развитием технологий они постепенно показали преимущества в практическом применении. Сегодня технология высокоскоростной резки широко используется в аэрокосмической, автомобильной, пресс-формовой и других отраслях промышленности, а также играет все более важную роль в области индивидуальной обработки с ЧПУ.

Высокоскоростной шпиндель совершил непрерывный технологический прорыв, используя передовые технологии, такие как керамические подшипники и гидростатические подшипники. Керамический подшипник обладает характеристиками высокой твердости, высокой прочности на сжатие, хорошей теплопроводности и износостойкости, что может эффективно увеличить срок службы и нагрузочную способность высокоскоростного шпинделя. В настоящее время шпиндельная система станка со значением dn выше 1.5×10⁶ почти все используют керамические подшипники. Кроме того, разработка аэростатического шпинделя и опорного шпинделя на магнитной подвеске также привела к новым прорывам в области высокоскоростных шпинделей. Например, обрабатывающий центр ASV-40 производства японской компании Toshiba Machinery использует аэростатический шпиндель со скоростью вращения шпинделя 80000 об/мин; Высокоскоростной обрабатывающий центр производства Mori Seiki, Япония, использует высокоскоростной шпиндель, поддерживаемый магнитными подшипниками, а его скорость может достигать 40 000 об/мин. Эти передовые технологии шпинделя значительно повышают скорость и точность шпинделя, обеспечивая надежную поддержку высокоскоростной резки.

Высокоскоростная система подачи в структуре непрерывных инноваций, использование высокоскоростной ходовой шариковой пары, линейного двигателя и других передовых конструкций значительно улучшают скорость подачи и ускорение. Скорость подачи высокоскоростной ШВП достигает 60 м/мин, а наиболее распространенная - 20 ~ 30 м/мин. Применение линейного двигателя внесло революционные изменения в систему высокоскоростной подачи. Линейный двигатель устраняет зазор и упругую деформацию механической трансмиссионной системы, уменьшает трение трансмиссии и практически не имеет обратного зазора. Линейный двигатель имеет высокие характеристики ускорения и замедления, ускорение может достигать 2g, что в 10–20 раз превышает традиционное приводное устройство, а скорость подачи в 4–5 раз превышает традиционную. Приводимый в движение линейным двигателем, он имеет очевидные преимущества: большую тягу на единицу площади, легкость в высокоскоростном движении, а механическая конструкция не требует обслуживания. Применение этих технологий отвечает требованиям быстрого перемещения и точного позиционирования станков, дает надежную гарантию высокоскоростной резки.

Режущие инструменты играют жизненно важную роль в высокоскоростной резке. С увеличением скорости резания сильно изменились материал, геометрические параметры и конструкция корпуса инструмента. В настоящее время обычно используемыми материалами для высокоскоростных режущих инструментов являются поликристаллический алмаз (PCD), кубический нитрид бора (CBN), керамика, керамика на основе Ti (C,N), инструменты с покрытием (CVD), сверхмелкозернистый карбид и так далее. Эти инструментальные материалы обладают высокой термостойкостью, термостойкостью, хорошими механическими свойствами при высоких температурах и высокой надежностью. В то же время инструментальная система высокоскоростной резки должна отвечать требованиям хорошей геометрической точности и высокой точности многократного позиционирования зажима, жесткости зажима, хорошей сбалансированности, а также безопасности и надежности при высокоскоростной работе. Уменьшите массу корпуса инструмента, насколько это возможно, чтобы уменьшить центробежную силу, возникающую при высокоскоростном вращении, удовлетворить требования безопасности высокоскоростной резки и улучшить режим зажима инструмента.

Оптимизация технологических параметров высокоскоростной резки является одной из ключевых технологий, ограничивающих применение высокоскоростной резки. Поскольку высокоскоростная резка является новым режимом резания, отсутствуют справочные примеры применения, практические параметры резки и база данных параметров обработки. Поэтому необходимо изучить и внедрить новый метод программирования, чтобы данные резки соответствовали характеристике мощности высокоскоростного шпинделя и в полной мере раскрыть преимущества высокоскоростной резки с ЧПУ. Развитие и применение технологии высокоскоростной резки зависит от всестороннего развития ключевых технологий, таких как высокоскоростной шпиндель, высокоскоростная система подачи и высокоскоростные режущие инструменты. Только координация различных технологий позволяет добиться высокой эффективности, высокой точности и высокой надежности высокоскоростной резки.

Технология высокоскоростной резки имеет много преимуществ при высокоскоростном фрезеровании с ЧПУ полости корпуса из алюминиевого сплава. Прежде всего, это может повысить эффективность обработки, высокоскоростная резка с ЧПУ позволяет использовать большую скорость подачи, в 5–10 раз выше, чем при обычной резке, скорость удаления материала в единицу времени может быть увеличена в 3–6 раз. Это имеет большое значение для обработки на станках с ЧПУ деталей полостей из алюминиевых сплавов и может значительно сократить время обработки. Во-вторых, это может обеспечить качество обработки, а по сравнению с обычной резкой сила резания может быть уменьшена как минимум на 30% во время высокоскоростной резки, что снижает деформацию обработки. Процесс высокоскоростной резки быстрый, более 95% тепла резки очень мало, детали не вызывают деформации или деформации расширения из-за повышения температуры, особенно подходят для обработки деталей, которые легко подвергаются тепловой деформации. Что касается выбора обрабатывающего инструмента и скорости подачи, скорость резания цельной твердосплавной концевой фрезы для обработки деталей из алюминиевых сплавов обычно может достигать 1000 м/мин. Если используется концевая фреза D8, скорость шпинделя определяется как 18000 об/мин, скорость черновой подачи устанавливается на 6000 мм/мин, а скорость чистовой подачи может быть выбрана на уровне 2000-3000 мм/мин с учетом жесткости фрезы. заготовка с полостью корпуса и требования к качеству поверхности деталей. Если производительность станка высока, скорость резания и скорость подачи можно соответствующим образом увеличить.

В реальном производстве технология высокоскоростной обработки имеет широкий спектр применения. Типичный пример черновой обработки: первое использование 5-дюймовой торцевой фрезы с покрытием TiAIN, скорость шпинделя 450 ~ 500 об/мин, скорость подачи 150 ~ 175 дюймов в минуту, глубина резания 0,050 дюйма, обработка большого количества летящей стружки. После черновой обработки большая часть заготовки отправляется на термообработку. Получистовая обработка начинается сразу после возврата заготовки, обычно с помощью 2-дюймовой шаровой фрезы со скоростью 2000 об/мин и скоростью подачи от 125 до 150 дюймов в минуту. При профильной резке по схеме возвратно-поступательного фрезерования расстояние между дорожками находится в пределах 0,125 дюйма. Для зигзагообразной резки можно использовать аналогичные скорости и скорости подачи, глубину резания от 0,020 до 0,050 дюйма и небольшую головку 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 шпинделя и скорость подачи фрезы высокоскоростных режущих станков значительно увеличиваются, система ЧПУ должна иметь достаточно высокую скорость вычислений и способность обработки данных. Механизм сервопривода подачи должен иметь возможность осуществлять произвольную регулировку в широком диапазоне от низкой до высокой скорости и преодолевать противоречие, возникающее в результате большой ошибки слежения системы при высокой скорости сервопривода подачи. Система ЧПУ должна иметь более короткий сервоцикл и более высокое разрешение, а также иметь функцию контроля траектории станка. возможность интерполяции кривой.

В настоящее время в системе высокоскоростной резки ЧПУ имеются некоторые проблемы. Во-первых, архитектура закрыта, что ограничивает масштабируемость и совместимость системы. Во-вторых, недостаточная интеграция с CAM, что приводит к менее плавному и эффективному программированию и обработке. Кроме того, интерполяторы и контроллеры подачи систем ЧПУ имеют ограничения. Необходимо повысить точность интерполяции, использовать функцию прямой связи и большое количество расширенных сегментов программы. Кроме того, также можно использовать технологию контурного управления, такую ​​как интерполяция NURBS, ускорение отдачи, плавная интерполяция, ускорение и замедление колокола. Контроллер подачи должен лучше справляться с требованиями к высокому ускорению и быстрому реагированию при высокоскоростной резке.

Детали из нержавеющей стали сталкиваются с тенденцией наклепа в процессе высокоскоростной резки, что создает множество проблем при обработке. Различные виды нержавеющей стали из-за разных механических свойств и химического состава, сложность резки с ЧПУ неодинакова. Высокую термическую прочность и вязкость нелегко отрезать во время высокоскоростной резки с ЧПУ, а работа, затрачиваемая на деформацию резки, довольно велика. Глубина наклепанного слоя может варьироваться от десятков микрон до сотен микрон, а явление упрочнения, возникающее в результате предыдущего резания, отрицательно влияет на следующее резание, а высокая твердость наклепанного слоя приводит к поломке инструмента. быть особенно удобным в ношении.

Чтобы решить проблему наклепа, вы можете выбрать правильный инструмент, например, форму режущей кромки с упором на остроту, хорошая острота может уменьшить тепло, выделяемое при трении о заготовку, тем самым предотвращая наклеп. В то же время необходимо установить лучшие условия обработки и лучшие настройки СОЖ.

Применение технологии высокоскоростной резки также сталкивается с такими проблемами, как сильное прилипание стружки и плохая теплопроводность. В процессе резки с ЧПУ режущий мусор легко прилипает или плавится на кончике инструмента и лезвии, образуя опухоль стружки, что приводит к ухудшению шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки и увеличению вибрации во время процесса резки. и ускорение износа инструмента. И большое количество тепла при резке не может быть отведено вовремя, и даже тепло, выделяемое при резке, не может быть передано всей стружке, в результате чего общее количество тепла входящего инструмента становится больше, чем у обычной углеродистой стали, так что режущая кромка теряет режущие свойства при высокой температуре.

Кроме того, высокоскоростная резка, как новый режим резания, не имеет справочных примеров применения, а также практических параметров резки и базы данных параметров обработки. Это приводит к необходимости постоянного тестирования и изучения практических приложений, что увеличивает стоимость и время обработки.

Технология высокоскоростной резки имеет большой потенциал для повышения эффективности производства благодаря высокой скорости, высокой точности и высокому качеству поверхности. Прежде всего, высокоскоростная резка позволяет существенно сократить производственный цикл. Например, в автомобильной промышленности технология высокоскоростной резки позволяет быстро обрабатывать ключевые компоненты, такие как блоки двигателей и корпуса трансмиссии, что значительно сокращает время обработки и повышает эффективность производства. Согласно соответствующей статистике, после внедрения технологии высокоскоростной резки время обработки автозапчастей может сократиться на 30–50%. Во-вторых, технология высокоскоростной резки позволяет снизить затраты на обработку. Поскольку высокоскоростная резка позволяет осуществлять черновую, получистовую и чистовую обработку, сокращается использование процессов и инструментов, что снижает производственные затраты. Если взять в качестве примера изготовление пресс-форм, технология высокоскоростной резки может сократить использование электроэрозионной обработки, снизить затраты на обработку и повысить точность и качество поверхности пресс-формы. Кроме того, технология высокоскоростной резки также может улучшить качество продукции. При резке на высокой скорости сила резания мала и вибрация мала, можно обрабатывать очень точные детали, а шероховатость поверхности снижается на 1-2 уровня, что отвечает потребностям современной обрабатывающей промышленности в высокоточных изделиях.

Развитие технологии высокоскоростной резки будет способствовать развитию машиностроения в направлении высокой эффективности, высокой точности, высокой гибкости и экологичности. С одной стороны, применение технологии высокоскоростной резки будет способствовать технологическому прогрессу машиностроения. Технология высокоскоростной резки требует поддержки ряда передовых технологий, таких как высокоскоростные режущие станки, высокоскоростные режущие инструменты, высокопроизводительные системы числового управления, и развитие этих технологий повысит технический уровень всего машиностроительная промышленность. Например, исследования и разработки высокоскоростных режущих станков требуют передовых технологий шпинделей, технологий систем подачи и технологий проектирования конструкций, а прорывы в этих технологиях обеспечат более совершенное технологическое оборудование для машиностроительной промышленности. С другой стороны, продвижение технологии высокоскоростной резки повысит конкурентоспособность машиностроительной отрасли. На фоне все более жесткой конкуренции в мировой обрабатывающей промышленности технология высокоскоростной резки может улучшить качество продукции, снизить производственные затраты, сократить производственный цикл и получить конкурентные преимущества на рынке для предприятий. Если взять в качестве примера аэрокосмическую промышленность, технология высокоскоростной резки может обрабатывать легкие материалы, такие как алюминиевые и титановые сплавы, улучшать характеристики и безопасность самолетов, а также повышать конкурентоспособность предприятий на международном рынке.

В будущем ключевые технологические исследования в области высокоскоростной резки будут развиваться в направлении более высокой скорости, более высокой точности и более интеллектуального подхода. Что касается высокоскоростных режущих станков, скорость шпинделя и скорость подачи будут дополнительно улучшены, а также будут разработаны более совершенные системы шпинделей и системы подачи для повышения жесткости и стабильности станка. Например, шпиндельная система, использующая технологию магнитной левитации и технологию аэростатического давления, может достигать скорости более 100 000 об/мин; Система подачи, использующая линейный двигатель и технологию обратной связи по решетчатой ​​шкале, может ускоряться до 5g, а точность позиционирования может достигать микронного уровня. Что касается высокоскоростных режущих инструментов, будут разработаны более совершенные инструментальные материалы и технологии покрытий для повышения твердости, износостойкости и термостойкости инструментов. Например, твердость инструмента с помощью технологии нанопокрытия можно увеличить в 2–3 раза, а износостойкость – в 5–10 раз. Что касается систем числового управления, будут разработаны более совершенные технологии программирования и алгоритмы управления для повышения скорости вычислений и возможностей обработки данных в системах числового управления. Например, системы числового управления, использующие технологию искусственного интеллекта и технологию анализа больших данных, могут автоматически оптимизировать параметры резки в соответствии с характеристиками обрабатываемых материалов и инструментов, повышая эффективность и качество обработки.

На уровне применения технология высокоскоростной резки будет продолжать расширять область применения и достигать более широкого спектра применений. С одной стороны, технология высокоскоростной резки будет более широко использоваться в традиционной обрабатывающей промышленности. Например, в машиностроении, автомобилестроении, аэрокосмической промышленности технология высокоскоростной резки постепенно заменит традиционную технологию резки и станет основным методом обработки. С другой стороны, технология высокоскоростной резки будет применяться в развивающемся производственном секторе. Например, в областях 3D-печати, микро- и нанопроизводства, биомедицинского производства и т. д. технология высокоскоростной резки может сочетаться с другими передовыми технологиями производства для достижения высокоточной обработки деталей сложной формы. Кроме того, технологии высокоскоростной резки будут развиваться в направлении «зеленого» производства. Например, использование технологии сухой резки и технологии микросмазки может сократить использование смазочно-охлаждающей жидкости, уменьшить загрязнение окружающей среды и добиться экологически чистого производства.