Technologieentwicklungstrend bei fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschinen
CNC-Werkzeugmaschinen sind die Arbeitspferde der Fertigungsanlagenindustrie und bilden den Eckpfeiler für die Realisierung fortschrittlicher Fertigungstechnologien und die Modernisierung von Anlagen. Sie sollen die Entwicklung von Hightech-Industrien und die Modernisierung der nationalen Verteidigungs- und militärstrategischen Ausrüstung sicherstellen. Mit der Entwicklung der Industrialisierung gelten CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verkettung als wichtigste Verarbeitungswerkzeuge für die Verarbeitung von Schlüsselkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt, Präzisionsinstrumenten, der Energieerzeugung und anderen Branchen.
Als schwierigste und am weitesten verbreitete CNC-Werkzeugmaschinentechnologie verfügen CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verkettung über unersetzliche Vorteile bei der Bearbeitung.
1) Allgemeine dreiachsige Maschinen mit Verbindungsstücken können keine durchgehenden glatten Freiformflächen bearbeiten oder können keine Spannbearbeitung durchführen. Zum Beispiel Rotoren von Flugzeugmotoren, Rotoren großer Generatoren oder Spiralen großer Schiffe.
Da bei 5-achsigen CNC-Werkzeugmaschinen der Winkel des Werkzeugs relativ zum Werkstück jederzeit angepasst werden kann, um Störungen bei der Werkzeugbearbeitung zu vermeiden, können 5-achsige CNC-Werkzeugmaschinen viele komplexe Bearbeitungen durchführen, die mit 3-achsigen CNC-Werkzeugmaschinen nicht möglich sind.
2) kann die Bearbeitung Genauigkeit der Bearbeitungseffizienz und Bearbeitungsqualität der Freiraumoberfläche. Im Vergleich zu dreiachsigen CNC-Werkzeugmaschinen, die allgemeine komplexe Werkstücke mit Hohlräumen bearbeiten, können fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen die Bearbeitung in einer Klemmvorrichtung abschließen. Da die Bearbeitungswinkel der fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschine jederzeit angepasst werden kann, können fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen das Werkstück in einem besseren Winkel bearbeiten, wodurch das mehrfache Klemmen vermieden wird, was die Bearbeitungseffizienz, Bearbeitungsqualität und Bearbeitungsgenauigkeit erheblich verbessert.
3) Im Einklang mit dem Trend der Werkzeugmaschinenentwicklung. Bei der Teilebearbeitung wird viel Zeit für die Handhabung der Werkstücke, das Be- und Entladen sowie die Installations- und Einstellzeit benötigt. Um diese Zeit zu minimieren, möchten die Leute eine Werkzeugmaschine verwenden, um möglichst viele Bearbeitungen durchzuführen.
Fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen können mehrere Sätze dreiachsiger CNC-Werkzeugmaschinen ergänzen, um die Bearbeitungsaufgaben zu erledigen. Dadurch wird viel Platz gespart und der Werkstücktransport zwischen verschiedenen Bearbeitungseinheiten zeit- und kostensparender. Fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der heutigen Werkzeugmaschinenindustrie und sind zu einem Brennpunkt und Schwerpunkt geworden.
Fünfachsige vernetzte CNC-Werkzeugmaschinen in verschiedenen Ländern
1. Die Grundstruktur der Fünf-Achsen-Verbindung CNC-Werkzeugmaschinen zur Realisierung einer Fünf-Achsen-Verbindung
Die Grundstruktur von CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verbindung zur Realisierung einer fünfachsigen Verbindung. Neben der Realisierung der Bewegung der X-/Y-/Z-Achsen müssen CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verbindung auch die Drehung zweier Achsen realisieren. Am Beispiel des vertikalen Bearbeitungszentrums gibt es zwei Möglichkeiten, den Rotationskopf des vertikalen fünfachsigen Bearbeitungszentrums zu realisieren:
1) Tischschwenkachse.
Der auf dem Bett befestigte Tisch kann um die X-Achse, die als A-Achse definiert ist, rotieren. In der Mitte des Tisches befindet sich außerdem ein Drehtisch, der um die Z-Achse, die als C-Achse definiert ist, rotiert. Durch die Kombination der A-Achse und der C-Achse kann das auf dem Tisch befestigte Werkstück mit Ausnahme der Unterseite von der Spindel des Bearbeitungszentrums bearbeitet werden.
Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, dass die Spindel relativ einfach ist, die Spindelsteifigkeit gut ist und die Herstellungskosten niedrig sind. Der Nachteil besteht darin, dass der Tisch nicht zu groß eingestellt werden kann und eine geringere Tragfähigkeit aufweist.
2) Verlassen Sie sich auf den rotierenden Spindelkopf.
Vor der Spindel befindet sich ein Drehkopf. Dieser Drehkopf kann einerseits um 360° um die Z-Achse gedreht werden, um zur C-Achse zu werden, andererseits kann er um die X-Achse gedreht werden, um zur A-Achse zu werden. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Spindelkopf flexibler ist und große Teile wie den Rumpf eines großen Verkehrsflugzeugs bearbeiten kann. Daher wird er häufiger bei großen Portalmaschinen eingesetzt.
Durch diese Anordnung wird die Spindel während des Schneidvorgangs relativ zum Werkstück um einen Winkel gedreht, sodass der Kugelfräser den Scheitelpunkt des Schnitts vermeidet und eine bestimmte Lineargeschwindigkeit gewährleistet werden kann. Dadurch kann die Genauigkeit des Oberflächenschnitts verbessert werden. Daher ist diese Konstruktion für die hochpräzise Oberflächenbearbeitung sehr gut geeignet.
Zusätzlich zu den beiden oben genannten Strukturen verfügen horizontale Bearbeitungszentren über eine Kombination aus Tischdrehung und Spindelkopfschwenkung, um eine fünfachsige Verbindungsstruktur zu erreichen.
2. Forschungsstand zu CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Anlenkung in Europa und den USA
Die aktuellen CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verknüpfung in Europa und den Vereinigten Staaten sowie Japan als Vertreter der CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verknüpfung in diesen Ländern stellen den höchsten Entwicklungsstand von CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verknüpfung dar.
Derzeit kann der Entwicklungsschwerpunkt der berühmten Werkzeugmaschinenfabrik für fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen wie folgt zusammengefasst werden: hohe Geschwindigkeit, hohe Präzision, Umweltschutz, Intelligenz, Verbundwerkstoff. Drehmomentmotoren werden im Ausland häufig als rotierende Koordinatenantriebsvorrichtung verwendet, sodass ausländische Werkzeugmaschinen-Zuführmechanismen die Zielvorgabe „High Speed, Low Loss, High Precision, High Efficiency IS“ erreichen.
Wenn der DMC165 von DMG mit einem Drehtisch ausgestattet ist, ist er in der Lage, fünfachsige CNC-Simultanbearbeitung durchzuführen.
Die Höchstgeschwindigkeit der Maschine kann 30,000 U/min erreichen. Durch die Verwendung eines Hochleistungs-Linearmotorantriebs kann ihre schnellste Bewegung 90 m/min erreichen, die Beschleunigung 28.
Als Vertreter der Verbundwerkzeugmaschinen wurden das lineare fünfachsige Fräs- und Drehzentrum GMX250 und das fünfachsige Fräs- und Drehzentrum DMU80P/H von DMG aus Deutschland, das neunachsig gesteuerte fünfachsige Fräs- und Drehzentrum Doosan PUMAMX2500ST aus Südkorea aus der Schweiz, das achtachsig gesteuerte fünfachsige gekoppelte Fräs- und Drehzentrum W-508MT von Willem C. Makoder aus der Schweiz sowie Bumotecs S192b, das erste seiner Art weltweit, vorgestellt. Die fünfachsigen Fräs- und Drehzentren S192b1 und S191FrL-R, die von Baume & Mercier Technology aus der Schweiz ausgestellt wurden, erregten auf der CIMT2007 ebenfalls große Aufmerksamkeit.
Durch den Einsatz neuer Werkzeugmaschinentechnologie in Fünfachsen-Werkzeugmaschinen ist die Struktur von Fünfachsen-Werkzeugmaschinen immer einfacher geworden, die Leistung und Funktionalität jedoch immer besser.
Um zu vermeiden, dass es in der Spindelgabel zu kleinen Auslenkungen kommt und die C-Achse um einen großen Winkel gedreht werden muss, hat die deutsche Firma Zimmermann kürzlich einen Spindelkopf M3ABC entwickelt. Dieser Spindelkopf verfügt zusätzlich über eine gekrümmte Führungsbahn und damit über mehr als eine B-Koordinate.
Es handelt sich also um einen Kopf mit drei Drehkoordinaten A, B und C. Neben der Begrenzung des Versatzwinkels von ca. plus minus 40° gibt es noch weitere Positionsbegrenzungen. Dieser Fräskopf vereint alle Vorteile der bisherigen unterschiedlichen Konstruktionslösungen.
Die Vorteile sind: sehr gute Steifigkeit und Kompaktheit bei den Koordinaten A, B und C, großer Auslenkungsbereich und uneingeschränkte C-Achsen-Drehung. Diese Konstruktion ermöglicht eine höhere Präzision bei 5-achsigen CNC-Maschinen.
3. Status quo der Forschung zu CNC-Werkzeugmaschinen mit fünf Achsen in China
Im Vergleich zu ausländischen Produkten ist das Niveau der fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschinen in China noch relativ niedrig. Insbesondere bei Schlüsselfunktionen können keine ähnlichen Produkte wie im Ausland entwickelt werden, es gibt Unterschiede in Stabilität, Genauigkeit und anderen Aspekten.
Mit der Unterstützung der entsprechenden staatlichen Politik und der Bemühungen von Unternehmen, Schulen und anderen Abteilungen hat sich auch die Technologie der fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschinen in China rasant entwickelt und nach und nach sind ausgereiftere Produkte entstanden.
Auf der Werkzeugmaschinenausstellung CIMT2007 hat sich gezeigt, dass Chinas fünfachsige CNC-Werkzeugmaschinen eine Vielzahl ausgereifter Technologien mit eigenständiger Technologie und den Merkmalen des geistigen Eigentums von IS aufweisen.
Shenyang Machine Tool stellte das 25100-Achsen-Vertikalbearbeitungszentrum VMC5u und das 1230-Achsen-Portal-Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrum GMC5u aus, die für die Bearbeitung von Rahmen aus Chin-Legierungen und Aluminiumlegierungen in der Luftfahrtindustrie geeignet sind und seit langem auf Importe aus Europa und den USA angewiesen sind.
Jinan Werkzeugmaschinendisplay XHSV2525X6000 Fünf-Achsen-Portal-Hochgeschwindigkeits-Fräsbearbeitungszentrum, Tischgröße 6,000 mm x 2500 mm, X-/Y-/Z-Achsen-Hub 6,000 mm/2,500 mm/1250 mm, Vorschubgeschwindigkeit 0 – 20,000 mm/min, Schnellauf 40 m/min, Schwenk-Frässpindel 0 – 24 U/min, oszillierende Drehfrässpindel, 0 kW Leistung, 24000 Werkzeugmagazinkapazität.
Bei diesem Produkt handelt es sich um das größte Bearbeitungszentrum mit fünfachsiger Koppelung gemäß den aktuellen Ausstellungsspezifikationen. Dies zeigt, dass Chinas Forschung und Entwicklung im Bereich hochwertiger, großformatiger und hochbelastbarer CNC-Werkzeugmaschinen ebenfalls die neuesten Fortschritte erzielt hat.
Bestimmte Ergebnisse der Entwicklung chinesischer Fünfachsen-CNC-Werkzeugmaschinen während des Zeitraums des „Zehnten Fünfjahresplans“ lassen sich in fünf Punkten zusammenfassen.
1) Es wurden einige originelle Erfolge erzielt.
In Qiqihar gibt es zwei Werkzeugmaschinengruppen an der Universität Tsinghua. Harbin Electric Machinery Co., Ltd. entwickelte die große fünfachsige Portal-Mischwerkzeugmaschine XNZD2415. Mit der parallelen fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschine in China wurde ein wichtiger Durchbruch erzielt. Im Wasserwerk der Harbin Electric Machinery Factory wurde sie zwei Jahre lang eingesetzt und erhielt eine höhere Bewertung.
2) Bei der technologischen Innovation im Bereich der fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschinen ist ein Durchbruch gelungen.
So haben beispielsweise zwei Werkzeugmaschinen in Qiqihar unabhängig voneinander eine fünfachsige Hochgeschwindigkeits-CNC-Fräsmaschine entwickelt. Durch die Einführung und Verarbeitung von Technologien wurden die Vorspannung und Verformungsschutzsteuerung des Fräskopfs mit Ölnebelkühlung und anderen Schlüsseltechnologien perfektioniert. Durch die Anwendung des Harmonic-Drive-Prinzips wurde ein Pendelwinkel-Fräskopf mit Wechselstrom entwickelt, um die Präzisionsanforderungen bei der Oberflächenbearbeitung von Wasserpumpenschaufeln im großen Maßstab zu erfüllen.
Die Shenyang Machine Tool Group hat durch gemeinsame Konstruktionen mit dem Ausland die Antriebseinheit, den Hochgeschwindigkeitsspindel-Werkzeughalter mit großem Durchmesser und großen Durchgangslöchern, den Wärmeausgleich, die Präzisionskompensation und andere Schlüsseltechnologien überwunden und verfügt nun über ein Hochleistungs-Fräs- und Dreh-Komposit-Werkzeugmaschinenmagazin und einen Roboter-Werkzeugwechsler mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten.
Die maximale Spindeldrehzahl liegt bei 70,000 U/min. Damit ist eine schnelle und effiziente Bearbeitung großer rotierender Teile mit komplexen Formen möglich, wie etwa der Spindel eines Flugzeugmotors und des Kolbens eines Schiffsfahrwerksmotors.
Das Beijing Mechanical and Electrical Institute of High Technology Co., Ltd. hat eine Reihe von 5-achsigen Schaufelbearbeitungszentren für die Dongfang Steam Turbine Factory entwickelt. Auf Grundlage der Forschung zum Bearbeitungsprozess großer Schaufeln wurde eine Lösungsmethode für den optimalen Fräser-Achsabstand entwickelt, ein neuartiger Mechanismus zur Beseitigung von Spiel und ein mechanisches Ausgleichssystem für Drehachsen entwickelt und eine freie Federkombination vorgeschlagen, mit der der Ausgleichseffekt 80 % erreicht.
3) Forschung und Entwicklung funktionaler Komponenten, um das Tempo zu beschleunigen.
Das Beijing Machine Tool Research Institute entwickelte die elektrische Spindel und die Hochgeschwindigkeitsspindeleinheit mit getrenntem Antrieb und das Luoyang Bearing Research Institute entwickelte eine Vielzahl von intern montierten elektrischen Spindeleinheiten, sodass die Technologie für Hochgeschwindigkeitsspindeleinheiten in China immer ausgereifter wird.
Die Universität Tsinghua hat wichtige Erfolge in der Forschung zu linearen Servomotoren erzielt und ihr hochempfindlicher Linearmotor und ihr Linearmotor-Servosystem mit hoher Schubkraft bieten die Vorteile einer stabilen und zuverlässigen Spezialstromversorgung.
Im Steuerungssystem wurde eine vollständig digitale Hardware- und Softwareplattform für die Steuerung des Servoantriebs mit hochdynamischem Permanentmagnet-Linear-Wechselstrommotor und Servosteuerung aufgebaut. Durch unabhängige Innovation und technische Zusammenarbeit mit In- und Ausland wurden auch bei der Servosteuerung große Durchbrüche erzielt.
Derzeit verfügen in China mehrere Werkzeugmaschinenhersteller über umfassende Kenntnisse im Design und in der Herstellung von A/C-Achsen-Verbundpendelfräsköpfen sowie in der Entwicklung unterschiedlicher Strukturen von fünfachsigen CNC-Werkzeugmaschinen. Das Beijing Machinery and Electronics Institute of High-Tech Co., Ltd. hat zudem einen Drehmomentmotor entwickelt, der direkt vom A/C-Achsen-Verbundpendelfräskopf angetrieben wird.
4) CNC-Drehtisch und Werkzeugmagazin, die direkt von Kraftmotoren angetrieben werden, wurden erfolgreich entwickelt.
5) Entwicklung der HSK-Werkzeughaltertechnologie und verwandter Produkte
Durch die Forschung und Analyse des HSK-Werkzeugsystems wurde das Expertenwissenssystem des UJS-HSK-Werkzeugsystems entwickelt, die umfassende experimentelle Leistungsdatenbank des HSK-Werkzeugsystems eingerichtet, die Technologie der HSK-Werkzeugschäfte und verwandter Produkte weiterentwickelt und dafür gesorgt, dass das entwickelte HSK-Werkzeugsystem das technische Niveau der gleichen Art importierter technischer Produkte erreichte.
Entwicklungstrend bei CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verkettung
Aus dem Forschungsstand zu CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verknüpfung in verschiedenen Ländern lässt sich der Entwicklungstrend heutiger CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verknüpfung deutlich erkennen:
1) Hohe Geschwindigkeit, hohe Effizienz
Die moderne verarbeitende Industrie in Europa, den USA, Japan und anderen Ländern mit hohen Anforderungen an Effizienz, niedrige Kosten und hohe Qualität ist sehr an der Forschung zu Hochgeschwindigkeits- und sogar Ultrahochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen interessiert. Mit der Entwicklung der Werkzeugmaschinentechnologie für 161 Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen wurden die Hauptfunktionskomponenten Hochgeschwindigkeitsspindeleinheit, Hochgeschwindigkeitsvorschubmechanismus, Hochleistungs-Numerische Steuerung und Servosysteme zu einem Durchbruch, und Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen werden immer vielfältiger. Die aktuelle Spindeldrehzahl mit Linearmotor beträgt bis zu 15,000 bis 100,000 U/min, die Eilganggeschwindigkeit der beweglichen Teile beträgt 60 bis 120 m/min. Die Schnittvorschubgeschwindigkeit beträgt 60 m/min. Die Schnittvorschubgeschwindigkeit beträgt 60 m/min. Die maximale Beschleunigung beträgt 10 g.
2) Hohe Zuverlässigkeit
Die Bearbeitungsoberfläche von CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verkettung ist komplexer. Die allgemeinen Anforderungen an ihre durchschnittliche störungsfreie Zeit betragen mehr als 20 Stunden. Außerdem sind verschiedene Alarm- und Schutzmaßnahmen erforderlich, um durch Ausfälle verursachte Verluste zu verringern. Die durchschnittliche störungsfreie Zeit von Fremdantrieben kann 000 Stunden erreichen.
3) Hohe Präzision
Mit der Entwicklung von CAM-Systemen wurde die Genauigkeit der Bearbeitung von Werkzeugmaschinen erheblich verbessert. Das japanische Unternehmen FANUC hat eine ultrapräzise Bearbeitungsmaschine mit einer Bearbeitungsgenauigkeit von 0.00 µm entwickelt. Mit ihrer einzigartigen Hin- und Herbewegungseinheit können Mikrorillen mit höchster Präzision hergestellt werden.
4) Verbundwerkstoff
Anders als früher, wo man sich ausschließlich auf Hochgeschwindigkeitsspindeln und Vorschubmechanismen konzentrierte, werden auf dem heutigen Markt immer stärker individuelle Anforderungen gestellt und die Lieferzeiten werden immer kürzer. Daher werden 5-Achs-Bearbeitungszentren tendenziell eher in kleinem Maßstab oder sogar in Einzelstückfertigung hergestellt.
Um dieser Anforderung gerecht zu werden, müssen die Hersteller von Werkzeugmaschinen einen höheren Grad an Verbundwerkstoff-Werkzeugmaschinen entwickeln; das oben erwähnte fünfachsige Fräs-Dreh-Bearbeitungszentrum ist ein wichtiges Beispiel für diesen Trend.
5) Intelligentes, flexibles Netzwerk.
Intelligente Steuerungen sind in verschiedenen Aspekten der Werkzeugmaschinensteuerung enthalten, vor allem adaptive Steuerungstechnik, Fehlerdiagnosegeräte und intelligente digitale Ho-Service-Laufwerke. Netzwerkdiagnose, Fernsteuerung, Netzwerkdesign und der Aufstieg der Technologie, um die Netzwerkentwicklung von CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Anbindung zu ermöglichen.
6) Ökologisierung. Die Trocken- oder Halbtrockenschnitttechnologie hat sich rasant entwickelt. In Europa werden etwa 10 bis 15 % der Verarbeitungsprozesse mit Trocken- oder Halbtrockenschnitt durchgeführt.
Fazit
CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verkettung sind in der heutigen verarbeitenden Industrie zu den wichtigsten Verarbeitungswerkzeugen geworden. Mit der fortschreitenden Industrialisierung werden CNC-Werkzeugmaschinen mit fünfachsiger Verkettung in immer mehr Bereichen eingesetzt.