Forschung und Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie

Schneiden wird im Bereich der modernen mechanischen Fertigung häufig als Verarbeitungsmethode eingesetzt. Die Verbesserung der Schneideffizienz und die Senkung der Produktionskosten sind von großer praktischer Bedeutung für die Förderung der Volkswirtschaft und des Aufbaus der Landesverteidigung. Mit der Entwicklung der CNC-Automatisierung und des Hochgeschwindigkeitsschneidens hat sich die Nebenzeit verringert, während die Schneidzeit zugenommen hat.

Um die Verarbeitungseffizienz weiter zu verbessern, ist es daher notwendig, die Schnittzeit zu verkürzen. Die wichtigste Möglichkeit, die Schnittzeit zu verkürzen, besteht darin, die Schnittgeschwindigkeit und die Schnitttiefe zu erhöhen. Mit der Weiterentwicklung der Präzisionsfertigung sind die Hersteller bei der Erhöhung der Schnitttiefe für Schnitte mit großem Rand eingeschränkt. Hochgeschwindigkeitsschneiden reduziert Schnittzeit und -kraft und verbessert die Oberflächengenauigkeit. Es wird in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung, der Elektronik und dem Präzisionsmaschinenbau häufig verwendet und erprobt.

Die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie ist zu einem zentralen Forschungsthema in der modernen Fertigung geworden. In diesem Artikel werden ihre Eigenschaften, Anwendungen, Mechanismen, Werkzeugmaschinen, Werkzeugtechnologien und Prozesse untersucht und zukünftige Entwicklungstrends prognostiziert, um Empfehlungen für die Weiterentwicklung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie Chinas zu geben.

 

Überblick über die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie

Der deutsche Physiker Carl J. Salomon prägte den Begriff des „Hochgeschwindigkeitsschneidens“. Seine Kernidee besagt, dass jedes Material eine entsprechende kritische Schnittgeschwindigkeit besitzt. Liegt die Schnittgeschwindigkeit unter diesem Wert, steigen Schnittkraft und Temperatur mit der Geschwindigkeit an; oberhalb dieses Wertes sinken beide. Hochgeschwindigkeitsschneiden reduziert somit Bearbeitungszeit, Schnitttemperatur und Werkzeugverschleiß und verbessert die Oberflächenqualität.

Derzeit gibt es keine einheitliche Definition der Geschwindigkeit beim Hochgeschwindigkeitsschneiden. Hochgeschwindigkeitsschneiden wird häufig auf zwei Arten klassifiziert: nach Schnittgeschwindigkeit, die als mehr als das Fünffache der herkömmlichen Geschwindigkeit definiert ist, oder nach Spindeldrehzahl, die als über 8000 U/min definiert ist. In der Praxis hängt die Geschwindigkeit vom Werkstückmaterial und der Verarbeitungsmethode ab, sodass es schwierig ist, einen genauen Wert zu definieren.

Es ist erwähnenswert, dass es beim Hochgeschwindigkeitsschneiden nicht nur darum geht, die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen. Es handelt sich um ein komplexes System, das Hochgeschwindigkeitsschneidmechanismen, Schlüsselgeräte und Prozesse integriert. Mit der Entwicklung verwandter Technologien verfolgt das Hochgeschwindigkeitsschneiden weiterhin die organische Einheit von technologischem Fortschritt und Nutzen.

Vorteile der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie

1. Steigerung der Produktionseffizienz: Hochgeschwindigkeitsschneiden verkürzt die Bearbeitungszeit erheblich, eignet sich für die Massenproduktion und verbessert die Gesamtproduktionseffizienz.

2. Verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit: Die Schnittkraft ist gering, das Werkstück wird weniger verformt, eine hochpräzise Bearbeitung kann erreicht werden, und die Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität der Teile werden verbessert.

3. Verlängerte Werkzeugstandzeit: Die Schnitttemperatur ist niedriger und der Werkzeugverschleiß geringer, wodurch die Werkzeugstandzeit deutlich verlängert wird.

4. Verbesserung der Oberflächenqualität: Die Oberflächenrauheit des bearbeiteten Werkstücks ist gering, wodurch der Bedarf an nachfolgenden Polier- und Nachbearbeitungsschritten reduziert wird.

5. Reduzierung der Werkstückverformung: Durch die verringerte Schnittkraft und Wärmeentwicklung wird die Werkstückverformung minimiert, wodurch sich das Verfahren ideal für dünnwandige und komplexe Teile eignet.

6. Breite Materialanpassungsfähigkeit: geeignet für verschiedene Werkstoffe, einschließlich schwer zu verarbeitender Werkstoffe wie Titanlegierungen, Edelstahl usw.

7. Reduzierung der Produktionskosten: Durch die Verbesserung der Schnitteffizienz und die Verlängerung der Werkzeugstandzeit können die gesamten Produktionskosten effektiv gesenkt werden.

Anwendung der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie

1. Luft-und Raumfahrt

· Die Bearbeitung von Flugzeugstrukturteilen und Triebwerkskomponenten erfordert hohe Präzision und hohe Festigkeit.
· Besonders hervorragend bei der Verarbeitung von Leichtmetallen (wie Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen).

2. Automobilbau

· Herstellung von Schlüsselkomponenten wie Motorzylindern und Getriebegehäusen.
· Verbessern Sie die Verarbeitungseffizienz, verkürzen Sie die Produktionszyklen und erfüllen Sie die Anforderungen der Massenproduktion.

3. Elektronik-Industrie

· Bearbeiten Sie die Gehäuse und Innenteile elektronischer Produkte wie Mobiltelefone und Computer.
· Erreichen Sie eine hochpräzise Verarbeitung, um den Anforderungen kleiner und komplex geformter Teile gerecht zu werden.

4. Formenbau

· Herstellung von Präzisionsformen wie Spritzgussformen und Stanzformen.
· Verbessern Sie die Genauigkeit der Formverarbeitung und Oberflächenqualität und verlängern Sie die Lebensdauer der Form.

5. Medizinische Geräte

· Bearbeiten von medizinischen Geräten und Instrumenten, wie etwa künstlichen Gelenken, Implantaten etc.
· Erfüllen Sie hohe Anforderungen an Präzision und Oberflächenqualität.

6. Rüstungsindustrie

· Herstellung von Teilen für Waffen und Militärfahrzeuge.
· Verbessern Sie die Verarbeitungsgenauigkeit und Zuverlässigkeit wichtiger Teile.

7. Formenbau

· Herstellung von Kunststoff- und Metallformen, geeignet für die Formenbearbeitung mit hoher Präzision und hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität.
· Verkürzen Sie den Herstellungszyklus der Form und erhöhen Sie die Lebensdauer der Form.

Die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie, die für ihre Effizienz, Präzision und geringe Schneidkraft bekannt ist, hat zu schnellem Wachstum in der modernen Fertigung geführt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wird die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie ihre einzigartigen Vorteile in weiteren Bereichen zeigen.

Forschung zu Schlüsseltechnologien des Hochgeschwindigkeitsschneidens

1. Forschung zum Hochgeschwindigkeits-Schneidmechanismus

Der Hochgeschwindigkeits-Schneidmechanismus ist das Herzstück der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie und leitet und steuert den gesamten Prozess. Seine Hauptunterschiede zu herkömmlichen gewöhnlichen Schneidmechanismen liegen in den Schneidprinzipien, der Schneidwärme und -temperatur sowie der Spanbildung. Der Mechanismus des Hochgeschwindigkeitsschneidens ist wie folgt:

· Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden steigen mit zunehmender Werkzeuggeschwindigkeit Schnittkraft und Temperatur. Sobald die Geschwindigkeit die kritische Grenze des Materials überschreitet, sinken sowohl Kraft als auch Temperatur, was die Effizienz verbessert.

· Eine zunehmende Schnittgeschwindigkeit erzeugt Wärme und führt zu einem Hochtemperaturbereich an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück, in dem ein Teil des Materials schmilzt und die Oberfläche schmiert sowie Reibung und Schnittkraft verringert.

· Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden bilden sich aufgrund der Materialinstabilität gezackte Späne, die periodische Änderungen der Schnittkraft und Temperatur verursachen, die sich auf die Prozessstabilität und die Ergebnisse auswirken.

· Zwei Theorien erklären die Bildung gezackter Spane: Die Theorie der adiabatischen Scherung führt sie darauf zurück, dass die thermische Erweichung die Kaltverfestigung überwiegt, während die Theorie des periodischen Sprödbruchs sie auf periodische Brüche zurückführt.

Die Untersuchung von Hochgeschwindigkeitsschneidmechanismen umfasst Schneidprinzipien, Wärme und Temperatur, Spanbildung und mehr. Um den komplexen Prozess zu verstehen, sind Kenntnisse über Wärmeübertragung und Bruchmechanik erforderlich. Wir müssen weitere Forschungen durchführen, um die Bildung von gezackten Spänen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden besser zu verstehen und zu kontrollieren.

2. Forschung zu Schlüsseltechnologien für das Hochgeschwindigkeitsschneiden

2.1 Hochgeschwindigkeits-Schneidmaschinen

Zur Kernausrüstung von Hochgeschwindigkeits-Schneidmaschinen gehören Spindel, Eilgang und CNC-Steuerungssysteme.

Das Hochgeschwindigkeitsspindelsystem muss eine kompakte Struktur, hervorragende Start-Stopp-Leistung, einen großen Drehzahlbereich, hohe Steifigkeit und Genauigkeit, gute thermische Stabilität, zuverlässige Schmierung und Kühlung sowie ein stabiles Überwachungssystem aufweisen.

Elektrische Spindeln verwenden typischerweise einen integrierten Motor und eine integrierte Spindel, wobei ein AC-Servomotor die interne Struktur direkt antreibt.

Eilvorschubsysteme müssen Hochgeschwindigkeitsspindeln verwenden. Der Vorschubmechanismus des herkömmlichen Kugelumlaufspindelpaars weist eine geringe Übertragungseffizienz auf und kann die Leistungsanforderungen nicht erfüllen.

Um eine hohe Geschwindigkeitspräzision zu erreichen, verfügt die Führungsschiene über eine lineare Struktur mit eingebetteten Kugellagern für geringe Reibung und eine kleine Kontaktfläche. Der Vorschubmechanismus verwendet fortschrittliche Hochgeschwindigkeits-Linearmotoren und hochwertige Kugelumlaufspindeln mit kleiner Steigung. Diese Technologien können hohe Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungen erreichen und die Übertragungsgenauigkeit verbessern.

Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden muss die CNC-Steuerung eine schnelle Datenverarbeitung, eine vorausschauende Regelung sowie eine geometrische und thermische Kompensation ermöglichen.

Die herkömmliche CAD-Datenkonvertierung in Punkt-zu-Punkt-Werkzeugpfade genügt den Anforderungen nicht mehr. Kontursteuerungstechnologien wie NURBS-Interpolation, sanfte Interpolation und glockenförmige Beschleunigung/Verzögerung können die Leistung verbessern.

2.2 Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge

Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge sind für die moderne Zerspanung von entscheidender Bedeutung. Sie bieten hohe Präzision, Effizienz und Zuverlässigkeit. Spezialisiertes Material, Beschichtung und Struktur des Werkzeugs sind der Schlüssel zum Erreichen dieser Eigenschaften. Die Auswahl der Werkzeugmaterialien und Beschichtungen ist für die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie von großer Bedeutung.

Zu den üblichen Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen gehören TiCN-basierte Hartmetall-, Keramik-, Diamant- und PCBN-Werkzeuge. Sie alle haben die Eigenschaft, für unterschiedliche Materialien geeignet zu sein.

Hartmetall- und Keramikwerkzeuge auf TiCN-Basis eignen sich ideal für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Stahl und Legierungen, Diamantwerkzeuge für Aluminium-, Titan- und Kupferlegierungen und PCBN-Werkzeuge für Hochtemperaturlegierungen.

Die strukturellen Parameter des Werkzeugs wirken sich direkt auf die Lebensdauer des Werkzeugs und die Verarbeitungsqualität aus.

Im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen haben Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge kleinere Spanwinkel und größere Rückenwinkel. Eine Vergrößerung des Spitzenwinkels und der Schneidkantenlänge verbessert die Werkzeugsteifigkeit und verringert den Verschleiß.

Bei Hochgeschwindigkeitsrotation muss das Werkzeug ausgewuchtet sein und der Werkzeughalter muss das Werkzeug mit ausreichender Kraft und Zuverlässigkeit klemmen.

Um die Anforderungen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden zu erfüllen, haben die Hersteller die Positionierungsgenauigkeit der Werkzeughalter und die Verbindungssteifigkeit verbessert, wie man am japanischen BIG-PLUS und der deutschen HSK-Serie sehen kann.

Der herkömmliche solide BT-Werkzeughalter weist eine geringe Genauigkeit und Steifigkeit auf und wird den Anforderungen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden nicht gerecht.

Sie entwickelten einen passgenauen Werkzeughalter und positionierten ihn sowohl über den Innenlochkegel als auch über die Stirnfläche der Spindel.

2.3 Forschung zur Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie

Die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie unterscheidet sich stark von der herkömmlichen Verarbeitungstechnologie. Das Konstruktionsprinzip des Hochgeschwindigkeitsschneidens besteht darin, seine Vorteile für einen hocheffizienten und qualitativ hochwertigen Prozessplan zu nutzen.

Die Forschung zur Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie umfasst hauptsächlich die Auswahl der Schneidmethode, der Schnittmenge und der Werkzeugvorschubmethode.

Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden bevorzugen Maschinisten das Gleichlauffräsen, da es die Schnittdicke verringert, den Gleitweg des Fräsers verkürzt und eine glattere Oberfläche ergibt. Beim Rückwärtsfräsen erhöht sich die Schnittdicke, wodurch Reibung, Radialkraft und Wärme erhöht werden, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt. Die Schnittparameter hängen vom Werkzeug und Material ab.

Das Auswahlprinzip beim Hochgeschwindigkeitsfräsen ist im Allgemeinen ein mittlerer Vorschub pro Zahn, eine geringe axiale Tiefe und eine große radiale Tiefe.

Die Optimierung der Werkzeugzuführungsmethode umfasst Richtung, Pfad und flexible Beschleunigung/Verzögerung.

Sie sollten die Optimierung der Werkzeugvorschubrichtung anhand der Ebenheit der Oberfläche bewerten. Der Werkzeugpfad sollte einfach und glatt sein und Bogenübergänge verwenden, um Interferenzbereiche zu vermeiden.

Um die Start-Stopp-Auswirkungen zu reduzieren und die Verarbeitungsgenauigkeit sicherzustellen, wählen Sie die geeignete Beschleunigungs- und Verzögerungsmethode.

Perspektiven der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie

1. Intensivere Forschung zum Hochgeschwindigkeits-Schneidmechanismus

Obwohl Forscher im In- und Ausland umfangreiche Studien zum Hochgeschwindigkeitsschneiden durchgeführt haben, werden diese im Allgemeinen den Produktionsanforderungen nicht gerecht, sodass weitere, eingehende Forschung erforderlich ist.

Sie können die eingehende Forschung zu Hochgeschwindigkeitsschneidmechanismen unter folgenden Gesichtspunkten verstärken:

1) Digitale Beschreibung und Vorhersage der Schnittkraft und des Schnittwärmeverteilungsgesetzes;

2) Forschung zum Spanbildungsmechanismus bei schwer zerspanbaren Werkstoffen, Verbundwerkstoffen und beim Mikroschneiden;

3) Beschreibung des tribologischen Verhaltens der Werkzeug-Span-Grenzfläche und des Werkzeugverschleißmechanismus;

4) Überwachung und Vorhersage der Werkzeuglebensdauer;

5) Modellierungsanalyse der Schneiddynamik im Zeit- und Frequenzbereich.

2. Forschung zu neuen Werkzeugmaterialien und Strukturtechnologien

Die Forschung an neuen Werkzeugmaterialien und -strukturen umfasst Materialauswahl, Design und Verarbeitungstechnologie.

Zu den neuen Werkzeugmaterialien können unter anderem Keramikmaterialien mit hoher Härte, verschleißfeste Beschichtungsmaterialien, Metallmaterialien mit hoher Festigkeit usw. gehören. Die Auswahl dieser Materialien hängt eng mit dem spezifischen Einsatzzweck des Werkzeugs zusammen.

Bei der Werkzeugstrukturtechnologie liegt der Schwerpunkt auf Klingendesign, Struktur und Befestigungsmethoden, um Stabilität, Schneidleistung und Werkzeuglebensdauer zu verbessern.

Die Forschung zur Verarbeitungstechnologie umfasst die Optimierung von Schnittparametern, Kühl- und Schmiertechnologie, Schnittkraft und Wärmekontrolle usw., um eine effiziente, präzise und stabile Verarbeitung zu erreichen.

3. Erstellen Sie eine intelligente Cloud-Verarbeitungsdatenbank für Hochgeschwindigkeitsschnitte

Die Datenbank für Hochgeschwindigkeitsschneidprozesse kann entsprechend den Produktionsanforderungen auf intelligente Weise Prozessdaten für die Schneidstelle bereitstellen. Der Kern der Hochgeschwindigkeitsschneiddatenbank basiert auf der intelligenten Vorhersage des Schnittkraftmodells, des Schnitttemperaturmodells, des Werkzeugverschleißmodells und des Modells für die Oberflächenqualität des Werkstücks.

Durch die kontinuierliche Entwicklung neuer Prozesse und Technologien weist die Schnittdatenbank jedoch eine hohe Aktualität auf.

Derzeit können wir Cloud-Computing-Technologie und die Theorie der künstlichen Intelligenz nutzen, um eine intelligente Cloud-Verarbeitungsdatenbank für Hochgeschwindigkeitsschneiden aufzubauen, die auf dem physikalischen Modell des Hochgeschwindigkeitsschneidprozesses basiert, kombiniert mit Produktionspraktiken und einer großen Anzahl von Schneidtests.

4. Forschung zur Online-Überwachungstechnologie für Hochgeschwindigkeitsschneidprozesse

Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden sind Vibration und Verschleiß des Werkzeugs entscheidend für die Oberflächenqualität des Werkstücks. Um die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie sicherzustellen, ist die Online-Überwachung des Werkzeugstatus und der Oberflächenqualität des Werkstücks von entscheidender Bedeutung geworden.

Durch die Online-Überwachung wird eine Verbindung zwischen der Vibration und dem Verschleiß des Werkzeugs und der Oberflächenqualität des Werkstücks hergestellt und ein sinnvoller Schwellenwert festgelegt, der auf umfangreichen Erfahrungen aus der tatsächlichen Produktion basiert.

Diese Überwachung kann sicherstellen, dass das Werkzeugvibrationssignal normal ist und die Oberflächenrauheit des Werkstücks qualifiziert ist. Indem wir die Prozessparameter anpassen, das Werkzeug austauschen und Feedback zur Anpassung der Ausrüstung geben, können wir ein normales Hochgeschwindigkeitsschneiden gewährleisten.

5. Forschung zu umweltfreundlicher Schnitttechnologie auf Basis von Trockenschnitt

Hochgeschwindigkeitsschneiden kann den Energieverbrauch zwar bis zu einem gewissen Grad senken, erfordert jedoch auch eine große Menge Kühlmittel, was zu einer gewissen Umweltverschmutzung führt. Die Hauptentwicklungsrichtung der Fertigungsindustrie in der Zukunft ist der grüne Umweltschutz, die Energieeinsparung und die Emissionsreduzierung.

Darunter stellt das auf Trockenschneiden basierende grüne Schneiden einen der wichtigsten Forschungsbereiche des Hochgeschwindigkeitsschneidens dar. Trockenschneiden ist eine Verarbeitungstechnologie, bei der während der Verarbeitung kein oder nur geringe Mengen an Schneidflüssigkeit verwendet werden.

Diese Technologie kann nicht nur die Umweltverschmutzung verringern, sondern auch Schneidflüssigkeit sparen, das Produktionssystem vereinfachen und die Produktionskosten senken, was dem Trend zu grünem Umweltschutz, Energieeinsparung und Emissionsreduzierung entspricht.

Fazit

Die oben genannten Untersuchungen führen zu folgenden Schlussfolgerungen:

1. Die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie ist ein zentraler Forschungsbereich im Bereich der modernen Fertigung und umfasst komplexe Systemtechnik wie Hochgeschwindigkeitsschneidmechanismen, Schlüsselgerätetechnologie und Prozesse. Während sich verwandte Technologien weiterentwickeln, streben wir weiterhin die Integration von Technologie und Vorteilen an.

2. Im Vergleich zum konventionellen Schneiden bietet die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie viele Vorteile: Eine hohe Abtragsrate senkt die Produktionskosten, eine geringe Schnittkraft verringert die Verformung bei der Bearbeitung, die Wärmeableitung der Späne verringert die thermische Verformung, stabiles Schneiden und hohe Präzision sowie ein vereinfachter Prozessablauf verbessern die Produktionseffizienz.

3. Um die Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie voranzutreiben, müssen wir die Forschung zu Hochgeschwindigkeitsschneidmechanismen intensivieren, die Entwicklung von Werkzeugmaschinen mit ultrahoher Geschwindigkeit und hoher Leistung beschleunigen, die Forschung zu neuen Werkzeugmaterialien und Strukturtechnologien intensivieren, eine intelligente Cloud-Verarbeitungsdatenbank für das Hochgeschwindigkeitsschneiden aufbauen, Forschungen zur Online-Überwachungstechnologie für Hochgeschwindigkeitsschneidprozesse durchführen und uns auf die Stärkung der umweltfreundlichen Schneidtechnologie konzentrieren, die hauptsächlich auf Trockenschneiden basiert.