Il rapido progresso della tecnologia dei sistemi CNC ha creato le condizioni per il progresso tecnologico delle macchine utensili CNC. Per soddisfare le esigenze del mercato e i requisiti più elevati delle moderne tecnologie di produzione CNC, l'attuale sviluppo della tecnologia CNC mondiale e delle sue attrezzature si riflette principalmente nelle seguenti caratteristiche tecniche:
1. Alta velocità
Lo sviluppo diMacchine utensili CNCLa direzione dell'alta velocità non solo può migliorare significativamente l'efficienza di lavorazione e ridurre i costi, ma anche migliorare la qualità della lavorazione superficiale e la precisione dei pezzi. La tecnologia di lavorazione ad altissima velocità ha un'ampia applicabilità per ottenere una produzione a basso costo nell'industria manifatturiera.
A partire dagli anni '90, paesi in Europa, Stati Uniti e Giappone hanno gareggiato per sviluppare e applicare una nuova generazione di macchine utensili CNC ad alta velocità, accelerando il ritmo dello sviluppo ad alta velocità delle macchine utensili. Nuove innovazioni sono state apportate nell'unità mandrino ad alta velocità (mandrino elettrico, velocità 15.000-100.000 giri/min), nei componenti di avanzamento ad alta velocità e ad alta accelerazione/decelerazione (velocità di movimento rapida 60-120 m/min, velocità di avanzamento di taglio fino a 60 m/min), nei sistemi CNC e servo ad alte prestazioni e nei sistemi di utensili CNC, raggiungendo nuovi livelli tecnologici. Con la risoluzione di tecnologie chiave in una serie di settori tecnici come meccanismi di taglio ad altissima velocità, materiali per utensili ultra resistenti all'usura e a lunga durata e utensili di rettifica abrasivi, mandrini elettrici ad alta potenza e alta velocità, componenti di avanzamento azionati da motori lineari ad alta accelerazione/decelerazione, sistemi di controllo ad alte prestazioni (inclusi i sistemi di monitoraggio) e dispositivi di protezione, è stata gettata una base tecnica per lo sviluppo e l'applicazione della nuova generazione di macchine utensili CNC ad alta velocità.
Attualmente, nella lavorazione ad altissima velocità, la velocità di taglio di tornitura e fresatura ha raggiunto oltre 5000-8000 m/min; La velocità del mandrino è superiore a 30000 giri/min (alcuni possono raggiungere fino a 100000 giri/min); La velocità di movimento (velocità di avanzamento) del banco da lavoro: superiore a 100 m/min (alcuni fino a 200 m/min) con una risoluzione di 1 micrometro e superiore a 24 m/min con una risoluzione di 0,1 micrometro; Velocità di cambio utensile automatico entro 1 secondo; La velocità di avanzamento per l'interpolazione di piccole linee raggiunge i 12 m/min.
2. Alta precisione
Lo sviluppo diMacchine utensili CNCDalla lavorazione di precisione alla lavorazione di ultra-precisione, questa è una direzione verso cui si stanno impegnando le potenze industriali di tutto il mondo. La sua precisione spazia dal livello micrometrico a quello submicronico, fino a raggiungere persino il livello nanometrico (<10 nm), e il suo campo di applicazione sta diventando sempre più ampio.
Attualmente, in base ai requisiti di lavorazioni meccaniche ad alta precisione, la precisione di lavorazione delle normali macchine utensili CNC è aumentata da ± 10 μm a ± 5 μm; La precisione di lavorazione dei centri di lavoro di precisione varia da ± 3 a 5 μm. Aumenta a ± 1-1,5 μm. Ancora più elevata; La precisione di lavorazione ultraprecisa ha raggiunto il livello nanometrico (0,001 micrometri) e la precisione di rotazione del mandrino deve raggiungere 0,01~0,05 micrometri, con una rotondità di lavorazione di 0,1 micrometri e una rugosità superficiale di lavorazione di Ra=0,003 micrometri. Queste macchine utensili utilizzano generalmente mandrini elettrici a frequenza variabile con controllo vettoriale (integrati con il motore e il mandrino), con eccentricità radiale del mandrino inferiore a 2 μm, spostamento assiale inferiore a 1 μm e sbilanciamento dell'albero che raggiunge il livello G0,4.
L'azionamento dell'avanzamento delle macchine utensili ad alta velocità e precisione comprende principalmente due tipologie: "servomotore rotativo con vite a sfere di precisione ad alta velocità" e "motore lineare a trasmissione diretta". Inoltre, anche le macchine utensili parallele emergenti consentono facilmente l'avanzamento ad alta velocità.
Grazie alla loro tecnologia avanzata e alla loro ampia applicazione, le viti a ricircolo di sfere non solo raggiungono un'elevata precisione (livello 1 ISO3408), ma hanno anche costi di lavorazione ad alta velocità relativamente bassi. Pertanto, sono ancora oggi utilizzate su molte macchine utensili ad alta velocità. Le attuali macchine utensili ad alta velocità azionate da viti a ricircolo di sfere hanno una velocità di movimento massima di 90 m/min e un'accelerazione di 1,5 g.
Le viti a sfere appartengono alla trasmissione meccanica, che inevitabilmente comporta deformazione elastica, attrito e gioco inverso durante il processo di trasmissione, con conseguenti isteresi di movimento e altri errori non lineari. Per eliminare l'impatto di questi errori sulla precisione di lavorazione, nel 1993 è stato applicato l'azionamento diretto con motore lineare alle macchine utensili. Trattandosi di una "trasmissione zero" senza collegamenti intermedi, non solo presenta una ridotta inerzia di movimento, un'elevata rigidità del sistema e una risposta rapida, ma può anche raggiungere velocità e accelerazioni elevate, con una lunghezza della corsa teoricamente illimitata. Anche la precisione di posizionamento può raggiungere un livello elevato grazie all'azione di un sistema di feedback di posizione ad alta precisione, rendendolo un metodo di azionamento ideale per macchine utensili ad alta velocità e alta precisione, in particolare macchine utensili di medie e grandi dimensioni. Attualmente, la velocità massima di movimento rapido delle macchine ad alta velocità e alta precisione che utilizzano motori lineari ha raggiunto i 208 m/min, con un'accelerazione di 2 g, e c'è ancora spazio per ulteriori sviluppi.
3. Alta affidabilità
Con lo sviluppo di applicazioni in rete diMacchine utensili CNCL'elevata affidabilità delle macchine utensili CNC è diventata un obiettivo perseguito dai produttori di sistemi CNC e di macchine utensili CNC. Per una fabbrica non presidiata che lavora su due turni al giorno, se è richiesto di lavorare ininterrottamente e normalmente entro 16 ore con un tasso di assenza di guasti pari o superiore a P(t)=99%, il tempo medio tra guasti (MTBF) della macchina utensile CNC deve essere superiore a 3000 ore. Per una sola macchina utensile CNC, il rapporto tra il tasso di guasto e il sistema CNC è di 10:1 (l'affidabilità del CNC è di un ordine di grandezza superiore a quella del sistema host). A questo punto, l'MTBF del sistema CNC deve essere superiore a 33333,3 ore e l'MTBF del dispositivo CNC, del mandrino e dell'azionamento deve essere superiore a 100000 ore.
Il valore MTBF degli attuali dispositivi CNC esteri ha superato le 6.000 ore, mentre quello del dispositivo di azionamento ha superato le 30.000 ore. Tuttavia, si può osservare che c'è ancora un divario rispetto al target ideale.
4. Composizione
Nel processo di lavorazione dei pezzi, si spreca una grande quantità di tempo inutile per la movimentazione dei pezzi, il carico e lo scarico, l'installazione e la regolazione, il cambio utensile e l'aumento e la diminuzione della velocità del mandrino. Per ridurre al minimo questi tempi inutili, si spera di integrare diverse funzioni di lavorazione sulla stessa macchina utensile. Pertanto, le macchine utensili a funzioni composte sono diventate un modello in rapida evoluzione negli ultimi anni.
Il concetto di lavorazione di materiali compositi con macchine utensili nel campo della produzione flessibile si riferisce alla capacità di una macchina utensile di eseguire automaticamente lavorazioni multiprocesso con lo stesso o diversi metodi di processo secondo un programma di lavorazione CNC dopo aver bloccato il pezzo in un'unica operazione, al fine di completare diverse lavorazioni come tornitura, fresatura, foratura, alesatura, rettifica, maschiatura, alesatura ed espansione di un pezzo di forma complessa. Per quanto riguarda i pezzi prismatici, i centri di lavoro sono le macchine utensili più tipiche che eseguono lavorazioni di materiali compositi multiprocesso utilizzando lo stesso metodo di processo. È stato dimostrato che la lavorazione di materiali compositi con macchine utensili può migliorare la precisione e l'efficienza di lavorazione, risparmiare spazio e soprattutto ridurre il ciclo di lavorazione dei pezzi.
5. Poliassializzazione
Con la diffusione dei sistemi CNC a 5 assi e dei software di programmazione, i centri di lavoro a 5 assi con controllo a collegamento e le fresatrici CNC (centri di lavoro verticali) sono diventati un punto di svolta attuale. Grazie alla semplicità del controllo a collegamento a 5 assi nella programmazione CNC per frese a testa sferica durante la lavorazione di superfici libere e alla capacità di mantenere una velocità di taglio ragionevole per le frese a testa sferica durante il processo di fresatura di superfici 3D, la rugosità della superficie di lavorazione e l'efficienza di lavorazione risultano notevolmente migliorate. Tuttavia, nelle macchine utensili a 3 assi con controllo a collegamento, è impossibile evitare che l'estremità della fresa a testa sferica con una velocità di taglio prossima allo zero partecipi al taglio. Pertanto, le macchine utensili a collegamento a 5 assi sono diventate il fulcro di uno sviluppo attivo e della concorrenza tra i principali produttori di macchine utensili grazie ai loro insostituibili vantaggi prestazionali.
Di recente, i paesi stranieri stanno ancora studiando il controllo del collegamento a 6 assi utilizzando utensili da taglio non rotanti nei centri di lavoro. Sebbene la loro forma di lavorazione non sia soggetta a restrizioni e la profondità di taglio possa essere molto ridotta, l'efficienza di lavorazione è troppo bassa e risulta difficile da applicare.
6. Intelligenza
L'intelligenza artificiale è una delle principali direzioni per lo sviluppo della tecnologia manifatturiera nel XXI secolo. La lavorazione meccanica intelligente è un tipo di lavorazione basato sul controllo tramite reti neurali, controllo fuzzy, tecnologia delle reti digitali e teoria. Mira a simulare le attività intelligenti degli esperti umani durante il processo di lavorazione, al fine di risolvere molti problemi incerti che richiedono l'intervento manuale. Il contenuto dell'intelligenza artificiale include vari aspetti nei sistemi CNC:
Perseguire l'efficienza e la qualità dell'elaborazione intelligente, come il controllo adattivo e la generazione automatica dei parametri di processo;
Per migliorare le prestazioni di guida e facilitare la connessione intelligente, come il controllo feedforward, il calcolo adattivo dei parametri del motore, l'identificazione automatica dei carichi, la selezione automatica dei modelli, l'auto-regolazione, ecc.;
Programmazione semplificata e funzionamento intelligente, come la programmazione automatica intelligente, l'interfaccia uomo-macchina intelligente, ecc.;
La diagnosi e il monitoraggio intelligenti facilitano la diagnosi e la manutenzione del sistema.
Nel mondo sono in fase di ricerca numerosi sistemi intelligenti di taglio e lavorazione, tra cui le soluzioni di lavorazione intelligenti per la foratura della Japan Intelligent CNC Device Research Association sono rappresentative.
7. Networking
Il controllo in rete delle macchine utensili si riferisce principalmente alla connessione di rete e al controllo di rete tra la macchina utensile e altri sistemi di controllo esterni o computer superiori tramite il sistema CNC installato. Le macchine utensili CNC generalmente si collegano prima al sito di produzione e alla LAN interna dell'azienda, per poi connettersi all'esterno tramite Internet, ovvero tramite la tecnologia Internet/Intranet.
Con la maturità e lo sviluppo della tecnologia di rete, l'industria ha recentemente proposto il concetto di produzione digitale. La produzione digitale, nota anche come "e-manufacturing", è uno dei simboli della modernizzazione nelle imprese di produzione meccanica e oggi rappresenta il metodo di fornitura standard per i produttori internazionali di macchine utensili avanzate. Con la diffusa adozione delle tecnologie informatiche, sempre più utenti domestici richiedono servizi di comunicazione remota e altre funzioni per l'importazione di macchine utensili CNC. Grazie alla diffusa adozione di CAD/CAM, le imprese di produzione meccanica utilizzano sempre più macchinari per la lavorazione CNC. Il software applicativo CNC sta diventando sempre più ricco e intuitivo. La progettazione virtuale, la produzione virtuale e altre tecnologie sono sempre più utilizzate da ingegneri e tecnici. La sostituzione di hardware complessi con l'intelligenza artificiale del software sta diventando una tendenza importante nello sviluppo delle macchine utensili moderne. Nell'ambito della produzione digitale, diversi software avanzati per la gestione aziendale, come gli ERP, sono emersi attraverso la reingegnerizzazione dei processi e la trasformazione delle tecnologie informatiche, creando maggiori vantaggi economici per le imprese.
8. Flessibilità
La tendenza delle macchine utensili CNC verso sistemi di automazione flessibili è quella di evolversi da punto (macchina CNC singola, centro di lavoro e macchina CNC per lavorazione di materiali compositi), linea (FMC, FMS, FTL, FML) a superficie (isola di produzione indipendente, FA) e corpo (CIMS, sistema di produzione integrato in rete distribuita), e dall'altro lato, di concentrarsi su applicazione ed economicità. La tecnologia di automazione flessibile è il mezzo principale che consente all'industria manifatturiera di adattarsi alle dinamiche esigenze del mercato e di aggiornare rapidamente i prodotti. È la tendenza principale dello sviluppo manifatturiero in diversi paesi e la tecnologia fondamentale nel campo della produzione avanzata. Il suo obiettivo è migliorare l'affidabilità e la praticità del sistema, con l'obiettivo di una facile connettività e integrazione; enfatizzare lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia unitaria; le singole macchine CNC si stanno sviluppando verso alta precisione, alta velocità ed elevata flessibilità; le macchine utensili CNC e i loro sistemi di produzione flessibili possono essere facilmente collegati a CAD, CAM, CAPP, MTS e svilupparsi verso l'integrazione delle informazioni; lo sviluppo dei sistemi di rete verso apertura, integrazione e intelligenza.
9. Ecologizzazione
Le macchine utensili per il taglio dei metalli del XXI secolo devono dare priorità alla tutela ambientale e al risparmio energetico, ovvero raggiungere processi di taglio più ecologici. Attualmente, questa tecnologia di lavorazione ecologica si concentra principalmente sull'eliminazione dell'utilizzo di fluido da taglio, principalmente perché quest'ultimo non solo inquina l'ambiente e mette a rischio la salute dei lavoratori, ma aumenta anche il consumo di risorse ed energia. Il taglio a secco viene generalmente eseguito in atmosfera atmosferica, ma include anche il taglio in atmosfere gassose speciali (azoto, aria fredda o utilizzando la tecnologia di raffreddamento elettrostatico a secco) senza l'utilizzo di fluido da taglio. Tuttavia, per alcuni metodi di lavorazione e combinazioni di pezzi, il taglio a secco senza l'utilizzo di fluido da taglio è attualmente difficile da applicare nella pratica, pertanto è emerso il taglio quasi a secco con lubrificazione minima (MQL). Attualmente, il 10-15% delle lavorazioni meccaniche su larga scala in Europa utilizza il taglio a secco e quasi a secco. Per macchine utensili come i centri di lavoro, progettate per molteplici metodi di lavorazione/combinazioni di pezzi, si utilizza principalmente il taglio quasi a secco, solitamente spruzzando una miscela di quantità estremamente ridotte di olio da taglio e aria compressa nell'area di taglio attraverso il canale cavo all'interno del mandrino della macchina e dell'utensile. Tra i vari tipi di macchine per il taglio dei metalli, la dentatrice a creatore è la più comunemente utilizzata per il taglio a secco.
In breve, il progresso e lo sviluppo della tecnologia delle macchine utensili CNC hanno creato condizioni favorevoli per lo sviluppo dell'industria manifatturiera moderna, promuovendo lo sviluppo della produzione verso una direzione più umanizzata. Si può prevedere che con lo sviluppo della tecnologia delle macchine utensili CNC e la loro diffusa applicazione, l'industria manifatturiera inaugurerà una profonda rivoluzione in grado di sconvolgere il modello di produzione tradizionale.