Die strukturellen Merkmale von Hochleistungsbearbeitungszentren

Der Unterschied zwischen Hochleistungs-Bearbeitungszentren und Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentren liegt darin, dass sie nicht nur über eine schnell rotierende Spindel verfügen, sondern auch hochpräzise Linearführungen, Hochleistungs-Spindelmotoren, Präzisions-Spindellager, Kugelumlaufspindeln, hocheffiziente Servoantriebsmotoren und fortschrittliche CNC-Systeme. Daher kann das Bearbeitungszentrum hochpräzise Teile mit hoher Effizienz bearbeiten, was die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt erheblich verbessert.
1. Linearführungsschiene
Die Geschwindigkeit und Genauigkeit der axialen Bewegung des Bearbeitungszentrums sind entscheidend für das Erreichen einer Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Der Reibungskoeffizient einer linearen Führungsschiene beträgt nur 1/20 des einer normalen quadratischen Führungsschiene. Aufgrund der Tatsache, dass die Kontaktfläche zwischen den Rollen der linearen Führungsschiene und der Führungsschiene viel kleiner ist als die der quadratischen Führungsschiene, reduziert sich auch der Stromverbrauch auf 1/20 des Stromverbrauchs der quadratischen Führungsschiene. Außerdem kann der Verschleiß über einen langen Zeitraum hinweg minimal aufrechterhalten werden, was die Lebensdauer der Führungsschiene erheblich verbessert. Die Präzisions-Linearführungsschiene hat eine Härte von HRC58-62, die mit einem Präzisions-Führungsschienenschleifer geschliffen wird. Im Gegensatz zu gewöhnlichen quadratischen Führungsschienen verfügt es über mindestens eine V-förmige Führungsschiene. Aufgrund des einfachen Aufbaus der beiden Linearführungsschienen ist eine einfache Verarbeitung, Montage, Messung und Auswahl des passenden Rollendurchmessers möglich. Die lineare Führungsschiene verfügt über eine hohe Steifigkeit und es gibt keinen Spalt zwischen ihr und dem Arbeitstisch, sodass kaum Vibrationen entstehen und Teile mit geringer Oberflächenrauheit bearbeitet werden können, was die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert.
2. Präzisions-Kugelumlaufspindel
Der Durchmesser und die Steigung der Kugelumlaufspindel der Werkzeugmaschine wirken sich direkt auf die Genauigkeit der bearbeiteten Teile aus, insbesondere unter Schnittbedingungen der Vorschubgeschwindigkeit. Hochleistungs-Bearbeitungszentren mit Linearführungen wählen Einkopf-Kugelumlaufspindeln mit kleinem Durchmesser und feiner Steigung. Einige verwenden auch Mehrkopf-Kugelumlaufspindeln mit grober Steigung. Im Allgemeinen wird ein Übertragungsschema verwendet, das Servomotoren zum Antrieb von Kugelumlaufspindeln verwendet. Während des Betriebs der Kugelumlaufspindel ändert sich jedoch die Richtung der Drehachse des Wälzkörpers, wenn er sich in einer Spiralbewegung bewegt, was zu einer Kreiselbewegung führt. Wenn das Kreiselmoment in der Bewegung die Reibungskraft zwischen dem Kugelkörper und der Laufbahn übersteigt, gleitet der Rollkörper, was zu starker Reibung führt und die Temperatur der Schraube erhöht. Gleichzeitig nehmen Vibrationen und Geräusche zu, was die Lebensdauer der Spindel verkürzt und die Übertragungsqualität der Kugelumlaufspindel verringert. Um die oben genannten technischen Probleme effektiv zu lösen, wurde ein neuer Typ einer Hochleistungs-Rollenschraube, die Planetenrollenschraube, entwickelt. Durch die kontinuierliche Entwicklung neuer Technologien wird die Beschleunigung der Werkbank unter extrem hohen Vorschubbedingungen mehr als 3 g erreichen, sodass auch die Trägheitskraft der beweglichen Teile recht groß ist. Bei der Konstruktion des mechanischen Teils müssen Anstrengungen unternommen werden, um die Masse der beweglichen Teile und die Rotationsträgheit der rotierenden Teile zu reduzieren und so die Steifigkeit, Empfindlichkeit und Genauigkeit des Zuführsystems weiter zu verbessern.
3. Hochleistungs-Werkzeugmaschinenspindelmotor
Unter den vielen Faktoren, die sich auf die Auswahl der Leistung des Spindelmotors einer Werkzeugmaschine auswirken, sind die Spindelkonizität, die während der Bearbeitung gewählte Schnittmenge (Schnittrate), die Teilegröße und die Werkzeuggröße die wichtigsten. Durch die Wahl einer großen Kegelspindel kann eine Hochleistungszerspanung durchgeführt werden. Um jedoch schnell zu beschleunigen und abzubremsen, kann manchmal auch ein Hochleistungsmotor zum Antrieb einer kleinen Kegelspindel verwendet werden. Für die Bearbeitung mit hoher Schnittgeschwindigkeit ist es notwendig, eine große Kegelspindel und einen leistungsstarken Werkzeugmaschinenspindelmotor zu wählen. Das Material der Teile hat kaum Einfluss auf die Wahl der Spindelmotorleistung der Werkzeugmaschine. Beispielsweise ist bei Schmiede- und Gussteilen keine Hochleistungszerspanung erforderlich. Wenn Sie sich jedoch für die Bearbeitung mit hohen Drehzahlen an der Werkzeugmaschinenspindel entscheiden, muss ein leistungsstarker Motor ausgewählt werden. Der Grund dafür, dass für die Bearbeitung großer Teile auch ein Hochleistungsantrieb erforderlich ist, liegt darin, dass hierfür Schneidwerkzeuge mit großem Durchmesser erforderlich sind.
4. Spindellager
Art und Umfang der Spindellagerung müssen den Einsatzbedingungen entsprechen. Große Lager können eine hohe Festigkeit und Steifigkeit bieten. Großformatige Lager haben jedoch zwei Nachteile:
1) Aufgrund der großen Masse großer Lager und der großen Kontaktfläche zwischen den Lagern wird bei hohen Spindeldrehzahlen viel Wärme erzeugt. Längere Einwirkung großer Hitzemengen kann zu einer Vergrößerung der Spindel und damit zu einer Beeinträchtigung der Bearbeitungsgenauigkeit führen.
Eine hochwertige Spindel benötigt zum Antrieb einen leistungsstarken Motor. Obwohl der Innenring des Lagers mit Schmieröl gekühlt wird, erhöhen große Lager ihre Belastbarkeit und Rotationsträgheit bei hohen Drehzahlen, was zu einem Anstieg der erforderlichen Leistung führt. Besonders wenn die Spindeldrehzahl steigt, steigt der Stromverbrauch. Beim Schneiden wird jedoch nicht die gesamte Energie verbraucht. Beispielsweise können bei einer Spindel mit 40 PS nur 15-20 PS Leistung auf den Schneidkopf wirken, während der Rest zum Drehen der Spindel verwendet wird. Bei einer Hochleistungsspindel kann sie so viel Kraft wie möglich auf das schneidende Werkstück ausüben und die Spindel mit sehr geringer Leistung mit höchster Geschwindigkeit antreiben. Die auf die Spindel ausgeübte Leistung kann auf der Grundlage der maximalen Drehzahl der Spindel im Leerlauf berechnet werden, um die von der Werkzeugmaschine verbrauchte Leistung zu ermitteln. Durch das Schneiden mit hohen Geschwindigkeiten erzeugen Spannfutter und Werkzeug unter der Einwirkung der Schnittkräfte eine radiale Abweichung und Unrundheit, was zu erhöhten Zusatzkräften oder unausgeglichenen Zentrifugalkräften führt.
2) Die Verwendung mehrerer Reihen von Lagern mit kleinem Durchmesser hat keinen Einfluss auf die Steifigkeit der Spindel und wirkt sich auch positiv auf die Vorspannung der Spindellager aus. Unter der Vorspannung von Lagern versteht man in der Regel den Druck, den die Spindel unter statischen Bedingungen auf die Lager ausübt. Im Allgemeinen werden Vorspannkräfte verwendet, um die Spindelsteifigkeit zu verbessern und die Schnittkapazität zu erhöhen. Durch den erhöhten Druck, der auf die Lager wirkt, steigt jedoch die Wärmeentwicklung, was auch den Lagerverschleiß beschleunigt. Um die Schneidleistung des Schneidwerkzeugs zu verbessern und seine Lebensdauer zu verlängern, wird vorab ein geringer Druck auf die mehrreihigen Lager ausgeübt, wodurch die Steifigkeit der Werkzeugmaschinenspindel erhöht und die oben genannten Ziele erreicht werden können.
Langfristig gesehen wird die Marktnachfrage nach magnetischen, pneumatischen und hydrostatischen Lagern stark zunehmen. Derzeit werden jedoch beim Hochgeschwindigkeitsschneiden am häufigsten die folgenden zwei Typen verwendet: Radialdrucklager und Kugellager. Unter normalen Spindelgeschwindigkeitsbedingungen von Werkzeugmaschinen werden häufig eine Reihe von Kugellagern und eine Reihe von Radialdrucklagern am vorderen Ende der Spindel und zwei Reihen von Kugellagern am hinteren Ende der Spindel installiert. Denn der Einbau einer Kugellagerreihe am vorderen Ende der Spindel kann die Steifigkeit der Spindel deutlich verbessern und ihre Belastbarkeit erhöhen. Dies ist für das Hochleistungsschneiden von entscheidender Bedeutung. Da Kugellager jedoch eine größere Kontaktfläche haben und schwerer als Radialdrucklager sind, verbrauchen sie mehr Strom und erzeugen mehr Wärme, was leicht zu einer Vergrößerung der Spindelgröße und einer geringeren Leistungsausnutzung führen kann. Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden kann die auf die Spindel und die Schneidwerkzeuge wirkende Radialkraft reduziert werden. Auf diese Weise sorgt das am vorderen Ende der Spindel installierte Radialdrucklager für ausreichende Steifigkeit und Stabilität und vermeidet Größenausdehnungen durch Erwärmung der Werkzeugmaschinenspindel.
Ebenso wichtig wie die Art des Lagers ist die sinnvolle Auswahl der Lagermaterialien. Obwohl Lager aus Wälzlagerstahl immer noch weit verbreitet sind, hat die Praxis gezeigt, dass der Einsatz von Keramiklagern bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung viele Vorteile bietet. Obwohl Lager aus Wälzlagerstahl günstig sind, ist ihr Gewicht deutlich höher als bei Keramiklagern gleicher Spezifikation. Aufgrund seines hohen Gewichts und der hohen Wärmeentwicklung beim Hochgeschwindigkeitsschneiden muss ein komplexes Kühl- und Schmiersystem installiert werden. Gleichzeitig nimmt mit zunehmender Spindeldrehzahl die auf das Lager wirkende Zentripetalkraft zu, was zu einem Anstieg der Lagertemperatur führt, was zu einer Vergrößerung der Spindelgröße führt, sich auf die Maßhaltigkeit der bearbeiteten Teile auswirkt und die dafür erforderliche Leistung erhöht der Werkzeugmaschinenspindel. Keramiklager werden aufgrund ihres geringen Gewichts dieses technische Problem effektiv lösen. Schneidtests haben gezeigt, dass die Geschwindigkeit, mit der Keramiklager die Spindelgröße vergrößern, nur 1/40 der Geschwindigkeit von Lagerstahllagern beträgt. Der Grund dafür ist, dass beim Hochgeschwindigkeitsschneiden nur eine geringe Zentripetalkraft auf das Lager einwirkt. Gleichzeitig kann zur Verbesserung der Steifigkeit und Schneidfähigkeit der Werkzeugmaschinenspindel auch eine große Vorspannung auf die Keramiklager ausgeübt werden. Aufgrund der oben genannten Eigenschaften weisen Keramiklager eine erhöhte Lebensdauer auf.
Moderne Werkzeugmaschinenspindeltechnologie ermöglicht es Werkzeugmaschinen, die auf die Spindellager ausgeübte Vorspannung basierend auf der Spindeldrehzahl einfach anzupassen. Wenn die Spindeldrehzahl der Werkzeugmaschine steigt, erhöht sich aufgrund der zunehmenden Zentripetalkraft auch die auf das Lager wirkende Belastung. Im Gegenteil, die auf das Lager wirkende Belastung nimmt ab. Dadurch wird die Wärmeeinwirkung auf das Lager reduziert und die Größenausdehnung des Lagers verringert. Natürlich ist es beim Hochgeschwindigkeitsschneiden auch zulässig, vorab eine sehr kleine Last auf das Lager auszuüben, so dass die auf das Werkzeug wirkende Schnittkraft sehr gering ist, was die Anforderungen an die Steifigkeit der Werkzeugmaschine verringern kann. Bei niedrigen Spindeldrehzahlen ist es dennoch erforderlich, die Lager vorab stärker zu belasten, da mit zunehmender Schnittkraft des Werkzeugs auch die auf die Spindel wirkende Kraft zunimmt.
5. Spindelmotor und Getriebesystem
Derzeit gibt es zwei Verbindungsmethoden zwischen der Werkzeugmaschinenspindel und dem Motor: eine über einen Riemen oder ein Getriebe; Die zweite ist die direkte Übertragung, was bedeutet, dass der Spindelmotor direkt mit der Spindel verbunden wird oder der Spindelmotor und die Spindel gleichzeitig auf einem Verbundgerät, einer sogenannten Verbundspindel, installiert werden.
Der Vorteil der Riemen- oder Zahnradübertragung besteht darin, dass der Spindelmotor auch bei langsamer Drehung eine hohe Spindelgeschwindigkeit erreichen kann. Aufgrund der geringen Motordrehzahl und der geringen Eingangsleistung ist dieses Getriebeverfahren kostengünstig, weist jedoch folgende Nachteile auf: Aufgrund seines komplexen Aufbaus ist es anfällig für Störungen und eine umständliche Wartung. Gleichzeitig kommt es auch zu Vibrationen zwischen Riemen, Zahnrad und Spindel. Da die Struktur weiter vereinfacht wird, wird die Anzahl der beweglichen Teile weiter reduziert, wodurch die Spindel auch schneller beschleunigt und abgebremst werden kann. Im Gegensatz dazu umfasst eine riemen- oder zahnradgetriebene Spindel eine Spindel, einen Wellensitz, einen Elektromotor, eine Riemenscheibe oder ein Zahnrad usw. Jede Komponente besteht aus Materialien mit unterschiedlichem Gewicht, die aufgrund der Reibung bei Hochgeschwindigkeitsrotation Wärme erzeugen . Aufgrund des unterschiedlichen Gewichts und der unterschiedlichen Kraft der Materialien ist auch die an verschiedenen Stellen erzeugte Wärme unterschiedlich, was zu unterschiedlich großen Ausdehnungen in verschiedenen Teilen der Spindel führt. In schweren Fällen kann es zu einer Verformung der Spindel kommen, die sich auf deren Größe, geometrische Form usw. auswirkt. Die Direktantriebsspindel hingegen weist eine gleichmäßige thermische Verformung auf und kann selbst bei extrem hohen Geschwindigkeiten durch Kühlmittel gekühlt werden durch das Innenloch der Spindel. Daher hat es grundsätzlich keinen Einfluss auf die Spindelgenauigkeit und kann die Bearbeitungsqualität stabiler gewährleisten.
6. Kühlung und Schmierung
Wenn bei der spanabhebenden Bearbeitung kein Kühlmittel hinzugefügt wird, führt dies zu einer Vergrößerung der Spindel. Um die hohe Präzision der Werkzeugmaschinenspindel sicherzustellen, ist es notwendig, die Spindel und Lager stabil zu steuern, um eine feste Größe zu haben. Gegenwärtig wählen gewöhnliche Werkzeugmaschinen externe Kühlung, interne Kühlung oder kombinierte interne und externe Kühlmethoden, um die Spindel und Lager entsprechend den unterschiedlichen Spindelstrukturen zu kühlen. Generell sollte jedoch so weit wie möglich auf externe Kühlung zurückgegriffen werden. Durch die Kühlung wird die vom Schneidkopf auf die Spindel übertragene Wärme an die Luft abgegeben.
Um die Auslastung von Werkzeugmaschinen effektiv zu verbessern und den Stromverbrauch zu senken, empfiehlt sich der Einsatz von Nebelkühlungs- oder Sprühkühlöl-Spindelkühlsystemen zur Kühlung. Insbesondere bei Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungsmaschinen empfiehlt es sich, das Spindelkühlsystem entsprechend der maximalen Drehzahl der Maschinenspindel und dem für die Lager gewählten Material auszuwählen. Bestimmen Sie das ausgewählte Kühlsystem anhand der Drehzahl der Werkzeugmaschinenspindel und des Außendurchmessers der Lager. Wenn beide Lagertypen Lagerstahllager wählen, empfiehlt es sich, ein Sprühölkühlsystem zu wählen. Letzteres erfordert im Vergleich zu beiden natürlich eine große Menge an Kühl- und Schmierflüssigkeit, was den Stromverbrauch der Werkzeugmaschine erhöht.
7. CNC-System
Moderne CNC-Technologie ermöglicht Werkzeugmaschinen eine Bearbeitung mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 38,1 m/min. Der Hauptgrund liegt darin, dass bei der Bearbeitung hohe Schnittgeschwindigkeiten gewählt werden können. Gleichzeitig muss die Werkzeugmaschine mit schnellen und hochauflösenden Servomotoren ausgestattet sein. Um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, müssen hochauflösende Servomotoren außerdem in der Lage sein, Signale schnell zu verarbeiten. Natürlich ist es sinnlos, über einen hochauflösenden Servomotor zu verfügen, ohne die Arbeitsgeschwindigkeit des Prozessors zu erhöhen. Da hochauflösende Servomotoren mehr Daten verarbeiten müssen als ihre Vorgänger, benötigen sie eine hohe Geschwindigkeit für die Textverarbeitung. Durch die hohe Geschwindigkeit der Wortgruppenverarbeitung können Daten schnell verarbeitet und Impulse an den Servomotor gesendet werden. Aus diesem Grund ist es im Allgemeinen erforderlich, zwei 32-Bit-Prozessoren auf dem Servomotor zu konfigurieren, um die Nutzungsanforderungen zu erfüllen und die große Datenmenge, die während der Verarbeitung gesammelt wird, schnell zu verarbeiten und komplexe Berechnungen schnell durchzuführen Teileformen in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.
Bei der Bearbeitung großer und komplex geformter Flugzeugteile und Kunststoffpressformen ist es aufgrund des unzureichenden Speichers des allgemeinen NC-Systems im Allgemeinen erforderlich, diese zunächst im Computer zu speichern und dann in das NC-System (auch CNC genannt) einzugeben System). Für Teile mit kurzen Programmen und weniger komplexen Formen kann natürlich ein typisches NC-System die Nutzungsanforderungen erfüllen, da es eine Übertragungsgeschwindigkeit von 76800 Symbolen pro Sekunde aufweist. Um die Schnellvorschubkapazität und die Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen zu verbessern, ist die Entwicklung neuer Computersoftware erforderlich. Entsprechend den tatsächlichen Bearbeitungsanforderungen muss die entwickelte Software eine hohe Präzision bei der Bearbeitung von Teilen erreichen, unabhängig von der allgemeinen Vorschubgeschwindigkeit oder den Hochgeschwindigkeitsvorschubbedingungen.
Um die Bearbeitungsgenauigkeit von Teilen bei der gewählten Vorschubgeschwindigkeit zu verbessern, kann nicht nur die Anzahl der Werkzeugdurchgänge entsprechend erhöht werden, sondern auch die kürzlich entwickelte Software zur geometrischen Formkompensation kann eine hervorragende Bearbeitungsqualität bei hoher Produktionseffizienz gewährleisten. Software zur geometrischen Formkompensation unterscheidet sich von Software für hohe Vorschubgeschwindigkeiten. Letzteres wird verwendet, um die Vorschubgeschwindigkeit der Werkzeugmaschine zu erhöhen oder die Bearbeitungszeit zu verkürzen, um die Produktionseffizienz zu verbessern, während ersteres hauptsächlich zur Verbesserung der Genauigkeit bearbeiteter Teile verwendet wird. Seine Hauptfunktionen sind wie folgt:
1) Interpolieren Sie die Beschleunigung oder Verzögerung im Voraus. Bei der Bogeninterpolationsbearbeitung gibt es häufig einen erheblichen Unterschied zwischen dem zusammengestellten Programm und der tatsächlichen Bearbeitung, hauptsächlich aufgrund der Voreilung oder Verzögerung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung des sich entlang der Achse bewegenden Werkzeugs verursacht wird. Es kann Fehler kompensieren, die durch die durch die Werkzeugbewegung erzeugte Beschleunigung oder Verzögerung verursacht werden.
2) Vorwärtsbewegung vorsteuern. Zusätzlich zum Bearbeitungssystem können einige Fehler im Servosteuerungssystem von Werkzeugmaschinen auch die Genauigkeit der bearbeiteten Teile beeinträchtigen. Die neu entwickelte Vorschubregelung kann anhand von Bearbeitungsprogrammen, Schnittgeschwindigkeiten, Vorschüben etc. mögliche Fehlerwerte berechnen und tatsächliche Bearbeitungsfehler bereits vor ihrem Auftreten kompensieren.
3) Führen Sie eine präzise Vektorkompensation durch. Wenn die Werkzeugmaschine eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durchführt, muss der Auswahl einer geeigneten Vorschubgeschwindigkeit Priorität eingeräumt werden. Wird normalerweise durch Anpassen des Verstärkungsfaktors der Verstärkungsvorrichtung im Servomotor ermittelt. Wenn der Verstärkungsfaktor für die Vorwärtsrichtung auf einen großen Wert eingestellt wird, kann die Verfolgungsgeschwindigkeit der Servosteuerung für Fehler verbessert werden. Natürlich verringert eine Erhöhung der Nachführgeschwindigkeit die Stabilität des Servosteuerungssystems. Die mangelnde Stabilität des Servosteuerungssystems führt zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauheit der bearbeiteten Teile. Ein präzises Vektorkompensationssystem dient zur Kalibrierung großer Bearbeitungsprogramme zur gezielten Erhöhung der Teilemengen. Das korrigierte Bearbeitungsprogramm kann das Servosteuerungssystem stabilisieren, insbesondere das stabile Servosteuerungssystem des Vorschubsystems kann die Vibrationen beseitigen, die zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauheit der Teile führen.
4) Wählen Sie die geeignete Verzögerung für die Eckenbearbeitung. Bei der Anwendung der oben genannten drei Funktionen ist es normalerweise erforderlich, dass jede Bewegungsachse an den Ecken der Teile abgebremst wird, um die vom Antriebssystem beim schnellen Drehen des Werkzeugs erzeugten Stoßvibrationen zu vermeiden. Für die Verarbeitung ist innerhalb einer vorgegebenen Zeit eine Verzögerung auf eine angemessene Vorschubgeschwindigkeit erforderlich.
5) Für Hochleistungsbearbeitungszentren ist es nicht nur notwendig, Hochgeschwindigkeitsspindeln zu konstruieren, sondern auch leistungsstarke CNC-Systeme, hochpräzise Linearführungen, Präzisionskugelumlaufspindeln und Lager zu konstruieren sowie geeignete Kühl- und Schmiermethoden auszuwählen. und Werkzeugmaschinen-/Werkzeugschnittstellen. Die oben genannten Technologien wurden zur Herstellung vieler Hochleistungsbearbeitungszentren eingesetzt und haben in der praktischen Produktion gute wirtschaftliche und soziale Vorteile erzielt.