As características estruturais dos centros de usinagem de alto desempenho

A diferença entre centros de usinagem de alto desempenho e centros de usinagem de alta velocidade reside no fato de que eles não apenas possuem um fuso giratório de alta velocidade, mas também projetam guias de movimento linear de alta precisão, motores de fuso de alta potência, rolamentos de fuso de precisão, parafusos esféricos, servomotores de alta eficiência e sistemas CNC avançados. Portanto, o centro de usinagem pode processar peças de alta precisão com alta eficiência, melhorando significativamente a competitividade do mercado.
1. Trilho guia de movimento linear
A velocidade e a precisão do movimento axial do centro de usinagem são cruciais para obter corte em alta velocidade. O coeficiente de atrito de um trilho-guia de movimento linear é apenas 1/20 daquele de um trilho-guia quadrado regular. Devido ao fato de que a área de contato entre os rolos do trilho guia de movimento linear e o trilho guia é muito menor do que a do trilho guia quadrado, o consumo de energia também é reduzido para 1/20 daquele do trilho guia quadrado, e pode manter o desgaste mínimo por um longo tempo, melhorando muito a vida útil do trilho-guia. O trilho guia de movimento linear de precisão tem uma dureza temperada de HRC 58-62, que é retificada por uma retificadora de trilho guia de precisão. Ao contrário dos trilhos-guia quadrados comuns, ele possui pelo menos um trilho-guia em forma de V. Devido à estrutura simples dos dois trilhos-guia lineares, é fácil processar, montar, medir e selecionar o diâmetro apropriado do rolo. O trilho guia de movimento linear possui alta rigidez e não há folga entre ele e a mesa de trabalho, por isso raramente gera vibração e pode processar peças com baixa rugosidade superficial, prolongando a vida útil da ferramenta.
2. Parafuso de esfera de precisão
O diâmetro e o passo do fuso de esferas da máquina-ferramenta afetam diretamente a precisão das peças usinadas, especialmente sob condições de corte de taxa de avanço. Centros de usinagem de alto desempenho que usam guias de movimento linear escolhem parafusos esféricos de cabeça única com diâmetro pequeno e passo fino. Alguns também usam parafusos esféricos de múltiplas cabeças com passo grosso. Geralmente, é adotado um esquema de transmissão utilizando servo motores para acionar fusos de esferas. No entanto, durante a operação do fuso de esferas, a direção do eixo de rotação do elemento rolante muda quando ele se move em espiral, resultando em movimento giroscópico. Quando o momento giroscópico em movimento excede a força de atrito entre o corpo esférico e a pista, o corpo rolante desliza, causando forte atrito e aumentando a temperatura do parafuso. Ao mesmo tempo, a vibração e o ruído aumentam, encurtando a vida útil do parafuso e reduzindo a qualidade de transmissão do fuso de esferas. Um novo tipo de parafuso rolante de alto desempenho, o parafuso de rolo planetário, foi desenvolvido para resolver com eficácia os problemas técnicos acima. Com o desenvolvimento contínuo de novas tecnologias, em condições de alimentação ultra-alta, a aceleração da bancada chegará a mais de 3g, portanto a força de inércia das partes móveis também é bastante grande. Ao projetar a parte mecânica, devem ser feitos esforços para reduzir a massa das peças móveis e a inércia rotacional das peças rotativas, melhorando ainda mais a rigidez, sensibilidade e precisão do sistema de alimentação.
3. Motor de eixo de máquina-ferramenta de alta potência
Entre os muitos fatores que afetam a seleção da potência do motor do fuso da máquina-ferramenta, os mais importantes são a conicidade do fuso, a quantidade de corte (taxa de corte) selecionada durante a usinagem, o tamanho da peça e o tamanho da ferramenta. A escolha de um fuso cônico grande pode realizar cortes de alta potência, mas às vezes, para acelerar e desacelerar rapidamente, um motor de alta potência também pode ser usado para acionar um fuso cônico pequeno. Para usinagem de alta taxa de corte, é necessário escolher um fuso cônico grande e um motor de fuso de máquina-ferramenta de alta potência. O material das peças tem pouco efeito na seleção da potência do motor do fuso da máquina-ferramenta. Por exemplo, para peças forjadas e fundidas, não é necessário corte de alta potência. Entretanto, ao optar por processar em altas velocidades no fuso da máquina-ferramenta, um motor de alta potência deve ser selecionado. A razão pela qual o acionamento de alta potência também é necessário para usinar peças grandes é porque requer o uso de ferramentas de corte de grande diâmetro.
4. Rolamentos do eixo
O tipo e a escala dos rolamentos do fuso devem atender às condições de uso. Rolamentos grandes podem fornecer alta resistência e rigidez. No entanto, os rolamentos de grande porte têm duas desvantagens:
1) Devido à grande massa dos rolamentos grandes e à grande área de contato entre os rolamentos, uma grande quantidade de calor é gerada em altas velocidades do fuso. A exposição prolongada a uma grande quantidade de calor pode aumentar o tamanho do fuso, afetando a precisão da usinagem.
Um fuso de alta qualidade requer um motor de alta potência para acioná-lo. Embora o anel interno do rolamento seja resfriado com óleo lubrificante, rolamentos grandes aumentam sua capacidade de carga e inércia rotacional em altas velocidades, resultando em um aumento na potência necessária. Especialmente quando a velocidade do fuso aumenta, o consumo de energia aumenta. Mas nem toda a energia é consumida no corte. Por exemplo, um fuso com 40 cavalos de potência só pode ter 15-20 cavalos de potência atuando na cabeça de corte, enquanto o restante é usado para girar o fuso. Para um fuso de alta potência, ele pode exercer o máximo de potência possível na peça de corte e pode acionar o fuso com a velocidade mais alta com muito pouca potência. A potência aplicada ao fuso pode ser calculada com base na velocidade rotacional máxima do fuso em condições sem carga para determinar a potência consumida pela máquina-ferramenta. Devido ao corte em altas velocidades, o mandril e a ferramenta geram desvio radial e não concentricidade sob a ação das forças de corte, resultando em aumento de forças adicionais ou forças centrífugas desequilibradas.
2) O uso de múltiplas fileiras de rolamentos de pequeno diâmetro não afeta a rigidez do fuso e também é bastante benéfico para o pré-carregamento dos rolamentos do fuso. A carga de pré-carga nos rolamentos geralmente se refere à pressão exercida pelo fuso nos rolamentos sob condições estáticas. Geralmente, cargas de pré-carga são usadas para melhorar a rigidez do fuso e aumentar a capacidade de corte. Porém, devido ao aumento da pressão atuante nos mancais, a geração de calor aumenta, o que também acelera o desgaste dos mancais. A fim de melhorar o desempenho de corte da ferramenta de corte e prolongar sua vida útil, uma pequena pressão é pré-aplicada aos rolamentos de múltiplas carreiras, o que pode aumentar a rigidez do fuso da máquina-ferramenta e atingir os objetivos acima.
De uma perspectiva de longo prazo, a demanda do mercado por rolamentos magnéticos, pneumáticos e hidrostáticos aumentará bastante. Porém, atualmente no corte em alta velocidade, os mais comumente utilizados são os dois tipos a seguir: rolamentos axiais radiais e rolamentos de esferas. Sob condições padrão de velocidade do fuso da máquina-ferramenta, uma fileira de rolamentos de esferas e uma fileira de rolamentos axiais radiais são frequentemente instaladas na extremidade dianteira do fuso, e duas fileiras de rolamentos de esferas são instaladas na extremidade traseira do fuso. Porque a instalação de uma fileira de rolamentos de esferas na extremidade frontal do fuso pode melhorar muito a rigidez do fuso e aumentar sua capacidade de carga. Isto é crucial para cortes pesados. No entanto, como os rolamentos de esferas têm uma área de contato maior e são mais pesados ​​que os rolamentos axiais radiais, eles consomem mais energia e geram mais calor, o que pode facilmente causar um aumento no tamanho do fuso e menor utilização de energia. O corte em alta velocidade pode reduzir a força radial que atua no fuso e nas ferramentas de corte. Desta forma, o rolamento axial radial instalado na extremidade frontal do fuso proporciona rigidez e estabilidade suficientes, evitando a expansão dimensional causada pelo aquecimento do fuso da máquina-ferramenta.
A seleção razoável dos materiais do rolamento é tão importante quanto o tipo de rolamento. Embora os rolamentos feitos de aço ainda sejam amplamente utilizados, a prática tem mostrado que o uso de rolamentos cerâmicos no corte de alta velocidade apresentará muitas vantagens. Embora os rolamentos feitos de aço sejam baratos, seu peso é muito maior do que os rolamentos de cerâmica com as mesmas especificações. Devido ao seu grande peso e alta geração de calor durante o corte em alta velocidade, um complexo sistema de refrigeração e lubrificação deve ser instalado. Ao mesmo tempo, à medida que a velocidade do fuso aumenta, a força centrípeta que atua no rolamento aumenta, fazendo com que a temperatura do rolamento aumente, resultando em um aumento no tamanho do fuso, afetando a precisão dimensional das peças usinadas e aumentando a potência necessária para o fuso da máquina-ferramenta. Os rolamentos cerâmicos, devido ao seu peso leve, resolverão eficazmente este problema técnico. Testes de corte mostraram que a velocidade na qual os rolamentos de cerâmica aumentam o tamanho do fuso é apenas 1/40 daquela dos rolamentos de aço. A razão é que ele exerce apenas uma pequena força centrípeta atuando no rolamento durante o corte em alta velocidade. Ao mesmo tempo, para melhorar a rigidez e a capacidade de corte do fuso da máquina-ferramenta, uma grande pré-carga também pode ser aplicada aos rolamentos cerâmicos. Devido às características acima, os rolamentos cerâmicos apresentam maior vida útil.
A moderna tecnologia de fuso de máquinas-ferramenta permite que as máquinas-ferramentas ajustem facilmente a pré-carga aplicada aos rolamentos do fuso com base na velocidade do fuso. Quando a velocidade do fuso da máquina-ferramenta aumenta, a carga que atua no rolamento também aumenta devido ao aumento da força centrípeta. Pelo contrário, a carga que atua sobre o rolamento diminui. Portanto, o calor no rolamento é reduzido e a expansão dimensional do rolamento é reduzida. É claro que, no corte em alta velocidade, também é permitido pré-aplicar uma carga muito pequena ao rolamento, de modo que a força de corte que atua na ferramenta seja muito pequena, o que pode reduzir a exigência de rigidez da máquina-ferramenta. Ainda é necessário aplicar previamente uma carga maior nos rolamentos em baixas velocidades do fuso, pois aumentar a força de corte da ferramenta também aumenta a força atuante no fuso.
5. Motor do eixo e sistema de transmissão
Atualmente, existem dois métodos de conexão entre o fuso da máquina-ferramenta e o motor, um é através de uma correia ou engrenagem; A segunda é a transmissão direta, o que significa conectar diretamente o motor do fuso ao fuso, ou instalar o motor do fuso e o fuso simultaneamente em um dispositivo composto, chamado fuso composto.
A vantagem da transmissão por correia ou engrenagem é que o motor do fuso pode atingir alta velocidade do fuso, mesmo quando gira em baixa velocidade. Este método de transmissão é barato devido à baixa velocidade do motor e baixa potência de entrada, mas apresenta as seguintes desvantagens: devido à sua estrutura complexa, está sujeito a mau funcionamento e manutenção inconveniente. Ao mesmo tempo, a vibração também ocorrerá entre a correia, a engrenagem e o fuso. À medida que a estrutura é ainda mais simplificada, o número de peças móveis é ainda mais reduzido, o que também permitirá que o fuso acelere e desacelere mais rapidamente. Pelo contrário, um fuso acionado por correia ou engrenagem inclui um fuso, um assento de eixo, um motor elétrico, uma polia ou engrenagem, etc. Cada componente é composto por materiais de pesos diferentes, que geram calor devido ao atrito durante a rotação em alta velocidade. . Devido aos diferentes pesos e forças dos materiais, o calor gerado em diferentes locais também é diferente, resultando em diferentes tamanhos de expansão em várias partes do fuso. Em casos graves, pode causar deformação do fuso, afetando seu tamanho, formato geométrico, etc. O fuso de acionamento direto, por outro lado, possui deformação térmica uniforme e, mesmo em condições de velocidade ultra-alta, pode ser resfriado por refrigerante através do furo interno do fuso. Portanto, basicamente não afeta a precisão do fuso e pode garantir a qualidade da usinagem de forma mais estável.
6. Resfriamento e lubrificação
Na usinagem de corte, se não for adicionado refrigerante, isso fará com que o fuso aumente de tamanho. Para garantir a alta precisão do fuso da máquina-ferramenta, é necessário controlar de forma estável o fuso e os rolamentos para ter um tamanho fixo. Atualmente, as máquinas-ferramentas comuns escolhem resfriamento externo, resfriamento interno ou métodos combinados de resfriamento interno e externo para resfriar o fuso e os rolamentos de acordo com as diferentes estruturas do fuso. Contudo, em geral, o resfriamento externo deve ser utilizado tanto quanto possível. Ao resfriar, o calor transferido da cabeça de corte para o fuso é descarregado no ar.
A fim de melhorar efetivamente a taxa de utilização de máquinas-ferramentas e reduzir o consumo de energia, é recomendado o uso de sistemas de resfriamento de eixo de óleo de resfriamento por névoa ou spray para resfriamento. Principalmente para máquinas de usinagem de alta velocidade, recomenda-se escolher o sistema de refrigeração do fuso com base na velocidade máxima alcançada pelo fuso da máquina e no material selecionado para os rolamentos. Determine o sistema de refrigeração selecionado com base na velocidade de rotação do fuso da máquina-ferramenta e no diâmetro externo dos rolamentos. Se ambos os tipos de rolamentos escolherem rolamentos de aço, é recomendável escolher um sistema de resfriamento de óleo spray. É claro que, comparado aos dois, este último requer uma grande quantidade de fluido refrigerante e lubrificante, o que aumenta o consumo de energia da máquina-ferramenta.
7. Sistema CNC
A moderna tecnologia CNC permite que máquinas-ferramentas processem a uma taxa de avanço de 38,1m/min. A principal razão é que altas velocidades de corte podem ser selecionadas durante a usinagem. Ao mesmo tempo, a máquina-ferramenta precisa ser equipada com servomotores de alta velocidade e alta resolução. Além disso, para garantir alta precisão, servomotores de alta resolução também são necessários para processar sinais rapidamente. Claro, ter um servo motor de alta resolução sem aumentar a velocidade de operação do processador é inútil. Como os servomotores de alta resolução têm mais dados para processar do que seus antecessores, eles exigem alta velocidade para processamento de texto. A alta velocidade de processamento de grupos de palavras pode processar dados rapidamente e enviar pulsos ao servo motor. Por esse motivo, geralmente é necessário configurar dois processadores de 32- bits no servo motor para atender aos requisitos de uso e para processar rapidamente a grande quantidade de dados coletados durante o processamento e a necessidade de realizar rapidamente cálculos complexos em sistemas complexos. formas de peças em usinagem de alta velocidade.
Ao processar peças de aeronaves de formato grande e complexo e moldes de compressão de plástico, devido à memória insuficiente do sistema NC geral, geralmente é necessário primeiro armazená-los no computador e depois inseri-los no sistema NC (também conhecido como CNC sistema). É claro que, para peças com programas curtos e formas menos complexas, um sistema NC típico pode atender aos requisitos de uso porque possui uma velocidade de transmissão de 76.800 símbolos por segundo. Para melhorar a capacidade de avanço rápido e a precisão de usinagem das máquinas-ferramentas, é necessário desenvolver novos softwares de computador. De acordo com as reais necessidades de usinagem, o software desenvolvido é necessário para atingir alta precisão na usinagem de peças, independente da taxa de avanço geral ou das condições de avanço de alta velocidade.
Para melhorar a precisão da usinagem das peças na taxa de avanço selecionada, não apenas o número de passagens da ferramenta pode ser aumentado adequadamente, mas também o software de compensação de forma geométrica desenvolvido recentemente pode garantir excelente qualidade de usinagem com alta eficiência de produção. O software de compensação de forma geométrica é diferente do software de alta taxa de avanço. Este último é usado para aumentar a taxa de avanço da máquina-ferramenta ou reduzir o tempo de processamento para melhorar a eficiência da produção, enquanto o primeiro é usado principalmente para melhorar a precisão das peças processadas. Suas principais funções são as seguintes:
1) Interpole antecipadamente a aceleração ou desaceleração. Na usinagem por interpolação de arco, muitas vezes há uma diferença significativa entre o programa montado e a usinagem real, principalmente devido ao adiantamento ou atraso causado pela aceleração ou desaceleração da ferramenta que se move ao longo do eixo. Pode compensar erros causados ​​pela aceleração ou desaceleração gerada pelo movimento da ferramenta.
2) Pré-controle o movimento para frente. Além do sistema de usinagem, alguns erros no sistema de servocontrole das máquinas-ferramentas também podem reduzir a precisão das peças usinadas. O recém-desenvolvido sistema de controle de avanço direto pode calcular possíveis valores de erro com base em programas de usinagem, velocidades de corte, taxas de avanço, etc., e compensar erros de usinagem reais antes que eles ocorram.
3) Execute compensação vetorial precisa. Quando a máquina-ferramenta está executando usinagem em alta velocidade, é necessário priorizar a seleção de uma taxa de avanço adequada. Geralmente obtido ajustando o fator de amplificação do dispositivo de amplificação no servo motor. Quando o fator de amplificação dado à direção direta é ajustado para um valor grande, a velocidade de rastreamento do servocontrole para erros pode ser melhorada. É claro que um aumento na velocidade de rastreamento reduzirá a estabilidade do sistema de servocontrole. A falta de estabilidade no sistema de servocontrole fará com que a rugosidade da superfície das peças processadas se deteriore. Um sistema preciso de compensação vetorial é usado para calibrar grandes programas de usinagem para aumentar seletivamente a quantidade de peças. O programa de usinagem corrigido pode estabilizar o sistema de servocontrole, especialmente o sistema de servocontrole estável do sistema de alimentação pode eliminar a vibração que causa a deterioração da rugosidade da superfície das peças.
4) Escolha a desaceleração apropriada para usinagem de cantos. Ao aplicar as três funções acima, geralmente é necessário que cada eixo de movimento desacelere nos cantos das peças para evitar a vibração de impacto gerada pelo sistema de acionamento durante o torneamento rápido da ferramenta. Requer desaceleração para uma taxa de alimentação apropriada dentro de um determinado tempo de processamento.
5) Para centros de usinagem de alto desempenho, não é apenas necessário projetar fusos de alta velocidade, mas também projetar sistemas CNC de alto desempenho, guias lineares de alta precisão, parafusos de esferas de precisão, rolamentos, escolher métodos apropriados de resfriamento e lubrificação, e interfaces máquina-ferramenta/ferramenta. As tecnologias acima têm sido utilizadas para produzir muitos centros de usinagem de alto desempenho e alcançaram bons benefícios econômicos e sociais na produção prática.