Štrukturálne charakteristiky vysokovýkonných obrábacích centier

Rozdiel medzi vysokovýkonnými obrábacími centrami a vysokorýchlostnými obrábacími centrami spočíva v tom, že majú nielen vysokorýchlostné rotujúce vreteno, ale tiež navrhujú vysoko presné lineárne vedenia pohybu, vysokovýkonné vretenové motory, presné ložiská vretena, guľôčkové skrutky, vysokoúčinné servopohony a pokročilé CNC systémy. Preto môže obrábacie centrum spracovávať vysoko presné diely s vysokou účinnosťou, čo výrazne zlepšuje konkurencieschopnosť na trhu.
1. Vodiaca lišta s lineárnym pohybom
Rýchlosť a presnosť axiálneho pohybu obrábacieho centra sú rozhodujúce pre dosiahnutie vysokorýchlostného rezania. Koeficient trenia lineárnej vodiacej koľajnice je iba 1/20 koeficientu bežnej štvorcovej vodiacej koľajnice. Vzhľadom na skutočnosť, že kontaktná plocha medzi kladkami lineárnej vodiacej koľajnice a vodiacej koľajnice je oveľa menšia ako pri štvorcovej vodiacej koľajnici, spotreba energie je tiež znížená na 1/20 spotreby štvorcovej vodiacej koľajnice, a môže udržiavať minimálne opotrebovanie po dlhú dobu, čo výrazne zlepšuje životnosť vodiacej koľajnice. Presná vodiaca koľajnica s lineárnym pohybom má kalenú tvrdosť HRC58-62, ktorá je brúsená presnou brúskou vodiacich koľajníc. Na rozdiel od bežných štvorcových vodiacich koľajníc má aspoň jednu vodiacu koľajnicu v tvare V. Vďaka jednoduchej konštrukcii dvoch lineárnych vodiacich koľajníc je ľahké spracovať, zostaviť, zmerať a vybrať vhodný priemer valca. Vodiaca lišta s lineárnym pohybom má vysokú tuhosť a medzi ňou a pracovným stolom nie je žiadna medzera, takže zriedkavo vytvára vibrácie a dokáže spracovať diely s nízkou drsnosťou povrchu, čím sa predlžuje životnosť nástroja.
2. Presná guľôčková skrutka
Priemer a stúpanie guľôčkovej skrutky obrábacieho stroja priamo ovplyvňuje presnosť obrábaných dielov, najmä pri rezných podmienkach rýchlosti posuvu. Vysokovýkonné obrábacie centrá využívajúce lineárne vedenia si vyberajú guľôčkové skrutky s jednou hlavou s malým priemerom a jemným stúpaním. Niektoré tiež používajú guľôčkové skrutky s viacerými hlavami s hrubým stúpaním. Vo všeobecnosti sa používa prevodová schéma využívajúca servomotory na pohon guľôčkových skrutiek. Počas činnosti guľôčkovej skrutky sa však mení smer osi otáčania valivého telesa, keď sa pohybuje v špirále, čo vedie k gyroskopickému pohybu. Keď gyroskopický moment v pohybe prekročí treciu silu medzi telesom gule a obežnou dráhou, valivé teleso sa bude posúvať, čo spôsobí silné trenie a zvýši teplotu skrutky. Zároveň sa zvyšujú vibrácie a hluk, čím sa skracuje životnosť skrutky a znižuje sa kvalita prenosu guľôčkovej skrutky. Na efektívne riešenie vyššie uvedených technických problémov bol vyvinutý nový typ vysokovýkonnej valcovacej skrutky, planétová valcová skrutka. S neustálym vývojom nových technológií pri podmienkach ultravysokého posuvu dosiahne zrýchlenie pracovného stola viac ako 3 g, takže zotrvačná sila pohyblivých častí je tiež dosť veľká. Pri navrhovaní mechanickej časti sa musí vyvinúť úsilie na zníženie hmotnosti pohyblivých častí a rotačnej zotrvačnosti rotujúcich častí, čím sa ďalej zlepší tuhosť, citlivosť a presnosť podávacieho systému.
3. Vysoko výkonný motor vretena obrábacieho stroja
Medzi mnohými faktormi, ktoré ovplyvňujú výber výkonu motora vretena obrábacieho stroja, sú najdôležitejšie kužeľovitosť vretena, množstvo rezu (rezná rýchlosť) zvolené počas obrábania, veľkosť dielu a veľkosť nástroja. Voľba veľkého kužeľového vretena môže vykonávať rezanie s vysokým výkonom, ale niekedy, aby sa rýchlo zrýchlilo a spomalilo, je možné na pohon malého kužeľového vretena použiť aj vysokovýkonný motor. Pre obrábanie vysokou reznou rýchlosťou je potrebné zvoliť veľké kužeľové vreteno a vysokovýkonný motor vretena obrábacieho stroja. Materiál dielov má malý vplyv na výber výkonu motora vretena obrábacieho stroja. Napríklad pri výkovkoch a odliatkoch nie je potrebné rezanie s vysokým výkonom. Pri voľbe spracovania pri vysokých rýchlostiach na vretene obrábacieho stroja je však potrebné zvoliť motor s vysokým výkonom. Dôvodom, prečo je pri obrábaní veľkých dielov potrebný aj vysokovýkonný pohon, je to, že vyžaduje použitie rezných nástrojov s veľkým priemerom.
4. Ložiská vretena
Typ a rozsah vretenových ložísk musí spĺňať podmienky použitia. Veľké ložiská môžu poskytnúť vysokú pevnosť a tuhosť. Veľkorozmerné ložiská však majú dve nevýhody:
1) Vďaka veľkej hmotnosti veľkých ložísk a veľkej kontaktnej ploche medzi ložiskami vzniká pri vysokých otáčkach vretena veľké množstvo tepla. Dlhodobé vystavenie veľkému množstvu tepla môže spôsobiť zväčšenie veľkosti vretena, čo ovplyvňuje presnosť obrábania.
Kvalitné vreteno vyžaduje na pohon vysokovýkonný motor. Hoci je vnútorný krúžok ložiska chladený mazacím olejom, veľké ložiská zvyšujú svoju nosnosť a rotačnú zotrvačnosť pri vysokých rýchlostiach, čo má za následok zvýšenie potrebného výkonu. Najmä pri zvyšovaní otáčok vretena sa zvyšuje spotreba energie. Pri rezaní sa však nespotrebuje všetka energia. Napríklad vreteno s výkonom 40 konských síl môže mať iba 15-20 konských síl pôsobiacich na reznú hlavu, zatiaľ čo zvyšok sa používa na otáčanie vretena. Pre vysokovýkonné vreteno môže vyvinúť čo najväčší výkon na rezaný obrobok a môže poháňať vreteno s najvyššou rýchlosťou s veľmi malým výkonom. Výkon aplikovaný na vreteno sa môže vypočítať na základe maximálnej rýchlosti otáčania vretena v podmienkach bez zaťaženia, aby sa určila energia spotrebovaná obrábacím strojom. V dôsledku rezania pri vysokých rýchlostiach skľučovadlo a nástroj vytvárajú radiálnu odchýlku a nesústrednosť pri pôsobení rezných síl, čo vedie k zvýšeným dodatočným silám alebo nevyváženým odstredivým silám.
2) Použitie viacerých radov ložísk s malým priemerom neovplyvňuje tuhosť vretena a je tiež veľmi výhodné pre predpätie ložísk vretena. Predpätie na ložiskách sa zvyčajne vzťahuje na tlak vyvíjaný vretenom na ložiská za statických podmienok. Vo všeobecnosti sa predpätie používa na zlepšenie tuhosti vretena a zvýšenie reznej kapacity. V dôsledku zvýšenia tlaku pôsobiaceho na ložiská sa však zvyšuje tvorba tepla, čo tiež urýchľuje opotrebovanie ložísk. Aby sa zlepšil rezný výkon rezného nástroja a predĺžila sa jeho životnosť, na viacradové ložiská sa vopred aplikuje malý tlak, čo môže zvýšiť tuhosť vretena obrábacieho stroja a dosiahnuť vyššie uvedené ciele.
Z dlhodobého hľadiska sa výrazne zvýši dopyt na trhu po magnetických, pneumatických a hydrostatických ložiskách. V súčasnosti sa však pri vysokorýchlostnom rezaní najčastejšie používajú tieto dva typy: radiálne axiálne ložiská a guľkové ložiská. Pri štandardných podmienkach otáčok vretena obrábacích strojov je rad guľkových ložísk a rad radiálnych axiálnych ložísk často inštalovaný na prednom konci vretena a dva rady guľkových ložísk sú inštalované na zadnom konci vretena. Pretože inštalácia radu guľôčkových ložísk na predný koniec vretena môže výrazne zlepšiť tuhosť vretena a zvýšiť jeho nosnosť. To je rozhodujúce pre náročné rezanie. Avšak, pretože guľkové ložiská majú väčšiu kontaktnú plochu a sú ťažšie ako radiálne axiálne ložiská, spotrebúvajú viac energie a generujú viac tepla, čo môže ľahko spôsobiť zväčšenie veľkosti vretena a nižšie využitie energie. Vysokorýchlostné rezanie môže znížiť radiálnu silu pôsobiacu na vreteno a rezné nástroje. Týmto spôsobom radiálne axiálne ložisko inštalované na prednom konci vretena zaisťuje dostatočnú tuhosť a stabilitu, čím sa predchádza zväčšeniu veľkosti spôsobenému zahrievaním vretena obrábacieho stroja.
Rozumný výber materiálov ložísk je rovnako dôležitý ako typ ložiska. Hoci ložiská vyrobené z ložiskovej ocele sú stále široko používané, prax ukázala, že použitie keramických ložísk pri vysokorýchlostnom rezaní bude mať mnohé výhody. Aj keď sú ložiská vyrobené z ložiskovej ocele lacné, ich hmotnosť je oveľa vyššia ako u keramických ložísk rovnakých špecifikácií. Kvôli vysokej hmotnosti a vysokému vývinu tepla pri vysokorýchlostnom rezaní musí byť nainštalovaný komplexný chladiaci a mazací systém. Súčasne so zvyšujúcou sa rýchlosťou vretena sa zvyšuje dostredivá sila pôsobiaca na ložisko, čo spôsobuje zvýšenie teploty ložiska, čo má za následok zväčšenie veľkosti vretena, čo ovplyvňuje rozmerovú presnosť obrábaných dielov a zvyšuje výkon potrebný na vreteno obrábacieho stroja. Keramické ložiská vďaka svojej nízkej hmotnosti efektívne vyriešia tento technický problém. Rezné testy ukázali, že rýchlosť, pri ktorej keramické ložiská zväčšujú veľkosť vretena, je iba 1/40 rýchlosti ložísk z ložiskovej ocele. Dôvodom je, že má len malú dostredivú silu pôsobiacu na ložisko pri vysokorýchlostnom rezaní. Súčasne, aby sa zlepšila tuhosť a rezná schopnosť vretena obrábacieho stroja, je možné veľké predpätie použiť aj na keramické ložiská. Vďaka vyššie uvedeným charakteristikám majú keramické ložiská zvýšenú životnosť.
Moderná technológia vretena obrábacích strojov umožňuje obrábacím strojom jednoducho nastaviť predpätie aplikované na ložiská vretena na základe otáčok vretena. Pri zvyšovaní otáčok vretena obrábacieho stroja sa zvyšuje aj zaťaženie pôsobiace na ložisko v dôsledku zvýšenia dostredivej sily. Naopak, zaťaženie pôsobiace na ložisko klesá. Preto sa teplo na ložisku zníži a veľkosť ložiska sa zníži. Samozrejme, pri vysokorýchlostnom rezaní je tiež dovolené vopred pôsobiť veľmi malým zaťažením na ložisko, takže rezná sila pôsobiaca na nástroj je veľmi malá, čo môže znížiť požiadavky na tuhosť obrábacieho stroja. Na ložiská je stále potrebné pri nízkych otáčkach vretena vopred pôsobiť väčším zaťažením, keďže zvýšenie reznej sily nástroja zvyšuje aj silu pôsobiacu na vreteno.
5. Vretenový motor a prevodový systém
V súčasnosti existujú dva spôsoby spojenia medzi vretenom obrábacieho stroja a motorom, jeden je cez remeň alebo ozubené koleso; Druhým je priamy prevod, čo znamená priame pripojenie vretenového motora k vretenu, alebo inštaláciu vretenového motora a vretena súčasne na kompozitné zariadenie, nazývané kompozitné vreteno.
Výhodou remeňového alebo ozubeného prevodu je, že motor vretena môže dosahovať vysoké otáčky vretena aj pri otáčaní nízkou rýchlosťou. Tento spôsob prenosu je lacný z dôvodu nízkych otáčok motora a nízkeho príkonu, má však nasledujúce nevýhody: v dôsledku svojej zložitej štruktúry je náchylný na poruchy a nepohodlnú údržbu. Súčasne dôjde aj k vibráciám medzi remeňom, ozubeným kolesom a vretenom. S ďalším zjednodušením konštrukcie sa ďalej znižuje počet pohyblivých častí, čo tiež umožní rýchlejšie zrýchľovanie a spomaľovanie vretena. Naopak, vreteno poháňané remeňom alebo ozubeným kolesom zahŕňa vreteno, sedlo hriadeľa, elektromotor, remenicu alebo ozubené koleso atď. Každý komponent je zložený z materiálov rôznej hmotnosti, ktoré generujú teplo v dôsledku trenia pri vysokorýchlostnej rotácii . Vzhľadom na rôznu hmotnosť a silu materiálov je aj teplo vznikajúce na rôznych miestach rôzne, čo má za následok rôzne veľkosti rozťažnosti v rôznych častiach vretena. V závažných prípadoch môže spôsobiť deformáciu vretena, čo ovplyvňuje jeho veľkosť, geometrický tvar atď. Vreteno s priamym pohonom má na druhej strane rovnomernú tepelnú deformáciu a dokonca aj pri ultravysokých otáčkach môže byť chladené chladiacou kvapalinou cez vnútorný otvor vretena. Preto v podstate neovplyvňuje presnosť vretena a môže stabilnejšie zabezpečiť kvalitu obrábania.
6. Chladenie a mazanie
Ak sa pri obrábaní rezaním nepridá chladiaca kvapalina, vreteno sa zväčší. Na zabezpečenie vysokej presnosti vretena obrábacieho stroja je potrebné stabilne ovládať vreteno a ložiská, aby mali pevnú veľkosť. V súčasnosti si bežné obrábacie stroje vyberajú externé chladenie, vnútorné chladenie alebo kombinované metódy vnútorného a vonkajšieho chladenia na chladenie vretena a ložísk podľa rôznych štruktúr vretena. Vo všeobecnosti však platí, že vonkajšie chladenie by sa malo využívať čo najviac. Chladením sa teplo odovzdané z reznej hlavy do vretena odvádza do vzduchu.
Aby sa efektívne zlepšila miera využitia obrábacích strojov a znížila spotreba energie, odporúča sa na chladenie používať chladenie hmlou alebo chladenie rozprašovaním olejového vretena. Najmä pri vysokorýchlostných obrábacích strojoch sa odporúča voliť systém chladenia vretena na základe maximálnej rýchlosti dosiahnutej vretenom stroja a materiálu zvoleného pre ložiská. Určte zvolený chladiaci systém na základe rýchlosti otáčania vretena obrábacieho stroja a vonkajšieho priemeru ložísk. Ak si oba typy ložísk vyberú ložiskové oceľové ložiská, odporúča sa zvoliť systém chladenia oleja v spreji. Samozrejme, v porovnaní s týmito dvoma, druhý vyžaduje veľké množstvo chladiacej a mazacej kvapaliny, čo zvyšuje spotrebu energie obrábacieho stroja.
7. CNC systém
Moderná CNC technológia umožňuje obrábacím strojom obrábať rýchlosťou posuvu 38,1 m/min. Hlavným dôvodom je, že pri obrábaní je možné zvoliť vysoké rezné rýchlosti. Súčasne musí byť obrábací stroj vybavený vysokorýchlostnými servomotormi s vysokým rozlíšením. Okrem toho sa na zabezpečenie vysokej presnosti vyžaduje, aby servomotory s vysokým rozlíšením boli schopné rýchlo spracovať signály. Mať servomotor s vysokým rozlíšením bez zvýšenia pracovnej rýchlosti procesora je samozrejme zbytočné. Pretože servomotory s vysokým rozlíšením majú na spracovanie viac údajov ako ich predchodcovia, vyžadujú vysokú rýchlosť na spracovanie textu. Vysoká rýchlosť spracovania skupín slov dokáže rýchlo spracovať dáta a odoslať impulzy do servomotora. Z tohto dôvodu je vo všeobecnosti potrebné nakonfigurovať dva 32-bitové procesory na servomotore, aby spĺňali požiadavky na používanie a aby bolo možné rýchlo spracovať veľké množstvo údajov zhromaždených počas spracovania a potrebu rýchlo vykonávať zložité výpočty na zložitých tvary dielov pri vysokorýchlostnom obrábaní.
Pri spracovaní veľkých a zložitých tvarových dielov lietadiel a plastových lisovacích foriem je z dôvodu nedostatočnej pamäte všeobecného NC systému vo všeobecnosti potrebné ich najskôr uložiť do počítača a potom vložiť do NC systému (známeho aj ako CNC systém). Samozrejme, pre diely s krátkymi programami a menej zložitými tvarmi môže typický NC systém spĺňať požiadavky na použitie, pretože má prenosovú rýchlosť 76 800 symbolov za sekundu. Na zlepšenie kapacity rýchleho posuvu a presnosti obrábania obrábacích strojov je potrebné vyvinúť nový počítačový softvér. Podľa skutočných potrieb obrábania je vyvinutý softvér potrebný na dosiahnutie vysokej presnosti pri obrábaní dielov bez ohľadu na všeobecnú rýchlosť posuvu alebo podmienky vysokorýchlostného posuvu.
Na zlepšenie presnosti obrábania dielov pri zvolenej rýchlosti posuvu je možné nielen vhodne zvýšiť počet prechodov nástrojom, ale aj nedávno vyvinutý softvér na kompenzáciu geometrického tvaru môže zabezpečiť vynikajúcu kvalitu obrábania pri vysokej efektivite výroby. Softvér na kompenzáciu geometrického tvaru sa líši od softvéru s vysokou rýchlosťou posuvu. Druhý sa používa na zvýšenie rýchlosti posuvu obrábacieho stroja alebo skrátenie času spracovania na zlepšenie efektívnosti výroby, zatiaľ čo prvý sa používa hlavne na zlepšenie presnosti spracovávaných dielov. Jeho hlavné funkcie sú nasledovné:
1) Interpolujte zrýchlenie alebo spomalenie vopred. Pri obrábaní pomocou oblúkovej interpolácie je často významný rozdiel medzi zostaveným programom a skutočným obrábaním, hlavne kvôli predbiehaniu alebo oneskoreniu spôsobenému zrýchlením alebo spomalením pohybu nástroja pozdĺž osi. Dokáže kompenzovať chyby spôsobené zrýchlením alebo spomalením generovaným pohybom nástroja.
2) Predovládajte pohyb dopredu. Okrem systému obrábania môžu presnosť obrábaných dielov znižovať aj niektoré chyby v systéme servoriadenia obrábacích strojov. Novo vyvinutý systém riadenia posuvu vpred dokáže vypočítať možné chybové hodnoty na základe programov obrábania, rezných rýchlostí, posuvov atď. a kompenzovať skutočné chyby obrábania skôr, ako k nim dôjde.
3) Vykonajte presnú vektorovú kompenzáciu. Keď obrábací stroj vykonáva vysokorýchlostné obrábanie, je potrebné uprednostniť výber vhodnej rýchlosti posuvu. Zvyčajne sa získava úpravou zosilňovacieho faktora zosilňovacieho zariadenia v servomotore. Keď sa zosilňovací faktor daný doprednému smeru nastaví na veľkú hodnotu, rýchlosť sledovania chýb servoriadenia sa môže zlepšiť. Samozrejme, zvýšenie rýchlosti sledovania zníži stabilitu systému servoriadenia. Nedostatok stability v systéme servoriadenia spôsobí zhoršenie drsnosti povrchu spracovávaných dielov. Presný vektorový kompenzačný systém sa používa na kalibráciu veľkých obrábacích programov pre selektívne zvyšovanie množstva dielov. Opravený program obrábania môže stabilizovať servo riadiaci systém, najmä stabilný servo riadiaci systém podávacieho systému môže eliminovať vibrácie, ktoré spôsobujú zhoršenie drsnosti povrchu dielov.
4) Zvoľte si vhodné spomalenie pre obrábanie rohov. Pri použití vyššie uvedených troch funkcií sa zvyčajne vyžaduje, aby sa každá os pohybu spomalila v rohoch dielov, aby sa predišlo nárazovým vibráciám generovaným hnacím systémom počas rýchleho otáčania nástroja. Vyžaduje si spomalenie na vhodnú rýchlosť posuvu v danom čase na spracovanie.
5) Pre vysokovýkonné obrábacie centrá je potrebné nielen navrhnúť vysokorýchlostné vretená, ale aj navrhnúť vysokovýkonné CNC systémy, vysoko presné lineárne vedenia, presné guľôčkové skrutky, ložiská, zvoliť vhodné spôsoby chladenia a mazania, a rozhrania obrábací stroj/nástroj. Vyššie uvedené technológie boli použité na výrobu mnohých vysokovýkonných obrábacích centier a dosiahli dobré ekonomické a sociálne prínosy v praktickej výrobe.