Исследования и разработки в области технологий высокоскоростной резки

Резка широко используется в современной области механического производства как метод обработки. Повышение эффективности резки и снижение производственных затрат имеют большое практическое значение для развития национальной экономики и строительства национальной обороны. С развитием автоматизации ЧПУ и высокоскоростной резки вспомогательное время сократилось, а время резки увеличилось.

Поэтому для дальнейшего повышения эффективности обработки необходимо сократить время резки. Основной способ сокращения времени резки — увеличение скорости и глубины резки. По мере развития точного производства производители ограничены в увеличении глубины резки для резки с большим запасом. Высокоскоростная резка сокращает время и силу резки, а также повышает точность поверхности. Она широко используется и проверена в таких отраслях, как аэрокосмическая, оборонная, электронная и прецизионная машиностроение.

Технология высокоскоростной резки стала ключевой темой исследований в области передового производства. В этой статье рассматриваются ее характеристики, области применения, механизмы, станки, технологии инструментов и процессы, а также прогнозируются будущие тенденции развития для предоставления рекомендаций по развитию технологии высокоскоростной резки в Китае.

 

Обзор технологии высокоскоростной резки

Немецкий физик Карл Дж. Саломон впервые предложил концепцию «высокоскоростной резки». Его основная идея заключается в том, что каждому материалу соответствует критическая скорость резки. Когда скорость резки ниже критического значения, сила резания и температура растут со скоростью; выше этого значения оба уменьшаются. Таким образом, высокоскоростная резка сокращает время обработки, температуру резки и износ инструмента, а также улучшает качество поверхности.

В настоящее время не существует единого определения скорости высокоскоростной резки. Высокоскоростную резку часто классифицируют двумя способами: по скорости резания, определяемой как превышающей обычную скорость более чем в пять раз, или по скорости вращения шпинделя, определяемой как более 8000 об/мин. На практике скорость зависит от материала заготовки и метода обработки, что затрудняет определение точного значения.

Стоит отметить, что высокоскоростная резка — это не просто увеличение скорости резки. Это сложная система, объединяющая высокоскоростные режущие механизмы, ключевое оборудование и процессы. С развитием смежных технологий высокоскоростная резка продолжает следовать органическому единству технологического прогресса и преимуществ.

Преимущества технологии высокоскоростной резки

1. Повышение эффективности производства: Высокоскоростная резка значительно сокращает время обработки, подходит для массового производства и повышает общую эффективность производства.

2 . Повышенная точность обработки: Сила резания мала, заготовка меньше деформируется, высокоточная механическая обработка может быть достигнуто, а также улучшена размерная точность и качество поверхности деталей.

 3. Продлите срок службы инструмента: Температура резания ниже, а износ инструмента уменьшен, что значительно продлевает срок его службы. 

4 Улучшить качество поверхности: Шероховатость поверхности обработанной заготовки низкая, что снижает необходимость последующей полировки и отделки.

 5 . Уменьшить деформацию заготовки: Уменьшение силы резания и нагрева сводит к минимуму деформацию заготовки, что делает его идеальным для тонкостенных и сложных деталей.

6Широкая приспособляемость материалов: подходит для различных материалов, в том числе труднообрабатываемых, таких как титановый сплав, нержавеющая сталь и т. д.

7 . Снижение производственных затрат: Повышая эффективность резания и увеличивая срок службы инструмента, можно существенно снизить общую себестоимость продукции.

Применение технологии высокоскоростной резки

1. Аэрокосмическая

· Обработка деталей конструкции самолета и узлов двигателя требует высокой точности и высокой прочности.
· Особенно хорошо подходит для обработки легких сплавов (таких как алюминиевые и титановые сплавы).

2. Автомобильное производство

· Производство ключевых компонентов, таких как цилиндры двигателей и корпуса коробок передач.
· Повышение эффективности обработки, сокращение производственных циклов и удовлетворение потребностей массового производства.

3. Электронная промышленность

· Обработка корпусов и внутренних частей электронных изделий, таких как мобильные телефоны и компьютеры.
· Достичь высокоточной обработки для удовлетворения потребностей в изготовлении деталей малых размеров и сложной формы.

4. Изготовление пресс-форм

· Изготовление прецизионных форм, таких как литьевые формы и штамповочные формы.
· Улучшить точность обработки пресс-форм и качество поверхности, а также продлить срок службы пресс-форм.

5. Медицинские изделия

· Обработка медицинского оборудования и инструментов, таких как искусственные суставы, имплантаты и т. д.
· Соответствие высоким требованиям точности и качества поверхности.

6. Оборонная промышленность

· Производство деталей для оружия и военной техники.
· Повысить точность обработки и надежность ключевых деталей.

7. Изготовление пресс-форм

· Изготовление пластиковых и металлических форм, пригодных для обработки пресс-форм с высокими требованиями к точности и качеству поверхности.
· Сократить цикл изготовления пресс-формы и увеличить срок ее службы.

Технология высокоскоростной резки, известная своей эффективностью, точностью и низкой силой резания, способствовала быстрому росту в современном производстве. С непрерывным развитием технологий технология высокоскоростной резки продемонстрирует свои уникальные преимущества в большем количестве областей.

Исследования по ключевым технологиям высокоскоростной резки

1. Исследование высокоскоростного режущего механизма

Механизм высокоскоростной резки является ядром технологии высокоскоростной резки, направляя и контролируя весь процесс. Его основные отличия от традиционных обычных механизмов резки заключаются в принципах резки, тепле и температуре резки, а также в образовании стружки. Механизм высокоскоростной резки выглядит следующим образом:

·При высокоскоростной резке, с увеличением скорости инструмента, сила резания и температура растут. Как только скорость превышает критический предел материала, и сила, и температура падают, повышая эффективность.

· Увеличение скорости резания приводит к выделению тепла, что приводит к образованию высокотемпературной области на границе инструмента и заготовки, где часть материала плавится, смазывая поверхность, уменьшая трение и силу резания.

·При высокоскоростной резке из-за нестабильности материала образуется зубчатая стружка, вызывающая периодические изменения силы резания и температуры, что влияет на стабильность процесса и результаты.

·Две теории объясняют образование зубчатой ​​стружки: теория адиабатического сдвига приписывает это термическому размягчению, перевешивающему деформационное упрочнение, в то время как теория периодического хрупкого разрушения связывает это с периодическим разрушением.

Изучение механизмов высокоскоростной резки включает принципы резки, тепло и температуру, образование стружки и многое другое. Для понимания сложного процесса необходимо применять знания теплопередачи и механики разрушения. Нам необходимо провести дополнительные исследования, чтобы лучше понять и контролировать образование зубчатой ​​стружки при высокоскоростной резке.

2. Исследование ключевой технологии оборудования для высокоскоростной резки

2.1 Высокоскоростные металлорежущие станки

Основным оборудованием являются высокоскоростные режущие станки, включающие шпиндель, систему быстрой подачи и систему ЧПУ.

Высокоскоростная шпиндельная система должна иметь компактную конструкцию, отличные старт-стопные характеристики, широкий диапазон скоростей, высокую жесткость и точность, хорошую термостойкость, надежную смазку и охлаждение, а также стабильную систему контроля.

Электрические шпиндели обычно используют интегрированный двигатель и шпиндель, а серводвигатель переменного тока напрямую приводит в действие внутреннюю конструкцию.

Системы быстрой подачи должны использовать высокоскоростные шпиндели. Механизм подачи традиционной пары шарико-винтовая гайка имеет низкую эффективность передачи и не может соответствовать требованиям производительности.

Для достижения высокой точности на высокой скорости направляющая имеет линейную структуру со встроенными шарикоподшипниками для низкого трения и малой площади контакта. Механизм подачи использует передовые высокоскоростные линейные двигатели и высококачественные шариковые винты с малым шагом. Эти технологии позволяют достигать высоких скоростей подачи и ускорений и повышать точность передачи.

При высокоскоростной резке система управления ЧПУ должна обеспечивать быструю обработку данных, предиктивное управление, а также геометрическую и термическую компенсацию.

Традиционное преобразование данных САПР в траектории движения инструмента от точки к точке больше не отвечает требованиям; технологии управления контуром, такие как интерполяция NURBS, плавная интерполяция и колоколообразное ускорение/замедление, могут повысить производительность.

2.2 Высокоскоростные режущие инструменты

Высокоскоростные режущие инструменты имеют решающее значение для современной обработки, предлагая высокую точность, эффективность, надежность и специализацию материала, покрытия, и структура инструмента являются ключами к достижению этих характеристик. Выбор материалов и покрытий инструмента имеет большое значение для развития технологии высокоскоростной резки.

Обычные высокоскоростные режущие инструменты включают карбидные, керамические, алмазные и PCBN-инструменты на основе TiCN. Каждый из них имеет характеристики, позволяющие ему подходить для различных материалов.

Инструменты из карбида и керамики на основе TiCN идеально подходят для высокоскоростной обработки стали и сплавов, алмазные инструменты — для алюминиевых, титановых и медных сплавов, а инструменты из PCBN — для жаропрочных сплавов.

Конструктивные параметры инструмента напрямую влияют на его срок службы и качество обработки.

По сравнению с традиционными инструментами, высокоскоростные режущие инструменты имеют меньшие передние углы и большие задние углы. Увеличение угла вершины и длины режущей кромки повышает жесткость инструмента и снижает износ.

При высокоскоростном вращении инструмент должен быть сбалансирован, а держатель инструмента должен зажимать инструмент с достаточным усилием и надежностью.

Для удовлетворения требований высокоскоростной резки производители повысили точность позиционирования держателя инструмента и жесткость соединения, как это видно на примере японской серии BIG-PLUS и немецкой серии HSK.

Традиционный цельный держатель инструмента BT имеет низкую точность и жесткость, не отвечая требованиям высокоскоростной резки.

Они разработали плотно прилегающий держатель инструмента и позиционируют его, используя как внутренний конус отверстия шпинделя, так и торец.

2.3 Исследования в области технологии высокоскоростной резки

Технология высокоскоростной резки сильно отличается от традиционной обычной технологии обработки. Принцип проектирования высокоскоростной резки заключается в использовании ее преимуществ для высокоэффективного, высококачественного плана процесса.

Исследования в области технологии высокоскоростной резки в основном включают выбор метода резки, объема резки и способа подачи инструмента.

При высокоскоростной резке операторы предпочитают нисходящее фрезерование, поскольку оно уменьшает толщину реза, сокращает расстояние скольжения фрезы и обеспечивает более гладкую поверхность. Обратное фрезерование увеличивает толщину реза, увеличивая трение, радиальную силу и нагрев, что ускоряет износ инструмента. Параметры резания зависят от инструмента и материала.

Принцип выбора для высокоскоростного фрезерования обычно заключается в средней подаче на зуб, малой осевой глубине и большой радиальной глубине.

Оптимизация метода подачи инструмента включает направление, траекторию и гибкое ускорение/замедление.

Вам следует оценить оптимизацию направления подачи инструмента на основе плоскостности поверхности. Траектория инструмента должна быть простой и плавной, а также использовать дуговые переходы, чтобы избежать областей помех.

Чтобы уменьшить влияние пусков и остановок и обеспечить точность обработки, выберите подходящий метод ускорения и замедления.

Перспективы технологии высокоскоростной резки

1. Усиление углубленных исследований высокоскоростных режущих механизмов.

Хотя исследователи как внутри страны, так и за рубежом провели обширные исследования высокоскоростной резки, они, как правило, не отвечают потребностям производства, что требует дальнейших углубленных исследований.

Вы можете усилить углубленное исследование высокоскоростных режущих механизмов по следующим аспектам:

1) Цифровое описание и прогнозирование силы резания и закона распределения тепла при резании;

2) Исследование механизма стружкообразования труднообрабатываемых материалов, композиционных материалов и микрорезания;

3) Описание трибологического поведения интерфейса инструмент-стружка и механизма износа инструмента;

4) Мониторинг и прогнозирование стойкости инструмента;

5) Анализ динамики резания с использованием моделирования во временной и частотной областях.

2. Исследования новых инструментальных материалов и конструкционных технологий

Исследования новых инструментальных материалов и структур охватывают выбор материалов, проектирование и технологию обработки.

Среди них новые инструментальные материалы могут включать высокотвердые керамические материалы, износостойкие материалы покрытий, высокопрочные металлические материалы и т. д. Выбор этих материалов тесно связан с конкретным применением инструмента.

Технология конструкции инструмента фокусируется на конструкции лезвия, его конструкции и методах крепления для повышения стабильности, эффективности резания и срока службы инструмента.

Исследования в области технологий обработки включают оптимизацию параметров резания, охлаждения и технологии смазки, управления силой резания и нагревом и т. д. для достижения эффективной, точной и стабильной обработки.

3. Создание интеллектуальной высокоскоростной облачной базы данных для обработки данных резки.

База данных высокоскоростной обработки резки может интеллектуально предоставлять данные процесса для участка резки в соответствии с производственными потребностями. Ядро базы данных высокоскоростной резки основано на интеллектуальном прогнозировании модели силы резания, модели температуры резания, модели износа инструмента и модели качества поверхности заготовки.

Однако, в связи с постоянным развитием новых процессов и технологий, база данных по резке имеет большую актуальность.

В настоящее время мы можем использовать технологию облачных вычислений и теорию искусственного интеллекта для создания интеллектуальной облачной базы данных обработки данных высокоскоростной резки на основе физической модели процесса высокоскоростной резки в сочетании с производственными практиками и большим количеством испытаний резки.

4. Исследование технологии онлайн-мониторинга для высокоскоростного процесса резки

При высокоскоростной резке вибрация и износ инструмента имеют решающее значение для качества поверхности заготовки. Для обеспечения развития технологии высокоскоростной резки онлайн-мониторинг состояния инструмента и качества поверхности заготовки стал решающим.

Онлайн-мониторинг устанавливает связь между вибрацией и износом инструмента и качеством поверхности заготовки, а также устанавливает разумные пороговые значения на основе большого объема фактического производственного опыта.

Этот мониторинг может гарантировать, что сигнал вибрации инструмента нормальный, а шероховатость поверхности заготовки квалифицирована. Регулируя параметры процесса, заменяя инструмент и предоставляя обратную связь для регулировки оборудования, мы можем гарантировать нормальную высокоскоростную резку.

5. Исследование технологии зеленой резки на основе сухой резки

Высокоскоростная резка действительно может в определенной степени снизить потребление энергии, но она также требует большого количества охлаждающей жидкости, что вызывает определенное загрязнение окружающей среды. Основным направлением развития обрабатывающей промышленности в будущем является зеленая защита окружающей среды, энергосбережение и сокращение выбросов.

Среди них зеленая резка на основе сухой резки является одним из ключевых направлений исследований высокоскоростной резки. Сухая резка представляет собой технологию обработки, которая не использует или использует только следовое количество смазочно-охлаждающей жидкости во время обработки.

Эта технология позволяет не только снизить уровень загрязнения, но и сэкономить на оборудовании, связанном с смазочно-охлаждающей жидкостью, упростить производственную систему и снизить производственные затраты, что соответствует тенденции зеленой защиты окружающей среды, энергосбережения и сокращения выбросов.

Заключение

Проведенное выше исследование приводит к следующим выводам:

1. Технология высокоскоростной резки является ключевой областью исследований в современной передовой производственной сфере, охватывающей сложную системную инженерию, такую ​​как высокоскоростные режущие механизмы, ключевую технологию оборудования и процессы. По мере развития смежных технологий мы продолжаем стремиться к интеграции технологий и преимуществ.

2. По сравнению с обычной резкой технология высокоскоростной резки имеет много преимуществ: высокая скорость съема снижает производственные затраты, небольшое усилие резания снижает деформацию при обработке, рассеивание тепла стружки снижает термическую деформацию, стабильная резка и высокая точность, а упрощенный технологический процесс повышает эффективность производства.

3. Для содействия развитию технологии высокоскоростной резки нам необходимо усилить исследования высокоскоростных режущих механизмов, ускорить разработку сверхскоростных и высокомощных станков, усилить исследования новых инструментальных материалов и структурных технологий, создать интеллектуальную облачную базу данных для высокоскоростной резки, провести исследования технологии онлайн-мониторинга процесса высокоскоростной резки и сосредоточиться на укреплении технологии зеленой резки, в основном основанной на сухой резке.