Tecnología de mecanizado de alta velocidad: principios, optimización de la trayectoria de la herramienta y aplicaciones industriales
Abstracto
El mecanizado de alta velocidad (HSM) no es un simple aumento de la velocidad del husillo, sino un sistema técnico completo que incluye dinámica de máquina herramienta, materiales de herramientas, estrategias de corte y planificación de la ruta de CAM. Su objetivo principal es mejorar en gran medida la tasa de eliminación de material (MRR) y reducir la fuerza de corte a través de una profundidad de corte pequeña, alta velocidad y gran alimentación bajo la premisa de garantizar la precisión del mecanizado. Partiendo de la esencia física del corte de alta velocidad, este documento explica en profundidad la base teórica del principio de "efecto de adelgazamiento de viruta" y "ángulo de corte constante", y analiza sistemáticamente los requisitos técnicos de los materiales de herramientas (nano-recubrimiento, carburo cementado recubierto de PVD) y el sistema de vástago (vástago termorretráctil HSK) adecuados para el mecanizado de alta velocidad. A nivel de CAM, se discuten las estrategias de recorrido de herramientas para máquinas herramienta de alta velocidad, como el fresado cicloide, el corte helicoidal y el recorrido de transición suave, y se da la implementación tecnológica del ajuste automático de la velocidad de avance y el control de aceleración. Tomando como ejemplo el mecanizado de alta velocidad de moldes de cubiertas de automóviles, se proporcionan los datos comparativos de la eficiencia del mecanizado y la calidad de la superficie. Finalmente, se discuten las mejores prácticas de corte de alta velocidad en el mecanizado de piezas de paredes delgadas, metales no ferrosos y acero endurecido, y se proporciona la ventana de parámetros operables para los técnicos.
Primero, corte a alta velocidad: definición y naturaleza física
El concepto de corte a alta velocidad fue propuesto por primera vez por el erudito alemán Carl Salomon, cuya hipótesis teórica sostiene que cuando la velocidad de corte supera un cierto valor crítico, la temperatura de corte disminuye. Aunque este punto de inflexión específico no se ha confirmado completamente en muchos materiales, el corte a alta velocidad ha traído cambios revolucionarios en la industria: fuerza de corte reducida, formación de viruta más suave y una menor proporción de calor que entra en la pieza de trabajo.
De hecho, el corte a alta velocidad se define como una velocidad de corte de 1000-7000 m / min para aleaciones de aluminio; 300-800 m / min para piezas de acero; y 150-300 m / min para acero endurecido (por encima de HRC 50). Las características distintivas del corte a alta velocidad son: una pequeña profundidad radial de corte (generalmente 3% -10% del diámetro de la herramienta), una profundidad axial media de corte, pero una velocidad de avance extremadamente alta (hasta 20 m / min o más). Este corte de "pelado de capas" permite aplicar la fuerza de corte principalmente en la dirección axial, reduciendo la deformación lateral, y es especialmente adecuado para estructuras de paredes delgadas.
Efecto de adelgazamiento de virutas y trayectoria constante del ángulo de corte
Para comprender el corte a alta velocidad, es necesario dominar el "efecto de adelgazamiento de la viruta". Cuando se utiliza una pequeña profundidad radial de corte (por ejemplo, diámetro de la herramienta 10 mm, profundidad radial de corte 0,5 mm), el grosor máximo de las virutas es menor que la alimentación por diente. Para mantener el grosor de viruta deseado (para evitar el sobrecalentamiento de la herramienta), se debe aumentar la velocidad de alimentación. La fórmula es: grosor máximo real de viruta = alimentación por diente sin (ángulo de corte). El ángulo de corte depende de la relación profundidad radial de corte / diámetro de la herramienta. Este efecto permite un aumento significativo de la velocidad de alimentación manteniendo constante la carga térmica.
En base a esto, un principio central de la ruta CAM de corte de alta velocidad es mantener una profundidad radial de corte constante, es decir, un ángulo de corte constante. Para ello, se desarrolló una estrategia de fresado cicloidal: la herramienta se mueve a lo largo de una trayectoria de arco y la profundidad radial de corte permanece constante, incluso en fresado de ranuras o mecanizado de cavidades estrechas. Esta estrategia hace que el choque térmico de la herramienta sea uniforme y prolonga significativamente la vida útil.
Tres, sistema de herramientas de mecanizado de alta velocidad y requisitos de máquina herramienta
El corte de alta velocidad supone una demanda extremadamente alta de herramientas y portaherramientas. La expansión centrífuga de los portaherramientas BT convencionales por encima de las 20.000 rpm puede provocar la caída de la herramienta. Los portaherramientas HSK (conos cortos huecos) son más adecuados para husillos de alta velocidad debido a su estructura de contacto de doble cara. Los portaherramientas hidráulicos o termorretráctiles proporcionan una mejor precisión de batido (
En términos de máquinas herramienta, se requieren camas de alta rigidez (por ejemplo, hormigón polimérico), guías de rodillos lineales, husillos eléctricos de alta potencia (≥30kW, por encima de 30.000 rpm) y servoaccionamientos de respuesta rápida. De particular importancia es la aceleración y el control de sacudidas: hay un gran número de pequeños segmentos de línea en la ruta de mecanizado de alta velocidad, y el sistema de control necesita tener una función de límite de alta velocidad para evitar la vibración de la máquina.
IV. Estrategia de mecanizado de alta velocidad CAM y suavizado de rutas
La ruta de la herramienta de desplazamiento equidistante "dentada" tradicional producirá cambios repentinos de carga y giros bruscos de dirección, lo que no es adecuado para cortes de alta velocidad. Modern CAM ha desarrollado las siguientes tecnologías específicamente para HSM:
Mecanizado en espiral de altura constante: espiral hacia abajo capa por capa a lo largo del plano Z, con alimentación y salida suaves y continuas.
Fresado de ranuras cicloidales: como se mencionó anteriormente, resuelve eficazmente la dificultad de la eliminación de virutas de ranuras profundas.
Conexión de carga constante: se utilizan transiciones automáticas de arco o en forma de S en las conexiones de área en lugar de ángulos rectos nítidos.
Ajuste automático de la velocidad de alimentación: ajuste la velocidad de alimentación en tiempo real en función del cambio de volumen de corte para mantener constante la potencia del husillo.
Filtro de suavizado de ruta: los segmentos de línea pequeños se simulan en curvas NURBS, y el controlador realiza una interpolación directa para reducir el impacto de la aceleración.
El "fresado adaptativo" de Siemens NX y el "fresado dinámico" de Mastercam son estrategias representativas basadas en el concepto de ángulos de corte constantes.
Caso: mecanizado de alta velocidad de moldes de paneles de puertas de automóviles
Un molde de inyección de panel de puerta de automóvil grande (material P20, dureza HRC32, tamaño de cavidad 800500200mm). Proceso tradicional: cuchillo de cabeza esférica de 20 mm de Ø, S8000, F1500, profundidad radial de corte de 6 mm, ciclo de desbaste de 32 horas. Proceso de alta velocidad: use un cuchillo de fondo plano con revestimiento superduro de 12 mm de Ø, S18000, F6000, profundidad radial de corte de 0,8 mm, fresado dinámico cicloidal. El desbaste solo toma 9,5 horas, la vida útil de la herramienta aumenta en 3 veces y el margen de semiacabado posterior es uniforme, no se requiere pulido manual. La rugosidad final de la superficie mecanizada se reduce de Ra1,8um a Ra0,6m.
VI. Conclusión
El corte de alta velocidad requiere un cambio general en el pensamiento de programación: de "profundidad de corte pesada y baja velocidad" a "corte ligero de alta y ultra alta velocidad". La implementación exitosa de HSM requiere una optimización colaborativa de herramientas, máquinas herramienta, CAM y controles, especialmente con ángulos de corte constantes en el núcleo. Para moldes, piezas de paredes delgadas y difficult-to-machine materiales, el corte de alta velocidad se ha convertido en una práctica estándar para mejorar la competitividad.
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