Investigación y desarrollo de tecnología de corte de alta velocidad

El corte se utiliza ampliamente en el campo de la fabricación mecánica actual como método de procesamiento. Mejorar la eficiencia del corte y reducir los costos de producción son de gran importancia práctica para promover la economía nacional y la construcción de defensa nacional. Con el desarrollo de la automatización CNC y el corte de alta velocidad, el tiempo auxiliar ha disminuido, mientras que el tiempo de corte ha aumentado.

Por lo tanto, para mejorar aún más la eficiencia del procesamiento, es necesario reducir el tiempo de corte. La principal forma de reducir el tiempo de corte es aumentar la velocidad de corte y la profundidad de corte. A medida que avanza la fabricación de precisión, los fabricantes se ven limitados a la hora de aumentar la profundidad de corte para cortes de gran margen. El corte a alta velocidad reduce el tiempo y la fuerza de corte, y mejora la precisión de la superficie. Ha sido ampliamente utilizado y verificado por industrias como la aeroespacial, la defensa, la electrónica y la maquinaria de precisión.

La tecnología de corte de alta velocidad se ha convertido en un tema de investigación clave en la fabricación avanzada. Este artículo explora sus características, aplicaciones, mecanismos, máquinas herramienta, tecnologías de herramientas y procesos, y predice las tendencias de desarrollo futuras para brindar recomendaciones para avanzar en la tecnología de corte de alta velocidad de China.

 

Descripción general de la tecnología de corte de alta velocidad

El físico alemán Carl J. Salomon fue el primero en proponer el concepto de "corte a alta velocidad". Su idea principal es que cada material tiene una velocidad de corte crítica. Cuando la velocidad de corte es inferior a este valor crítico, la fuerza de corte y la temperatura aumentan con la velocidad; por encima de este valor, ambas disminuyen. De este modo, el corte a alta velocidad reduce el tiempo de procesamiento, la temperatura de corte y el desgaste de la herramienta, además de mejorar la calidad de la superficie.

En la actualidad, no existe una definición unificada de la velocidad de corte a alta velocidad. El corte a alta velocidad suele clasificarse de dos formas: por velocidad de corte, definida como más de cinco veces la velocidad convencional, o por velocidad del husillo, definida como más de 8000 rpm. En la práctica, la velocidad depende del material de la pieza de trabajo y del método de procesamiento, lo que dificulta definir un valor exacto.

Cabe señalar que el corte de alta velocidad no se trata solo de aumentar la velocidad de corte. Es un sistema complejo que integra mecanismos de corte de alta velocidad, equipos clave y procesos. Con el desarrollo de tecnologías relacionadas, el corte de alta velocidad continúa buscando la unidad orgánica del progreso tecnológico y los beneficios.

Ventajas de la tecnología de corte de alta velocidad

1. Mejora de la eficiencia de producción: El corte de alta velocidad reduce considerablemente el tiempo de procesamiento, es adecuado para la producción en masa y mejora la eficiencia general de la producción.

2. Mayor precisión de mecanizado: La fuerza de corte es pequeña, la pieza de trabajo se deforma menos, se puede lograr un mecanizado de alta precisión y se mejora la exactitud dimensional y la calidad superficial de las piezas.

3. Prolonga la vida útil de la herramienta: La temperatura de corte es más baja y el desgaste de la herramienta se reduce, lo que prolonga significativamente su vida útil.

4. Mejora de la calidad de la superficie: La rugosidad superficial de la pieza procesada es baja, lo que reduce la necesidad de pulido y acabado posteriores.

5. Reducción de la deformación de la pieza: La reducción de la fuerza de corte y del calor minimiza la deformación de la pieza, lo que la hace ideal para piezas complejas y de paredes delgadas.

6. Amplia adaptabilidad a diversos materiales: apto para una gran variedad de materiales, incluidos materiales difíciles de procesar, como aleaciones de titanio, acero inoxidable, etc.

7. Reducir los costos de producción: Al mejorar la eficiencia de corte y prolongar la vida útil de las herramientas, se puede reducir eficazmente el costo total de producción.

Aplicación de tecnología de corte de alta velocidad

1. Aeroespacial

· El procesamiento de piezas estructurales de aeronaves y componentes de motores requiere alta precisión y alta resistencia.
· Especialmente destacado en el procesamiento de aleaciones ligeras (como aleaciones de aluminio y aleaciones de titanio).

2. Fabricación de automóviles

· Fabricar componentes clave como cilindros de motor y carcasas de cajas de cambios.
· Mejorar la eficiencia del procesamiento, acortar los ciclos de producción y satisfacer las necesidades de producción en masa.

3. Industria electrónica

· Procesar las carcasas y partes internas de productos electrónicos como teléfonos móviles y ordenadores.
· Lograr un procesamiento de alta precisión para satisfacer las necesidades de piezas de tamaño pequeño y formas complejas.

4. Fabricación de moldes

· Realizar moldes de precisión como moldes de inyección y moldes de estampación.
· Mejora la precisión del procesamiento del molde y la calidad de la superficie y extiende la vida útil del molde.

5. Dispositivos médicos

· Procesar equipos e instrumentos médicos, tales como articulaciones artificiales, implantes, etc.
· Cumplir con requisitos de alta precisión y alta calidad de superficie.

6. Industria de defensa

· Fabricación de piezas para armas y vehículos militares.
· Mejorar la precisión y confiabilidad del procesamiento de piezas clave.

7. Fabricación de moldes

· Fabricar moldes de plástico y metal, adecuados para el procesamiento de moldes con alta precisión y altos requisitos de calidad de superficie.
·Acortar el ciclo de fabricación del molde y aumentar la vida útil del molde.

La tecnología de corte de alta velocidad, conocida por su eficiencia, precisión y baja fuerza de corte, ha impulsado un rápido crecimiento en la fabricación moderna. Con el avance continuo de la tecnología, la tecnología de corte de alta velocidad mostrará sus ventajas únicas en más campos.

Investigación sobre tecnologías clave de corte de alta velocidad

1. Investigación sobre el mecanismo de corte de alta velocidad.

El mecanismo de corte de alta velocidad es el núcleo de la tecnología de corte de alta velocidad, que guía y controla todo el proceso. Sus principales diferencias con los mecanismos de corte ordinarios tradicionales están en los principios de corte, el calor y la temperatura de corte y la formación de viruta. El mecanismo de corte de alta velocidad es el siguiente:

·En el corte a alta velocidad, a medida que aumenta la velocidad de la herramienta, aumentan la fuerza de corte y la temperatura. Una vez que la velocidad supera el límite crítico del material, tanto la fuerza como la temperatura disminuyen, mejorando la eficiencia.

·El aumento de la velocidad de corte genera calor, provocando una zona de alta temperatura en la interfaz herramienta-pieza, donde parte del material se funde, lubricando la superficie, reduciendo la fricción y la fuerza de corte.

·En el corte a alta velocidad, se forman virutas dentadas debido a la inestabilidad del material, lo que provoca cambios periódicos en la fuerza de corte y la temperatura, que afectan la estabilidad del proceso y los resultados.

·Dos teorías explican la formación de virutas dentadas: la teoría del corte adiabático la atribuye al ablandamiento térmico que supera al endurecimiento por deformación, mientras que la teoría de la fractura frágil periódica la vincula a la fractura periódica.

El estudio de los mecanismos de corte a alta velocidad incluye principios de corte, calor y temperatura, formación de virutas y más. Requiere aplicar conocimientos de transferencia de calor y mecánica de fracturas para comprender el complejo proceso. Necesitamos realizar más investigaciones para comprender y controlar mejor la formación de virutas dentadas en el corte a alta velocidad.

2. Investigación sobre tecnología de equipos clave para corte de alta velocidad

2.1 Máquinas herramientas de corte de alta velocidad

Las máquinas herramienta de corte de alta velocidad son equipos fundamentales, incluidos husillos, avance rápido y sistemas de control CNC.

El sistema de husillo de alta velocidad debe tener una estructura compacta, un excelente rendimiento de arranque y parada, un amplio rango de velocidad, alta rigidez y precisión, buena estabilidad térmica, lubricación y enfriamiento confiables y un sistema de monitoreo estable.

Los husillos eléctricos normalmente utilizan un motor y un husillo integrados, donde un servomotor de CA impulsa directamente la estructura interna.

Los sistemas de alimentación rápida deben utilizar husillos de alta velocidad. El mecanismo de alimentación del par de tuercas de husillo de bolas tradicional tiene una baja eficiencia de transmisión y no puede cumplir con los requisitos de rendimiento.

Para lograr una precisión de alta velocidad, el riel guía presenta una estructura lineal con cojinetes de bolas integrados para una baja fricción y un área de contacto pequeña. El mecanismo de avance utiliza motores lineales avanzados de alta velocidad y tornillos de bolas de paso pequeño de alta calidad. Estas tecnologías pueden lograr altas velocidades de avance y aceleraciones y mejorar la precisión de la transmisión.

En el corte de alta velocidad, el sistema de control CNC debe permitir un procesamiento rápido de datos, control predictivo y compensación geométrica y térmica.

La conversión tradicional de datos CAD en trayectorias de herramientas punto a punto ya no satisface los requisitos; las tecnologías de control de contorno como la interpolación NURBS, la interpolación suave y la aceleración/desaceleración en forma de campana pueden mejorar el rendimiento.

2.2 Herramientas de corte de alta velocidad

Las herramientas de corte de alta velocidad son cruciales para el mecanizado moderno, ya que ofrecen alta precisión, eficiencia, confiabilidad y especialización. El material, el recubrimiento y la estructura de la herramienta son las claves para lograr estas características. La selección de los materiales y recubrimientos de las herramientas es de gran importancia para el desarrollo de la tecnología de corte de alta velocidad.

Las herramientas de corte de alta velocidad más comunes incluyen herramientas de carburo basadas en TiCN, cerámicas, de diamante y PCBN. Cada una de ellas tiene la característica de ser adecuada para diferentes materiales.

Las herramientas de carburo y cerámica basadas en TiCN son ideales para el mecanizado de alta velocidad de acero y aleaciones, herramientas de diamante para aleaciones de aluminio, titanio y cobre, y herramientas PCBN para aleaciones de alta temperatura.

Los parámetros estructurales de la herramienta afectan directamente la vida útil de la herramienta y la calidad del procesamiento.

En comparación con las herramientas tradicionales, las herramientas de corte de alta velocidad tienen ángulos de ataque más pequeños y ángulos de retroceso más grandes. Aumentar el ángulo de la punta y la longitud del filo de corte mejora la rigidez de la herramienta y reduce el desgaste.

Bajo rotación a alta velocidad, la herramienta debe estar equilibrada y el portaherramientas debe sujetarla con suficiente fuerza y ​​confiabilidad.

Para satisfacer los requisitos de corte de alta velocidad, los fabricantes han mejorado la precisión de posicionamiento del portaherramientas y la rigidez de la conexión, como se ve con las series BIG-PLUS de Japón y HSK de Alemania.

El portaherramientas BT sólido tradicional tiene baja precisión y rigidez, por lo que no satisface las necesidades de corte de alta velocidad.

Desarrollaron un portaherramientas de ajuste perfecto y lo posicionaron utilizando tanto el cono del orificio interior del husillo como la cara del extremo.

2.3 Investigación sobre tecnología de corte de alta velocidad

La tecnología de corte de alta velocidad es muy diferente de la tecnología de procesamiento convencional tradicional. El principio de diseño del corte de alta velocidad es aprovechar sus ventajas para lograr un plan de proceso de alta eficiencia y alta calidad.

La investigación sobre tecnología de corte de alta velocidad incluye principalmente la selección del método de corte, la cantidad de corte y el método de alimentación de la herramienta.

En el corte a alta velocidad, los maquinistas prefieren el fresado descendente porque reduce el espesor de corte, acorta la distancia de deslizamiento de la herramienta y da como resultado una superficie más lisa. El fresado inverso aumenta el espesor de corte, lo que aumenta la fricción, la fuerza radial y el calor, lo que acelera el desgaste de la herramienta. Los parámetros de corte dependen de la herramienta y del material.

El principio de selección para el fresado de alta velocidad es generalmente un avance medio por diente, una profundidad axial pequeña y una profundidad radial grande.

La optimización del método de alimentación de herramientas incluye dirección, trayectoria y aceleración/desaceleración flexible.

Debe evaluar la optimización de la dirección de avance de la herramienta en función de la planitud de la superficie. La trayectoria de la herramienta debe ser simple y suave, y utilizar transiciones en arco para evitar áreas de interferencia.

Para reducir el impacto del arranque y la parada y garantizar la precisión del procesamiento, seleccione el método de aceleración y desaceleración adecuado.

Perspectivas de la tecnología de corte de alta velocidad

1. Fortalecer la investigación en profundidad sobre el mecanismo de corte de alta velocidad.

Aunque investigadores tanto a nivel nacional como internacional han realizado estudios exhaustivos sobre el corte de alta velocidad, generalmente no logran satisfacer las necesidades de producción, por lo que es necesario realizar investigaciones más profundas.

Puedes fortalecer la investigación en profundidad sobre los mecanismos de corte de alta velocidad desde los siguientes aspectos:

1) Descripción y predicción digital de la ley de distribución de la fuerza de corte y del calor de corte;

2) Investigación sobre el mecanismo de formación de viruta de materiales difíciles de cortar, materiales compuestos y microcorte;

3) Descripción del comportamiento tribológico de la interfaz herramienta-chip y del mecanismo de desgaste de la herramienta;

4) Monitoreo y predicción de la vida útil de las herramientas;

5) Análisis de la dinámica de corte mediante modelado en el dominio del tiempo y del dominio de la frecuencia.

2. Investigación sobre nuevos materiales para herramientas y tecnologías estructurales

La investigación sobre nuevos materiales y estructuras de herramientas abarca la selección de materiales, el diseño y la tecnología de procesamiento.

Entre ellos, los nuevos materiales para herramientas pueden incluir materiales cerámicos de alta dureza, materiales de revestimiento resistentes al desgaste, materiales metálicos de alta resistencia, etc. La selección de estos materiales está estrechamente relacionada con el uso específico de la herramienta.

La tecnología de estructura de herramientas se centra en el diseño de la hoja, la estructura y los métodos de fijación para mejorar la estabilidad, la eficiencia de corte y la vida útil de la herramienta.

La investigación sobre tecnología de procesamiento incluye la optimización de los parámetros de corte, la tecnología de enfriamiento y lubricación, la fuerza de corte y el control del calor, etc., para lograr un procesamiento eficiente, preciso y estable.

3. Construya una base de datos de procesamiento en la nube de corte inteligente y de alta velocidad

La base de datos de procesamiento de corte de alta velocidad puede proporcionar de manera inteligente datos de proceso para el sitio de corte de acuerdo con las necesidades de producción. El núcleo de la base de datos de corte de alta velocidad se basa en la predicción inteligente del modelo de fuerza de corte, el modelo de temperatura de corte, el modelo de desgaste de la herramienta y el modelo de calidad de la superficie de la pieza de trabajo.

Sin embargo, con el continuo desarrollo de nuevos procesos y tecnologías, la base de datos de corte tiene una fuerte actualidad.

Actualmente, podemos utilizar la tecnología de computación en la nube y la teoría de inteligencia artificial para construir una base de datos de procesamiento en la nube de corte de alta velocidad inteligente basada en el modelo físico del proceso de corte de alta velocidad, combinado con prácticas de producción y una gran cantidad de pruebas de corte.

4. Investigación sobre tecnología de monitoreo en línea para procesos de corte de alta velocidad

Durante el corte a alta velocidad, la vibración y el desgaste de la herramienta son cruciales para la calidad de la superficie de la pieza de trabajo. Para garantizar el desarrollo de la tecnología de corte a alta velocidad, el monitoreo en línea del estado de la herramienta y la calidad de la superficie de la pieza de trabajo se ha vuelto crucial.

La monitorización en línea establece una conexión entre la vibración y el desgaste de la herramienta y la calidad de la superficie de la pieza de trabajo y establece un umbral razonable basado en una gran cantidad de experiencia de producción real.

Este control puede garantizar que la señal de vibración de la herramienta sea normal y que la rugosidad de la superficie de la pieza de trabajo sea adecuada. Al ajustar los parámetros del proceso, reemplazar la herramienta y proporcionar retroalimentación para ajustar el equipo, podemos garantizar un corte normal a alta velocidad.

5. Investigación sobre tecnología de corte verde basada en corte en seco

El corte a alta velocidad puede reducir el consumo de energía hasta cierto punto, pero también requiere una gran cantidad de refrigerante, lo que provoca cierta contaminación al medio ambiente. La principal dirección de desarrollo de la industria manufacturera en el futuro es la protección del medio ambiente, la conservación de la energía y la reducción de las emisiones.

Entre ellos, el corte en verde basado en el corte en seco es una de las áreas de investigación clave del corte de alta velocidad. El corte en seco es una tecnología de procesamiento que no utiliza o utiliza solo una cantidad mínima de fluido de corte durante el procesamiento.

Esta tecnología no solo puede reducir la contaminación, sino que también ahorra equipos relacionados con el fluido de corte, simplifica el sistema de producción y reduce los costos de producción, lo que está en línea con la tendencia de conservación de energía de protección ambiental verde y reducción de emisiones.

Conclusión

La investigación anterior conduce a las siguientes conclusiones:

1. La tecnología de corte de alta velocidad es un área clave de investigación en el campo de la fabricación avanzada actual, que abarca la ingeniería de sistemas complejos, como mecanismos de corte de alta velocidad, tecnología de equipos clave y procesos. A medida que se desarrollan las tecnologías relacionadas, seguimos buscando la integración de tecnología y beneficios.

2. En comparación con el corte convencional, la tecnología de corte de alta velocidad tiene muchas ventajas: una alta tasa de remoción reduce los costos de producción, una pequeña fuerza de corte reduce la deformación del mecanizado, la disipación de calor de la viruta reduce la deformación térmica, un corte estable y de alta precisión, y un flujo de proceso simplificado mejora la eficiencia de producción.

3. Para promover el desarrollo de la tecnología de corte de alta velocidad, necesitamos fortalecer la investigación sobre mecanismos de corte de alta velocidad, acelerar el desarrollo de máquinas herramienta de ultra alta velocidad y alta potencia, fortalecer la investigación sobre nuevos materiales de herramientas y tecnologías estructurales, construir una base de datos de procesamiento en la nube de corte inteligente de alta velocidad, realizar investigaciones sobre tecnología de monitoreo en línea del proceso de corte de alta velocidad y enfocarnos en fortalecer la tecnología de corte verde basada principalmente en el corte en seco.