Den snabba utvecklingen av CNC-systemteknik har skapat förutsättningar för tekniska framsteg inom CNC-verktygsmaskiner. För att möta marknadens behov och de högre kraven från modern tillverkningsteknik för CNC-teknik, återspeglas den nuvarande utvecklingen av världens CNC-teknik och dess utrustning huvudsakligen i följande tekniska egenskaper:
1. Hög hastighet
Utvecklingen avCNC-maskinerEn övergång mot höghastighetsriktning kan inte bara avsevärt förbättra bearbetningseffektiviteten och minska bearbetningskostnaderna, utan även förbättra ytbearbetningskvaliteten och noggrannheten hos detaljerna. Ultrasnabba bearbetningstekniker har bred tillämpning för att uppnå lågkostnadsproduktion inom tillverkningsindustrin.
Sedan 1990-talet har länder i Europa, USA och Japan konkurrerat om att utveckla och tillämpa en ny generation av höghastighets-CNC-verktygsmaskiner, vilket accelererar takten i den snabba utvecklingen av verktygsmaskiner. Nya genombrott har gjorts inom höghastighetsspindelenheter (elektrisk spindel, hastighet 15000-100000 r/min), höghastighets- och högaccelerations-/retardationsmatningskomponenter (snabb rörelsehastighet 60-120 m/min, skärmatningshastighet upp till 60 m/min), högpresterande CNC- och servosystem samt CNC-verktygssystem, vilket har nått nya tekniska nivåer. Med lösningen av nyckeltekniker inom en rad tekniska områden, såsom ultrasnabba skärmekanismer, ultrahårda, slitstarka och långlivade verktygsmaterial och slipverktyg, högpresterande höghastighets-elspindlar, linjärmotordrivna matningskomponenter med hög accelerations-/retardationsmotor, högpresterande styrsystem (inklusive övervakningssystem) och skyddsanordningar, har en teknisk grund lagts för utveckling och tillämpning av den nya generationen av höghastighets-CNC-verktygsmaskiner.
För närvarande, vid ultrasnabba bearbetningar, har skärhastigheten för svarvning och fräsning nått över 5000-8000 m/min; Spindelhastigheten är över 30000 rpm (vissa kan nå upp till 100000 r/min); Arbetsbänkens rörelsehastighet (matningshastighet): över 100 m/min (vissa upp till 200 m/min) vid en upplösning på 1 mikrometer, och över 24 m/min vid en upplösning på 0,1 mikrometer; Automatisk verktygsbyteshastighet inom 1 sekund; Matningshastigheten för interpolering av små linjer når 12 m/min.
2. Hög precision
Utvecklingen avCNC-maskinerFrån precisionsbearbetning till ultraprecisionsbearbetning är en riktning som industrimakter runt om i världen strävar efter. Dess noggrannhet sträcker sig från mikrometernivå till submikronnivå, och till och med nanometernivå (<10 nm), och dess tillämpningsområde blir alltmer utbrett.
För närvarande, under kravet på högprecisionsbearbetning, har bearbetningsnoggrannheten för vanliga CNC-verktygsmaskiner ökat från ± 10 μm till ± 5 μM. Bearbetningsnoggrannheten för precisionsbearbetningscentra varierar från ± 3 till 5 μm, vilket ökar till ± 1-1,5 μm och ännu högre. Noggrannheten för ultraprecisionsbearbetning har nått nanometernivån (0,001 mikrometer), och spindelrotationsnoggrannheten krävs för att nå 0,01~0,05 mikrometer, med en bearbetningsrundhet på 0,1 mikrometer och en bearbetningsyta på Ra=0,003 mikrometer. Dessa verktygsmaskiner använder vanligtvis vektorstyrda elektriska spindlar med variabel frekvensdrift (integrerade med motor och spindel), med spindelns radiella rundgång mindre än 2 µm, axiell förskjutning mindre än 1 µm och axelobalans som når G0,4-nivån.
Matningsdriften för höghastighets- och högprecisionsbearbetningsmaskiner består huvudsakligen av två typer: "roterande servomotor med precisionskulskruv med hög hastighet" och "linjärmotor med direktdrift". Dessutom är det också enkelt att uppnå höghastighetsmatning med nya parallella verktygsmaskiner.
Tack vare sin mogna teknik och breda tillämpning uppnår kulskruvar inte bara hög precision (ISO3408 nivå 1), utan har också relativt låga kostnader för höghastighetsbearbetning. Därför används de fortfarande av många höghastighetsbearbetningsmaskiner än idag. De nuvarande höghastighetsbearbetningsmaskinerna som drivs av kulskruvar har en maximal rörelsehastighet på 90 m/min och en acceleration på 1,5 g.
Kulskruv tillhör mekanisk transmission, vilket oundvikligen involverar elastisk deformation, friktion och bakåtspel under transmissionsprocessen, vilket resulterar i rörelsehysteres och andra ickelinjära fel. För att eliminera effekterna av dessa fel på bearbetningsnoggrannheten, användes linjärmotor direktdrivning på verktygsmaskiner 1993. Eftersom det är en "nolltransmission" utan mellanlänkar, har den inte bara liten rörelsetröghet, hög systemstyvhet och snabb respons, den kan uppnå hög hastighet och acceleration, och dess slaglängd är teoretiskt obegränsad. Positioneringsnoggrannheten kan också nå en hög nivå under inverkan av högprecisionspositionsåterkopplingssystem, vilket gör den till en idealisk drivmetod för höghastighets- och högprecisionsbearbetningsmaskiner, särskilt medelstora och stora verktygsmaskiner. För närvarande har den maximala snabba rörelsehastigheten för höghastighets- och högprecisionsbearbetningsmaskiner som använder linjära motorer nått 208 m/min, med en acceleration på 2g, och det finns fortfarande utrymme för utveckling.
3. Hög tillförlitlighet
Med utvecklingen av nätverksapplikationer avCNC-maskiner, den höga tillförlitligheten hos CNC-verktygsmaskiner har blivit ett mål som tillverkare av CNC-system och CNC-verktygsmaskiner strävar efter. För en obemannad fabrik som arbetar två skift om dagen, om den måste arbeta kontinuerligt och normalt inom 16 timmar med en felfri frekvens på P(t)=99% eller mer, måste den genomsnittliga tiden mellan fel (MTBF) för CNC-verktygsmaskinen vara större än 3000 timmar. För endast en CNC-verktygsmaskin är felfrekvensförhållandet mellan värden och CNC-systemet 10:1 (CNC:ns tillförlitlighet är en storleksordning högre än värdens). Vid denna tidpunkt måste CNC-systemets MTBF vara större än 33333,3 timmar, och MTBF för CNC-enheten, spindeln och drivenheten måste vara större än 100000 timmar.
MTBF-värdet för nuvarande utländska CNC-enheter har nått över 6000 timmar, och drivenheten har nått över 30000 timmar. Det kan dock ses att det fortfarande finns ett gap från det ideala målet.
4. Sammansättning
I processen för bearbetning av delar går mycket onödig tid åt till hantering av arbetsstycken, lastning och lossning, installation och justering, verktygsbyte och ökning och minskning av spindelhastigheten. För att minimera denna onödiga tid så mycket som möjligt hoppas man kunna integrera olika bearbetningsfunktioner i samma verktygsmaskin. Därför har verktygsmaskiner med sammansatta funktioner blivit en snabbt växande modell de senaste åren.
Konceptet med maskinbearbetning av kompositer inom flexibel tillverkning avser en maskins förmåga att automatiskt utföra flerprocessbearbetning av samma eller olika typer av processmetoder enligt ett CNC-bearbetningsprogram efter att ha fastspänt arbetsstycket i ett svep, för att slutföra olika bearbetningsprocesser såsom svarvning, fräsning, borrning, urborrning, slipning, gängning, brotschning och expansion av en komplex formad del. När det gäller prismatiska delar är fleroperationsmaskiner de vanligaste verktygsmaskinerna som utför flerprocessbearbetning av kompositer med samma processmetod. Det har bevisats att maskinbearbetning av kompositer kan förbättra bearbetningsnoggrannheten och effektiviteten, spara utrymme och särskilt förkorta bearbetningscykeln för delar.
5. Polyaxialisering
Med populariseringen av 5-axliga länkade CNC-system och programmeringsprogramvara har 5-axliga länkstyrda fleroperationsmaskiner och CNC-fräsmaskiner (vertikala fleroperationsmaskiner) blivit ett aktuellt utvecklingscentrum. På grund av enkelheten med 5-axlig länkstyrning i CNC-programmering för kulfräsar vid bearbetning av fria ytor, och möjligheten att bibehålla en rimlig skärhastighet för kulfräsar under fräsningsprocessen av 3D-ytor, förbättras bearbetningsytans ojämnhet avsevärt och bearbetningseffektiviteten kraftigt. I 3-axliga länkstyrda verktygsmaskiner är det dock omöjligt att undvika att änden på kulfräsen med en skärhastighet nära noll deltar i skärningen. Därför har 5-axliga länkstyrda verktygsmaskiner blivit fokus för aktiv utveckling och konkurrens bland stora tillverkare av verktygsmaskiner på grund av deras oersättliga prestandafördelar.
Nyligen forskar utländska länder fortfarande på 6-axlig länkstyrning med hjälp av icke-roterande skärverktyg i fleroperationsmaskiner. Även om deras bearbetningsform inte är begränsad och skärdjupet kan vara mycket tunt, är bearbetningseffektiviteten för låg och det är svårt att vara praktiskt genomförbar.
6. Intelligens
Intelligens är en viktig riktning för utvecklingen av tillverkningsteknik under 2000-talet. Intelligent bearbetning är en typ av bearbetning baserad på neural nätverkskontroll, fuzzy control, digital nätverksteknik och teori. Den syftar till att simulera intelligenta aktiviteter hos mänskliga experter under bearbetningsprocessen för att lösa många osäkra problem som kräver manuell intervention. Innehållet i intelligens inkluderar olika aspekter i CNC-system:
Att sträva efter intelligent bearbetningseffektivitet och kvalitet, såsom adaptiv styrning och automatisk generering av processparametrar;
För att förbättra körprestanda och underlätta intelligent anslutning, såsom framkopplingsstyrning, adaptiv beräkning av motorparametrar, automatisk identifiering av laster, automatiskt val av modeller, självinställning etc.;
Förenklad programmering och intelligent drift, såsom intelligent automatisk programmering, intelligent människa-maskin-gränssnitt, etc.;
Intelligent diagnos och övervakning underlättar systemdiagnos och underhåll.
Det finns många intelligenta skär- och bearbetningssystem under forskning i världen, bland vilka Japan Intelligent CNC Device Research Associations intelligenta bearbetningslösningar för borrning är representativa.
7. Nätverkande
Nätverksstyrning av verktygsmaskiner avser huvudsakligen nätverksanslutning och nätverksstyrning mellan verktygsmaskiner och andra externa styrsystem eller övre datorer via det utrustade CNC-systemet. CNC-verktygsmaskiner är vanligtvis först vända mot produktionsplatsen och företagets interna LAN, och ansluter sedan till företagets utsida via internet, vilket kallas internet-/intranätteknik.
Med mognaden och utvecklingen av nätverksteknik har industrin nyligen föreslagit konceptet digital tillverkning. Digital tillverkning, även känd som "e-tillverkning", är en av symbolerna för modernisering inom mekaniska tillverkningsföretag och standardleveransmetoden för internationella tillverkare av avancerade maskinverktyg idag. Med den utbredda användningen av informationsteknik behöver fler och fler inhemska användare fjärrkommunikationstjänster och andra funktioner när de importerar CNC-verktygsmaskiner. Baserat på den utbredda användningen av CAD/CAM använder mekaniska tillverkningsföretag i allt högre grad CNC-bearbetningsutrustning. CNC-applikationsprogramvara blir alltmer omfattande och användarvänlig. Virtuell design, virtuell tillverkning och andra tekniker strävas alltmer efter av ingenjörer och teknisk personal. Att ersätta komplex hårdvara med programvaruintelligens blir en viktig trend i utvecklingen av moderna maskinverktyg. Med målet om digital tillverkning har ett antal avancerade företagsledningsprogram som ERP framkommit genom processomstrukturering och informationsteknologisk omvandling, vilket skapar högre ekonomiska fördelar för företag.
8. Flexibilitet
Trenden för CNC-verktygsmaskiner mot flexibla automationssystem är att utvecklas från punkt (CNC-maskin, fleroperationscenter och CNC-kompositbearbetningsmaskin), linje (FMC, FMS, FTL, FML) till yta (oberoende tillverkningsö, FA) och kropp (CIMS, distribuerat nätverksintegrerat tillverkningssystem), och å andra sidan fokusera på tillämpning och ekonomi. Flexibel automationsteknik är det viktigaste sättet för tillverkningsindustrin att anpassa sig till dynamiska marknadskrav och snabbt uppdatera produkter. Det är den vanliga trenden för tillverkningsutveckling i olika länder och den grundläggande tekniken inom avancerad tillverkning. Fokus ligger på att förbättra systemets tillförlitlighet och praktiska användbarhet, med målet att enkelt nätverka och integrera; Betona utveckling och förbättring av enhetsteknik; CNC-maskin utvecklas mot hög precision, hög hastighet och hög flexibilitet; CNC-verktygsmaskiner och deras flexibla tillverkningssystem kan enkelt anslutas till CAD, CAM, CAPP, MTS och utvecklas mot informationsintegration; Utvecklingen av nätverkssystem mot öppenhet, integration och intelligens.
9. Grönisering
Metallskärande maskiner under 2000-talet måste prioritera miljöskydd och energibesparing, det vill säga för att uppnå grönare skärprocesser. För närvarande fokuserar denna gröna bearbetningsteknik huvudsakligen på att inte använda skärvätska, främst eftersom skärvätska inte bara förorenar miljön och äventyrar arbetarnas hälsa, utan också ökar resurs- och energiförbrukningen. Torrkapning utförs vanligtvis i en atmosfärisk atmosfär, men det inkluderar även kapning i speciella gasatmosfärer (kväve, kall luft eller användning av torr elektrostatisk kylteknik) utan användning av skärvätska. För vissa bearbetningsmetoder och arbetsstyckskombinationer är dock torrkapning utan användning av skärvätska för närvarande svår att tillämpa i praktiken, så kvasitorrkapning med minimal smörjning (MQL) har uppstått. För närvarande använder 10–15 % av storskalig mekanisk bearbetning i Europa torr och kvasitorrkapning. För verktygsmaskiner som fleroperationscentra som är konstruerade för flera bearbetningsmetoder/arbetsstyckskombinationer används kvasitorrkapning huvudsakligen, vanligtvis genom att spruta en blandning av extremt små mängder skärolja och tryckluft in i skärområdet genom den ihåliga kanalen inuti maskinspindeln och verktyget. Bland olika typer av metallskärmaskiner är kugghjulsfräsmaskinen den vanligaste för torrskärning.
Kort sagt har framstegen och utvecklingen av CNC-maskinteknik skapat gynnsamma förutsättningar för utvecklingen av den moderna tillverkningsindustrin, vilket främjar utvecklingen av tillverkningen mot en mer humaniserad riktning. Det kan förutses att med utvecklingen av CNC-maskinteknik och den utbredda tillämpningen av CNC-maskinverktyg kommer tillverkningsindustrin att inleda en djupgående revolution som kan skaka om den traditionella tillverkningsmodellen.