Konstrukční charakteristiky vysoce výkonných obráběcích center

Rozdíl mezi vysoce výkonnými obráběcími centry a vysokorychlostními obráběcími centry spočívá v tom, že mají nejen vysokorychlostní rotující vřeteno, ale také konstruují vysoce přesná lineární vedení pohybu, vysoce výkonné vřetenové motory, přesná ložiska vřetena, kuličkové šrouby, vysoce účinné servomotory a pokročilé CNC systémy. Obráběcí centrum proto může zpracovávat vysoce přesné díly s vysokou účinností, což výrazně zlepšuje konkurenceschopnost trhu.
1. Lineární vodicí lišta
Rychlost a přesnost axiálního pohybu obráběcího centra jsou rozhodující pro dosažení vysokorychlostního řezání. Koeficient tření lineární vodicí kolejnice je pouze 1/20 koeficientu běžné čtvercové vodicí kolejnice. Vzhledem k tomu, že styčná plocha mezi kladkami lineární vodicí kolejnice a vodicí kolejnice je mnohem menší než u čtyřhranné vodicí kolejnice, spotřeba energie je také snížena na 1/20 spotřeby čtyřhranné vodicí kolejnice, a může udržovat minimální opotřebení po dlouhou dobu, což výrazně zlepšuje životnost vodicí lišty. Přesná vodicí kolejnice s lineárním pohybem má kalenou tvrdost HRC58-62, která je broušena přesnou bruskou vodicích kolejnic. Na rozdíl od běžných čtvercových vodicích lišt má alespoň jednu vodicí lištu ve tvaru V. Díky jednoduché konstrukci dvou lineárních vodicích kolejnic je snadné zpracovat, sestavit, změřit a vybrat vhodný průměr válečku. Vodicí lišta s lineárním pohybem má vysokou tuhost a mezi ní a pracovním stolem není žádná mezera, takže zřídka generuje vibrace a může zpracovávat díly s nízkou drsností povrchu, čímž se prodlužuje životnost nástroje.
2. Přesný kuličkový šroub
Průměr a stoupání kuličkového šroubu obráběcího stroje přímo ovlivňují přesnost obráběných součástí, zejména při řezných podmínkách rychlosti posuvu. Vysoce výkonná obráběcí centra využívající lineární vodítka volí kuličkové šrouby s jednou hlavou s malým průměrem a jemným stoupáním. Některé také používají vícehlavé kuličkové šrouby s hrubým stoupáním. Obecně se používá převodové schéma využívající servomotory k pohonu kuličkových šroubů. Během činnosti kuličkového šroubu se však směr osy otáčení valivého prvku při jeho spirálovitém pohybu mění, což má za následek gyroskopický pohyb. Když gyroskopický moment v pohybu překročí třecí sílu mezi tělesem kuličky a oběžnou dráhou, valivé těleso bude klouzat, což způsobí silné tření a zvýší teplotu šroubu. Zároveň se zvyšují vibrace a hluk, zkracuje se životnost šroubu a snižuje se kvalita přenosu kuličkového šroubu. Pro efektivní řešení výše uvedených technických problémů byl vyvinut nový typ vysoce výkonného odvalovacího šroubu, planetový válečkový šroub. S neustálým vývojem nových technologií dosáhne za podmínek ultravysokého posuvu zrychlení pracovního stolu více než 3g, takže setrvačná síla pohyblivých částí je také poměrně velká. Při navrhování mechanické části je třeba vynaložit úsilí na snížení hmotnosti pohyblivých částí a rotační setrvačnosti rotujících částí, čímž se dále zlepší tuhost, citlivost a přesnost podávacího systému.
3. Vysoce výkonný vřetenový motor obráběcího stroje
Mezi mnoha faktory, které ovlivňují výběr výkonu motoru vřetena obráběcího stroje, jsou nejdůležitějšími kužel vřetena, velikost řezu (řezná rychlost) zvolená během obrábění, velikost součásti a velikost nástroje. Volba velkého kuželového vřetena může provádět vysoce výkonné řezání, ale někdy, aby bylo možné rychle zrychlit a zpomalit, lze k pohonu malého kuželového vřetena použít také vysoce výkonný motor. Pro obrábění vysokou řeznou rychlostí je nutné zvolit velké kuželové vřeteno a vysoce výkonný motor vřetena obráběcího stroje. Materiál dílů má malý vliv na volbu výkonu motoru vřetena obráběcího stroje. Například u výkovků a odlitků není vyžadováno řezání vysokým výkonem. Při volbě obrábění při vysokých rychlostech na vřetenu obráběcího stroje je však nutné zvolit motor s vysokým výkonem. Důvod, proč je pro obrábění velkých dílů nutný také vysoce výkonný pohon, je ten, že vyžaduje použití řezných nástrojů s velkým průměrem.
4. Ložiska vřetena
Typ a měřítko vřetenových ložisek musí splňovat podmínky použití. Velká ložiska mohou poskytnout vysokou pevnost a tuhost. Velkorozměrová ložiska však mají dvě nevýhody:
1) Vzhledem k velké hmotnosti velkých ložisek a velké kontaktní ploše mezi ložisky vzniká při vysokých otáčkách vřetena velké množství tepla. Dlouhodobé vystavení velkému množství tepla může způsobit zvětšení velikosti vřetena, což ovlivňuje přesnost obrábění.
Kvalitní vřeteno vyžaduje k pohonu vysoce výkonný motor. Přestože je vnitřní kroužek ložiska chlazen mazacím olejem, velká ložiska zvyšují svou únosnost a rotační setrvačnost při vysokých otáčkách, což má za následek zvýšení potřebného výkonu. Zejména při zvýšení otáček vřetena se zvyšuje spotřeba energie. Ale ne všechna energie se spotřebuje při řezání. Například vřeteno s výkonem 40 koňských sil může mít pouze 15-20 koňských sil působících na řezací hlavu, zatímco zbytek slouží k otáčení vřetena. U vysoce výkonného vřetena může vyvinout maximální možnou sílu na řezný obrobek a může pohánět vřeteno nejvyšší rychlostí s velmi malým výkonem. Výkon aplikovaný na vřeteno lze vypočítat na základě maximální rychlosti otáčení vřetena za podmínek bez zatížení pro určení energie spotřebované obráběcím strojem. Kvůli řezání při vysokých rychlostech generují sklíčidlo a nástroj působením řezných sil radiální odchylku a nesoustřednost, což má za následek zvýšené dodatečné síly nebo nevyvážené odstředivé síly.
2) Použití více řad ložisek malého průměru neovlivňuje tuhost vřetena a je také velmi výhodné pro předpětí ložisek vřetena. Předpětí ložisek se obvykle vztahuje na tlak vyvíjený vřetenem na ložiska za statických podmínek. Obecně se zatížení předpětím používá ke zlepšení tuhosti vřetena a zvýšení řezné kapacity. V důsledku zvýšení tlaku působícího na ložiska se však zvyšuje vývin tepla, což také urychluje opotřebení ložisek. Za účelem zlepšení řezného výkonu řezného nástroje a prodloužení jeho životnosti je na víceřadá ložiska předem vyvíjen malý tlak, což může zvýšit tuhost vřetena obráběcího stroje a dosáhnout výše uvedených cílů.
Z dlouhodobého hlediska se výrazně zvýší poptávka trhu po magnetických, pneumatických a hydrostatických ložiskách. V současné době se však při vysokorychlostním řezání nejčastěji používají tyto dva typy: radiální axiální ložiska a kuličková ložiska. Za standardních podmínek otáček vřetena obráběcích strojů je řada kuličkových ložisek a řada radiálních axiálních ložisek často instalována na předním konci vřetena a dvě řady kuličkových ložisek jsou instalovány na zadním konci vřetena. Protože instalace řady kuličkových ložisek na přední konec vřetena může výrazně zlepšit tuhost vřetena a zvýšit jeho nosnost. To je rozhodující pro těžké řezání. Protože však kuličková ložiska mají větší kontaktní plochu a jsou těžší než radiální axiální ložiska, spotřebovávají více energie a generují více tepla, což může snadno způsobit zvětšení velikosti vřetena a nižší využití energie. Vysokorychlostní řezání může snížit radiální sílu působící na vřeteno a řezné nástroje. Tímto způsobem poskytuje radiální axiální ložisko instalované na předním konci vřetena dostatečnou tuhost a stabilitu a zabraňuje roztahování velikosti způsobené zahříváním vřetena obráběcího stroje.
Rozumný výběr materiálů ložisek je stejně důležitý jako typ ložiska. Přestože jsou ložiska vyrobená z ložiskové oceli stále široce používána, praxe ukázala, že použití keramických ložisek při vysokorychlostním obrábění bude mít mnoho výhod. Ložiska vyrobená z ložiskové oceli jsou sice levná, ale jejich hmotnost je mnohem vyšší než u keramických ložisek stejných specifikací. Vzhledem k vysoké hmotnosti a vysokému vývinu tepla při vysokorychlostním řezání musí být instalován komplexní systém chlazení a mazání. Současně s rostoucími otáčkami vřetena se zvyšuje dostředivá síla působící na ložisko, což způsobuje nárůst teploty ložiska, což má za následek zvětšení velikosti vřetena, ovlivnění rozměrové přesnosti obráběných součástí a zvýšení výkonu potřebného pro vřeteno obráběcího stroje. Keramická ložiska díky své nízké hmotnosti tento technický problém efektivně vyřeší. Řezné testy ukázaly, že rychlost, při které keramická ložiska zvětšují velikost vřetena, je pouze 1/40 rychlosti ložisek z ložiskové oceli. Důvodem je, že při vysokorychlostním řezání působí na ložisko pouze malou dostředivou silou. Současně lze pro zlepšení tuhosti a řezné schopnosti vřetena obráběcího stroje použít velké předpětí i na keramická ložiska. Díky výše uvedeným vlastnostem mají keramická ložiska zvýšenou životnost.
Moderní technologie vřeten obráběcích strojů umožňuje obráběcím strojům snadno nastavit předpětí aplikované na ložiska vřetena na základě otáček vřetena. Při zvýšení otáček vřetena obráběcího stroje se zvyšuje i zatížení působící na ložisko v důsledku nárůstu dostředivé síly. Zatížení působící na ložisko naopak klesá. Proto se sníží teplo na ložisku a sníží se rozměrová roztažnost ložiska. Samozřejmě při vysokorychlostním obrábění je také dovoleno předem vyvinout velmi malé zatížení na ložisko, takže řezná síla působící na nástroj je velmi malá, což může snížit požadavek na tuhost obráběcího stroje. Stále je nutné předem vyvinout větší zatížení ložisek při nízkých otáčkách vřetena, protože zvýšení řezné síly nástroje zvyšuje i sílu působící na vřeteno.
5. Vřetenový motor a převodový systém
V současné době existují dva způsoby spojení mezi vřetenem obráběcího stroje a motorem, jedním je řemen nebo ozubené kolo; Druhým je přímý přenos, což znamená přímé připojení motoru vřetena k vřetenu, nebo instalaci vřetenového motoru a vřetena současně na kompozitní zařízení, nazývané kompozitní vřeteno.
Výhodou řemenového nebo ozubeného převodu je, že vřetenový motor může dosahovat vysokých otáček vřetena i při pomalém otáčení. Tento způsob převodu je levný kvůli nízkým otáčkám motoru a nízkému příkonu, ale má následující nevýhody: díky své složité struktuře je náchylný k poruchám a nepohodlné údržbě. Současně dojde také k vibracím mezi řemenem, ozubeným kolem a vřetenem. S dalším zjednodušením konstrukce se dále snižuje počet pohyblivých částí, což také umožní rychlejší zrychlení a zpomalení vřetena. Naopak vřeteno poháněné řemenem nebo ozubeným kolem obsahuje vřeteno, sedlo hřídele, elektromotor, řemenici nebo ozubené kolo atd. Každá součást je složena z materiálů různé hmotnosti, které třením při vysokorychlostní rotaci vytvářejí teplo. . Vzhledem k různé hmotnosti a síle materiálů je také teplo vznikající na různých místech různé, což má za následek různé velikosti roztažení v různých částech vřetena. V těžkých případech může způsobit deformaci vřetena, ovlivnit jeho velikost, geometrický tvar atd. Vřeteno s přímým pohonem má na druhé straně rovnoměrnou tepelnou deformaci a dokonce i za podmínek ultravysokých otáček může být chlazeno chladicí kapalinou přes vnitřní otvor vřetena. V zásadě tedy neovlivňuje přesnost vřetena a může stabilněji zajistit kvalitu obrábění.
6. Chlazení a mazání
Pokud se při obrábění řezáním nepřidá chladicí kapalina, způsobí to roztažení vřetena. Pro zajištění vysoké přesnosti vřetena obráběcího stroje je nutné vřeteno a ložiska stabilně ovládat, aby měly pevnou velikost. V současnosti běžné obráběcí stroje volí pro chlazení vřetena a ložisek vnější chlazení, vnitřní chlazení nebo kombinované způsoby vnitřního a vnějšího chlazení podle různých struktur vřetena. Obecně by však mělo být co nejvíce využíváno externí chlazení. Chlazením se teplo přenesené z řezné hlavy na vřeteno odvádí do vzduchu.
Aby se efektivně zlepšila míra využití obráběcích strojů a snížila spotřeba energie, doporučuje se pro chlazení používat chlazení mlhou nebo chlazení olejovým vřetenem rozprašováním. Zejména u vysokorychlostních obráběcích strojů se doporučuje volit systém chlazení vřetena na základě maximální rychlosti dosahované vřetenem stroje a materiálu zvoleného pro ložiska. Určete zvolený chladicí systém na základě rychlosti otáčení vřetena obráběcího stroje a vnějšího průměru ložisek. Pokud oba typy ložisek volí ložisková ocelová ložiska, doporučuje se zvolit systém chlazení oleje ve spreji. Samozřejmě, ve srovnání s těmito dvěma, druhý vyžaduje velké množství chladicí a mazací kapaliny, což zvyšuje spotřebu energie obráběcího stroje.
7. CNC systém
Moderní CNC technologie umožňuje obráběcím strojům zpracovávat rychlostí posuvu 38,1 m/min. Hlavním důvodem je, že při obrábění lze volit vysoké řezné rychlosti. Současně musí být obráběcí stroj vybaven vysokorychlostními servomotory s vysokým rozlišením. Kromě toho, aby byla zajištěna vysoká přesnost, servomotory s vysokým rozlišením musí mít také schopnost rychle zpracovávat signály. Mít servomotor s vysokým rozlišením bez zvýšení provozní rychlosti procesoru je samozřejmě k ničemu. Protože servomotory s vysokým rozlišením mají ke zpracování více dat než jejich předchůdci, vyžadují vysokou rychlost pro zpracování textu. Vysoká rychlost zpracování skupin slov může rychle zpracovat data a posílat impulsy do servomotoru. Z tohoto důvodu je obecně nutné nakonfigurovat dva 32-bitové procesory na servomotoru, aby splňovaly požadavky na použití a aby bylo možné rychle zpracovat velké množství dat shromážděných během zpracování a potřebu rychle provádět složité výpočty na složitých tvary součástí při vysokorychlostním obrábění.
Při zpracování velkých a složitých tvarových dílů letadel a plastových lisovacích forem je obecně z důvodu nedostatečné paměti obecného NC systému obecně nutné je nejprve uložit do počítače a poté vložit do NC systému (také známého jako CNC Systém). Samozřejmě u dílů s krátkými programy a méně složitými tvary může typický NC systém splnit požadavky na použití, protože má přenosovou rychlost 76 800 symbolů za sekundu. Pro zlepšení kapacity rychlého posuvu a přesnosti obrábění obráběcích strojů je nutné vyvinout nový počítačový software. Podle skutečných potřeb obrábění je vyvinutý software vyžadován k dosažení vysoké přesnosti při obrábění dílů, bez ohledu na obecnou rychlost posuvu nebo podmínky vysokorychlostního posuvu.
Pro zlepšení přesnosti obrábění dílů při zvolené rychlosti posuvu lze nejen vhodně zvýšit počet průchodů nástrojem, ale také nedávno vyvinutý software pro kompenzaci geometrického tvaru může zajistit vynikající kvalitu obrábění při vysoké efektivitě výroby. Software pro kompenzaci geometrického tvaru se liší od softwaru pro vysokou rychlost posuvu. Posledně jmenovaný se používá ke zvýšení rychlosti posuvu obráběcího stroje nebo zkrácení doby zpracování pro zlepšení efektivity výroby, zatímco první se používá hlavně ke zlepšení přesnosti zpracovávaných dílů. Jeho hlavní funkce jsou následující:
1) Interpolujte zrychlení nebo zpomalení předem. Při obrábění obloukovou interpolací je často významný rozdíl mezi sestaveným programem a skutečným obráběním, zejména kvůli předstihu nebo zpoždění způsobenému zrychlením nebo zpomalením pohybu nástroje podél osy. Dokáže kompenzovat chyby způsobené zrychlením nebo zpomalením generovaným pohybem nástroje.
2) Předem ovládejte pohyb vpřed. Kromě obráběcího systému mohou přesnost obráběných dílů snižovat i některé chyby v systému servořízení obráběcích strojů. Nově vyvinutý systém řízení dopředného posuvu dokáže vypočítat možné hodnoty chyb na základě obráběcích programů, řezných rychlostí, posuvů atd. a kompenzovat skutečné chyby obrábění dříve, než k nim dojde.
3) Proveďte přesnou vektorovou kompenzaci. Když obráběcí stroj provádí vysokorychlostní obrábění, je nutné upřednostnit volbu vhodné rychlosti posuvu. Obvykle se získá úpravou zesilovacího faktoru zesilovacího zařízení v servomotoru. Když je faktor zesílení pro dopředný směr nastaven na velkou hodnotu, lze zlepšit rychlost sledování chyb servořízení. Samozřejmě, že zvýšení rychlosti sledování sníží stabilitu systému řízení serv. Nedostatek stability v systému servořízení způsobí zhoršení drsnosti povrchu zpracovávaných dílů. Přesný vektorový kompenzační systém se používá ke kalibraci velkých obráběcích programů pro selektivně rostoucí množství dílů. Opravený program obrábění může stabilizovat systém servořízení, zejména stabilní systém servořízení systému posuvu může eliminovat vibrace, které způsobují zhoršení drsnosti povrchu součástí.
4) Zvolte vhodné zpomalení pro obrábění rohu. Při aplikaci výše uvedených tří funkcí se obvykle vyžaduje, aby každá pohybová osa zpomalila v rozích dílů, aby se zabránilo nárazovým vibracím generovaným hnacím systémem během rychlého soustružení nástroje. Vyžaduje zpomalení na vhodnou rychlost posuvu v daném čase pro zpracování.
5) Pro vysoce výkonná obráběcí centra je nutné nejen navrhovat vysokorychlostní vřetena, ale také navrhovat vysoce výkonné CNC systémy, vysoce přesná lineární vedení, přesné kuličkové šrouby, ložiska, volit vhodné způsoby chlazení a mazání, volit vhodné způsoby chlazení a mazání. a rozhraní obráběcího stroje/nástroje. Výše uvedené technologie byly použity k výrobě mnoha vysoce výkonných obráběcích center a dosáhly dobrých ekonomických a sociálních přínosů v praktické výrobě.