Ricerca e sviluppo della tecnologia di taglio ad alta velocità

Il taglio è ampiamente utilizzato nell'attuale campo della produzione meccanica come metodo di lavorazione. Il miglioramento dell'efficienza del taglio e la riduzione dei costi di produzione sono di grande importanza pratica per promuovere l'economia nazionale e la costruzione della difesa nazionale. Con lo sviluppo dell'automazione CNC e del taglio ad alta velocità, il tempo ausiliario è diminuito, mentre il tempo di taglio è aumentato.

Pertanto, per migliorare ulteriormente l'efficienza di lavorazione, è necessario ridurre il tempo di taglio. Il modo principale per ridurre il tempo di taglio è aumentare la velocità e la profondità di taglio. Con l'avanzare della produzione di precisione, i produttori sono limitati nell'aumentare la profondità di taglio per tagli con margini ampi. Il taglio ad alta velocità riduce il tempo di taglio e la forza e migliora la precisione della superficie. È stato ampiamente utilizzato e verificato da settori quali aerospaziale, difesa, elettronica e macchinari di precisione.

La tecnologia di taglio ad alta velocità è diventata un argomento di ricerca chiave nella produzione avanzata. Questo documento esplora le sue caratteristiche, applicazioni, meccanismi, macchine utensili, tecnologie degli utensili e processi, e prevede le tendenze di sviluppo future per fornire raccomandazioni per far progredire la tecnologia di taglio ad alta velocità della Cina.

 

Panoramica della tecnologia di taglio ad alta velocità

Il fisico tedesco Carl J. Salomon propose per primo il concetto di "taglio ad alta velocità". La sua idea centrale è che ogni materiale abbia una corrispondente velocità di taglio critica. Quando la velocità di taglio è inferiore al valore critico, la forza di taglio e la temperatura aumentano con la velocità; al di sopra di tale valore, entrambe diminuiscono. Pertanto, il taglio ad alta velocità riduce i tempi di lavorazione, la temperatura di taglio e l'usura dell'utensile, migliorando al contempo la qualità della superficie.

Attualmente, non esiste una definizione unificata della velocità di taglio ad alta velocità. Il taglio ad alta velocità è spesso classificato in due modi: in base alla velocità di taglio, definita come più di cinque volte la velocità convenzionale, o in base alla velocità del mandrino, definita come oltre 8000 giri/min. In pratica, la velocità dipende dal materiale del pezzo e dal metodo di lavorazione, rendendo difficile definire un valore esatto.

Vale la pena notare che il taglio ad alta velocità non riguarda solo l'aumento della velocità di taglio. È un sistema complesso che integra meccanismi di taglio ad alta velocità, apparecchiature chiave e processi. Con lo sviluppo di tecnologie correlate, il taglio ad alta velocità continua a perseguire l'unità organica del progresso tecnologico e dei vantaggi.

Vantaggi della tecnologia di taglio ad alta velocità

1. Miglioramento dell'efficienza produttiva: il taglio ad alta velocità riduce notevolmente i tempi di lavorazione, è adatto alla produzione di massa e migliora l'efficienza produttiva complessiva.

2. Maggiore precisione di lavorazione: la forza di taglio è ridotta, il pezzo si deforma meno, si ottiene una lavorazione di alta precisione e si migliorano la precisione dimensionale e la qualità superficiale dei pezzi.

3. Prolungamento della durata dell'utensile: la temperatura di taglio è inferiore e l'usura dell'utensile è ridotta, prolungandone significativamente la durata.

4. Miglioramento della qualità superficiale: la rugosità superficiale del pezzo lavorato è bassa, riducendo la necessità di successive operazioni di lucidatura e finitura.

5. Riduzione della deformazione del pezzo: la forza di taglio e il calore ridotti al minimo minimizzano la deformazione del pezzo, rendendolo ideale per pezzi a parete sottile e complessi.

6. Ampia adattabilità ai materiali: adatto a vari materiali, compresi materiali difficili da lavorare, come leghe di titanio, acciaio inossidabile, ecc.

7. Ridurre i costi di produzione: migliorando l'efficienza di taglio e prolungando la durata degli utensili, è possibile ridurre efficacemente il costo complessivo di produzione.

Applicazione della tecnologia di taglio ad alta velocità

1. Aerospaziale

· La lavorazione di parti strutturali di aeromobili e componenti di motori richiede elevata precisione e resistenza.
· Particolarmente indicato per la lavorazione di leghe leggere (ad esempio leghe di alluminio e leghe di titanio).

2. Produzione automobilistica

· Produrre componenti chiave come cilindri motore e scatole del cambio.
· Migliorare l'efficienza di elaborazione, abbreviare i cicli di produzione e soddisfare le esigenze di produzione di massa.

3. Industria elettronica

· Lavorare le scocche e le parti interne di prodotti elettronici come telefoni cellulari e computer.
· Ottenere lavorazioni ad alta precisione per soddisfare le esigenze di parti di piccole dimensioni e di forme complesse.

4. Produzione di stampi

· Realizzare stampi di precisione come stampi a iniezione e stampi per stampaggio.
· Migliorare la precisione della lavorazione degli stampi e la qualità della superficie, prolungandone la durata utile.

5. Dispositivi medici

· Elaborare apparecchiature e strumenti medici, come articolazioni artificiali, impianti, ecc.
· Soddisfare i requisiti di elevata precisione e di elevata qualità superficiale.

6. Industria della difesa

· Fabbricazione di parti per armi e veicoli militari.
· Migliorare la precisione di elaborazione e l'affidabilità delle parti chiave.

7. Produzione di stampi

· Realizzazione di stampi in plastica e metallo, adatti alla lavorazione di stampi con elevati requisiti di precisione e di qualità superficiale.
·Ridurre il ciclo di fabbricazione dello stampo e aumentarne la durata utile.

La tecnologia di taglio ad alta velocità, nota per la sua efficienza, precisione e bassa forza di taglio, ha guidato una rapida crescita nella moderna manifattura. Con il continuo progresso della tecnologia, la tecnologia di taglio ad alta velocità mostrerà i suoi vantaggi unici in più campi.

Ricerca sulle tecnologie chiave del taglio ad alta velocità

1. Ricerca sul meccanismo di taglio ad alta velocità

Il meccanismo di taglio ad alta velocità è il cuore della tecnologia di taglio ad alta velocità, che guida e controlla l'intero processo. Le sue principali differenze rispetto ai tradizionali meccanismi di taglio ordinari sono nei principi di taglio, nel calore e nella temperatura di taglio e nella formazione di trucioli. Il meccanismo di taglio ad alta velocità è il seguente:

·Nel taglio ad alta velocità, all'aumentare della velocità dell'utensile, aumentano la forza di taglio e la temperatura. Una volta che la velocità supera il limite critico del materiale, sia la forza che la temperatura diminuiscono, migliorando l'efficienza.

·L'aumento della velocità di taglio genera calore, creando un'area ad alta temperatura all'interfaccia utensile-pezzo, dove parte del materiale si fonde, lubrificando la superficie, riducendo l'attrito e la forza di taglio.

·Nel taglio ad alta velocità, a causa dell'instabilità del materiale, si formano trucioli seghettati, che causano variazioni periodiche nella forza di taglio e nella temperatura, che influiscono sulla stabilità del processo e sui risultati.

·Due teorie spiegano la formazione di trucioli seghettati: la teoria del taglio adiabatico la attribuisce all'ammorbidimento termico che prevale sull'incrudimento da deformazione, mentre la teoria della frattura fragile periodica la collega alla frattura periodica.

Lo studio dei meccanismi di taglio ad alta velocità include principi di taglio, calore e temperatura, formazione di trucioli e altro ancora. Richiede l'applicazione della conoscenza del trasferimento di calore e della meccanica della frattura per comprendere il processo complesso. Dobbiamo condurre ulteriori ricerche per comprendere e controllare meglio la formazione di trucioli dentellati nel taglio ad alta velocità.

2. Ricerca sulla tecnologia delle attrezzature chiave per il taglio ad alta velocità

2.1 Macchine utensili da taglio ad alta velocità

Le macchine utensili da taglio ad alta velocità sono apparecchiature fondamentali, tra cui mandrini, sistemi di avanzamento rapido e sistemi di controllo CNC.

Il sistema del mandrino ad alta velocità deve avere una struttura compatta, eccellenti prestazioni di avvio e arresto, un'ampia gamma di velocità, elevata rigidità e precisione, buona stabilità termica, lubrificazione e raffreddamento affidabili e un sistema di monitoraggio stabile.

I mandrini elettrici solitamente utilizzano un motore e un mandrino integrati, dove un servomotore CA aziona direttamente la struttura interna.

I sistemi di alimentazione rapida devono utilizzare mandrini ad alta velocità. Il meccanismo di alimentazione della coppia di dadi a vite a sfere tradizionale ha una bassa efficienza di trasmissione e non può soddisfare i requisiti di prestazione.

Per ottenere una precisione ad alta velocità, la guida è dotata di una struttura lineare con cuscinetti a sfere incorporati per un basso attrito e una piccola area di contatto. Il meccanismo di alimentazione utilizza motori lineari ad alta velocità avanzati e viti a sfere a passo piccolo di alta qualità. Queste tecnologie possono raggiungere elevate velocità di alimentazione e accelerazioni e migliorare la precisione della trasmissione.

Nel taglio ad alta velocità, il sistema di controllo CNC deve consentire un'elaborazione rapida dei dati, un controllo predittivo e una compensazione geometrica e termica.

La conversione tradizionale dei dati CAD in percorsi utensile punto a punto non soddisfa più i requisiti; le tecnologie di controllo dei contorni come l'interpolazione NURBS, l'interpolazione uniforme e l'accelerazione/decelerazione a campana possono migliorare le prestazioni.

2.2 Utensili da taglio ad alta velocità

Gli utensili da taglio ad alta velocità sono essenziali per la lavorazione moderna, offrendo elevata precisione, efficienza, affidabilità e specializzazione. Il materiale, il rivestimento, la struttura dell'utensile sono le chiavi per ottenere queste caratteristiche. La selezione dei materiali e dei rivestimenti dell'utensile è di grande importanza per lo sviluppo della tecnologia di taglio ad alta velocità.

Gli utensili da taglio ad alta velocità più comuni includono utensili in carburo a base di TiCN, utensili in ceramica, utensili in diamante e utensili in PCBN. Ognuno di essi ha le caratteristiche di essere adatto a materiali diversi.

Gli utensili in carburo e ceramica a base di TiCN sono ideali per la lavorazione ad alta velocità di acciaio e leghe, gli utensili diamantati per leghe di alluminio, titanio e rame e gli utensili in PCBN per le leghe ad alta temperatura.

I parametri strutturali dell'utensile influiscono direttamente sulla sua durata e sulla qualità della lavorazione.

Rispetto agli utensili tradizionali, gli utensili da taglio ad alta velocità hanno angoli di spoglia più piccoli e angoli posteriori più grandi. Aumentando l'angolo della punta e la lunghezza del tagliente si migliora la rigidità dell'utensile e si riduce l'usura.

Durante la rotazione ad alta velocità, l'utensile deve essere bilanciato e il portautensile deve serrare l'utensile con forza sufficiente e in modo affidabile.

Per soddisfare i requisiti di taglio ad alta velocità, i produttori hanno migliorato la precisione di posizionamento del portautensili e la rigidità della connessione, come si è visto con la serie BIG-PLUS del Giappone e con la serie HSK della Germania.

Il tradizionale portautensili BT solido presenta scarsa precisione e rigidità e non riesce a soddisfare le esigenze di taglio ad alta velocità.

Hanno sviluppato un portautensili aderente e lo hanno posizionato utilizzando sia il cono del foro interno del mandrino sia la superficie terminale.

2.3 Ricerca sulla tecnologia di taglio ad alta velocità

La tecnologia di taglio ad alta velocità è molto diversa dalla tradizionale tecnologia di lavorazione ordinaria. Il principio di progettazione del taglio ad alta velocità è quello di sfruttare i suoi vantaggi per un piano di processo ad alta efficienza e alta qualità.

La ricerca sulla tecnologia di taglio ad alta velocità comprende principalmente la selezione del metodo di taglio, della quantità di taglio e del metodo di alimentazione dell'utensile.

Nel taglio ad alta velocità, i macchinisti preferiscono la fresatura inversa perché riduce lo spessore di taglio, accorcia la distanza di scorrimento della fresa e produce una superficie più liscia. La fresatura inversa aumenta lo spessore di taglio, aumentando l'attrito, la forza radiale e il calore, il che accelera l'usura dell'utensile. I parametri di taglio dipendono dall'utensile e dal materiale.

Il principio di selezione per la fresatura ad alta velocità è generalmente un avanzamento medio per dente, una piccola profondità assiale e una grande profondità radiale.

L'ottimizzazione del metodo di avanzamento dell'utensile comprende direzione, percorso e accelerazione/decelerazione flessibile.

Dovresti valutare l'ottimizzazione della direzione di avanzamento dell'utensile in base alla planarità della superficie. Il percorso dell'utensile dovrebbe essere semplice e fluido e utilizzare transizioni ad arco per evitare aree di interferenza.

Per ridurre l'impatto start-stop e garantire la precisione dell'elaborazione, selezionare il metodo di accelerazione e decelerazione appropriato.

Prospettive della tecnologia di taglio ad alta velocità

1. Rafforzare la ricerca approfondita sul meccanismo di taglio ad alta velocità

Sebbene ricercatori sia a livello nazionale che internazionale abbiano condotto studi approfonditi sul taglio ad alta velocità, questi generalmente non riescono a soddisfare le esigenze di produzione, rendendo necessarie ulteriori ricerche approfondite.

È possibile rafforzare la ricerca approfondita sui meccanismi di taglio ad alta velocità dai seguenti aspetti:

1) Descrizione digitale e previsione della forza di taglio e della legge di distribuzione del calore di taglio;

2) Ricerca sul meccanismo di formazione dei trucioli nei materiali difficili da tagliare, nei materiali compositi e nel microtaglio;

3) Descrizione del comportamento tribologico dell'interfaccia utensile-chip e del meccanismo di usura dell'utensile;

4) Monitoraggio e previsione della durata degli utensili;

5) Analisi della modellazione nel dominio del tempo e della frequenza della dinamica di taglio.

2. Ricerca su nuovi materiali per utensili e tecnologie strutturali

La ricerca su nuovi materiali e strutture per utensili riguarda la selezione dei materiali, la progettazione e la tecnologia di lavorazione.

Tra questi, i nuovi materiali per utensili possono includere materiali ceramici ad alta durezza, materiali di rivestimento resistenti all'usura, materiali metallici ad alta resistenza, ecc. La selezione di questi materiali è strettamente correlata all'uso specifico dell'utensile.

La tecnologia della struttura degli utensili si concentra sulla progettazione della lama, sulla struttura e sui metodi di fissaggio per migliorare la stabilità, l'efficienza di taglio e la durata dell'utensile.

La ricerca sulla tecnologia di lavorazione comprende l'ottimizzazione dei parametri di taglio, del raffreddamento e della tecnologia di lubrificazione, della forza di taglio e del controllo del calore, ecc., per ottenere una lavorazione efficiente, precisa, stabile e affidabile.

3. Costruire un database intelligente di elaborazione cloud di taglio ad alta velocità

Il database di elaborazione del taglio ad alta velocità può fornire in modo intelligente i dati di processo per il sito di taglio in base alle esigenze di produzione. Il nucleo del database di taglio ad alta velocità si basa sulla previsione intelligente del modello di forza di taglio, del modello di temperatura di taglio, del modello di usura dell'utensile e del modello di qualità della superficie del pezzo.

Tuttavia, con il continuo sviluppo di nuovi processi e tecnologie, il database di taglio è estremamente attuale.

Attualmente, possiamo utilizzare la tecnologia del cloud computing e la teoria dell'intelligenza artificiale per creare un database di elaborazione cloud intelligente per il taglio ad alta velocità, basato sul modello fisico del processo di taglio ad alta velocità, combinato con pratiche di produzione e un gran numero di test di taglio.

4. Ricerca sulla tecnologia di monitoraggio online per il processo di taglio ad alta velocità

Durante il taglio ad alta velocità, la vibrazione e l'usura dell'utensile sono cruciali per la qualità della superficie del pezzo in lavorazione. Per garantire lo sviluppo della tecnologia di taglio ad alta velocità, il monitoraggio online dello stato dell'utensile e della qualità della superficie del pezzo in lavorazione è diventato cruciale.

Il monitoraggio online stabilisce una connessione tra la vibrazione e l'usura dell'utensile e la qualità della superficie del pezzo in lavorazione e stabilisce una soglia ragionevole basata su una grande quantità di esperienza di produzione effettiva.

Questo monitoraggio può garantire che il segnale di vibrazione dell'utensile sia normale e che la rugosità superficiale del pezzo sia qualificata. Regolando i parametri di processo, sostituendo l'utensile e fornendo feedback per regolare l'attrezzatura, possiamo garantire un taglio ad alta velocità normale.

5. Ricerca sulla tecnologia di taglio ecologico basata sul taglio a secco

Il taglio ad alta velocità può effettivamente ridurre il consumo di energia in una certa misura, ma richiede anche una grande quantità di refrigerante, che causa un certo inquinamento all'ambiente. La principale direzione di sviluppo dell'industria manifatturiera in futuro è la protezione ambientale verde, il risparmio energetico e la riduzione delle emissioni.

Tra questi, il taglio verde basato sul taglio a secco è una delle principali aree di ricerca del taglio ad alta velocità. Il taglio a secco è una tecnologia di lavorazione che non utilizza o utilizza solo una traccia di fluido da taglio durante la lavorazione.

Questa tecnologia non solo può ridurre l'inquinamento, ma anche risparmiare sulle attrezzature relative al fluido da taglio, semplificare il sistema di produzione e ridurre i costi di produzione, il che è in linea con la tendenza alla tutela dell'ambiente, al risparmio energetico e alla riduzione delle emissioni.

Conclusione

La ricerca di cui sopra porta alle seguenti conclusioni:

1. La tecnologia di taglio ad alta velocità è un'area chiave della ricerca nell'attuale campo della produzione avanzata, che comprende l'ingegneria di sistemi complessi come meccanismi di taglio ad alta velocità, tecnologia delle apparecchiature chiave e processi. Man mano che le tecnologie correlate si sviluppano, continuiamo a perseguire l'integrazione di tecnologia e vantaggi.

2. Rispetto al taglio convenzionale, la tecnologia di taglio ad alta velocità presenta numerosi vantaggi: un elevato tasso di rimozione riduce i costi di produzione, una piccola forza di taglio riduce la deformazione di lavorazione, la dissipazione del calore del truciolo riduce la deformazione termica, il taglio stabile e l'elevata precisione, e il flusso di processo semplificato migliorano l'efficienza produttiva.

3. Per promuovere lo sviluppo della tecnologia di taglio ad alta velocità, dobbiamo rafforzare la ricerca sui meccanismi di taglio ad alta velocità, accelerare lo sviluppo di macchine utensili ad altissima velocità e ad alta potenza, rafforzare la ricerca su nuovi materiali per utensili e tecnologie strutturali, creare un database di elaborazione cloud di taglio ad alta velocità intelligente, condurre ricerche sulla tecnologia di monitoraggio online del processo di taglio ad alta velocità e concentrarci sul rafforzamento della tecnologia di taglio ecologica basata principalmente sul taglio a secco.