Tecnologia di lavorazione ad alta velocità: principi, ottimizzazione del percorso utensile e applicazioni industriali
astratto
La lavorazione ad alta velocità (HSM) non è un semplice aumento della velocità del mandrino, ma un sistema tecnico completo che include la dinamica della macchina utensile, i materiali degli utensili, le strategie di taglio e la pianificazione del percorso CAM. Il suo obiettivo principale è quello di migliorare notevolmente il tasso di rimozione del materiale (MRR) e ridurre la forza di taglio attraverso una piccola profondità di taglio, alta velocità e grande avanzamento sotto la premessa di garantire la precisione della lavorazione. Partendo dall'essenza fisica del taglio ad alta velocità, questo articolo spiega in profondità le basi teoriche dell '"effetto di assottigliamento del truciolo" e del principio dell' "angolo di taglio costante" e analizza sistematicamente i requisiti tecnici dei materiali degli utensili (nano-rivestimento, carburo cementato rivestito in PVD) e del sistema di gambo (gambo termoretraibile HSK) adatti alla lavorazione ad alta velocità. A livello CAM, vengono discusse le strategie del percorso utensile per macchine utensili ad alta velocità come la fresatura cicloide, il taglio elicoidale e il percorso di transizione regolare, e viene data l'implementazione tecnologica della regolazione automatica della velocità di avanzamento e del controllo in avanti dell'accelerazione. Prendendo come esempio la lavorazione ad alta velocità degli stampi di copertura dell'automobile, vengono forniti i dati comparativi dell'efficienza di lavorazione e della qualità della superficie. Infine, vengono discusse le migliori pratiche di taglio ad alta velocità nella lavorazione di parti a parete sottile, metalli non ferrosi e acciaio temprato, e viene fornita ai tecnici la finestra dei parametri operativi.
Primo, taglio ad alta velocità: definizione e natura fisica
Il concetto di taglio ad alta velocità è stato proposto per la prima volta dallo studioso tedesco Carl Salomon, la cui ipotesi teorica sostiene che quando la velocità di taglio supera un certo valore critico, la temperatura di taglio diminuisce invece. Sebbene questo specifico punto di svolta non sia stato pienamente confermato in molti materiali, il taglio ad alta velocità ha effettivamente portato cambiamenti rivoluzionari nell'industria: riduzione della forza di taglio, formazione di trucioli più fluida e una minore percentuale di calore che entra nel pezzo.
Infatti, il taglio ad alta velocità è definito come una velocità di taglio di 1000-7000 m / min per le leghe di alluminio; 300-800 m / min per le parti in acciaio; e 150-300 m / min per l'acciaio temprato (sopra HRC 50). Le caratteristiche distintive del taglio ad alta velocità sono: una piccola profondità radiale di taglio (di solito 3% -10% del diametro dell'utensile), una profondità assiale media di taglio, ma una velocità di avanzamento estremamente elevata (fino a 20 m / min o più). Questo taglio "layer-stripping" consente di applicare la forza di taglio principalmente nella direzione assiale, riducendo la deformazione laterale, ed è particolarmente adatto per strutture a parete sottile.
Effetto assottigliamento del chip e percorso dell'angolo di taglio costante
Per capire il taglio ad alta velocità, è necessario padroneggiare l '"effetto di assottigliamento del truciolo". Quando si utilizza una piccola profondità di taglio radiale (ad esempio diametro dell'utensile 10 mm, profondità di taglio radiale 0,5 mm), lo spessore massimo dei trucioli è inferiore all'avanzamento per dente. Per mantenere lo spessore del truciolo desiderato (per evitare il surriscaldamento dell'utensile), la velocità di avanzamento deve essere aumentata. La formula è: spessore massimo effettivo del truciolo = avanzamento per dente peccato (angolo di taglio). L'angolo di taglio dipende dal rapporto tra profondità radiale di taglio / diametro dell'utensile. Questo effetto consente un aumento significativo della velocità di avanzamento mantenendo costante il carico termico.
Sulla base di ciò, un principio fondamentale del percorso CAM di taglio ad alta velocità è quello di mantenere una profondità radiale costante di taglio, cioè un angolo di taglio costante. A tal fine, è stata sviluppata una strategia di fresatura cicloidale: l'utensile si muove lungo una traiettoria ad arco e la profondità radiale di taglio rimane costante, anche nella fresatura di scanalature o nella lavorazione di cavità strette. Questa strategia rende lo shock termico dell'utensile uniforme e ne estende significativamente la durata.
Tre, sistema di utensili di lavorazione ad alta velocità e requisiti della macchina utensile
Il taglio ad alta velocità richiede requisiti estremamente elevati per utensili e portautensili. L'espansione centrifuga dei portautensili BT convenzionali sopra i 20.000 giri / min può portare alla caduta dell'utensile. I portautensili HSK (coni corti cavi) sono più adatti per mandrini ad alta velocità grazie alla loro struttura di contatto su entrambi i lati. I portautensili termoretraibili o idraulici offrono una migliore precisione di battitura (
In termini di macchine utensili, sono necessari letti ad alta rigidità (ad esempio calcestruzzo polimerico), guide a rulli lineari, mandrini elettrici ad alta potenza (≥30kW, oltre 30.000 giri / min) e servoazionamenti a risposta rapida. Di particolare importanza sono l'accelerazione e il controllo a scatti - ci sono un gran numero di piccoli segmenti di linea nel percorso di lavorazione ad alta velocità e il sistema di controllo deve avere una funzione limite ad alta velocità per evitare le vibrazioni della macchina.
IV. Strategia di lavorazione ad alta velocità CAM e levigatura del percorso
Il tradizionale percorso utensile di offset equidistante "seghettato" produrrà improvvisi cambi di carico e curve di direzione nette, che non è adatto per il taglio ad alta velocità. Modern CAM ha sviluppato le seguenti tecnologie appositamente per HSM:
Lavorazione a spirale ad altezza costante: spirale verso il basso strato per strato lungo il piano Z, con avanzamento e uscita lisci e continui.
Fresatura cicloidale della scanalatura: Come accennato in precedenza, risolve efficacemente la difficoltà della rimozione profonda del truciolo della scanalatura.
Connessione a carico costante: le transizioni automatiche ad arco o a forma di S vengono utilizzate nelle connessioni di area anziché negli angoli retti.
Regolazione automatica della velocità di avanzamento: regola la velocità di avanzamento in tempo reale in base al cambiamento del volume di taglio per mantenere costante la potenza del mandrino.
Filtro di livellamento del percorso: piccoli segmenti di linea vengono simulati in curve NURBS e il controller esegue l'interpolazione diretta per ridurre l'impatto dell'accelerazione.
L '"Adaptive Milling" di Siemens NX e la "Dynamic Milling" di Mastercam sono entrambe strategie rappresentative basate sul concetto di angoli di taglio costanti.
Caso: Lavorazione ad alta velocità degli stampi del pannello della porta dell'automobile
Un grande stampo ad iniezione per pannello porta dell'automobile (materiale P20, durezza HRC32, dimensione cavità 800500200mm). Processo tradizionale: Ø 20mm coltello a testa a sfera, S8000, F1500, profondità di taglio radiale 6mm, ciclo di sgrossatura 32 ore. Processo ad alta velocità: utilizzare Ø 12mm coltello a fondo piatto con rivestimento super duro, S18000, F6000, profondità di taglio radiale 0,8mm, fresatura dinamica cicloidale. La sgrossatura richiede solo 9,5 ore, la durata dell'utensile è aumentata di 3 volte e il successivo margine di semilavorazione è uniforme, non è necessaria alcuna lucidatura manuale. La rugosità finale della superficie lavorata è ridotta da Ra1,8μm a Ra0,6m.
VI. Conclusione
Il taglio ad alta velocità richiede un cambiamento generale nel pensiero della programmazione: da "profondità di taglio pesante e bassa velocità" a "taglio leggero ad alta e altissima velocità". L'implementazione di successo di HSM richiede l'ottimizzazione collaborativa di utensili, macchine utensili, CAM e controlli, in particolare con angoli di taglio costanti al centro. Per stampi, parti a parete sottile e difficult-to-machine materiali, il taglio ad alta velocità è diventato una pratica standard per migliorare la competitività.
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