Las características estructurales de los centros de mecanizado de alto rendimiento.

La diferencia entre los centros de mecanizado de alto rendimiento y los centros de mecanizado de alta velocidad radica en el hecho de que no solo tienen un husillo giratorio de alta velocidad, sino que también diseñan guías de movimiento lineal de alta precisión, motores de husillo de alta potencia, cojinetes de husillo de precisión, husillos de bolas, servomotores de alta eficiencia y sistemas CNC avanzados. Por lo tanto, el centro de mecanizado puede procesar piezas de alta precisión con alta eficiencia, mejorando enormemente la competitividad en el mercado.
1. Riel guía de movimiento lineal
La velocidad y precisión del movimiento axial del centro de mecanizado son cruciales para lograr un corte a alta velocidad. El coeficiente de fricción de un riel guía de movimiento lineal es solo 1/20 del de un riel guía cuadrado normal. Debido al hecho de que el área de contacto entre los rodillos del carril guía de movimiento lineal y el carril guía es mucho menor que la del carril guía cuadrado, el consumo de energía también se reduce a 1/20 del del carril guía cuadrado. y puede mantener un desgaste mínimo durante mucho tiempo, mejorando en gran medida la vida útil del riel guía. El riel guía de movimiento lineal de precisión tiene una dureza templada de HRC58-62, que se muele mediante una amoladora de riel guía de precisión. A diferencia de los carriles guía cuadrados normales, tiene al menos un carril guía en forma de V. Debido a la estructura simple de los dos rieles guía lineales, es fácil procesar, ensamblar, medir y seleccionar el diámetro de rodillo apropiado. El riel guía de movimiento lineal tiene una alta rigidez y no hay espacio entre él y la mesa de trabajo, por lo que rara vez genera vibración y puede procesar piezas con baja rugosidad superficial, lo que extiende la vida útil de la herramienta.
2. Husillo de bolas de precisión
El diámetro y el paso del husillo de bolas de la máquina herramienta afectan directamente la precisión de las piezas mecanizadas, especialmente en condiciones de corte de velocidad de avance. Los centros de mecanizado de alto rendimiento que utilizan guías de movimiento lineal eligen husillos de bolas de cabeza única con diámetro pequeño y paso fino. Algunos también utilizan husillos de bolas de cabeza múltiple con paso grueso. Generalmente, se adopta un esquema de transmisión que utiliza servomotores para accionar husillos de bolas. Sin embargo, durante el funcionamiento del husillo de bolas, la dirección del eje de rotación del elemento rodante cambia cuando se mueve en espiral, lo que da como resultado un movimiento giroscópico. Cuando el momento giroscópico en movimiento excede la fuerza de fricción entre el cuerpo de la bola y la pista de rodadura, el cuerpo rodante se deslizará, provocando una fricción severa y aumentando la temperatura del tornillo. Al mismo tiempo, la vibración y el ruido aumentan, acortando la vida útil del husillo y reduciendo la calidad de transmisión del husillo de bolas. Se ha desarrollado un nuevo tipo de husillo rodante de alto rendimiento, el husillo de rodillos planetarios, para resolver eficazmente los problemas técnicos mencionados anteriormente. Con el desarrollo continuo de nuevas tecnologías, en condiciones de avance ultra alto, la aceleración del banco de trabajo alcanzará más de 3 g, por lo que la fuerza de inercia de las piezas móviles también es bastante grande. Al diseñar la parte mecánica, se deben hacer esfuerzos para reducir la masa de las partes móviles y la inercia rotacional de las partes giratorias, mejorando aún más la rigidez, sensibilidad y precisión del sistema de alimentación.
3. Motor de husillo de máquina herramienta de alta potencia
Entre los muchos factores que afectan la selección de la potencia del motor del husillo de la máquina herramienta, los más importantes son la conicidad del husillo, la cantidad de corte (velocidad de corte) seleccionada durante el mecanizado, el tamaño de la pieza y el tamaño de la herramienta. La elección de un husillo cónico grande puede realizar cortes de alta potencia, pero a veces, para acelerar y desacelerar rápidamente, también se puede utilizar un motor de alta potencia para impulsar un husillo cónico pequeño. Para mecanizado de alta velocidad de corte, es necesario elegir un husillo cónico grande y un motor de husillo de máquina herramienta de alta potencia. El material de las piezas tiene poco efecto en la selección de la potencia del motor del husillo de la máquina herramienta. Por ejemplo, para piezas forjadas y fundidas, no se requiere corte de alta potencia. Sin embargo, al elegir procesar a altas velocidades en el husillo de la máquina herramienta, se debe seleccionar un motor de alta potencia. La razón por la que el accionamiento de alta potencia también es necesario para mecanizar piezas grandes es porque requiere el uso de herramientas de corte de gran diámetro.
4. Cojinetes de husillo
El tipo y escala de los cojinetes del husillo deben cumplir con las condiciones de uso. Los rodamientos grandes pueden proporcionar alta resistencia y rigidez. Sin embargo, los rodamientos de gran tamaño tienen dos inconvenientes:
1) Debido a la gran masa de los rodamientos grandes y a la gran área de contacto entre los rodamientos, se genera una gran cantidad de calor a altas velocidades del husillo. La exposición prolongada a una gran cantidad de calor puede hacer que aumente el tamaño del husillo, lo que afecta la precisión del mecanizado.
Un husillo de alta calidad requiere un motor de alta potencia para accionarlo. Aunque el aro interior del rodamiento se enfría con aceite lubricante, los rodamientos grandes aumentan su capacidad de carga y su inercia rotacional a altas velocidades, lo que resulta en un aumento de la potencia requerida. Especialmente cuando aumenta la velocidad del husillo, aumenta el consumo de energía. Pero no toda la energía se consume en el corte. Por ejemplo, un husillo con 40 caballos de fuerza solo puede tener 15-20 caballos de fuerza actuando sobre el cabezal de corte, mientras que el resto se utiliza para girar el husillo. Para un husillo de alta potencia, puede ejercer la mayor potencia posible sobre la pieza de corte y puede impulsar el husillo a la mayor velocidad con muy poca potencia. La potencia aplicada al husillo se puede calcular en función de la velocidad de rotación máxima del husillo en condiciones sin carga para determinar la potencia consumida por la máquina herramienta. Debido al corte a altas velocidades, el mandril y la herramienta generan desviación radial y falta de concentricidad bajo la acción de las fuerzas de corte, lo que resulta en mayores fuerzas adicionales o fuerzas centrífugas desequilibradas.
2) El uso de múltiples filas de rodamientos de pequeño diámetro no afecta la rigidez del husillo y también es bastante beneficioso para la precarga de los rodamientos del husillo. La carga de precarga de los rodamientos suele referirse a la presión ejercida por el husillo sobre los rodamientos en condiciones estáticas. Generalmente, las cargas de precarga se utilizan para mejorar la rigidez del husillo y aumentar la capacidad de corte. Sin embargo, debido al aumento de la presión que actúa sobre los rodamientos, aumenta la generación de calor, lo que también acelera el desgaste de los rodamientos. Para mejorar el rendimiento de corte de la herramienta de corte y extender su vida útil, se aplica previamente una pequeña presión a los cojinetes de varias hileras, lo que puede aumentar la rigidez del husillo de la máquina herramienta y lograr los objetivos anteriores.
Desde una perspectiva a largo plazo, la demanda del mercado de cojinetes magnéticos, neumáticos e hidrostáticos aumentará considerablemente. Sin embargo, actualmente en el corte a alta velocidad, los más utilizados son los dos tipos siguientes: rodamientos de empuje radial y rodamientos de bolas. En condiciones de velocidad de husillo de máquina herramienta estándar, a menudo se instalan una hilera de rodamientos de bolas y una hilera de rodamientos de empuje radial en el extremo frontal del husillo, y dos filas de rodamientos de bolas en el extremo trasero del husillo. Porque instalar una hilera de rodamientos de bolas en el extremo frontal del husillo puede mejorar en gran medida la rigidez del husillo y aumentar su capacidad de carga. Esto es crucial para cortes pesados. Sin embargo, debido a que los rodamientos de bolas tienen un área de contacto mayor y son más pesados ​​que los rodamientos de empuje radial, consumen más energía y generan más calor, lo que fácilmente puede provocar un aumento en el tamaño del husillo y una menor utilización de energía. El corte a alta velocidad puede reducir la fuerza radial que actúa sobre el husillo y las herramientas de corte. De esta manera, el cojinete de empuje radial instalado en el extremo frontal del husillo proporciona suficiente rigidez y estabilidad, evitando la expansión de tamaño causada por el calentamiento del husillo de la máquina herramienta.
La selección razonable de los materiales de los rodamientos es tan importante como el tipo de rodamiento. Aunque los rodamientos fabricados con acero para rodamientos todavía se utilizan ampliamente, la práctica ha demostrado que el uso de rodamientos cerámicos en el corte a alta velocidad presentará muchas ventajas. Aunque los rodamientos fabricados con acero para rodamientos son baratos, su peso es mucho mayor que el de los rodamientos cerámicos de las mismas especificaciones. Debido a su gran peso y a la alta generación de calor durante el corte a alta velocidad, se debe instalar un complejo sistema de refrigeración y lubricación. Al mismo tiempo, a medida que aumenta la velocidad del husillo, aumenta la fuerza centrípeta que actúa sobre el rodamiento, lo que hace que la temperatura del rodamiento aumente, lo que resulta en un aumento en el tamaño del husillo, lo que afecta la precisión dimensional de las piezas mecanizadas y aumenta la potencia requerida para el husillo de la máquina herramienta. Los rodamientos cerámicos, debido a su peso ligero, solucionarán eficazmente este problema técnico. Las pruebas de corte han demostrado que la velocidad a la que los rodamientos cerámicos aumentan el tamaño del husillo es sólo 1/40 de la de los rodamientos de acero. La razón es que solo tiene una pequeña fuerza centrípeta que actúa sobre el rodamiento durante el corte a alta velocidad. Al mismo tiempo, para mejorar la rigidez y la capacidad de corte del husillo de la máquina herramienta, también se puede aplicar una gran precarga a los cojinetes cerámicos. Debido a las características anteriores, los rodamientos cerámicos tienen una mayor vida útil.
La tecnología moderna de husillo de máquinas herramienta permite que las máquinas herramienta ajusten fácilmente la precarga aplicada a los cojinetes del husillo en función de la velocidad del husillo. Cuando aumenta la velocidad del husillo de la máquina herramienta, la carga que actúa sobre el rodamiento también aumenta debido al aumento de la fuerza centrípeta. Por el contrario, la carga que actúa sobre el rodamiento disminuye. Por lo tanto, se reduce el calor sobre el rodamiento y se reduce la expansión del tamaño del rodamiento. Por supuesto, en el corte a alta velocidad, también se permite aplicar previamente una carga muy pequeña al rodamiento, de modo que la fuerza de corte que actúa sobre la herramienta sea muy pequeña, lo que puede reducir los requisitos de rigidez de la máquina herramienta. Aún es necesario aplicar previamente una carga mayor a los rodamientos a bajas velocidades del husillo, ya que al aumentar la fuerza de corte de la herramienta también aumenta la fuerza que actúa sobre el husillo.
5. Motor de husillo y sistema de transmisión.
En la actualidad existen dos métodos de conexión entre el husillo de la máquina herramienta y el motor, uno es a través de una correa o engranaje; El segundo es la transmisión directa, lo que significa conectar directamente el motor del husillo al husillo, o instalar el motor del husillo y el husillo simultáneamente en un dispositivo compuesto, llamado husillo compuesto.
La ventaja de la transmisión por correa o engranajes es que el motor del husillo puede alcanzar una alta velocidad del husillo incluso cuando gira a baja velocidad. Este método de transmisión es económico debido a la baja velocidad del motor y la baja potencia de entrada, pero tiene las siguientes desventajas: debido a su estructura compleja, es propenso a fallas de funcionamiento y a un mantenimiento inconveniente. Al mismo tiempo, también se producirán vibraciones entre la correa, el engranaje y el husillo. A medida que la estructura se simplifica aún más, el número de piezas móviles se reduce aún más, lo que también permitirá que el husillo acelere y desacelere más rápido. Por el contrario, un husillo accionado por correa o engranaje incluye un husillo, un asiento de eje, un motor eléctrico, una polea o engranaje, etc. Cada componente está compuesto por materiales de diferentes pesos, que generan calor debido a la fricción durante la rotación a alta velocidad. . Debido al diferente peso y fuerza de los materiales, el calor generado en diferentes lugares también es diferente, lo que resulta en diferentes tamaños de expansión en varias partes del husillo. En casos severos, puede causar deformación del husillo, afectando su tamaño, forma geométrica, etc. El husillo de accionamiento directo, por otro lado, tiene una deformación térmica uniforme e incluso en condiciones de velocidad ultra alta, puede enfriarse con refrigerante. a través del orificio interior del eje. Por lo tanto, básicamente no afecta la precisión del husillo y puede garantizar de manera más estable la calidad del mecanizado.
6. Enfriamiento y lubricación
En el mecanizado de corte, si no se agrega refrigerante, el husillo aumentará de tamaño. Para garantizar la alta precisión del husillo de la máquina herramienta, es necesario controlar de forma estable que el husillo y los cojinetes tengan un tamaño fijo. En la actualidad, las máquinas herramienta ordinarias eligen refrigeración externa, refrigeración interna o métodos combinados de refrigeración interna y externa para enfriar el husillo y los cojinetes de acuerdo con las diferentes estructuras del husillo. Sin embargo, en general, se debe utilizar la refrigeración externa tanto como sea posible. Al enfriarse, el calor transferido desde el cabezal de corte al husillo se descarga al aire.
Para mejorar eficazmente la tasa de utilización de las máquinas herramienta y reducir el consumo de energía, se recomienda utilizar sistemas de enfriamiento del husillo de aceite de enfriamiento por niebla o por aspersión para el enfriamiento. Especialmente para máquinas de mecanizado de alta velocidad, se recomienda elegir el sistema de refrigeración del husillo en función de la velocidad máxima alcanzada por el husillo de la máquina y del material seleccionado para los rodamientos. Determine el sistema de refrigeración seleccionado en función de la velocidad de rotación del husillo de la máquina herramienta y del diámetro exterior de los rodamientos. Si ambos tipos de rodamientos eligen rodamientos de acero, se recomienda elegir un sistema de enfriamiento de aceite por pulverización. Por supuesto, en comparación con los dos, este último requiere una gran cantidad de líquido refrigerante y lubricante, lo que aumenta el consumo de energía de la máquina herramienta.
7. sistema CNC
La moderna tecnología CNC permite que las máquinas herramienta procesen a una velocidad de avance de 38,1 m/min. La razón principal es que se pueden seleccionar altas velocidades de corte durante el mecanizado. Al mismo tiempo, la máquina herramienta debe estar equipada con servomotores de alta velocidad y alta resolución. Además, para garantizar una alta precisión, también se requieren servomotores de alta resolución que tengan la capacidad de procesar señales rápidamente. Por supuesto, tener un servomotor de alta resolución sin aumentar la velocidad de funcionamiento del procesador es inútil. Debido a que los servomotores de alta resolución tienen más datos que procesar que sus predecesores, requieren una alta velocidad para el procesamiento de textos. La alta velocidad del procesamiento de grupos de palabras puede procesar datos rápidamente y enviar pulsos al servomotor. Por esta razón, generalmente es necesario configurar dos procesadores de 32-bits en el servomotor para cumplir con los requisitos de uso y procesar rápidamente la gran cantidad de datos recopilados durante el procesamiento y la necesidad de realizar rápidamente cálculos complejos en datos complejos. Formas de piezas en mecanizado de alta velocidad.
Al procesar piezas de aviones de formas grandes y complejas y moldes de compresión de plástico, debido a la memoria insuficiente del sistema NC general, generalmente es necesario almacenarlas primero en la computadora y luego ingresarlas en el sistema NC (también conocido como CNC). sistema). Por supuesto, para piezas con programas cortos y formas menos complejas, un sistema NC típico puede cumplir con los requisitos de uso porque tiene una velocidad de transmisión de 76800 símbolos por segundo. Para mejorar la capacidad de avance rápido y la precisión del mecanizado de las máquinas herramienta, es necesario desarrollar nuevos programas informáticos. De acuerdo con las necesidades reales de mecanizado, el software desarrollado debe lograr una alta precisión en el mecanizado de piezas, independientemente de la velocidad de avance general o las condiciones de avance de alta velocidad.
Para mejorar la precisión del mecanizado de piezas a la velocidad de avance seleccionada, no solo se puede aumentar adecuadamente el número de pasadas de la herramienta, sino que también el software de compensación de forma geométrica desarrollado recientemente puede garantizar una excelente calidad de mecanizado con una alta eficiencia de producción. El software de compensación de formas geométricas es diferente del software de alta velocidad de avance. Este último se utiliza para aumentar la velocidad de avance de la máquina herramienta o reducir el tiempo de procesamiento para mejorar la eficiencia de la producción, mientras que el primero se utiliza principalmente para mejorar la precisión de las piezas procesadas. Sus funciones principales son las siguientes:
1) Interpolar previamente la aceleración o desaceleración. En el mecanizado por interpolación de arco, a menudo hay una diferencia significativa entre el programa ensamblado y el mecanizado real, principalmente debido al avance o retraso causado por la aceleración o desaceleración de la herramienta que se mueve a lo largo del eje. Puede compensar errores causados ​​por la aceleración o desaceleración generada por el movimiento de la herramienta.
2) Precontrolar el movimiento de avance. Además del sistema de mecanizado, algunos errores en el sistema de servocontrol de las máquinas herramienta también pueden reducir la precisión de las piezas mecanizadas. El sistema de control de avance recientemente desarrollado puede calcular posibles valores de error basados ​​en programas de mecanizado, velocidades de corte, tasas de avance, etc., y compensar los errores de mecanizado reales antes de que ocurran.
3) Realice una compensación vectorial precisa. Cuando la máquina herramienta realiza mecanizado a alta velocidad, es necesario priorizar la selección de un avance adecuado. Generalmente se obtiene ajustando el factor de amplificación del dispositivo de amplificación en el servomotor. Cuando el factor de amplificación dado a la dirección de avance se ajusta a un valor grande, se puede mejorar la velocidad de seguimiento del servocontrol para errores. Por supuesto, un aumento en la velocidad de seguimiento reducirá la estabilidad del sistema de servocontrol. La falta de estabilidad en el sistema de servocontrol provocará que se deteriore la rugosidad de la superficie de las piezas procesadas. Se utiliza un sistema de compensación vectorial preciso para calibrar grandes programas de mecanizado para cantidades de piezas que aumentan selectivamente. El programa de mecanizado corregido puede estabilizar el sistema de servocontrol, especialmente el sistema de servocontrol estable del sistema de alimentación puede eliminar la vibración que provoca el deterioro de la rugosidad de la superficie de las piezas.
4) Elija la desaceleración adecuada para el mecanizado de esquinas. Al aplicar las tres funciones anteriores, generalmente se requiere que cada eje de movimiento desacelere en las esquinas de las piezas para evitar la vibración de impacto generada por el sistema de accionamiento durante el giro rápido de la herramienta. Requiere desaceleración a una velocidad de alimentación adecuada dentro de un tiempo determinado para el procesamiento.
5) Para los centros de mecanizado de alto rendimiento, no solo es necesario diseñar husillos de alta velocidad, sino también diseñar sistemas CNC de alto rendimiento, guías lineales de alta precisión, husillos de bolas de precisión, rodamientos, elegir métodos adecuados de refrigeración y lubricación. e interfaces máquina-herramienta/herramienta. Las tecnologías anteriores se han utilizado para producir muchos centros de mecanizado de alto rendimiento y han logrado buenos beneficios económicos y sociales en la producción práctica.