Быстрое развитие системных технологий с ЧПУ создало условия для технологического прогресса станков с ЧПУ. Чтобы удовлетворить потребности рынка и удовлетворить более высокие требования современных технологий производства к технологии ЧПУ, текущее развитие мировой технологии ЧПУ и ее оборудования в основном отражается в следующих технических характеристиках:
1. Высокая скорость
Развитие Станки с ЧПУ В направлении высокоскоростного направления можно не только значительно повысить эффективность обработки и снизить затраты на обработку, но также улучшить качество обработки поверхности и точность деталей. Технология сверхвысокоскоростной обработки имеет широкое применение для достижения низкой себестоимости производства в обрабатывающей промышленности.
С 1990-х годов страны Европы, США и Японии конкурируют за разработку и применение нового поколения высокоскоростных станков с ЧПУ, ускоряя темпы разработки высокоскоростных станков. Новые прорывы были сделаны в высокоскоростном шпиндельном блоке (электрический шпиндель, скорость 15000-100000 об/мин), высокоскоростных компонентах движения подачи и с высоким ускорением/замедлением (быстрая скорость перемещения 60-120 м/мин, скорость подачи резания до 60 м/мин), высокопроизводительных системах ЧПУ и сервосистемах, а также инструментальных системах с ЧПУ, что позволило достичь нового технологического уровня. Благодаря внедрению ключевых технологий в ряде технических областей, таких как сверхвысокоскоростной режущий механизм, сверхтвердые, износостойкие, долговечные инструментальные материалы и абразивные шлифовальные инструменты, мощный высокоскоростной электрический шпиндель, компоненты подачи с линейным двигателем с высоким ускорением/замедлением, высокопроизводительные системы управления (включая системы мониторинга) и защитные устройства, была создана техническая основа для разработки и применения нового поколения высокоскоростных станков с ЧПУ.
В настоящее время при сверхвысокоскоростной обработке скорость точения и фрезерования достигла более 5000-8000 м/мин; Скорость шпинделя выше 30000 об/мин (некоторые могут достигать 100000 об/мин); Скорость перемещения (подача) верстака: выше 100 м/мин (некоторые до 200 м/мин) при разрешении 1 микрометра и выше 24 м/мин при разрешении 0,1 микрометра; Автоматическая скорость смены инструмента в течение 1 секунды; Скорость подачи при интерполяции малых линий достигает 12 м/мин.
2. Высокая точность
Развитие Станки с ЧПУОт прецизионной обработки к сверхточной обработке — это направление, которому привержены промышленные державы по всему миру. Его точность варьируется от уровня микрометра до субмикрона и даже до уровня нанометра (<10 нм), а диапазон его применения становится все более широким.
В настоящее время, в соответствии с требованиями высокоточной обработки, точность обработки обычных станков с ЧПУ увеличилась с ± 10 мкм Увеличение м до ± 5 мкм; Точность обработки прецизионных обрабатывающих центров составляет от ± 3 до 5 мкм. Увеличение до ± 1-1,5 мкм. Еще выше; Точность сверхточной обработки достигла уровня нанометра (0,001 микрометра), а точность вращения шпинделя должна достигать 0,01 ~ 0,05 микрометра, при круглости обработки 0,1 микрометра и шероховатости обрабатываемой поверхности Ra = 0,003 микрометра. В этих станках обычно используются электрошпиндели с частотно-регулируемым приводом с векторным управлением (интегрированные с двигателем и шпинделем) с радиальным биением шпинделя менее 2 мкм, осевым смещением менее 1 мкм и дисбалансом вала, достигающим уровня G0,4.
Привод подачи высокоскоростных и высокоточных обрабатывающих станков в основном включает в себя два типа: «поворотный серводвигатель с прецизионным высокоскоростным ШВП» и «линейный двигатель с прямым приводом». Кроме того, новые параллельные станки также позволяют легко обеспечить высокоскоростную подачу.
Благодаря своей отработанной технологии и широкому применению шарико-винтовые пары не только обеспечивают высокую точность (ISO3408, уровень 1), но и имеют относительно низкие затраты на высокоскоростную обработку. Поэтому они и по сей день используются на многих высокоскоростных обрабатывающих станках. Современный высокоскоростной обрабатывающий станок с шарико-винтовой передачей имеет максимальную скорость перемещения 90 м/мин и ускорение 1,5 g.
Шарико-винтовая передача относится к механической передаче, которая неизбежно включает в себя упругую деформацию, трение и обратный зазор во время процесса передачи, что приводит к гистерезису движения и другим нелинейным ошибкам. Чтобы устранить влияние этих ошибок на точность обработки, в 1993 году на станках был применен прямой привод с линейным двигателем. Поскольку это «нулевая передача» без промежуточных звеньев, она не только имеет небольшую инерцию движения, высокую жесткость системы и быстрый отклик. Она может достигать высокой скорости и ускорения, а длина ее хода теоретически неограничена. Точность позиционирования также может достигать высокого уровня под действием высокоточной системы обратной связи по положению, что делает ее идеальным методом привода для высокоскоростных и высокоточных обрабатывающих станков, особенно средних и крупных станков. В настоящее время максимальная скорость быстрого перемещения высокоскоростных и высокоточных обрабатывающих станков с использованием линейных двигателей достигла 208 м/мин с ускорением 2g, и еще есть возможности для развития.
3. Высокая надежность
С развитием сетевых приложений Станки с ЧПУВысокая надежность станков с ЧПУ стала целью, которую преследуют производители систем с ЧПУ и производители станков с ЧПУ. Для беспилотного завода, работающего в две смены в день, если от него требуется работать непрерывно и нормально в течение 16 часов с безотказностью Р(t)=99% и более, среднее время наработки на отказ (MTBF) станка с ЧПУ должно быть больше 3000 часов. Только для одного станка с ЧПУ соотношение частоты отказов между хостом и системой ЧПУ составляет 10:1 (надежность ЧПУ на порядок выше, чем у хоста). На этом этапе среднее время безотказной работы системы ЧПУ должно быть больше 33333,3 часа, а среднее время безотказной работы устройства ЧПУ, шпинделя и привода должно быть больше 100000 часов.
Значение безотказной работы современных зарубежных устройств с ЧПУ достигло более 6000 часов, а приводное устройство - более 30000 часов. Однако видно, что от идеальной цели все еще существует отставание.
4. Компаундирование
В процессе обработки деталей большое количество бесполезного времени тратится на манипуляции с заготовками, загрузку и разгрузку, установку и регулировку, смену инструмента, увеличение и уменьшение скорости шпинделя. Чтобы максимально свести к минимуму это бесполезное время, люди надеются интегрировать различные функции обработки на одном станке. Таким образом, в последние годы станки со сложными функциями стали быстро развивающейся моделью.
Концепция комплексной обработки станков в области гибкого производства относится к способности станка автоматически выполнять многопроцессную обработку одного и того же или разных типов технологических процессов в соответствии с программой обработки с ЧПУ после зажима заготовки за один проход, чтобы завершить различные процессы обработки, такие как токарная обработка, фрезерование, сверление, растачивание, шлифование, нарезание резьбы, развертывание и расширение детали сложной формы. Что касается призматических деталей, то обрабатывающие центры являются наиболее типичными станками, выполняющими многопроцессную композитную обработку одним и тем же технологическим методом. Было доказано, что обработка композитных материалов на станках может повысить точность и эффективность обработки, сэкономить место и особенно сократить цикл обработки деталей.
5. Полиаксиализация
С популяризацией систем ЧПУ с 5-осевой навеской и программного обеспечения для программирования обрабатывающие центры с 5-осевой навеской и фрезерные станки с ЧПУ (вертикальные обрабатывающие центры) стали горячей точкой развития. Благодаря простоте 5-осевого управления рычажным механизмом в программировании ЧПУ для фрез со сферическим концом при обработке свободных поверхностей и способности поддерживать разумную скорость резания для фрез со сферическим концом в процессе фрезерования трехмерных поверхностей, в результате значительно улучшается шероховатость обрабатываемой поверхности и значительно повышается эффективность обработки. Однако в станках с трехосным рычажным управлением невозможно избежать участия в резании конца шаровой фрезы со скоростью резания, близкой к нулю. Таким образом, станки с 5-осевой навеской стали объектом активного развития и конкуренции среди крупных производителей станков из-за их незаменимых преимуществ в производительности.
В последнее время зарубежные страны все еще исследуют 6-осевое управление рычажным механизмом с использованием невращающихся режущих инструментов в обрабатывающих центрах. Хотя форма их обработки не ограничена, а глубина резания может быть очень малой, эффективность обработки слишком низка, и это трудно реализовать на практике.
6. Интеллект
Интеллект является основным направлением развития производственных технологий в 21 веке. Интеллектуальная обработка — это тип обработки, основанный на управлении нейронными сетями, нечетком управлении, технологии цифровых сетей и теории. Его цель – имитировать интеллектуальную деятельность людей-экспертов во время процесса обработки, чтобы решить множество неопределенных проблем, требующих ручного вмешательства. Содержание интеллекта включает в себя различные аспекты в системах ЧПУ:
Добиться интеллектуальной эффективности и качества обработки, таких как адаптивное управление и автоматическое создание параметров процесса;
Для улучшения ходовых качеств и облегчения интеллектуальных подключений, таких как упреждающее управление, адаптивный расчет параметров двигателя, автоматическая идентификация нагрузок, автоматический выбор моделей, самонастройка и т. д.;
Упрощенное программирование и интеллектуальное управление, например интеллектуальное автоматическое программирование, интеллектуальный человеко-машинный интерфейс и т. д.;
Интеллектуальная диагностика и мониторинг облегчают диагностику и обслуживание системы.
В мире исследуется множество интеллектуальных систем резки и обработки, среди которых репрезентативными являются интеллектуальные решения Японской ассоциации исследований интеллектуальных устройств с ЧПУ для сверления.
7. Нетворкинг
Сетевое управление станками в основном относится к сетевому соединению и сетевому управлению между станком и другими внешними системами управления или верхними компьютерами через оборудованную систему ЧПУ. Станки с ЧПУ обычно сначала выходят на производственную площадку и внутреннюю локальную сеть предприятия, а затем подключаются к внешней стороне предприятия через Интернет, что называется технологией Интернета/Интранета.
С развитием сетевых технологий отрасль недавно предложила концепцию цифрового производства. Цифровое производство, также известное как «электронное производство», сегодня является одним из символов модернизации на предприятиях машиностроения и стандартным методом поставок для передовых международных производителей станков. С широким распространением информационных технологий все больше и больше отечественных пользователей нуждаются в услугах удаленной связи и других функциях при импорте станков с ЧПУ. Благодаря широкому распространению CAD/CAM предприятия машиностроения все чаще используют обрабатывающее оборудование с ЧПУ. Прикладное программное обеспечение ЧПУ становится все более богатым и удобным для пользователя. Виртуальное проектирование, виртуальное производство и другие технологии все чаще используются инженерно-техническими кадрами. Замена сложного аппаратного обеспечения программным интеллектом становится важной тенденцией в развитии современных станков. В целях цифрового производства в результате реинжиниринга процессов и трансформации информационных технологий появился ряд передовых программных средств управления предприятием, таких как ERP, которые создают более высокие экономические выгоды для предприятий.
8. Гибкость
Тенденция станков с ЧПУ к гибким системам автоматизации заключается в развитии от точки (одиночный станок с ЧПУ, обрабатывающий центр и составной обрабатывающий станок с ЧПУ), линии (FMC, FMS, FTL, FML) к поверхности (независимый производственный остров, FA) и корпусу (CIMS, интегрированная производственная система с распределенной сетью) и, с другой стороны, сосредоточиться на применении и экономике. Гибкая технология автоматизации является для обрабатывающей промышленности основным средством адаптации к динамичным требованиям рынка и быстрого обновления продукции. Это основная тенденция развития производства в различных странах и фундаментальная технология в области передового производства. Основное внимание уделяется повышению надежности и практичности системы с целью упрощения сетевого взаимодействия и интеграции; Уделять особое внимание развитию и совершенствованию единичных технологий; Одиночный станок с ЧПУ развивается в направлении высокой точности, высокой скорости и высокой гибкости; Станки с ЧПУ и их гибкие производственные системы можно легко подключить к CAD, CAM, CAPP, MTS и развивать в сторону интеграции информации; Развитие сетевых систем в направлении открытости, интеграции и интеллекта.
9. Зеленизация
Металлорежущие станки 21-го века должны уделять приоритетное внимание защите окружающей среды и энергосбережению, то есть добиваться экологизации процессов резки. В настоящее время эта экологически чистая технология обработки в основном ориентирована на отказ от использования смазочно-охлаждающей жидкости, главным образом потому, что смазочно-охлаждающая жидкость не только загрязняет окружающую среду и ставит под угрозу здоровье работников, но также увеличивает потребление ресурсов и энергии. Сухая резка обычно выполняется в атмосферной атмосфере, но также включает резку в специальных газовых средах (азот, холодный воздух или с использованием технологии сухого электростатического охлаждения) без использования смазочно-охлаждающей жидкости. Однако для некоторых методов обработки и комбинаций заготовок сухую резку без использования смазочно-охлаждающей жидкости в настоящее время трудно применить на практике, поэтому появилась квазисухая резка с минимальной смазкой (MQL). В настоящее время 10-15% крупномасштабной механической обработки в Европе используют сухую и квазисухую резку. Для станков, таких как обрабатывающие центры, которые предназначены для нескольких методов обработки/комбинаций заготовок, в основном используется квазисухая резка, обычно путем распыления смеси очень небольших количеств смазочно-охлаждающей жидкости и сжатого воздуха в зону резания через полый канал внутри шпинделя станка и инструмента. Среди различных типов металлорежущих станков наиболее часто для сухой резки используется зубофрезерный станок.
Короче говоря, прогресс и развитие технологии станков с ЧПУ создали благоприятные условия для развития современной обрабатывающей промышленности, способствуя развитию производства в более гуманном направлении. Можно предвидеть, что с развитием технологии станков с ЧПУ и широким применением станков с ЧПУ обрабатывающая промышленность ознаменует глубокую революцию, которая может поколебать традиционную модель производства.