Un estudio preliminar sobre tecnología, equipos y aplicaciones de corte de alta velocidad (HSC)
Actualmente, los nuevos procesos de corte, como el corte en seco y el corte en duro representado por el corte a alta velocidad, han mostrado muchas ventajas y se han convertido en la principal forma para que la tecnología de fabricación mejore la eficiencia y la calidad del procesamiento y reduzca los costos.
1. Tecnología de corte de alta velocidad
(1) La propuesta del corte de alta velocidad En 1931, el físico de corte alemán Dr. Carl.J. es decir, el principio de Salomón, que solicitó una patente alemana el mismo año: el material a procesar tiene una velocidad de corte crítica antes de que la velocidad de corte alcance la velocidad crítica, la temperatura de corte y el desgaste de la herramienta aumentan a medida que aumenta la velocidad de corte. Cuando la velocidad de corte alcanza 5 veces la velocidad de corte normal, aproximadamente 6 veces, la temperatura del filo comienza a disminuir a medida que aumenta la velocidad de corte y el desgaste de la herramienta disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. Al cortar materiales plásticos, el método de procesamiento tradicional es el "corte pesado". La cantidad de virutas eliminadas por cada corte es grande, es decir, el cortador es grande, pero la velocidad de avance es baja y la fuerza de corte es alta. La práctica ha demostrado que a medida que aumenta la velocidad de corte, la forma de la viruta se desarrolla desde una tira, una escama hasta una viruta, y la fuerza de corte unitaria requerida muestra una tendencia ascendente en la etapa inicial y luego cae bruscamente. -El corte rápido es más ligero que el corte convencional y la diferencia entre los dos El mecanismo también es diferente.
(2) El concepto de tecnología moderna de corte de alta velocidad El punto de partida del principio de Salomón es utilizar herramientas tradicionales para realizar cortes de alta velocidad, mejorando así la productividad. Hasta ahora, su principio no ha sido confirmado por la investigación científica moderna. Pero el éxito de este principio debería ir más allá. La tecnología de corte de alta velocidad es una de las direcciones de desarrollo importantes de la tecnología de corte. Desde la perspectiva de la ciencia y la tecnología modernas, no existe un consenso sobre la definición exacta de corte de alta velocidad porque es un concepto relativo y diferente. Los materiales de corte tienen diferentes características, velocidad de corte y parámetros de procesamiento. 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, refrigeración eficiente y de alta velocidad, 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, alto- tecnología de prueba y medición de eficiencia y alta precisión, mecanismo de corte de alta velocidad, tecnología de corte de alta velocidad, software de programación y estrategias de programación adecuadas para el mecanizado de alta velocidad y muchas otras tecnologías de hardware y software relacionadas. Sólo sobre la base del pleno desarrollo de estas tecnologías la tecnología de corte de alta velocidad establecida puede tener un significado real. Por lo tanto, para lograr el rendimiento superior del corte a alta velocidad, debe haber una combinación perfecta de sistema CAD/CAM, sistema de control CNC, comunicación de datos, máquinas herramienta, herramientas de corte y tecnología.
(3) El estado de desarrollo y las 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 a la vanguardia. También lo siguen Japón, Suiza y otros países. A finales de los años 1980 se habían formado industrias emergentes en los países antes mencionados, con un valor de producción anual que alcanzaba los miles de millones de dólares y aumentaba año tras año. Recientemente, la provincia de Taiwán de mi país también comenzó, 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.
De acuerdo con la situación actual, industrias como la aviación, la automoción, la maquinaria eléctrica, los moldes, los rodamientos y las máquinas herramienta de los países industrialmente desarrollados son las primeras en beneficiarse de esta nueva tecnología, que ha mejorado notablemente el producto. calidad de las industrias antes mencionadas y aumentó considerablemente el costo reducido y obtuvo una ventaja competitiva en el mercado. La tecnología de corte de velocidad ultraalta es la dirección del procesamiento de corte futuro y también es producto del desarrollo de los tiempos.
II. Equipamiento técnico para corte de alta velocidad
(1) Máquinas herramienta de corte de alta velocidad Las máquinas herramienta de alta velocidad son el requisito previo y las condiciones básicas para lograr 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 de desbaste y acabado, cortes ligeros y pesados y movimientos rápidos, al tiempo que se garantiza una alta precisión (precisión de posicionamiento ±0,005 mm), las máquinas herramienta con buen rendimiento son los factores clave para lograr una alta precisión. corte rápido. Sus tecnologías clave incluyen 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 la unidad de husillo de alta velocidad depende del método de diseño del husillo, el material, la estructura, los cojinetes, la lubricación y refrigeración, el equilibrio dinámico, el ruido y muchas otras tecnologías relacionadas. Con la mejora continua de los requisitos de velocidad del husillo, los engranajes tradicionales. Transmisión de velocidad variable por correa El sistema ya no puede cumplir con los requisitos debido a sus propias vibraciones, ruido y otras razones, sino que se reemplaza por un novedoso componente funcional: el husillo eléctrico, que combina el motor del husillo y el husillo de la máquina herramienta en uno solo. , realizando la integración del motor del husillo y el cambio de husillo de la máquina herramienta. 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 se puede controlar a una temperatura determinada dentro. el rango de 20° a 25°, con una precisión de ±0,7°, mientras se utilizan nuevas tecnologías como lubricación por niebla de aceite y 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 principal sin contacto mecánico. Su velocidad de rotación puede alcanzar 45.000 r/min y su potencia es de 20 kW. Tiene alta precisión y es fácil de realizar diagnósticos en tiempo real y monitoreo en línea. Componente de soporte ideal, pero su precio es relativamente alto.
(2) Cojinetes de presión líquida dinámica y estática. El método de combinar dinámica de fluidos y 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 desbaste y acabado, y una larga vida útil. . Sin embargo, no tiene versatilidad y es 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. Tiene una pequeña fuerza centrífuga durante la rotación de alta velocidad, buena rigidez, baja temperatura, larga vida útil y potencia. a 80kW y velocidad de rotación de hasta 150000r/min, tiene un alto grado de estandarización, fácil mantenimiento y bajo precio.
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 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. Acorta a cero la longitud de la cadena de transmisión de alimentación de la máquina herramienta. Tiene un rendimiento de respuesta dinámica ágil, alta rigidez de transmisión, alta precisión, gran aceleración y desaceleración. y carreras largas restringidas, de poco ruido, de alto costo, cuando la aceleración es superior a 1 g, es la elección del sistema servo.
(2) Dispositivo de accionamiento por husillo de bolas. El husillo de bolas sigue siendo el principal dispositivo impulsor del servosistema de alta velocidad. Es impulsado directamente por un servomotor de CA y utiliza cojinetes hidráulicos. La velocidad de avance puede alcanzar 40~60 m/min y su aceleración puede exceder los 0,6 g. El costo es bajo y es sólo lineal 1/2,5 del motor. 4. Sistema de control 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 a medida que aumenta la velocidad de rotación, el acoplamiento entre el extremo del husillo de alta velocidad y el cabezal del portaherramientas tiene muchas características especiales en términos de 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. Debido a las altas velocidades de corte y avance, la vida útil de la herramienta en el mecanizado HSC generalmente disminuye. Es necesario tomar medidas en varios aspectos, como el material de la herramienta, los parámetros geométricos, la longitud del voladizo, los parámetros de corte, las relaciones geométricas de corte, la trayectoria de la herramienta, la lubricación y el enfriamiento. , etc. Minimizar la reducción de la vida útil tanto como sea posible.
En comparación con los ángulos delantero y trasero de las herramientas HSC y las herramientas de corte comunes, generalmente el ángulo de ataque de HSC es aproximadamente 10° más pequeño que el de las herramientas de corte comunes, y el ángulo libre es de aproximadamente 5° a 8°. ° más grande. Al mismo tiempo, la parte cortante de las herramientas HSC debe ser lo más corta posible para mejorar la rigidez de la herramienta y reducir la tasa de rotura de la hoja.
Las herramientas HSC deben estar fabricadas con materiales que puedan adaptarse al corte a alta velocidad. Para obtener una mayor calidad de procesamiento y vida útil de la pieza de trabajo, además del carburo cementado, también se utilizan cermets, materiales de corte revestidos y cerámicas de corte, también materiales de corte monocristalinos y policristalinos. Además de los requisitos técnicos, estos materiales de corte también deben cumplir importantes requisitos de rendimiento económico y medioambiental. En el procesamiento HSC, el uso de PKD (diamante policristalino) y CBN (nitruro de boro cúbico) puede mejorar significativamente la eficiencia del procesamiento.
Además de seleccionar el material de herramienta adecuado, en el proceso de diseño de la herramienta, primero se debe considerar la confiabilidad de la fijación de los componentes de la herramienta bajo la acción de la fuerza centrífuga, y se debe prestar atención a " estructura equilibrada".
Es necesario probar la velocidad de rotación de la herramienta. Además, a la hora de fabricar herramientas de corte, también es muy importante su buen acabado. Los métodos de fabricación valiosos y fiables tienen una importancia decisiva, desde el tratamiento previo de la herramienta hasta la fabricación de la hoja, especialmente en herramientas con plaquitas PKD o CBN.
Para lograr calidad de mecanizado y rendimiento económico al aplicar herramientas HSC, 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 los husillo y la herramienta y la estabilidad de la instalación de la pieza de trabajo. De particular importancia para las secciones de interfaz y las extensiones son la precisión de la oscilación radial, la longitud del voladizo, el comportamiento de vibración y la intercambiabilidad. Para cumplir con los requisitos de precisión de giro radial durante el acabado de portaherramientas cilíndricos, primero se selecciona el método de conexión del mandril hidráulico, el mandril de contracción y el mandril de compresión de fuerza. Cuando estos mandriles se combinan con la interfaz HSC, se puede determinar la precisión del giro radial. Alcanza 0,003 mm.
(3) Equipos de soporte de las máquinas herramienta HSC
1. Para acortar las horas de trabajo auxiliar, la mayoría de las máquinas herramienta HSC están equipadas con almacenes de herramientas con más de 15 a 30 posiciones de herramientas. y dispositivo de cambio automático de herramientas para convertirse en un centro de mecanizado HSC;
2. El sistema de enfriamiento y lubricación es un equipo de soporte indispensable, que incluye la función de enfriar y lubricar automáticamente varias partes de la máquina herramienta y la máquina. función de eliminación de viruta;
3. La interfaz entre el volante electrónico y el sistema CAD/CAM y el sistema CNC de alta velocidad es un dispositivo de soporte necesario que afecta el funcionamiento y el rendimiento de control de la máquina herramienta; /p>
4. Puede medir automáticamente el diámetro y la longitud de la herramienta y realizar la detección de daños mediante láser o sistema infrarrojo.
5. La sonda se puede instalar en el eje para detectar el infrarrojo; dispositivo de medición del contorno de la pieza de trabajo 6. Para reducir el tiempo de inactividad en espera de reparación después de una falla, la cantidad de máquinas herramienta. Si hay muchas máquinas y la tasa de utilización es alta, se puede usar un husillo de alta velocidad; un repuesto.
El dispositivo de protección de seguridad de las máquinas herramienta HSC, incluido el hardware y el software, debe garantizar que incluso en la situación extrema en la que la herramienta se rompa y salga despedida a gran velocidad, aún pueda proteger de manera confiable la seguridad personal del usuario. operador y ser capaz de evitar interferencias accidentales y colisiones entre componentes de máquinas herramienta, herramientas de corte y piezas de trabajo.
3. Los principales campos de aplicación actuales del corte a alta velocidad
(1) Un gran número de campos de producción, como la industria del automóvil, como el centro de mecanizado horizontal HVM800 y el mandrinado. máquina desarrollada conjuntamente por Ford Motor Company e Ingersoll Company de Estados Unidos. La taladradora de cilindros de un solo eje se utiliza actualmente en la línea de producción de Ford.
(2) Campos de procesamiento donde la rigidez de la pieza de trabajo en sí es insuficiente, como productos de la industria aeroespacial u otros productos determinados. Por ejemplo, el espesor de pared más delgado de la pieza de trabajo fresada por Ingersoll utilizando corte de alta velocidad. La tecnología 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, la velocidad de corte utilizada por el "módulo de alta velocidad" de Ingersoll es: 2438 m/min para procesar aleaciones de aluminio aeroespaciales, 1829 m/min para aluminio para automóviles aleación y 1219 m/min para hierro fundido varias veces a docenas de veces mayor que la velocidad de corte convencional.