Công nghệ cắt tốc độ cao: sức mạnh biến đổi của gia công tùy chỉnh CNC

Năm 1931, Tiến sĩ. Carl Salom của Đức lần đầu tiên đề xuất lý thuyết gia công tia tốc độ cao và kể từ đó, công nghệ cắt tốc độ cao đã trải qua một lịch sử phát triển lâu dài. Từ giai đoạn nghiên cứu và thăm dò lý thuyết, đến giai đoạn thăm dò nghiên cứu cơ bản ứng dụng, rồi đến giai đoạn nghiên cứu ứng dụng, hiện nay đã bước vào giai đoạn phát triển và ứng dụng.

Trong quá trình phát triển, các công nghệ chủ chốt không ngừng được phát triển. Ví dụ, công nghệ trục chính tốc độ cao, kể từ khi xuất hiện máy công cụ cắt tốc độ cao tại Triển lãm máy công cụ quốc tế Nhật Bản lần thứ 11 năm 1982, số lượng máy công cụ tốc độ cao đã tăng lên đáng kể qua từng năm. Tốc độ trục chính đã được phát triển từ hơn 10000 vòng/phút lúc đầu lên 100000 vòng/phút hoặc thậm chí cao hơn hiện nay. Các công nghệ chính của trục chính tốc độ cao bao gồm cấu trúc ổ trục bằng gốm và bôi trơn bằng sương mù dầu. Hiện nay, hệ thống trục chính của máy công cụ có giá trị dn trên 1.5×10⁶ hầu hết đều là vòng bi gốm.

Sự tiến bộ về tốc độ cao và khả năng tăng tốc cao của hệ thống cấp liệu cũng rất nổi bật. Ứng dụng vít me lớn và sự xuất hiện của chế độ truyền động trực tiếp của động cơ tuyến tính đáp ứng nhu cầu về hiệu suất hệ thống cấp liệu của máy công cụ dẫn động bằng 0, với độ chính xác định vị cao, độ chính xác định vị lặp lại và tốc độ phản hồi động.

Công nghệ cắt tốc độ cao có đặc điểm phát triển khác nhau ở các giai đoạn gia công CNC tùy chỉnh khác nhau. Ở giai đoạn đầu chủ yếu là thăm dò lý thuyết, với sự tiến bộ của công nghệ, nó dần bộc lộ những ưu điểm trong ứng dụng thực tế. Ngày nay, công nghệ cắt tốc độ cao đã được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ, ô tô, gia công khuôn mẫu và các ngành công nghiệp khác, đồng thời nó cũng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong lĩnh vực gia công CNC theo yêu cầu.

Trục chính tốc độ cao đã liên tục có những bước đột phá về công nghệ, sử dụng các công nghệ tiên tiến như vòng bi gốm và vòng bi thủy tĩnh. Vòng bi gốm có đặc tính độ cứng cao, cường độ nén cao, dẫn nhiệt tốt và chống mài mòn, có thể cải thiện hiệu quả tuổi thọ và khả năng chịu tải của trục chính tốc độ cao. Hiện nay, hệ thống trục chính của máy công cụ có giá trị dn trên 1.5×10⁶ hầu hết đều sử dụng vòng bi gốm. Ngoài ra, sự phát triển của trục xoay khí động và trục đỡ ổ trục đệm từ cũng mang lại những bước đột phá mới cho trục quay tốc độ cao. Ví dụ, trung tâm gia công ASV-40 do Công ty Máy móc Toshiba của Nhật Bản sản xuất sử dụng trục xoay khí động với tốc độ trục chính 80000r/phút; Trung tâm gia công tốc độ cao do Mori Seiki, Nhật Bản sản xuất, sử dụng trục chính tốc độ cao được hỗ trợ bởi vòng bi đệm từ và tốc độ của nó có thể đạt tới 40000 vòng/phút. Những công nghệ trục xoay tiên tiến này cải thiện đáng kể tốc độ và độ chính xác của trục xoay, hỗ trợ mạnh mẽ cho việc cắt tốc độ cao.

Hệ thống cấp liệu tốc độ cao trong cấu trúc đổi mới liên tục, sử dụng vít me bi tốc độ cao, động cơ tuyến tính và các cấu trúc tiên tiến khác, cải thiện đáng kể tốc độ cấp liệu và khả năng tăng tốc. Tốc độ nạp của vít bi chì tốc độ cao lên tới 60m/phút, phổ biến hơn là 20 ~ 30m/phút. Việc ứng dụng động cơ tuyến tính đã mang lại những thay đổi mang tính cách mạng cho hệ thống cấp liệu tốc độ cao. Động cơ tuyến tính loại bỏ khe hở và biến dạng đàn hồi của hệ thống truyền động cơ học, giảm ma sát truyền và hầu như không có khe hở ngược. Động cơ tuyến tính có đặc tính tăng tốc và giảm tốc cao, khả năng tăng tốc có thể đạt 2g, gấp 10 đến 20 lần so với thiết bị truyền động truyền thống và tốc độ nạp gấp 4 đến 5 lần so với động cơ truyền thống. Được điều khiển bởi động cơ tuyến tính, nó có ưu điểm rõ ràng là lực đẩy lớn trên một đơn vị diện tích, dễ dàng tạo ra chuyển động tốc độ cao và cấu trúc cơ khí không cần bảo trì. Việc áp dụng các công nghệ này đáp ứng các yêu cầu về chuyển động nhanh và định vị chính xác của máy công cụ, đồng thời mang lại sự đảm bảo đáng tin cậy cho việc cắt tốc độ cao.

Dụng cụ cắt đóng vai trò quan trọng trong việc cắt tốc độ cao. Với sự gia tăng tốc độ cắt, vật liệu, các thông số hình học và cấu trúc của thân dụng cụ đã thay đổi rất nhiều. Hiện nay, các vật liệu dụng cụ cắt tốc độ cao thường được sử dụng là kim cương đa tinh thể (PCD), boron nitrit khối (CBN), gốm sứ, gốm nền Ti (C,N), dụng cụ tráng phủ (CVD), cacbua hạt siêu mịn, v.v. Những vật liệu dụng cụ này có khả năng chịu nhiệt cao, chống sốc nhiệt, tính chất cơ học ở nhiệt độ cao tốt và độ tin cậy cao. Đồng thời, hệ thống dụng cụ cắt tốc độ cao phải đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác hình học tốt và độ chính xác định vị lặp lại kẹp cao, độ cứng kẹp, trạng thái cân bằng tốt và độ an toàn, tin cậy khi vận hành tốc độ cao. Giảm khối lượng của thân dụng cụ càng nhiều càng tốt để giảm lực ly tâm phải chịu khi quay tốc độ cao, đáp ứng các yêu cầu an toàn khi cắt tốc độ cao và cải thiện chế độ kẹp của dụng cụ.

Việc tối ưu hóa các thông số quá trình cắt tốc độ cao là một trong những công nghệ then chốt hạn chế ứng dụng cắt tốc độ cao. Bởi vì cắt tốc độ cao là một chế độ cắt mới nên thiếu các ví dụ ứng dụng tham khảo cũng như cơ sở dữ liệu về các thông số cắt và thông số gia công thực tế. Vì vậy, cần nghiên cứu và áp dụng phương pháp lập trình mới để chế tạo dữ liệu cắt phù hợp với đường cong đặc tính công suất của trục chính tốc độ cao, đồng thời phát huy hết các ưu điểm của việc cắt CNC tốc độ cao. Việc phát triển và ứng dụng công nghệ cắt tốc độ cao phụ thuộc vào sự phát triển toàn diện của các công nghệ đơn vị chủ chốt như trục chính tốc độ cao, hệ thống cấp liệu tốc độ cao và dụng cụ cắt tốc độ cao. Chỉ có sự phối hợp của nhiều công nghệ khác nhau mới có thể đạt được hiệu quả cao, độ chính xác cao và độ tin cậy cao khi cắt tốc độ cao.

Công nghệ cắt tốc độ cao có nhiều ưu điểm trong phay CNC tốc độ cao vỏ khoang hợp kim nhôm. Trước hết, nó có thể cải thiện hiệu quả xử lý, cắt tốc độ cao CNC cho phép sử dụng tốc độ tiến dao lớn hơn, cao gấp 5 đến 10 lần so với cắt thông thường, tốc độ loại bỏ vật liệu trên một đơn vị thời gian có thể tăng từ 3 đến 6 lần. Nó có ý nghĩa rất lớn đối với việc gia công CNC các bộ phận khoang hợp kim nhôm và có thể giảm đáng kể thời gian xử lý. Thứ hai, nó có thể đảm bảo chất lượng xử lý và so với cắt thông thường, lực cắt có thể giảm ít nhất 30% khi cắt tốc độ cao, giảm biến dạng xử lý. Quá trình cắt tốc độ cao diễn ra nhanh chóng, hơn 95% nhiệt cắt rất ít, các bộ phận sẽ không gây cong vênh hoặc biến dạng giãn nở do nhiệt độ tăng, đặc biệt thích hợp để xử lý các bộ phận dễ bị biến dạng nhiệt. Về mặt lựa chọn công cụ gia công và tốc độ cấp liệu, tốc độ cắt của toàn bộ máy nghiền cacbua cuối để xử lý các bộ phận hợp kim nhôm thường có thể đạt tới 1000m / phút. Nếu sử dụng máy nghiền ngón D8, tốc độ trục chính được xác định là 18000 vòng/phút, tốc độ cấp liệu thô được đặt thành 6000mm/phút và tốc độ cấp liệu hoàn thiện có thể được chọn là 2000-3000mm/phút khi xét đến độ cứng của phôi vỏ khoang và yêu cầu chất lượng bề mặt của các bộ phận. Nếu hiệu suất máy công cụ cao, tốc độ cắt và tốc độ tiến dao có thể được tăng lên một cách thích hợp.

Trong thực tế sản xuất, công nghệ gia công tốc độ cao có rất nhiều ứng dụng. Đối với một ví dụ gia công thô điển hình, lần đầu tiên sử dụng dao phay mặt chèn lớp phủ TiAIN 5 inch, tốc độ trục chính 450 ~ 500 vòng / phút, tốc độ tiến dao 150 ~ 175 ipm, độ sâu cắt 0,050 inch, xử lý một số lượng lớn phoi bay. Sau khi gia công thô, hầu hết phôi được đưa ra ngoài để xử lý nhiệt. Quá trình bán tinh bắt đầu ngay khi phôi được trả lại, thường với máy nghiền bi 2 inch ở tốc độ 2000 vòng/phút và tốc độ nạp từ 125 đến 150 ipm. Để cắt biên dạng theo kiểu phay tịnh tiến, khoảng cách rãnh nằm trong khoảng 0,125 inch. Để cắt ngoằn ngoèo, tốc độ và tốc độ tiến dao tương tự, có thể sử dụng độ sâu cắt 0,020 đến 0,050 "và đầu có đường kính nhỏ 2,5". Ngoài ra, các công cụ nhỏ hơn cũng có thể được sử dụng để nối góc vát.

Cắt tốc độ cao có những yêu cầu đặc biệt đối với hệ thống CNC. Do tốc độ trục chính và tốc độ nạp dao của máy cắt tốc độ cao tăng lên rất nhiều nên hệ thống CNC bắt buộc phải có tốc độ tính toán và khả năng xử lý dữ liệu đủ nhanh. Cơ cấu servo cấp liệu phải có khả năng thực hiện điều chỉnh tùy ý trong phạm vi rộng từ tốc độ thấp đến tốc độ cao và khắc phục mâu thuẫn của hệ thống lớn sau lỗi khi tốc độ cấp liệu servo cao. Hệ thống CNC bắt buộc phải có chu kỳ servo ngắn hơn và độ phân giải cao hơn, đồng thời có chức năng giám sát quỹ đạo của máy. khả năng nội suy đường cong

Hiện nay, có một số vấn đề trong hệ thống cắt CNC tốc độ cao. Đầu tiên, kiến ​​trúc bị đóng, điều này hạn chế khả năng mở rộng và khả năng tương thích của hệ thống. Thứ hai, không có sự tích hợp đầy đủ với CAM, dẫn đến việc lập trình và xử lý kém trơn tru và hiệu quả. Hơn nữa, bộ nội suy và bộ điều khiển cấp dữ liệu của hệ thống CNC có những hạn chế. Độ chính xác của phép nội suy cần phải được cải thiện và nên sử dụng chức năng chuyển tiếp tiếp theo và số lượng lớn các phân đoạn chương trình nâng cao. Ngoài ra, công nghệ điều khiển đường viền như nội suy NURBS, tăng tốc độ giật, nội suy mượt, tăng tốc và giảm tốc chuông cũng có thể được sử dụng. Bộ điều khiển tiến dao cần đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về tốc độ cao và phản ứng nhanh khi cắt tốc độ cao.

Các bộ phận bằng thép không gỉ đang phải đối mặt với xu hướng làm cứng vật liệu trong quá trình cắt tốc độ cao, điều này mang lại nhiều vấn đề cho quá trình gia công. Các loại inox khác nhau do tính chất cơ lý và thành phần hóa học khác nhau nên độ khó khi cắt CNC cũng không giống nhau. Độ bền nhiệt và độ bền cao không dễ bị cắt đứt trong quá trình cắt CNC tốc độ cao và công tiêu hao trong quá trình biến dạng cắt là khá lớn. Độ sâu của lớp làm cứng gia công có thể dao động từ hàng chục micron đến hàng trăm micron và hiện tượng làm cứng công việc do lần cắt trước tạo ra có ảnh hưởng xấu đến lần cắt tiếp theo và độ cứng cao của lớp làm cứng gia công khiến dụng cụ bị biến dạng. Đặc biệt dễ mặc.

Để giải quyết vấn đề làm cứng vật liệu, bạn có thể chọn dụng cụ phù hợp, chẳng hạn như hình dạng lưỡi cắt chú trọng đến độ sắc nét, độ sắc bén tốt có thể làm giảm nhiệt sinh ra do ma sát với phôi, từ đó ngăn ngừa việc vật liệu bị cứng. Đồng thời, cần thiết lập các điều kiện xử lý tốt nhất và Cài đặt chất làm mát tốt nhất.

Việc ứng dụng công nghệ cắt tốc độ cao cũng phải đối mặt với những thách thức như độ bám chip mạnh và độ dẫn nhiệt kém. Trong quá trình cắt CNC, các mảnh vụn cắt dễ bám dính hoặc tan chảy trên đầu dụng cụ và lưỡi dao, tạo thành khối u phoi, khiến độ nhám bề mặt của bề mặt gia công phôi bị suy giảm, đồng thời làm tăng độ rung trong quá trình cắt. và tăng tốc độ mài mòn dụng cụ. Và một lượng lớn nhiệt cắt không thể được dẫn ra kịp thời, thậm chí nhiệt sinh ra khi cắt cũng không thể dẫn đến toàn bộ chip, dẫn đến tổng nhiệt của dụng cụ đến cao hơn thép cacbon thông thường, do đó lưỡi cắt mất hiệu suất cắt ở nhiệt độ cao.

Ngoài ra, cắt tốc độ cao, là một chế độ cắt mới, thiếu các ví dụ ứng dụng tham khảo cũng như cơ sở dữ liệu về các thông số cắt và thông số gia công thực tế. Điều này khiến cần phải liên tục thử nghiệm và khám phá trong các ứng dụng thực tế, làm tăng chi phí và thời gian xử lý.

Công nghệ cắt tốc độ cao có tiềm năng lớn trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất vì tốc độ cao, độ chính xác cao và chất lượng bề mặt cao. Trước hết, cắt tốc độ cao có thể rút ngắn đáng kể chu kỳ sản xuất. Ví dụ, trong ngành sản xuất ô tô, công nghệ cắt tốc độ cao có thể nhanh chóng xử lý các bộ phận chính như khối động cơ và vỏ hộp số, giúp giảm đáng kể thời gian xử lý và nâng cao hiệu quả sản xuất. Theo số liệu thống kê liên quan, sau khi áp dụng công nghệ cắt tốc độ cao, thời gian xử lý phụ tùng ô tô có thể giảm từ 30% đến 50%. Thứ hai, công nghệ cắt tốc độ cao có thể giảm chi phí xử lý. Bởi vì việc cắt tốc độ cao có thể đạt được các quy trình gia công thô, bán tinh và hoàn thiện nên việc sử dụng các quy trình và công cụ sẽ giảm, do đó giảm chi phí sản xuất. Lấy chế tạo khuôn mẫu làm ví dụ, công nghệ cắt tốc độ cao có thể giảm việc sử dụng EDM, giảm chi phí xử lý và cải thiện độ chính xác cũng như chất lượng bề mặt của khuôn. Ngoài ra, công nghệ cắt tốc độ cao còn có thể nâng cao chất lượng sản phẩm. Khi cắt ở tốc độ cao, lực cắt nhỏ và độ rung nhỏ, có thể gia công các chi tiết rất chính xác, độ nhám bề mặt giảm từ 1 đến 2 cấp, đáp ứng nhu cầu của ngành sản xuất hiện đại đối với các sản phẩm có độ chính xác cao.

Sự phát triển của công nghệ cắt tốc độ cao sẽ thúc đẩy ngành công nghiệp chế tạo máy móc phát triển theo hướng hiệu quả cao, độ chính xác cao, tính linh hoạt cao và xanh. Một mặt, việc ứng dụng công nghệ cắt tốc độ cao sẽ thúc đẩy tiến bộ công nghệ của ngành sản xuất máy móc. Công nghệ cắt tốc độ cao đòi hỏi sự hỗ trợ của một số công nghệ tiên tiến như máy công cụ cắt tốc độ cao, công cụ cắt tốc độ cao, hệ thống điều khiển số hiệu suất cao và sự phát triển của các công nghệ này sẽ thúc đẩy trình độ kỹ thuật của toàn bộ ngành sản xuất máy móc. Ví dụ, việc nghiên cứu và phát triển máy công cụ cắt tốc độ cao đòi hỏi công nghệ trục chính tiên tiến, công nghệ hệ thống cấp liệu và công nghệ thiết kế kết cấu, và những đột phá trong các công nghệ này sẽ cung cấp thiết bị xử lý tiên tiến hơn cho ngành sản xuất máy móc. Mặt khác, việc thúc đẩy công nghệ cắt tốc độ cao sẽ nâng cao khả năng cạnh tranh của ngành sản xuất máy móc. Trong bối cảnh cạnh tranh ngày càng khốc liệt trong ngành sản xuất toàn cầu, công nghệ cắt tốc độ cao có thể nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất, rút ​​ngắn chu kỳ sản xuất và giành lợi thế cạnh tranh thị trường cho doanh nghiệp. Lấy ngành sản xuất hàng không vũ trụ làm ví dụ, công nghệ cắt tốc độ cao có thể xử lý các vật liệu nhẹ như hợp kim nhôm và hợp kim titan, cải thiện hiệu suất và độ an toàn của máy bay, đồng thời nâng cao khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp trên thị trường quốc tế.

Trong tương lai, nghiên cứu công nghệ trọng điểm về công nghệ cắt tốc độ cao sẽ phát triển theo hướng tốc độ cao hơn, độ chính xác cao hơn và thông minh hơn. Về máy công cụ cắt tốc độ cao, tốc độ trục chính và tốc độ tiến dao sẽ được cải thiện hơn nữa, đồng thời các hệ thống trục chính và hệ thống cấp liệu tiên tiến hơn sẽ được phát triển để cải thiện độ cứng và độ ổn định của máy công cụ. Chẳng hạn, hệ thống trục chính sử dụng công nghệ bay từ trường và công nghệ áp suất khí tĩnh có thể đạt tốc độ hơn 100.000 vòng/phút; Hệ thống cấp liệu sử dụng động cơ tuyến tính và công nghệ phản hồi thang đo có thể tăng tốc lên tới 5g và độ chính xác định vị có thể đạt tới mức micron. Về dụng cụ cắt tốc độ cao, các vật liệu dụng cụ và công nghệ phủ tiên tiến hơn sẽ được phát triển để cải thiện độ cứng, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt của dụng cụ. Ví dụ, độ cứng của dụng cụ sử dụng công nghệ phủ nano có thể tăng lên từ 2 đến 3 lần và khả năng chống mài mòn có thể tăng lên từ 5 đến 10 lần. Về hệ thống điều khiển số, công nghệ lập trình và thuật toán điều khiển tiên tiến hơn sẽ được phát triển để cải thiện tốc độ tính toán và khả năng xử lý dữ liệu của hệ thống điều khiển số. Ví dụ, hệ thống điều khiển số sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo và công nghệ phân tích dữ liệu lớn có thể tự động tối ưu hóa các thông số cắt theo đặc tính của vật liệu và dụng cụ gia công, nâng cao hiệu quả và chất lượng xử lý.

Ở cấp độ ứng dụng, công nghệ cắt tốc độ cao sẽ tiếp tục mở rộng lĩnh vực ứng dụng và đạt được phạm vi ứng dụng rộng hơn. Một mặt, công nghệ cắt tốc độ cao sẽ được sử dụng rộng rãi hơn trong ngành sản xuất truyền thống. Ví dụ, trong lĩnh vực sản xuất máy móc, sản xuất ô tô, sản xuất hàng không vũ trụ, công nghệ cắt tốc độ cao sẽ dần thay thế công nghệ cắt truyền thống và trở thành phương pháp gia công chủ đạo. Mặt khác, công nghệ cắt tốc độ cao sẽ được áp dụng trong lĩnh vực sản xuất mới nổi. Ví dụ, trong lĩnh vực in 3D, sản xuất vi mô và nano, sản xuất y sinh, v.v., công nghệ cắt tốc độ cao có thể được kết hợp với các công nghệ sản xuất tiên tiến khác để đạt được gia công có độ chính xác cao đối với các bộ phận có hình dạng phức tạp. Ngoài ra, công nghệ cắt tốc độ cao sẽ phát triển theo hướng sản xuất xanh. Ví dụ, việc sử dụng công nghệ cắt khô và công nghệ bôi trơn vi mô có thể làm giảm việc sử dụng chất lỏng cắt, giảm ô nhiễm môi trường và đạt được sản xuất xanh.