Tecnología, equipos y aplicaciones de corte de alta velocidad
Primera tecnología de corte de alta velocidad
(I) Sugerencias de corte de alta velocidad en 1931, por el físico de corte alemán Dr. Karl. J. Salomon propuso una hipótesis, el principio Salomon, y ese mismo año solicitó una patente alemana: todos los materiales a procesar tienen una velocidad de corte crítica. La temperatura de corte y el desgaste de la herramienta aumentan al aumentar la velocidad de corte antes de que la velocidad de corte alcance la velocidad crítica. Cuando la velocidad de corte alcanza de 5 a 6 veces la velocidad de corte normal, al cortar materiales plásticos, el método de procesamiento tradicional es "corte pesado". La cantidad de eliminación de viruta de cada herramienta es grande, es decir, la herramienta es grande, pero la cantidad de viruta es grande. La velocidad de avance es baja y la velocidad de corte es baja. La práctica ha demostrado que a medida que aumenta la velocidad de corte, la forma de la viruta se desarrolla desde tiras y escamas hasta migajas, y la fuerza de corte unitaria requerida aumenta en la etapa inicial y luego cae bruscamente, lo que indica que el corte a alta velocidad es más liviano que el corte convencional. mecanismos de los dos diferentes.
(2) El concepto de tecnología moderna de corte de alta velocidad El punto de partida del principio de Salomón es utilizar herramientas tradicionales para el corte de alta velocidad para mejorar la productividad. Hasta la fecha, sus principios no han sido confirmados por la investigación científica moderna. Pero el éxito de este principio no debería detenerse ahí. La tecnología de corte de alta velocidad es una de las direcciones de desarrollo importantes de la tecnología de corte. En la actualidad, no existe una opinión coherente sobre la definición exacta de corte de alta velocidad desde la perspectiva de la ciencia y la tecnología modernas, porque es un concepto relativo, y diferentes métodos de procesamiento y diferentes materiales de corte tienen diferentes velocidades de corte de alta velocidad y procesamiento. parámetros. Esto incluye corte suave de alta velocidad, corte duro de alta velocidad, corte húmedo de alta velocidad y corte seco de alta velocidad.
De hecho, la tecnología de corte de alta velocidad es una ingeniería de sistemas muy grande y compleja, que cubre la tecnología de investigación y selección de materiales de máquinas herramienta, diseño estructural de máquinas herramienta y tecnología de fabricación, sistema de control CNC de alto rendimiento. , sistema de comunicación, alta velocidad, refrigeración eficiente, sistema de husillo de alta precisión y alta potencia, sistema de alimentación rápida de alta precisión, sistema de sujeción de herramientas de alto rendimiento, materiales de herramientas de alto rendimiento, diseño de estructura de herramientas y tecnología de fabricación, pruebas y mediciones de alta eficiencia y alta precisión Tecnología, mecanismo de corte de alta velocidad y tecnología de corte de alta velocidad. Sólo si se desarrollan plenamente estas tecnologías las tecnologías de corte de alta velocidad establecidas podrán tener un significado real. Por lo tanto, para aprovechar al máximo el rendimiento superior del corte de alta velocidad, debe ser una combinación perfecta de sistema CAD/CAM, sistema de control CNC, comunicación de datos, máquinas herramienta, herramientas y tecnología.
(3) Estado de desarrollo y ventajas de la tecnología de corte de alta velocidad. Esta nueva tecnología comenzó a principios de la década de 1980. Estados Unidos, Alemania, Francia y otros países están en la posición de liderazgo, seguidos por Estados Unidos. Reino Unido, Japón, Suiza y otros países posteriores. A finales de la década de 1980, estos países habían formado industrias emergentes con un valor de producción anual de varios miles de millones de dólares estadounidenses, y seguía aumentando año tras año. Recientemente, la provincia china de Taiwán también ha comenzado, pero el continente todavía está en blanco. El Instituto de Tecnología de Fabricación Moderna de la Universidad de Tongji ha establecido una relación de cooperación en proyectos con la Universidad de Darmstadt en Alemania y ha logrado resultados preliminares.
En la actualidad, industrias como la aviación, la automoción, la maquinaria eléctrica, los moldes, los rodamientos y las máquinas herramienta de los países industrializados son las primeras en beneficiarse de esta nueva tecnología, que ha mejorado notablemente la calidad de los productos en estos industrias, redujeron en gran medida sus costos y obtuvieron una ventaja competitiva en el mercado. La tecnología de corte de ultra alta velocidad es la dirección del futuro procesamiento de corte y un producto del desarrollo de los tiempos.
2. Tecnología y equipos de corte de alta velocidad
(1) Máquinas herramienta de corte de alta velocidad Las máquinas herramienta de alta velocidad son el requisito previo y la condición básica para realizar el mecanizado de alta velocidad. En la fabricación moderna de máquinas herramienta, la alta velocidad de las máquinas herramienta es una tendencia de desarrollo inevitable. Si bien se requiere que las máquinas herramienta sean de alta velocidad, también deben tener alta precisión y alta rigidez estática y dinámica.
Para adaptarse al mecanizado en desbaste, cortes ligeros y pesados y movimientos rápidos, garantizando al mismo tiempo una alta precisión (precisión de posicionamiento de 0,005 mm), una máquina herramienta con buen rendimiento es el factor clave para lograr un corte a alta velocidad. . Las tecnologías clave son las siguientes:
1. Husillo de alta velocidad. El husillo de alta velocidad es el componente central de la máquina herramienta de corte de alta velocidad, que determina en gran medida la velocidad de corte, la precisión del procesamiento y el rango de aplicación que la máquina herramienta puede lograr.
El rendimiento de las unidades de husillo de alta velocidad depende de los métodos de diseño, materiales, estructuras, cojinetes, lubricación y refrigeración, equilibrio dinámico, ruido y muchas otras tecnologías relacionadas. A medida que aumentan los requisitos de velocidad del husillo, el tradicional sistema de transmisión de velocidad variable con correa dentada ya no puede cumplir con los requisitos debido a su propia vibración y ruido, sino que es reemplazado por un novedoso componente funcional: el husillo eléctrico, que combina. el motor del husillo con el husillo de la máquina herramienta Levántese y realice el motor del husillo. El husillo eléctrico utiliza un sensor electrónico para controlar la temperatura y viene con un sistema de circulación de refrigeración por agua o aceite para mantener el husillo a una temperatura constante cuando gira a alta velocidad. Generalmente, la temperatura establecida se puede controlar dentro del rango de 20 ~ 25, con una precisión de 0,7. Al mismo tiempo, se adoptan nuevas tecnologías, como la lubricación por niebla de aceite y los cojinetes cerámicos híbridos, para que el husillo no requiera mantenimiento, tenga una larga vida útil y sea de alta precisión.
2. Rodamientos de precisión de alta velocidad. Los rodamientos de alta velocidad son el núcleo de las máquinas herramienta de corte de alta velocidad y el componente más crítico que determina la vida útil y la capacidad de carga de los husillos de alta velocidad.
(1) Rodamientos magnéticos. Los rodamientos magnéticos utilizan fuerza electromagnética para hacer levitar el eje sin contacto mecánico. Su velocidad puede alcanzar las 45.000 rpm y su potencia es de 20kW. Este método tiene alta precisión y es fácil de realizar diagnósticos en tiempo real y monitoreo en línea. Es un elemento de soporte ideal, pero su precio es más elevado.
(2) Presión estática y cojinetes de presión estática. El método de combinar la potencia del fluido y la fuerza estática se utiliza para hacer que el husillo gire en el soporte de la película de aceite. Tiene las ventajas de un pequeño descentramiento radial y axial, buena rigidez, buenas características de amortiguación, adecuado para mecanizado en desbaste y acabado, y un servicio prolongado. vida. Sin embargo, no es versátil y difícil de mantener.
(3)Rodamientos cerámicos híbridos. La combinación de bolas de nitruro de silicio y rieles de acero es actualmente el elemento de soporte más utilizado en el husillo de las máquinas herramienta de corte de alta velocidad. Cuando se gira a alta velocidad, la fuerza centrífuga es pequeña, la rigidez es buena, la temperatura es baja, la vida útil es larga, la potencia puede alcanzar 80 kW y la velocidad de rotación puede alcanzar 150000 r/min. Está altamente estandarizado, es fácil de mantener y económico.
3. Sistema servo de alta velocidad Para lograr un corte de alta velocidad, la máquina herramienta no solo debe tener un husillo de alta velocidad, sino también un sistema servo de alta velocidad. mejorar la eficiencia de producción, pero también es una condición necesaria para mantener el funcionamiento normal de la herramienta durante el corte a alta velocidad.
(1) Servosistema de motor lineal. El motor lineal es un dispositivo de empuje que convierte directamente la energía eléctrica en movimiento mecánico lineal, acortando a cero la longitud de la cadena de transmisión de alimentación de la máquina herramienta. Tiene una respuesta dinámica ágil, gran rigidez de transmisión, alta precisión, gran aceleración y desaceleración, carrera ilimitada, bajo ruido y alto costo. Es la elección del servosistema cuando la aceleración es superior a 1g.
(2) Dispositivo de transmisión por husillo de bolas. Los husillos de bolas siguen siendo el accionamiento principal de los servosistemas de alta velocidad. Impulsado directamente por servomotor de CA y mediante cojinetes hidráulicos. La velocidad de avance puede alcanzar 40 ~ 60 m/min, la aceleración puede exceder los 0,6 gy el costo es bajo, solo 1/2,5. 4 de motores lineales. Sistema CNC de alto rendimiento.
(2) Las herramientas de corte de alta velocidad son uno de los equipos técnicos importantes para el mecanizado. Dado que la fuerza de inercia centrífuga aumenta rápidamente con el aumento de la velocidad de rotación, la combinación del extremo del husillo de alta velocidad y el cabezal del portaherramientas tiene muchas características especiales en estructura y tamaño. En la actualidad, se utilizan básicamente la forma y la serie HSK, y los parámetros del portaherramientas deben determinarse de acuerdo con los parámetros del husillo de la máquina herramienta para que sean consistentes. La vida útil de la herramienta en el mecanizado de alta velocidad generalmente se reduce debido a las altas velocidades de corte y avance. Es necesario tomar medidas desde los aspectos del material de la herramienta, los parámetros geométricos, la longitud del saliente, los parámetros de corte, las relaciones geométricas de corte, la trayectoria de la herramienta, la lubricación y el enfriamiento para minimizar la reducción de la vida útil.
El ángulo de ataque de las herramientas HSC es aproximadamente 10° más pequeño que el de las herramientas comunes, y el ángulo de ataque es aproximadamente 5° ~ 8° más pequeño que el de las herramientas comunes. Al mismo tiempo, la parte cortante de la herramienta HSC debe ser lo más corta posible para mejorar la rigidez de la herramienta y reducir la tasa de daño de la hoja.
Las herramientas de corte de alta velocidad deben estar fabricadas con materiales que puedan adaptarse al corte de alta velocidad. Para obtener una mayor calidad de procesamiento y vida útil, además de carburo, cermet, materiales de corte recubiertos y cerámicas de corte, también se utilizan materiales de corte monocristalinos y policristalinos. Además de los requisitos técnicos, estos materiales de corte también deben cumplir importantes requisitos económicos y medioambientales. En el corte a alta velocidad, el PKD (diamante policristalino) y el nitruro de boro cúbico (CBN) pueden mejorar significativamente la eficiencia del procesamiento.
Además de seleccionar el material de herramienta adecuado, durante el proceso de diseño de la herramienta, primero debemos considerar la confiabilidad de los componentes fijos de la herramienta bajo la acción de la fuerza centrífuga y prestar atención a la estructura "equilibrada". Es necesario probar la velocidad de la herramienta. Además, un buen acabado también es importante en la fabricación de herramientas. Desde el tratamiento previo de la herramienta hasta la fabricación de la plaquita, los métodos de fabricación valiosos y fiables tienen una importancia decisiva, especialmente en el caso de herramientas con plaquitas PKD o CBN.
Al aplicar herramientas HSC, para lograr calidad de procesamiento y rendimiento económico, no solo se debe considerar la herramienta en sí, sino también la interfaz entre la herramienta y el sistema de sujeción, es decir, la superficie de conexión entre el husillo y la herramienta y la estabilidad del sexo de instalación de la pieza. Para las secciones de interfaz y las varillas de extensión, la precisión de la oscilación radial, la longitud del voladizo, el rendimiento de vibración y la intercambiabilidad son particularmente importantes. Para cumplir con los requisitos de precisión de giro radial del portaherramientas cilíndrico en el mecanizado de acabado, primero se seleccionaron los métodos de conexión de mandril hidráulico, mandril de contracción y mandril de fuerza. Cuando estos mandriles se acoplan a la interfaz HSC, la precisión del giro radial puede alcanzar 0,003 mm.
(3) Equipos de soporte para máquinas herramienta de procesamiento de alta velocidad
1 Para acortar las horas de trabajo auxiliar, la mayoría de las máquinas herramienta HSC están equipadas con cargadores de herramientas con más de 15 a 20 kg. 30 posiciones de herramienta y dispositivo de cambio automático de herramienta para convertirse en un centro de mecanizado HSC;
2. El sistema de enfriamiento y lubricación es un equipo de soporte indispensable, que incluye funciones automáticas de enfriamiento y lubricación y funciones de eliminación de viruta para cada componente. de la máquina herramienta;
3. El volante electrónico y la interfaz entre el sistema CAD/CAM y el sistema CNC de alta velocidad son equipos de soporte necesarios que afectan el funcionamiento y el rendimiento del control de la máquina herramienta; /p>
4. Láser o infrarrojo que puede medir automáticamente el diámetro y la longitud de la herramienta y detectar daños en el sistema;
5. La sonda se puede instalar en el husillo para detectar el contorno del pieza de trabajo. 6. Para reducir el tiempo de inactividad por reparación después de una falla, los husillos de alta velocidad se reservan cuando hay muchas máquinas herramienta y altas tasas de utilización.
El dispositivo de protección de seguridad de las máquinas herramienta HSC, incluido el hardware y el software, debe garantizar que incluso en situaciones extremas de rotura y expulsión de herramientas a alta velocidad, pueda proteger de manera confiable la seguridad personal del operador y Evite componentes de la máquina herramienta, interferencias inesperadas y colisiones entre la herramienta y la pieza de trabajo.
3. Las principales áreas de aplicación del corte de alta velocidad en la actualidad
(1) Se ha desarrollado un gran número de campos de producción, como la industria del automóvil, como el tipo horizontal HVM800. de Ford Motor Company e Ingersoll Corporation de Estados Unidos En las líneas de producción de Ford se utilizaban centros de mecanizado y taladradoras de un solo eje para taladrar cilindros.
(2) En el campo del procesamiento donde la pieza de trabajo en sí no es lo suficientemente rígida, como productos de la industria aeroespacial u otros productos, por ejemplo, el espesor de pared más delgado de la pieza de trabajo fresada por Ingersoll usando alta velocidad la tecnología de corte es de solo 1 mm.
(3) Procesamiento de superficies curvas complejas, como fabricación de moldes y herramientas.
(4) En el campo de materiales difíciles de mecanizar, como el "módulo de alta velocidad" de Ingersoll, la velocidad de corte para procesar aleaciones de aluminio aeroespaciales es de 2438 m/min, y la de aleaciones de aluminio para automóviles es de 1829 m/min. min, y el hierro fundido es de 1219 m/min, varias veces a docenas de veces mayor que la velocidad de corte convencional.