Швидкий розвиток технології систем ЧПК створив умови для технологічного прогресу верстатів з ЧПК. Для задоволення потреб ринку та вищих вимог сучасних виробничих технологій до технології ЧПК, сучасний розвиток світової технології ЧПК та її обладнання головним чином відображається в наступних технічних характеристиках:
1. Висока швидкість
РозвитокВерстати з ЧПКУ напрямку високої швидкості обробка може не тільки значно підвищити ефективність обробки та знизити витрати на обробку, але й покращити якість обробки поверхні та точність деталей. Технологія надвисокошвидкісної обробки має широке застосування для досягнення низьковитратного виробництва в обробній промисловості.
З 1990-х років країни Європи, США та Японії конкурують у розробці та впровадженні нового покоління високошвидкісних верстатів з ЧПК, прискорюючи темпи розвитку високошвидкісних верстатів. Нові прориви були зроблені у високошвидкісних шпиндельних агрегатах (електричний шпиндель, швидкість 15000-100000 об/хв), високошвидкісних та високошвидкісних компонентах подачі з високим прискоренням/уповільненням (швидкість руху 60-120 м/хв, швидкість подачі при різанні до 60 м/хв), високопродуктивних системах ЧПК та сервосистемах, а також системах інструментів з ЧПК, що досягло нових технологічних рівнів. Завдяки розробці ключових технологій у низці технічних галузей, таких як надшвидкісні різальні механізми, надтверді зносостійкі довговічні інструментальні матеріали та абразивні шліфувальні інструменти, потужний високошвидкісний електричний шпиндель, компоненти подачі з високим прискоренням/уповільненням, що керуються лінійним двигуном, високопродуктивні системи керування (включаючи системи моніторингу) та захисні пристрої, була створена технічна основа для розробки та впровадження нового покоління високошвидкісних верстатів з ЧПК.
Наразі, в надшвидкісній обробці, швидкість різання токарних та фрезерних робіт досягла понад 5000-8000 м/хв; швидкість шпинделя перевищує 30000 об/хв (деякі можуть досягати до 100000 об/хв); швидкість руху (подачі) робочого столу: понад 100 м/хв (деякі до 200 м/хв) з роздільною здатністю 1 мікрометр та понад 24 м/хв з роздільною здатністю 0,1 мікрометра; швидкість автоматичної зміни інструменту протягом 1 секунди; швидкість подачі для інтерполяції малих ліній досягає 12 м/хв.
2. Висока точність
РозвитокВерстати з ЧПКВід прецизійної до надпрецизійної обробки – це напрямок, до якого прагнуть промислові потужності всього світу. Точність обробки коливається від мікрометрового до субмікронного і навіть нанометрового рівня (<10 нм), а діапазон її застосування стає все ширшим.
Наразі, відповідно до вимог високоточної обробки, точність обробки звичайних верстатів з ЧПК збільшилася з ± 10 мкм до ± 5 мкм; точність обробки прецизійних обробних центрів коливається від ± 3 до 5 мкм, збільшується до ± 1-1,5 мкм і навіть вище; точність надточної обробки досягла нанометрового рівня (0,001 мікрометра), а точність обертання шпинделя повинна досягати 0,01~0,05 мікрометра, з округлістю обробки 0,1 мікрометра та шорсткістю поверхні обробки Ra=0,003 мікрометра. Ці верстати зазвичай використовують електричні шпинделі з векторним керуванням та частотним приводом (інтегровані з двигуном та шпинделем), з радіальним биттям шпинделя менше 2 мкм, осьовим зміщенням менше 1 мкм та дисбалансом вала, що досягає рівня G0,4.
Привід подачі високошвидкісних та високоточних обробних верстатів в основному включає два типи: «ротаційний серводвигун з прецизійним високошвидкісним кульковим гвинтом» та «лінійний двигун прямого приводу». Крім того, нові паралельні верстати також легко забезпечують високошвидкісну подачу.
Завдяки своїй зрілій технології та широкому застосуванню, кулькові гвинтові установки не тільки досягають високої точності (ISO3408 рівень 1), але й мають відносно низьку вартість для досягнення високошвидкісної обробки. Тому вони досі використовуються багатьма високошвидкісними верстатами. Сучасний високошвидкісний верстат з приводом від кулькових гвинтових установок має максимальну швидкість руху 90 м/хв та прискорення 1,5g.
Кульковий гвинт належить до механічної передачі, яка неминуче пов'язана з пружною деформацією, тертям та зворотним зазором під час процесу передачі, що призводить до гістерезису руху та інших нелінійних помилок. Щоб усунути вплив цих помилок на точність обробки, у 1993 році у верстатах було застосовано прямий привід від лінійного двигуна. Оскільки це "нульова передача" без проміжних ланок, вона не тільки має малу інерцію руху, високу жорсткість системи та швидку реакцію, але й може досягати високої швидкості та прискорення, а довжина ходу теоретично необмежена. Точність позиціонування також може досягати високого рівня під дією високоточної системи зворотного зв'язку за положенням, що робить її ідеальним методом приводу для високошвидкісних та високоточних обробних верстатів, особливо середніх та великих. Наразі максимальна швидкість руху високошвидкісних та високоточних обробних верстатів з використанням лінійних двигунів досягла 208 м/хв з прискоренням 2g, і є ще простір для розвитку.
3. Висока надійність
З розвитком мережевих додатківВерстати з ЧПКВисока надійність верстатів з ЧПК стала метою, яку прагнуть досягти виробники систем ЧПК та верстатів з ЧПК. Для безпілотного заводу, який працює дві зміни на день, якщо йому потрібно працювати безперервно та зазвичай протягом 16 годин з безвідмовним коефіцієнтом P(t)=99% або більше, середній час напрацювання на відмову (MTBF) верстата з ЧПК повинен бути більше 3000 годин. Тільки для одного верстата з ЧПК співвідношення інтенсивності відмов між хостом та системою ЧПК становить 10:1 (надійність ЧПК на порядок вища, ніж у хоста). У цьому випадку MTBF системи ЧПК повинен бути більше 33333,3 години, а MTBF пристрою з ЧПК, шпинделя та приводу повинен бути більше 100000 годин.
Значення напрацювання на відмову (MTBF) сучасних іноземних верстатів з ЧПК сягає понад 6000 годин, а приводного пристрою — понад 30000 годин. Однак видно, що до ідеального цільового показника все ще існує певний відставання.
4. Складні відсотки
У процесі обробки деталей витрачається велика кількість марного часу на обробку заготовок, завантаження та розвантаження, встановлення та налаштування, зміну інструменту, а також збільшення та зменшення швидкості шпинделя. Щоб максимально мінімізувати цей марний час, люди прагнуть інтегрувати різні функції обробки на одному верстаті. Тому верстати зі складними функціями стали моделлю, що швидко розвивається, в останні роки.
Концепція верстатної композитної обробки в галузі гнучкого виробництва стосується здатності верстата автоматично виконувати багатопроцесорну обробку однаковими або різними типами технологічних процесів відповідно до програми обробки з ЧПК після затискання заготовки за один раз, щоб завершити різні процеси обробки, такі як точіння, фрезерування, свердління, розточування, шліфування, нарізання різьби, розгортання та розширення складної форми деталі. Що стосується призматичних деталей, обробні центри є найтиповішими верстатами, які виконують багатопроцесорну композитну обробку, використовуючи один і той самий технологічний метод. Було доведено, що верстатна композитна обробка може підвищити точність та ефективність обробки, заощадити місце та, особливо, скоротити цикл обробки деталей.
5. Поліаксіалізація
Зі зростанням популярності 5-осьових систем ЧПК з керуванням зв'язком та програмного забезпечення для програмування, 5-осьові обробні центри з керуванням зв'язком та фрезерні верстати з ЧПК (вертикальні обробні центри) стали актуальним напрямком розвитку. Завдяки простоті 5-осьового керування зв'язком у програмуванні ЧПК для кульових фрез під час обробки вільних поверхонь, а також можливості підтримувати прийнятну швидкість різання для кульових фрез під час процесу фрезерування 3D-поверхонь, шорсткість оброблюваної поверхні значно покращується, а ефективність обробки значно підвищується. Однак, у 3-осьових верстатах з керуванням зв'язком неможливо уникнути участі в різанні кінця кульового фрези зі швидкістю різання, близькою до нуля. Тому 5-осьові верстати з керуванням зв'язком стали об'єктом активного розвитку та конкуренції серед основних виробників верстатів завдяки своїм незамінним перевагам у продуктивності.
Останнім часом зарубіжні країни все ще досліджують 6-осьове керування з'єднанням з використанням не обертових різальних інструментів на обробних центрах. Хоча форма їхньої обробки не обмежена, а глибина різання може бути дуже тонкою, ефективність обробки занадто низька, і це важко реалізувати на практиці.
6. Інтелект
Інтелект є основним напрямком розвитку виробничих технологій у 21 столітті. Інтелектуальна обробка — це тип обробки, заснований на нейронному мережевому управлінні, нечіткому управлінні, технології цифрових мереж та теорії. Вона спрямована на моделювання інтелектуальної діяльності людей-експертів під час процесу обробки, щоб вирішити багато невизначених проблем, які потребують ручного втручання. Зміст інтелекту включає різні аспекти в системах ЧПК:
Прагнути до інтелектуальної ефективності та якості обробки, такої як адаптивне керування та автоматична генерація параметрів процесу;
Для покращення характеристик керування та сприяння інтелектуальному підключенню, такому як керування з прямим зв'язком, адаптивний розрахунок параметрів двигуна, автоматична ідентифікація навантажень, автоматичний вибір моделей, самоналаштування тощо;
Спрощене програмування та інтелектуальна робота, такі як інтелектуальне автоматичне програмування, інтелектуальний інтерфейс людина-машина тощо;
Інтелектуальна діагностика та моніторинг полегшують діагностику та обслуговування системи.
У світі досліджується багато інтелектуальних систем різання та обробки, серед яких репрезентативними є інтелектуальні рішення для обробки свердління, розроблені Японською асоціацією дослідження інтелектуальних пристроїв з ЧПК.
7. Нетворкінг
Мережеве керування верстатами головним чином стосується мережевого з'єднання та мережевого керування між верстатом та іншими зовнішніми системами керування або верхніми комп'ютерами через обладнану систему ЧПК. Верстати з ЧПК зазвичай спочатку підключаються до виробничого майданчика та внутрішньої локальної мережі підприємства, а потім підключаються до зовнішньої частини підприємства через Інтернет, що називається технологією Інтернет/Інтранет.
Зі зрілістю та розвитком мережевих технологій, галузь нещодавно запропонувала концепцію цифрового виробництва. Цифрове виробництво, також відоме як "електронне виробництво", є одним із символів модернізації на підприємствах машинобудування та стандартним методом постачання для міжнародних виробників передових верстатів сьогодні. З широким впровадженням інформаційних технологій все більше вітчизняних користувачів потребують послуг дистанційного зв'язку та інших функцій під час імпорту верстатів з ЧПК. Завдяки широкому впровадженню CAD/CAM, підприємства машинобудування все частіше використовують обладнання для обробки з ЧПК. Програмне забезпечення для ЧПК стає все більш насиченим та зручним у використанні. Віртуальне проектування, віртуальне виробництво та інші технології все частіше використовуються інженерно-технічним персоналом. Заміна складного обладнання програмним інтелектом стає важливою тенденцією в розвитку сучасних верстатів. З метою цифрового виробництва, завдяки реінжинірингу процесів та трансформації інформаційних технологій з'явився ряд передових програм для управління підприємством, таких як ERP, що створює більші економічні вигоди для підприємств.
8. Гнучкість
Тенденція верстатів з ЧПК до гнучких систем автоматизації полягає в розвитку від точкового (одноверстатний верстат з ЧПК, обробний центр та композитний верстат з ЧПК), лінійного (FMC, FMS, FTL, FML) до поверхневого (незалежний виробничий острів, FA) та корпусного (CIMS, розподілена мережева інтегрована виробнича система), а з іншого боку, зосередження на застосуванні та економіці. Технологія гнучкої автоматизації є основним засобом для виробничої промисловості адаптуватися до динамічних вимог ринку та швидко оновлювати продукцію. Це основна тенденція розвитку виробництва в різних країнах та фундаментальна технологія в галузі передового виробництва. Її основна увага зосереджена на підвищенні надійності та практичності системи з метою легкого мережевого об'єднання та інтеграції; акцент на розвитку та вдосконаленні одиничних технологій; одноверстатний верстат з ЧПК розвивається в напрямку високої точності, високої швидкості та високої гнучкості; верстати з ЧПК та їх гнучкі виробничі системи можна легко підключити до CAD, CAM, CAPP, MTS та розвиватися в напрямку інформаційної інтеграції; розвиток мережевих систем у напрямку відкритості, інтеграції та інтелекту.
9. Озеленення
Металорізальні верстати 21-го століття повинні надавати пріоритет захисту навколишнього середовища та енергозбереженню, тобто досягати екологізації процесів різання. Наразі ця зелена технологія обробки в основному зосереджена на відсутності використання ріжучої рідини, головним чином тому, що ріжуча рідина не тільки забруднює навколишнє середовище та ставить під загрозу здоров'я працівників, але й збільшує споживання ресурсів та енергії. Сухе різання зазвичай здійснюється в атмосфері, але також включає різання в спеціальних газових середовищах (азот, холодне повітря або використання технології сухого електростатичного охолодження) без використання ріжучої рідини. Однак для певних методів обробки та комбінацій заготовок сухе різання без використання ріжучої рідини наразі важко застосовувати на практиці, тому з'явилося квазісухе різання з мінімальним змащенням (MQL). Наразі 10-15% великомасштабної механічної обробки в Європі використовують сухе та квазісухе різання. Для верстатів, таких як обробні центри, які призначені для кількох методів обробки/комбінацій заготовок, в основному використовується квазісухе різання, зазвичай шляхом розпилення суміші надзвичайно малої кількості ріжучої оливи та стисненого повітря в зону різання через порожнистий канал всередині шпинделя верстата та інструменту. Серед різних типів металорізальних верстатів зубофрезерний верстат є найпоширенішим для сухого різання.
Коротше кажучи, прогрес і розвиток технології верстатів з ЧПК створили сприятливі умови для розвитку сучасної обробної промисловості, сприяючи розвитку виробництва в більш гуманізованому напрямку. Можна передбачити, що з розвитком технології верстатів з ЧПК та широким застосуванням верстатів з ЧПК, обробна промисловість відкриє глибоку революцію, яка може похитнути традиційну модель виробництва.