Strukturne značilnosti visokozmogljivih obdelovalnih centrov

Razlika med visoko zmogljivimi obdelovalnimi centri in visokohitrostnimi obdelovalnimi centri je v tem, da nimajo samo visokohitrostnega vrtljivega vretena, temveč oblikujejo tudi visoko natančna linearna vodila gibanja, visokozmogljive vretenske motorje, natančne ležaje vretena, kroglična vretena, visoko učinkoviti servo pogonski motorji in napredni CNC sistemi. Zato lahko obdelovalni center obdeluje visoko natančne dele z visoko učinkovitostjo, kar močno izboljša konkurenčnost na trgu.
1. Linearno vodilo gibanja
Hitrost in natančnost aksialnega gibanja obdelovalnega centra sta ključnega pomena za doseganje visoke hitrosti rezanja. Koeficient trenja linearnega vodila je le 1/20 koeficienta običajnega kvadratnega vodila. Zaradi dejstva, da je kontaktna površina med valji linearnega gibljivega vodila in vodila veliko manjša kot pri kvadratnem vodilu, se tudi poraba energije zmanjša na 1/20 tiste pri kvadratnem vodilu, in lahko vzdržuje minimalno obrabo dolgo časa, kar močno izboljša življenjsko dobo vodilne tirnice. Natančno vodilo za linearno gibanje ima kaljeno trdoto HRC58-62, ki jo brusi natančen brusilnik za vodilo. Za razliko od običajnih kvadratnih vodil ima vsaj eno vodilo v obliki črke V. Zaradi enostavne strukture dveh linearnih vodil je enostavno obdelati, sestaviti, izmeriti in izbrati ustrezen premer valja. Vodilna tirnica za linearno gibanje ima visoko togost in med njo in delovno mizo ni nobene vrzeli, zato redko povzroča vibracije in lahko obdeluje dele z nizko površinsko hrapavostjo, kar podaljšuje življenjsko dobo orodja.
2. Natančni kroglični vijak
Premer in korak krogličnega vijaka obdelovalnega stroja neposredno vplivata na natančnost obdelanih delov, zlasti pri rezalnih pogojih hitrosti podajanja. Visokozmogljivi obdelovalni centri, ki uporabljajo linearna vodila gibanja, izberejo kroglična vretena z enojno glavo z majhnim premerom in majhnim korakom. Nekateri uporabljajo tudi večglave kroglične vretene z velikim naklonom. Na splošno je sprejeta shema prenosa, ki uporablja servo motorje za pogon krogličnih vreten. Vendar pa se med delovanjem krogličnega vretena spremeni smer vrtilne osi kotalnega elementa, ko se premika v spiralnem gibanju, kar ima za posledico giroskopsko gibanje. Ko giroskopski moment v gibanju preseže silo trenja med telesom krogle in vodilom, bo kotalno telo zdrsnilo, kar bo povzročilo močno trenje in povečalo temperaturo vijaka. Hkrati se povečajo vibracije in hrup, kar skrajša življenjsko dobo vijaka in zmanjša kakovost prenosa krogličnega vretena. Za učinkovito reševanje zgornjih tehničnih težav je bila razvita nova vrsta visokozmogljivega valjastega vijaka, planetnega valjčnega vijaka. Z nenehnim razvojem novih tehnologij bo pospešek delovne mize pod izjemno visokimi pogoji pomika dosegel več kot 3g, zato je tudi vztrajnostna sila gibljivih delov precej velika. Pri načrtovanju mehanskega dela si je treba prizadevati za zmanjšanje mase gibljivih delov in rotacijske vztrajnosti vrtečih se delov, kar dodatno izboljša togost, občutljivost in natančnost dovodnega sistema.
3. Motor vretena obdelovalnega stroja visoke moči
Med številnimi dejavniki, ki vplivajo na izbiro moči motorja vretena strojnega orodja, so najpomembnejši konus vretena, količina rezanja (hitrost rezanja), izbrana med obdelavo, velikost dela in velikost orodja. Če izberete veliko stožčasto vreteno, lahko izvajate visokozmogljivo rezanje, včasih pa je za hitro pospeševanje in zaviranje mogoče uporabiti tudi visokozmogljiv motor za pogon majhnega stožčastega vretena. Za obdelavo z visoko hitrostjo rezanja je treba izbrati vreteno z velikim stožcem in visoko zmogljiv motor vretena obdelovalnega stroja. Material delov ima majhen vpliv na izbiro moči motorja vretena obdelovalnega stroja. Na primer, za odkovke in ulitke rezanje z visoko močjo ni potrebno. Pri izbiri obdelave pri visokih vrtljajih na vretenu obdelovalnega stroja pa je treba izbrati motor z visoko močjo. Razlog, zakaj je močan pogon potreben tudi za obdelavo velikih delov, je v tem, da zahteva uporabo rezalnih orodij velikega premera.
4. Ležaji vretena
Vrsta in velikost vretenskih ležajev morata ustrezati pogojem uporabe. Veliki ležaji lahko zagotovijo visoko trdnost in togost. Vendar imajo ležaji velikih dimenzij dve pomanjkljivosti:
1) Zaradi velike mase velikih ležajev in velike kontaktne površine med ležaji se pri visokih vrtljajih vretena proizvaja velika količina toplote. Dolgotrajna izpostavljenost veliki količini toplote lahko povzroči povečanje velikosti vretena, kar vpliva na natančnost obdelave.
Za pogon visokokakovostnega vretena je potreben motor visoke moči. Čeprav je notranji obroč ležaja hlajen z mazalnim oljem, veliki ležaji povečajo svojo nosilnost in vztrajnost vrtenja pri visokih hitrostih, kar povzroči povečanje potrebne moči. Zlasti ko se hitrost vretena poveča, se poveča poraba energije. Vendar se pri rezanju ne porabi vsa moč. Na primer, vreteno s 40 konjskimi močmi ima lahko samo 15-20 konjskih moči, ki delujejo na rezalno glavo, medtem ko se preostanek porabi za vrtenje vretena. Za visoko zmogljivo vreteno lahko izvaja čim več moči na rezalni obdelovanec in lahko poganja vreteno z najvišjo hitrostjo z zelo malo moči. Moč, ki se uporablja za vreteno, je mogoče izračunati na podlagi največje vrtilne hitrosti vretena v pogojih brez obremenitve, da se določi moč, ki jo porabi obdelovalni stroj. Zaradi rezanja pri visokih hitrostih vpenjalna glava in orodje ustvarjata radialno odstopanje in nekoncentričnost pod delovanjem rezalnih sil, kar povzroči povečane dodatne sile ali neuravnotežene centrifugalne sile.
2) Uporaba več vrst ležajev z majhnim premerom ne vpliva na togost vretena in je prav tako zelo koristna za prednapetost ležajev vretena. Obremenitev prednapetosti na ležajih se običajno nanaša na pritisk, ki ga vreteno izvaja na ležaje v statičnih pogojih. Na splošno se prednapetostne obremenitve uporabljajo za izboljšanje togosti vretena in povečanje zmogljivosti rezanja. Vendar pa se zaradi povečanja pritiska, ki deluje na ležaje, poveča nastajanje toplote, kar pospeši tudi obrabo ležajev. Da bi izboljšali rezalno zmogljivost rezalnega orodja in podaljšali njegovo življenjsko dobo, se na večvrstne ležaje predhodno uporabi majhen pritisk, kar lahko poveča togost vretena strojnega orodja in doseže zgornje cilje.
Z dolgoročnega vidika se bo tržno povpraševanje po magnetnih, pnevmatskih in hidrostatičnih ležajih močno povečalo. Vendar se trenutno pri hitrem rezanju najpogosteje uporabljata naslednji dve vrsti: radialni potisni ležaji in kroglični ležaji. Pri standardnih pogojih hitrosti vretena obdelovalnega stroja je vrsta krogličnih ležajev in vrsta radialnih potisnih ležajev pogosto nameščena na sprednjem koncu vretena, dve vrsti krogličnih ležajev pa sta nameščeni na zadnjem koncu vretena. Ker lahko namestitev vrste krogličnih ležajev na sprednjem koncu vretena močno izboljša togost vretena in poveča njegovo nosilnost. To je ključnega pomena za težko rezanje. Ker pa imajo kroglični ležaji večjo kontaktno površino in so težji od radialnih potisnih ležajev, porabijo več energije in proizvedejo več toplote, kar lahko zlahka povzroči povečanje velikosti vretena in manjšo porabo energije. Rezanje z visoko hitrostjo lahko zmanjša radialno silo, ki deluje na vreteno in rezalna orodja. Na ta način radialni potisni ležaj, nameščen na sprednjem koncu vretena, zagotavlja zadostno togost in stabilnost, s čimer se izogne ​​razširitvi velikosti, ki jo povzroča segrevanje vretena obdelovalnega stroja.
Razumna izbira materialov za ležaje je enako pomembna kot vrsta ležaja. Čeprav se ležaji iz ležajnega jekla še vedno pogosto uporabljajo, je praksa pokazala, da bo uporaba keramičnih ležajev pri hitrem rezanju pokazala številne prednosti. Čeprav so ležaji iz ležajnega jekla poceni, je njihova teža veliko težja od keramičnih ležajev enakih specifikacij. Zaradi velike teže in velikega proizvajanja toplote med rezanjem z visoko hitrostjo je treba namestiti zapleten sistem hlajenja in mazanja. Hkrati se s povečanjem hitrosti vretena centripetalna sila, ki deluje na ležaj, poveča, kar povzroči dvig temperature ležaja, kar povzroči povečanje velikosti vretena, vpliva na dimenzijsko natančnost obdelanih delov in poveča moč, potrebno za vreteno strojnega orodja. Keramični ležaji bodo zaradi svoje majhne teže učinkovito rešili ta tehnični problem. Preizkusi rezanja so pokazali, da je hitrost, s katero keramični ležaji povečajo velikost vretena, le 1/40 hitrosti jeklenih ležajev. Razlog je v tem, da ima le majhna centripetalna sila, ki deluje na ležaj med rezanjem z visoko hitrostjo. Hkrati je za izboljšanje togosti in rezalne sposobnosti vretena obdelovalnega stroja mogoče na keramične ležaje uporabiti tudi veliko prednapetost. Zaradi zgoraj navedenih lastnosti imajo keramični ležaji podaljšano življenjsko dobo.
Sodobna tehnologija vretena obdelovalnih strojev omogoča strojnim orodjem, da enostavno prilagodijo prednapetost, ki se uporablja za ležaje vretena glede na hitrost vretena. Ko se hitrost vretena obdelovalnega stroja poveča, se zaradi povečanja centripetalne sile poveča tudi obremenitev, ki deluje na ležaj. Nasprotno, obremenitev, ki deluje na ležaj, se zmanjša. Zato se toplota na ležaju zmanjša in raztezanje velikosti ležaja se zmanjša. Seveda je pri rezanju z visoko hitrostjo dovoljeno predhodno uporabiti zelo majhno obremenitev ležaja, tako da je rezalna sila, ki deluje na orodje, zelo majhna, kar lahko zmanjša zahtevo po togosti obdelovalnega stroja. Še vedno je potrebna večja obremenitev ležajev pri nizkih vrtljajih vretena, saj povečanje rezalne sile orodja poveča tudi silo, ki deluje na vreteno.
5. Motor vretena in prenosni sistem
Trenutno obstajata dva načina povezave med vretenom obdelovalnega stroja in motorjem, eden je prek jermena ali zobnika; Drugi je neposredni prenos, kar pomeni neposredno povezavo motorja vretena z vretenom ali hkratno namestitev motorja vretena in vretena na sestavljeno napravo, imenovano kompozitno vreteno.
Prednost jermenskega ali zobniškega prenosa je v tem, da lahko vretenski motor doseže visoko hitrost vretena, tudi če se vrti pri nizki hitrosti. Ta način prenosa je poceni zaradi nizke hitrosti motorja in nizke vhodne moči, vendar ima naslednje pomanjkljivosti: zaradi svoje kompleksne strukture je nagnjen k okvaram in neprijetnemu vzdrževanju. Istočasno se bo pojavilo tudi tresenje med jermenom, zobnikom in vretenom. Z dodatno poenostavitvijo strukture se dodatno zmanjša število gibljivih delov, kar bo omogočilo tudi hitrejše pospeševanje in zaviranje vretena. Nasprotno, jermensko ali zobniško gnano vreteno vključuje vreteno, sedež gredi, električni motor, jermenico ali zobnik itd. Vsaka komponenta je sestavljena iz materialov različnih tež, ki ustvarjajo toploto zaradi trenja med vrtenjem z visoko hitrostjo . Zaradi različne teže in sile materialov je tudi toplota, ki nastane na različnih mestih, različna, kar povzroči različne velikosti raztezanja v različnih delih vretena. V hudih primerih lahko povzroči deformacijo vretena, kar vpliva na njegovo velikost, geometrijsko obliko itd. Vreteno z direktnim pogonom ima po drugi strani enakomerno toplotno deformacijo in ga je mogoče hladiti s hladilno tekočino celo v pogojih ultra visoke hitrosti. skozi notranjo luknjo vretena. Zato v bistvu ne vpliva na natančnost vretena in lahko bolj stabilno zagotavlja kakovost obdelave.
6. Hlajenje in mazanje
Če pri rezalni obdelavi ne dodamo hladilne tekočine, bo to povzročilo povečanje velikosti vretena. Da bi zagotovili visoko natančnost vretena obdelovalnega stroja, je potrebno stabilno krmiljenje vretena in ležajev, da imajo fiksno velikost. Trenutno navadna strojna orodja izbirajo metode zunanjega hlajenja, notranjega hlajenja ali kombinirane metode notranjega in zunanjega hlajenja za hlajenje vretena in ležajev glede na različne strukture vretena. Vendar pa je na splošno treba čim bolj uporabljati zunanje hlajenje. S hlajenjem se toplota, ki se prenaša z rezalne glave na vreteno, odvaja v zrak.
Da bi učinkovito izboljšali stopnjo izkoriščenosti obdelovalnih strojev in zmanjšali porabo energije, je priporočljivo, da za hlajenje uporabite sisteme za hlajenje vretena z meglico ali pršenjem. Zlasti pri visokohitrostnih obdelovalnih strojih je priporočljivo izbrati sistem hlajenja vretena na podlagi največje hitrosti, ki jo doseže vreteno stroja, in materiala, izbranega za ležaje. Izbrani hladilni sistem določite glede na hitrost vrtenja vretena obdelovalnega stroja in zunanji premer ležajev. Če obe vrsti ležajev izbereta ležajne jeklene ležaje, je priporočljivo izbrati hladilni sistem z razpršenim oljem. Seveda slednji v primerjavi z obema zahteva veliko količino hladilne in mazalne tekočine, kar poveča porabo energije obdelovalnega stroja.
7. CNC sistem
Sodobna CNC tehnologija omogoča strojnim orodjem obdelavo s hitrostjo podajanja 38,1 m/min. Glavni razlog je, da je med obdelavo mogoče izbrati visoke rezalne hitrosti. Hkrati mora biti obdelovalni stroj opremljen s servo motorji z visoko hitrostjo in visoko ločljivostjo. Poleg tega morajo imeti visokoločljivostni servo motorji za zagotovitev visoke natančnosti tudi možnost hitre obdelave signalov. Seveda je servo motor z visoko ločljivostjo brez povečanja hitrosti delovanja procesorja neuporaben. Ker imajo servo motorji z visoko ločljivostjo več podatkov za obdelavo kot njihovi predhodniki, potrebujejo visoko hitrost za obdelavo besedila. Visoka hitrost obdelave besednih skupin lahko hitro obdela podatke in pošlje impulze servo motorju. Zaradi tega je na splošno treba konfigurirati dva 32-bitna procesorja na servo motorju, da izpolnite zahteve glede uporabe in hitro obdelate veliko količino podatkov, zbranih med obdelavo, ter potrebo po hitrem izvajanju zapletenih izračunov na zapletenih oblike delov pri visokohitrostni obdelavi.
Pri obdelavi velikih in kompleksno oblikovanih letalskih delov in plastičnih kalupov za stiskanje jih je zaradi nezadostnega pomnilnika splošnega NC sistema na splošno treba najprej shraniti v računalnik in nato vnesti v NC sistem (znan tudi kot CNC sistem). Seveda lahko za dele s kratkimi programi in manj kompleksnimi oblikami tipičen sistem NC izpolni zahteve glede uporabe, saj ima hitrost prenosa 76800 simbolov na sekundo. Za izboljšanje zmogljivosti hitrega podajanja in natančnosti obdelave obdelovalnih strojev je treba razviti novo računalniško programsko opremo. Glede na dejanske potrebe obdelave je razvita programska oprema potrebna za doseganje visoke natančnosti pri obdelavi delov, ne glede na splošno hitrost podajanja ali pogoje visoke hitrosti podajanja.
Za izboljšanje natančnosti obdelave delov pri izbrani hitrosti pomika ni mogoče le ustrezno povečati števila prehodov orodja, ampak tudi nedavno razvita programska oprema za kompenzacijo geometrijskih oblik lahko zagotovi odlično kakovost obdelave pri visoki učinkovitosti proizvodnje. Programska oprema za kompenzacijo geometrijske oblike se razlikuje od programske opreme za visoko hitrost podajanja. Slednji se uporablja za povečanje hitrosti podajanja obdelovalnega stroja ali skrajšanje časa obdelave za izboljšanje učinkovitosti proizvodnje, medtem ko se prvi uporablja predvsem za izboljšanje natančnosti obdelanih delov. Njegove glavne funkcije so naslednje:
1) Vnaprej interpolirajte pospešek ali pojemek. Pri obdelavi z obločno interpolacijo je pogosto pomembna razlika med sestavljenim programom in dejansko obdelavo, predvsem zaradi zamika ali zamika, ki ga povzroči pospešek ali pojemek orodja, ki se premika vzdolž osi. Lahko kompenzira napake, ki jih povzroči pospešek ali pojemek, ki nastane zaradi premikanja orodja.
2) Vnaprej nadzorujte gibanje naprej. Poleg obdelovalnega sistema lahko tudi nekatere napake v servo krmilnem sistemu obdelovalnih strojev zmanjšajo natančnost obdelanih delov. Na novo razviti sistem za krmiljenje naprej podajanja lahko izračuna možne vrednosti napak na podlagi obdelovalnih programov, rezalnih hitrosti, hitrosti podajanja itd., in kompenzira dejanske napake obdelave, preden se pojavijo.
3) Izvedite natančno vektorsko kompenzacijo. Ko obdelovalni stroj izvaja visokohitrostno obdelavo, je treba dati prednost izbiri ustrezne hitrosti podajanja. Običajno se pridobi s prilagajanjem ojačevalnega faktorja ojačevalne naprave v servo motorju. Ko je faktor ojačanja, ki je podan smeri naprej, nastavljen na veliko vrednost, se lahko izboljša hitrost sledenja servo krmiljenja za napake. Seveda bo povečanje hitrosti sledenja zmanjšalo stabilnost servo nadzornega sistema. Pomanjkanje stabilnosti v servo krmilnem sistemu bo povzročilo poslabšanje površinske hrapavosti obdelanih delov. Natančen vektorski kompenzacijski sistem se uporablja za kalibracijo velikih obdelovalnih programov za selektivno povečevanje količine delov. Popravljen program obdelave lahko stabilizira servo krmilni sistem, še posebej stabilen servo krmilni sistem dovajalnega sistema lahko odpravi vibracije, ki povzročajo poslabšanje hrapavosti površine delov.
4) Izberite ustrezen pojemek za obdelavo vogalov. Pri uporabi zgornjih treh funkcij je običajno potrebno, da se vsaka os gibanja upočasni na vogalih delov, da se izogne ​​udarnim tresljajem, ki jih ustvari pogonski sistem med hitrim vrtenjem orodja. Za obdelavo zahteva upočasnitev na ustrezno hitrost podajanja v danem času.
5) Za visoko zmogljive obdelovalne centre ni potrebno le oblikovati visokohitrostnih vreten, ampak tudi oblikovati visoko zmogljive CNC sisteme, visoko natančna linearna vodila, natančna kroglična vretena, ležaje, izbrati ustrezne metode hlajenja in mazanja, in vmesniki strojno orodje/orodje. Zgornje tehnologije so bile uporabljene za izdelavo številnih visoko zmogljivih obdelovalnih centrov in dosegle dobre gospodarske in družbene koristi v praktični proizvodnji.