Recherche et développement de la technologie de coupe à grande vitesse

La découpe est largement utilisée dans le domaine de la fabrication mécanique actuelle comme méthode de traitement. L'amélioration de l'efficacité de la découpe et la réduction des coûts de production sont d'une grande importance pratique pour la promotion de l'économie nationale et de la construction de la défense nationale. Avec le développement de l'automatisation CNC et de la découpe à grande vitesse, le temps auxiliaire a diminué, tandis que le temps de découpe a augmenté.

Par conséquent, pour améliorer encore l'efficacité du traitement, il est nécessaire de réduire le temps de coupe. Le principal moyen de réduire le temps de coupe est d'augmenter la vitesse et la profondeur de coupe. À mesure que la fabrication de précision progresse, les fabricants sont limités dans l'augmentation de la profondeur de coupe pour les coupes à grande marge. La coupe à grande vitesse réduit le temps de coupe et la force, et améliore la précision de la surface. Elle a été largement utilisée et vérifiée par des industries telles que l'aérospatiale, la défense, l'électronique et les machines de précision.

La technologie de découpe à grande vitesse est devenue un sujet de recherche clé dans la fabrication avancée. Cet article explore ses caractéristiques, ses applications, ses mécanismes, ses machines-outils, ses technologies d'outillage et ses processus, et prédit les tendances de développement futures pour fournir des recommandations pour faire progresser la technologie de découpe à grande vitesse en Chine.

 

Aperçu de la technologie de découpe à grande vitesse

Le physicien allemand Carl J. Salomon a été le premier à proposer le concept de « coupe à grande vitesse ». Son idée principale repose sur le principe que chaque matériau possède une vitesse de coupe critique. Lorsque la vitesse de coupe est inférieure à cette valeur critique, la force de coupe et la température augmentent ; au-delà, elles diminuent. Ainsi, la coupe à grande vitesse réduit le temps d'usinage, la température de coupe et l'usure de l'outil, tout en améliorant la qualité de surface.

À l'heure actuelle, il n'existe pas de définition unifiée de la vitesse de coupe à grande vitesse. La coupe à grande vitesse est souvent classée de deux manières : par vitesse de coupe, définie comme plus de cinq fois la vitesse conventionnelle, ou par vitesse de broche, définie comme plus de 8000 XNUMX tr/min. Dans la pratique, la vitesse dépend du matériau de la pièce et de la méthode d'usinage, ce qui rend difficile la définition d'une valeur exacte.

Il convient de noter que la découpe à grande vitesse ne se limite pas à augmenter la vitesse de découpe. Il s'agit d'un système complexe intégrant des mécanismes de découpe à grande vitesse, des équipements clés et des processus. Avec le développement des technologies associées, la découpe à grande vitesse continue de rechercher l'unité organique du progrès technologique et des avantages.

Avantages de la technologie de découpe à grande vitesse

1. Améliorer l'efficacité de la production : La découpe à grande vitesse raccourcit considérablement le temps de traitement, convient à la production de masse et améliore l'efficacité globale de la production.

2. Précision d'usinage améliorée : La force de coupe est faible, la pièce est moins déformée, un usinage de haute précision peut être réalisé et la précision dimensionnelle et la qualité de surface des pièces sont améliorées.

3. Prolonger la durée de vie de l'outil : La température de coupe est plus basse et l'usure de l'outil est réduite, ce qui prolonge considérablement sa durée de vie.

4. Amélioration de la qualité de surface : La rugosité de surface de la pièce traitée est faible, réduisant ainsi le besoin de polissage et de finition ultérieurs.

5. Réduction de la déformation de la pièce : La réduction de la force de coupe et de la chaleur minimise la déformation de la pièce, ce qui la rend idéale pour les pièces à parois minces et complexes.

6. Grande adaptabilité aux matériaux : convient à divers matériaux, y compris les matériaux difficiles à traiter, tels que l'alliage de titane, l'acier inoxydable, etc.

7. Réduire les coûts de production : En améliorant l'efficacité de coupe et en prolongeant la durée de vie des outils, le coût global de production peut être efficacement réduit.

Application de la technologie de découpe à grande vitesse

1. Aérospatial

· Le traitement des pièces structurelles des avions et des composants des moteurs nécessite une grande précision et une grande résistance.
· Particulièrement remarquable dans le traitement des alliages légers (tels que les alliages d'aluminium et les alliages de titane).

2. Fabrication automobile

· Fabriquer des composants clés tels que des cylindres de moteur et des carters de boîte de vitesses.
· Améliorer l’efficacité du traitement, raccourcir les cycles de production et répondre aux besoins de production de masse.

3. Industrie électronique

· Traiter les coques et les pièces internes des produits électroniques tels que les téléphones portables et les ordinateurs.
· Réaliser un traitement de haute précision pour répondre aux besoins des pièces de petite taille et de formes complexes.

4. Fabrication de moules

· Fabriquer des moules de précision tels que des moules d’injection et des moules d’emboutissage.
· Améliorez la précision du traitement des moules et la qualité de la surface et prolongez la durée de vie du moule.

5. Dispositifs médicaux

· Traiter des équipements et instruments médicaux, tels que des articulations artificielles, des implants, etc.
· Répond aux exigences de haute précision et de haute qualité de surface.

6. Industrie de la défense

· Fabriquer des pièces pour armes et véhicules militaires.
· Améliorer la précision et la fiabilité du traitement des pièces clés.

7. Fabrication de moules

· Fabrication de moules en plastique et en métal, adaptés au traitement de moules avec une haute précision et des exigences de qualité de surface élevées.
· Raccourcir le cycle de fabrication du moule et augmenter la durée de vie du moule.

La technologie de découpe à grande vitesse, connue pour son efficacité, sa précision et sa faible force de coupe, a entraîné une croissance rapide dans la fabrication moderne. Avec l'avancement continu de la technologie, la technologie de découpe à grande vitesse montrera ses avantages uniques dans davantage de domaines.

Recherche sur les technologies clés de la découpe à grande vitesse

1. Recherche sur le mécanisme de coupe à grande vitesse

Le mécanisme de coupe à grande vitesse est au cœur de la technologie de coupe à grande vitesse, guidant et contrôlant l'ensemble du processus. Ses principales différences par rapport aux mécanismes de coupe ordinaires traditionnels résident dans les principes de coupe, la chaleur et la température de coupe et la formation de copeaux. Le mécanisme de coupe à grande vitesse est le suivant :

·Lors de la coupe à grande vitesse, à mesure que la vitesse de l'outil augmente, la force de coupe et la température augmentent. Une fois que la vitesse dépasse la limite critique du matériau, la force et la température chutent, améliorant ainsi l'efficacité.

·L'augmentation de la vitesse de coupe génère de la chaleur, créant une zone à haute température à l'interface outil-pièce, où une partie du matériau fond, lubrifiant la surface, réduisant la friction et la force de coupe.

·Lors de la coupe à grande vitesse, des copeaux dentelés se forment en raison de l'instabilité du matériau, provoquant des changements périodiques de la force de coupe et de la température, qui affectent la stabilité du processus et les résultats.

·Deux théories expliquent la formation de copeaux dentelés : la théorie du cisaillement adiabatique l'attribue à un ramollissement thermique qui l'emporte sur le durcissement par contrainte, tandis que la théorie de la rupture fragile périodique la lie à la rupture périodique.

L'étude des mécanismes de coupe à grande vitesse comprend les principes de coupe, la chaleur et la température, la formation de copeaux, etc. Elle nécessite l'application de connaissances en matière de transfert de chaleur et de mécanique de la rupture pour comprendre le processus complexe. Nous devons mener des recherches plus approfondies pour mieux comprendre et contrôler la formation de copeaux dentelés lors de la coupe à grande vitesse.

2. Recherche sur la technologie des équipements clés pour la découpe à grande vitesse

2.1 Machines-outils de coupe à grande vitesse

Les machines-outils de découpe à grande vitesse sont des équipements de base, notamment la broche, l'alimentation rapide et les systèmes de contrôle CNC.

Le système de broche à grande vitesse doit avoir une structure compacte, d'excellentes performances de démarrage-arrêt, une large plage de vitesse, une rigidité et une précision élevées, une bonne stabilité thermique, une lubrification et un refroidissement fiables et un système de surveillance stable.

Les broches électriques utilisent généralement un moteur et une broche intégrés, où un servomoteur à courant alternatif entraîne directement la structure interne.

Les systèmes d'alimentation rapide doivent utiliser des broches à grande vitesse. Le mécanisme d'alimentation de la paire d'écrous à vis à billes traditionnelle a une faible efficacité de transmission et ne peut pas répondre aux exigences de performance.

Pour obtenir une précision à grande vitesse, le rail de guidage est doté d'une structure linéaire avec roulements à billes intégrés pour un faible frottement et une petite surface de contact. Le mécanisme d'alimentation utilise des moteurs linéaires à grande vitesse avancés et des vis à billes à petit pas de haute qualité. Ces technologies permettent d'atteindre des vitesses d'alimentation et des accélérations élevées et d'améliorer la précision de la transmission.

Dans la découpe à grande vitesse, le système de contrôle CNC doit permettre un traitement rapide des données, un contrôle prédictif et une compensation géométrique et thermique.

La conversion traditionnelle des données CAO en trajectoires d'outils point à point ne répond plus aux exigences ; les technologies de contrôle des contours telles que l'interpolation NURBS, l'interpolation fluide et l'accélération/décélération en forme de cloche peuvent améliorer les performances.

2.2 Outils de coupe à grande vitesse

Les outils de coupe à grande vitesse sont essentiels pour l'usinage moderne, offrant une précision, une efficacité et une fiabilité élevées. Le matériau de spécialisation, le revêtement et la structure de l'outil sont les clés pour obtenir ces caractéristiques. Le choix des matériaux et des revêtements des outils est d'une grande importance pour le développement de la technologie de coupe à grande vitesse.

Les outils de coupe à grande vitesse courants comprennent les outils en carbure à base de TiCN, en céramique, en diamant et en PCBN. Chacun d'entre eux présente les caractéristiques d'être adapté à différents matériaux.

Les outils en carbure et en céramique à base de TiCN sont idéaux pour l'usinage à grande vitesse de l'acier et des alliages, les outils diamantés pour les alliages d'aluminium, de titane et de cuivre et les outils PCBN pour les alliages à haute température.

Les paramètres structurels de l’outil affectent directement sa durée de vie et la qualité de son traitement.

Par rapport aux outils traditionnels, les outils de coupe à grande vitesse ont des angles de coupe plus petits et des angles de dos plus grands. L'augmentation de l'angle de pointe et de la longueur du tranchant améliore la rigidité de l'outil et réduit l'usure.

En rotation à grande vitesse, l'outil doit être équilibré et le porte-outil doit serrer l'outil avec une force et une fiabilité suffisantes.

Pour répondre aux exigences de coupe à grande vitesse, les fabricants ont amélioré la précision de positionnement des porte-outils et la rigidité de la connexion, comme le montrent les séries BIG-PLUS du Japon et HSK de l'Allemagne.

Le porte-outil BT solide traditionnel présente une faible précision et une faible rigidité, ne parvenant pas à répondre aux besoins de coupe à grande vitesse.

Ils ont développé un porte-outil bien ajusté et l'ont positionné en utilisant à la fois le cône du trou intérieur de la broche et la face d'extrémité.

2.3 Recherche sur la technologie de coupe à grande vitesse

La technologie de découpe à grande vitesse est très différente de la technologie de traitement ordinaire traditionnelle. Le principe de conception de la découpe à grande vitesse est de tirer parti de ses avantages pour un plan de traitement à haute efficacité et de haute qualité.

La recherche sur la technologie de coupe à grande vitesse comprend principalement la sélection de la méthode de coupe, de la quantité de coupe et de la méthode d'alimentation de l'outil.

Lors de la coupe à grande vitesse, les machinistes préfèrent le fraisage vers le bas car il réduit l'épaisseur de coupe, raccourcit la distance de glissement de la fraise et produit une surface plus lisse. Le fraisage inverse augmente l'épaisseur de coupe, ce qui augmente la friction, la force radiale et la chaleur, ce qui accélère l'usure de l'outil. Les paramètres de coupe dépendent de l'outil et du matériau.

Le principe de sélection pour le fraisage à grande vitesse est généralement une avance moyenne par dent, une faible profondeur axiale et une grande profondeur radiale.

L'optimisation de la méthode d'alimentation de l'outil comprend la direction, le chemin et l'accélération/décélération flexible.

Vous devez évaluer l'optimisation de la direction d'avance de l'outil en fonction de la planéité de la surface. Le parcours de l'outil doit être simple et régulier, et utiliser des transitions en arc pour éviter les zones d'interférence.

Pour réduire l'impact du démarrage et de l'arrêt et garantir la précision du traitement, sélectionnez la méthode d'accélération et de décélération appropriée.

Perspectives de la technologie de découpe à grande vitesse

1. Renforcer la recherche approfondie sur le mécanisme de coupe à grande vitesse

Bien que les chercheurs nationaux et internationaux aient mené des études approfondies sur la découpe à grande vitesse, elles ne répondent généralement pas aux besoins de production, ce qui nécessite des recherches plus approfondies.

Vous pouvez renforcer la recherche approfondie sur les mécanismes de coupe à grande vitesse à partir des aspects suivants :

1) Description numérique et prédiction de la loi de distribution de l'effort de coupe et de la chaleur de coupe ;

2) Recherche sur le mécanisme de formation de copeaux de matériaux difficiles à couper, de matériaux composites et de micro-coupe ;

3) Description du comportement tribologique de l'interface outil-copeau et du mécanisme d'usure de l'outil ;

4) Suivi et prévision de la durée de vie des outils ;

5) Analyse de la dynamique de coupe par modélisation dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel.

2. Recherche sur de nouveaux matériaux d'outillage et de nouvelles technologies structurelles

La recherche sur de nouveaux matériaux et structures d’outils couvre la sélection des matériaux, la conception et la technologie de traitement.

Parmi eux, les nouveaux matériaux d'outils peuvent inclure des matériaux céramiques à haute dureté, des matériaux de revêtement résistants à l'usure, des matériaux métalliques à haute résistance, etc. La sélection de ces matériaux est étroitement liée à l'utilisation spécifique de l'outil.

La technologie de structure d’outil se concentre sur la conception de la lame, la structure et les méthodes de fixation pour améliorer la stabilité, l’efficacité de coupe et la durée de vie de l’outil.

La recherche sur la technologie de traitement comprend l'optimisation des paramètres de coupe, la technologie de refroidissement et de lubrification, la force de coupe et le contrôle de la chaleur, etc., pour obtenir un traitement efficace, précis et stable.

3. Créez une base de données de traitement de cloud de découpe intelligente à grande vitesse

La base de données de traitement de coupe à grande vitesse peut fournir intelligemment des données de processus pour le site de coupe en fonction des besoins de production. Le cœur de la base de données de coupe à grande vitesse est basé sur la prédiction intelligente du modèle de force de coupe, du modèle de température de coupe, du modèle d'usure de l'outil et du modèle de qualité de surface de la pièce.

Cependant, avec le développement continu de nouveaux procédés et technologies, la base de données de découpe bénéficie d'une forte actualité.

Actuellement, nous pouvons utiliser la technologie du cloud computing et la théorie de l'intelligence artificielle pour créer une base de données de traitement cloud de découpe à grande vitesse intelligente basée sur le modèle physique du processus de découpe à grande vitesse, combiné à des pratiques de production et à un grand nombre de tests de découpe.

4. Recherche sur la technologie de surveillance en ligne pour le processus de découpe à grande vitesse

Lors de la découpe à grande vitesse, les vibrations et l'usure de l'outil sont cruciales pour la qualité de surface de la pièce. Pour assurer le développement de la technologie de découpe à grande vitesse, la surveillance en ligne de l'état de l'outil et de la qualité de surface de la pièce est devenue cruciale.

La surveillance en ligne établit un lien entre les vibrations et l’usure de l’outil et la qualité de surface de la pièce et définit un seuil raisonnable basé sur une grande quantité d’expérience de production réelle.

Cette surveillance permet de garantir que le signal de vibration de l'outil est normal et que la rugosité de la surface de la pièce est qualifiée. En ajustant les paramètres du processus, en remplaçant l'outil et en fournissant un retour d'information pour ajuster l'équipement, nous pouvons garantir une coupe normale à grande vitesse.

5. Recherche sur la technologie de coupe verte basée sur la coupe à sec

La découpe à grande vitesse peut certes réduire dans une certaine mesure la consommation d'énergie, mais elle nécessite également une grande quantité de liquide de refroidissement, ce qui entraîne une certaine pollution de l'environnement. La principale orientation de développement de l'industrie manufacturière à l'avenir est la protection de l'environnement, la conservation de l'énergie et la réduction des émissions.

Parmi eux, la découpe verte basée sur la découpe à sec est l'un des principaux domaines de recherche de la découpe à grande vitesse. La découpe à sec est une technologie de traitement qui n'utilise pas ou seulement une quantité infime de liquide de coupe pendant le traitement.

Cette technologie peut non seulement réduire la pollution, mais également économiser les équipements liés au fluide de coupe, simplifier le système de production et réduire les coûts de production, ce qui est conforme à la tendance de la protection de l'environnement vert, de la conservation de l'énergie et de la réduction des émissions.

Conclusion

La recherche ci-dessus conduit aux conclusions suivantes :

1. La technologie de découpe à grande vitesse est un domaine de recherche clé dans le domaine de la fabrication avancée actuelle, englobant l'ingénierie de systèmes complexes tels que les mécanismes de découpe à grande vitesse, la technologie des équipements clés et les processus. À mesure que les technologies connexes se développent, nous continuons à rechercher l'intégration de la technologie et des avantages.

2. Par rapport à la coupe conventionnelle, la technologie de coupe à grande vitesse présente de nombreux avantages : un taux d'enlèvement élevé réduit les coûts de production, une faible force de coupe réduit la déformation d'usinage, la dissipation de la chaleur des copeaux réduit la déformation thermique, une coupe stable et une haute précision, et un flux de processus simplifié améliore l'efficacité de la production.

3. Pour promouvoir le développement de la technologie de coupe à grande vitesse, nous devons renforcer la recherche sur les mécanismes de coupe à grande vitesse, accélérer le développement de machines-outils à très grande vitesse et à haute puissance, renforcer la recherche sur de nouveaux matériaux d'outils et technologies structurelles, créer une base de données intelligente de traitement en nuage de coupe à grande vitesse, mener des recherches sur la technologie de surveillance en ligne du processus de coupe à grande vitesse et nous concentrer sur le renforcement de la technologie de coupe verte principalement basée sur la coupe à sec.