Hochgeschwindigkeitsbearbeitungstechnologie: Prinzipien, Werkzeugwegoptimierung und industrielle Anwendungen
Zusammenfassung
High Speed Machining (HSM) ist keine einfache Spindeldrehzahlerhöhung, sondern ein komplettes technisches System, das Werkzeugmaschinendynamik, Werkzeugmaterialien, Schneidstrategien und CAM-Bahnplanung umfasst. Sein Hauptziel ist es, die Abtragsleistung (MRR) erheblich zu verbessern und die Schnittkraft durch geringe Schnitttiefe, hohe Geschwindigkeit und großen Vorschub unter der Prämisse der Gewährleistung der Bearbeitungsgenauigkeit zu reduzieren. Ausgehend von der physikalischen Essenz des Hochgeschwindigkeitsschneidens werden in diesem Beitrag die theoretischen Grundlagen des "Spanausdünnungseffekts" und des Prinzips des "konstanten Schnittwinkels" ausführlich erläutert und die technischen Anforderungen an Werkzeugmaterialien (Nanobeschichtung, PVD-beschichtetes Hartmetall) und Schaftsystem (HSK-Schrumpfschaft), die für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung geeignet sind, systematisch analysiert. Auf CAM-Ebene werden die Werkzeugwegstrategien für Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen wie Zykloidfräsen, Schrägschneiden und glatte Übergänge erörtert und die technologische Implementierung der automatischen Vorschubratenanpassung und Beschleunigungsvorwärtssteuerung angegeben. Am Beispiel der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Autoabdeckungsformen werden die Vergleichsdaten der Bearbeitungseffizienz und der Oberflächenqualität bereitgestellt. Abschließend werden die besten Praktiken des Hochgeschwindigkeitsschneidens bei der Bearbeitung von dünnwandigen Teilen, Nichteisenmetallen und gehärtetem Stahl erörtert und das funktionsfähige Parameterfenster für Techniker bereitgestellt.
Erstens, Hochgeschwindigkeitsschneiden: Definition und physikalische Natur
Das Konzept des Hochgeschwindigkeitsschneidens wurde erstmals von dem deutschen Wissenschaftler Carl Salomon vorgeschlagen, dessen theoretische Hypothese besagt, dass die Schnitttemperatur abnimmt, wenn die Schnittgeschwindigkeit einen bestimmten kritischen Wert überschreitet. Obwohl dieser spezifische Wendepunkt bei vielen Werkstoffen nicht vollständig bestätigt wurde, hat das Hochgeschwindigkeitsschneiden in der Tat revolutionäre Veränderungen in der Industrie mit sich gebracht: geringere Schnittkraft, glattere Spanbildung und ein geringerer Anteil an Wärme, die in das Werkstück eindringt.
Hochgeschwindigkeitsschneiden ist definiert als eine Schnittgeschwindigkeit von 1000-7000 m / min für Aluminiumlegierungen, 300-800 m / min für Stahlteile und 150-300 m / min für gehärteten Stahl (über HRC 50). Die besonderen Merkmale des Hochgeschwindigkeitsschneidens sind: eine geringe radiale Schnitttiefe (in der Regel 3-10% des Werkzeugdurchmessers), eine mittlere axiale Schnitttiefe, aber eine extrem hohe Vorschubgeschwindigkeit (bis zu 20 m / min oder mehr). Dieses "Schichtabisolieren" ermöglicht es, die Schnittkraft hauptsächlich in axialer Richtung einzusetzen, wodurch die seitliche Verformung verringert wird, und ist besonders für dünnwandige Strukturen geeignet.
Spanausdünnungseffekt und konstanter Schnittwinkelpfad
Um das Hochgeschwindigkeitsschneiden zu verstehen, ist es notwendig, den "Spanausdünnungseffekt" zu beherrschen. Bei Verwendung einer kleinen radialen Schnitttiefe (z. B. Werkzeugdurchmesser 10 mm, radiale Schnitttiefe 0,5 mm) ist die maximale Dicke der Späne geringer als der Vorschub pro Zahn. Um die gewünschte Spandicke zu erhalten (um eine Überhitzung des Werkzeugs zu vermeiden), muss die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden. Die Formel lautet: tatsächliche maximale Spandicke = Vorschub pro Zahn sin (Schnittwinkel). Der Schnittwinkel hängt vom Verhältnis von radialer Schnitttiefe / Werkzeugdurchmesser ab. Dieser Effekt ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit bei konstanter thermischer Belastung.
Auf dieser Grundlage besteht ein Kernprinzip der Hochgeschwindigkeitsschneide-CAM-Bahn darin, eine konstante radiale Schnitttiefe, d. h. einen konstanten Schnittwinkel, zu erhalten. Zu diesem Zweck wurde eine zykloidale Frässtrategie entwickelt: Das Werkzeug bewegt sich entlang einer Bogenbahn, und die radiale Schnitttiefe bleibt auch beim Nutfräsen oder bei der Bearbeitung mit engen Kavitäten konstant. Diese Strategie sorgt dafür, dass der Hitzeschock des Werkzeugs gleichmäßig ist und die Lebensdauer erheblich verlängert wird.
Drei, Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungswerkzeugsystem und Werkzeugmaschinenanforderungen
Hochgeschwindigkeitsschneiden stellt extrem hohe Anforderungen an Werkzeuge und Werkzeughalter. Die Zentrifugalausdehnung herkömmlicher BT-Werkzeughalter über 20.000 U / min kann zu Werkzeugsturz führen. HSK-Werkzeughalter (hohle kurze Kegel) sind aufgrund ihrer doppelseitigen Kontaktstruktur besser für Hochgeschwindigkeitsspindeln geeignet. Wärmeschrumpfende oder hydraulische Werkzeughalter sorgen für eine bessere Schlaggenauigkeit (
Bei den Werkzeugmaschinen werden hochsteife Betten (z. B. Polymerbeton), lineare Rollenführungen, leistungsstarke Elektrospindeln (≥30kW, über 30.000 U / min) und schnell reagierende Servoantriebe benötigt. Von besonderer Bedeutung ist die Beschleunigungs- und Ruckkontrolle - es gibt eine große Anzahl winziger Liniensegmente in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, und das Steuerungssystem muss über eine Hochgeschwindigkeitsbegrenzungsfunktion verfügen, um Maschinenvibrationen zu vermeiden.
IV. CAM-Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsstrategie und Bahnglättung
Die traditionelle "gezackte" äquidistante Offset-Werkzeugbahn führt zu plötzlichen Laständerungen und scharfen Richtungsdrehungen, was für Hochgeschwindigkeitsschnitte nicht geeignet ist. Modern CAM hat die folgenden Technologien speziell für HSM entwickelt:
Spiralbearbeitung mit konstanter Höhe: Schicht für Schicht entlang der Z-Ebene spiralförmig nach unten, mit gleichmäßigem und kontinuierlichem Vorschub und Austritt.
Zykloidales Rillenfräsen: Wie bereits erwähnt, löst es effektiv die Schwierigkeit der tiefen Rillenspanabfuhr.
Konstantlastverbindung: Automatische bogen- oder S-förmige Übergänge werden an Flächenverbindungen anstelle von scharfen rechten Winkeln verwendet.
Automatische Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit: Passen Sie die Vorschubgeschwindigkeit in Echtzeit an die Änderung des Schnittvolumens an, um die Spindelleistung konstant zu halten.
Pfadglättungsfilter: Kleine Liniensegmente werden zu NURBS-Kurven simuliert, und der Controller führt eine direkte Interpolation durch, um die Auswirkungen der Beschleunigung zu reduzieren.
Das "Adaptive Milling" von Siemens NX und das "Dynamic Milling" von Mastercam sind beides repräsentative Strategien, die auf dem Konzept der konstanten Schnittwinkel basieren.
Fall: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Formen für Autotürverkleidungen
Eine große Spritzgussform für Autotürverkleidungen (Material P20, Härte HRC32, Hohlraumgröße 800500200mm). Traditionelles Verfahren: Ø 20mm Kugelkopfmesser, S8000, F1500, radiale Schnitttiefe 6mm, Schruppzyklus 32 Stunden. Hochgeschwindigkeitsverfahren: Verwendung von Ø 12mm superhart beschichtetem Flachbodenmesser, S18000, F6000, radiale Schnitttiefe 0,8mm, zykloidales dynamisches Fräsen. Das Aufrauen dauert nur 9,5 Stunden, die Standzeit wird um das Dreifache erhöht und die anschließende Halbfertigstellungszugabe ist gleichmäßig, kein manuelles Polieren ist erforderlich. Die endgültige bearbeitete Oberflächenrauhigkeit wird von Ra1,8μm auf Ra0,6μm reduziert.
VI. Schlussfolgerung
Das Hochgeschwindigkeitsschneiden erfordert ein umfassendes Umdenken in der Programmierung: von "starker Schnitttiefe und niedriger Geschwindigkeit" zu "leichtem Schneiden mit hoher und ultrahoher Geschwindigkeit". Die erfolgreiche Umsetzung von HSM erfordert eine gemeinsame Optimierung von Werkzeugen, Werkzeugmaschinen, CAM und Steuerungen, insbesondere mit konstanten Schnittwinkeln im Kern. Bei Formen, dünnwandigen Teilen und difficult-to-machine ist das Hochgeschwindigkeitsschneiden zu einer Standardpraxis geworden, um die Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern.
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