Rýchly pokrok v technológii CNC systémov vytvoril podmienky pre technologický pokrok CNC obrábacích strojov. S cieľom uspokojiť potreby trhu a splniť vyššie požiadavky modernej výrobnej technológie na CNC technológiu sa súčasný vývoj svetovej CNC technológie a jej vybavenia odráža najmä v nasledujúcich technických charakteristikách:
1. Vysoká rýchlosť
VývojCNC obrábacie strojesmerom k vysokorýchlostnému smeru môže nielen výrazne zlepšiť efektivitu obrábania a znížiť náklady na obrábanie, ale aj zlepšiť kvalitu obrábania povrchu a presnosť súčiastok. Technológia ultra vysokorýchlostného obrábania má široké uplatnenie na dosiahnutie nízkonákladovej výroby vo výrobnom priemysle.
Od 90. rokov 20. storočia krajiny Európy, Spojených štátov a Japonska súťažia vo vývoji a aplikácii novej generácie vysokorýchlostných CNC obrábacích strojov, čím zrýchľujú tempo vysokorýchlostného vývoja obrábacích strojov. Nové objavy sa dosiahli v oblasti vysokorýchlostných vretenových jednotiek (elektrické vreteno, rýchlosť 15 000 – 100 000 ot./min), vysokorýchlostných a vysokorýchlostných komponentov posuvu s vysokým zrýchlením/spomalením (rýchlosť pohybu 60 – 120 m/min, rýchlosť rezného posuvu až 60 m/min), vysokovýkonných CNC a servo systémov a CNC nástrojových systémov, čím sa dosiahla nová technologická úroveň. Vďaka rozvinutiu kľúčových technológií v rade technických oblastí, ako sú ultrarýchlostné rezacie mechanizmy, ultratvrdé a odolné nástrojové materiály s dlhou životnosťou a abrazívne brúsne nástroje, vysokovýkonné vysokorýchlostné elektrické vreteno, komponenty posuvu poháňané lineárnym motorom s vysokým zrýchlením/spomalením, vysokovýkonné riadiace systémy (vrátane monitorovacích systémov) a ochranné zariadenia, sa vytvoril technický základ pre vývoj a aplikáciu novej generácie vysokorýchlostných CNC obrábacích strojov.
V súčasnosti pri ultrarýchlostnom obrábaní dosiahla rezná rýchlosť sústruženia a frézovania viac ako 5 000 – 8 000 m/min; otáčky vretena sú nad 30 000 ot./min (niektoré môžu dosiahnuť až 100 000 ot./min); rýchlosť pohybu (posuv) pracovného stola: nad 100 m/min (niektoré až do 200 m/min) pri rozlíšení 1 mikrometer a nad 24 m/min pri rozlíšení 0,1 mikrometra; automatická rýchlosť výmeny nástroja do 1 sekundy; rýchlosť posuvu pre interpoláciu malých čiar dosahuje 12 m/min.
2. Vysoká presnosť
VývojCNC obrábacie strojeOd presného obrábania k ultrapresnému obrábaniu je smer, ktorým sa uberajú priemyselné veľmoci na celom svete. Jeho presnosť siaha od mikrometrovej po submikrónovú a dokonca aj nanometrovú úroveň (<10 nm) a rozsah jeho použitia sa čoraz viac rozširuje.
V súčasnosti sa v dôsledku požiadaviek na vysoko presné obrábanie presnosť obrábania bežných CNC obrábacích strojov zvýšila z ± 10 μm na ± 5 μm. Presnosť obrábania presných obrábacích centier sa pohybuje od ± 3 do 5 μm, čo sa môže zvýšiť na ± 1 – 1,5 μm. Ešte vyššie. Presnosť ultra presného obrábania dosiahla nanometrovú úroveň (0,001 mikrometra) a presnosť otáčania vretena musí dosiahnuť 0,01 – 0,05 mikrometra s kruhovitosťou obrábania 0,1 mikrometra a drsnosťou obrábaného povrchu Ra = 0,003 mikrometra. Tieto obrábacie stroje vo všeobecnosti používajú elektrické vretená s vektorovým riadením a premenlivou frekvenciou (integrované s motorom a vretenom) s radiálnym hádzaním vretena menším ako 2 µm, axiálnym posunom menším ako 1 µm a nevyváženosťou hriadeľa dosahujúcou úroveň G0,4.
Pohon posuvu vysokorýchlostných a vysoko presných obrábacích strojov zahŕňa hlavne dva typy: „rotačný servomotor s presnou vysokorýchlostnou guľôčkovou skrutkou“ a „lineárny motor s priamym pohonom“. Okrem toho sa aj nové paralelné obrábacie stroje dajú ľahko dosiahnuť vysokorýchlostný posuv.
Vďaka svojej vyspelej technológii a širokému použitiu dosahujú guľôčkové skrutky nielen vysokú presnosť (ISO3408 úroveň 1), ale majú aj relatívne nízke náklady na dosiahnutie vysokorýchlostného obrábania. Preto sa dodnes používajú v mnohých vysokorýchlostných obrábacích strojoch. Súčasný vysokorýchlostný obrábací stroj poháňaný guľôčkovou skrutkou má maximálnu rýchlosť pohybu 90 m/min a zrýchlenie 1,5 g.
Guľôčková skrutka patrí k mechanickým prevodom, ktoré počas prenosu nevyhnutne zahŕňajú elastickú deformáciu, trenie a spätnú vôľu, čo vedie k hysterézii pohybu a iným nelineárnym chybám. Aby sa eliminoval vplyv týchto chýb na presnosť obrábania, v roku 1993 sa v obrábacích strojoch použil priamy pohon lineárnym motorom. Keďže ide o „nulový prevod“ bez medzičlánkov, má nielen malú zotrvačnosť pohybu, vysokú tuhosť systému a rýchlu odozvu, ale dokáže dosiahnuť aj vysokú rýchlosť a zrýchlenie a jeho dĺžka zdvihu je teoreticky neobmedzená. Presnosť polohovania môže dosiahnuť vysokú úroveň aj pôsobením vysoko presného systému spätnej väzby polohy, čo z neho robí ideálny spôsob pohonu pre vysokorýchlostné a vysoko presné obrábacie stroje, najmä pre stredné a veľké obrábacie stroje. V súčasnosti dosiahla maximálna rýchlosť vysokorýchlostných a vysoko presných obrábacích strojov s lineárnymi motormi 208 m/min so zrýchlením 2g a stále je priestor pre ďalší vývoj.
3. Vysoká spoľahlivosť
S rozvojom sieťových aplikáciíCNC obrábacie strojeVysoká spoľahlivosť CNC obrábacích strojov sa stala cieľom, ktorý sledujú výrobcovia CNC systémov a výrobcovia CNC obrábacích strojov. Pre bezobslužnú továreň, ktorá pracuje na dve zmeny denne, ak sa vyžaduje, aby pracovala nepretržite a normálne do 16 hodín s bezporuchovou mierou P(t) = 99 % alebo viac, musí byť priemerný čas medzi poruchami (MTBF) CNC obrábacieho stroja väčší ako 3 000 hodín. Pre iba jeden CNC obrábací stroj je pomer poruchovosti medzi hostiteľským systémom a CNC systémom 10:1 (spoľahlivosť CNC je o rád vyššia ako spoľahlivosť hostiteľského systému). V tomto bode musí byť MTBF CNC systému väčší ako 33 333,3 hodiny a MTBF CNC zariadenia, vretena a pohonu musí byť väčší ako 100 000 hodín.
Hodnota MTBF súčasných zahraničných CNC zariadení dosiahla viac ako 6 000 hodín a pohonné zariadenie viac ako 30 000 hodín. Je však zrejmé, že od ideálneho cieľa stále existuje rozdiel.
4. Zložené úročenie
V procese spracovania dielov sa spotrebuje veľké množstvo zbytočného času na manipuláciu s obrobkami, nakladanie a vykladanie, inštaláciu a nastavovanie, výmenu nástrojov a zvyšovanie a znižovanie rýchlosti vretena. Aby sa tieto zbytočné časy čo najviac minimalizovali, ľudia sa snažia integrovať rôzne obrábacie funkcie do toho istého obrábacieho stroja. Preto sa v posledných rokoch stali rýchlo sa rozvíjajúcim modelom obrábacie stroje so zloženými funkciami.
Koncept obrábania kompozitných dielov obrábacími strojmi v oblasti flexibilnej výroby sa vzťahuje na schopnosť obrábacieho stroja automaticky vykonávať viacprocesné obrábanie rovnakými alebo rôznymi typmi procesných metód podľa CNC obrábacieho programu po upnutí obrobku naraz, aby sa dokončili rôzne obrábacie procesy, ako je sústruženie, frézovanie, vŕtanie, vyvrtávanie, brúsenie, rezanie závitov, vystružovanie a rozširovanie zložito tvarovaného dielu. Pokiaľ ide o prizmatické diely, obrábacie centrá sú najtypickejšími obrábacími strojmi, ktoré vykonávajú viacprocesné obrábanie kompozitných dielov pomocou rovnakej procesnej metódy. Bolo dokázané, že obrábanie kompozitných dielov obrábacími strojmi môže zlepšiť presnosť a efektivitu obrábania, ušetriť miesto a najmä skrátiť obrábací cyklus dielov.
5. Polyaxializácia
S popularizáciou 5-osových CNC systémov s prepojením a programovacieho softvéru sa 5-osové obrábacie centrá s prepojením a CNC frézky (vertikálne obrábacie centrá) stali aktuálnym vývojovým bodom. Vďaka jednoduchosti 5-osového riadenia prepojenia v CNC programovaní guľových fréz pri obrábaní voľných plôch a schopnosti udržiavať primeranú rýchlosť rezania guľových fréz počas procesu frézovania 3D plôch sa výrazne zlepšuje drsnosť obrábaného povrchu a výrazne sa zvyšuje účinnosť obrábania. Avšak pri 3-osových obrábacích strojoch s riadením prepojenia nie je možné vyhnúť sa účasti konca guľovej frézy s rýchlosťou rezania blízkou nule na rezaní. Preto sa 5-osové obrábacie stroje s prepojením stali predmetom aktívneho vývoja a konkurencie medzi hlavnými výrobcami obrábacích strojov vďaka svojim nenahraditeľným výkonnostným výhodám.
V poslednej dobe sa v zahraničí stále skúma riadenie 6-osových prepojení pomocou nerotačných rezných nástrojov v obrábacích centrách. Hoci ich tvar obrábania nie je obmedzený a hĺbka rezu môže byť veľmi malá, účinnosť obrábania je príliš nízka a je ťažké ju prakticky realizovať.
6. Inteligencia
Inteligencia je hlavným smerom rozvoja výrobných technológií v 21. storočí. Inteligentné obrábanie je typ obrábania založený na riadení neurónovými sieťami, fuzzy riadení, technológii digitálnych sietí a teórii. Jeho cieľom je simulovať inteligentné činnosti ľudských expertov počas procesu obrábania s cieľom vyriešiť mnoho neistých problémov, ktoré vyžadujú manuálny zásah. Obsah inteligencie zahŕňa rôzne aspekty CNC systémov:
Snaha o dosiahnutie inteligentnej efektívnosti a kvality spracovania, ako je adaptívne riadenie a automatické generovanie procesných parametrov;
Zlepšiť jazdný výkon a uľahčiť inteligentné prepojenie, ako je napríklad dopredné riadenie, adaptívny výpočet parametrov motora, automatická identifikácia záťaže, automatický výber modelov, samoladenie atď.;
Zjednodušené programovanie a inteligentná prevádzka, ako napríklad inteligentné automatické programovanie, inteligentné rozhranie človek-stroj atď.;
Inteligentná diagnostika a monitorovanie uľahčujú diagnostiku a údržbu systému.
Vo svete sa skúma mnoho inteligentných rezacích a obrábacích systémov, medzi ktorými sú reprezentatívne inteligentné obrábacie riešenia pre vŕtanie od Japonskej asociácie pre výskum inteligentných CNC zariadení.
7. Networking
Sieťové riadenie obrábacích strojov sa vzťahuje najmä na sieťové pripojenie a sieťové riadenie medzi obrábacím strojom a inými externými riadiacimi systémami alebo nadradenými počítačmi prostredníctvom vybaveného CNC systému. CNC obrábacie stroje sa zvyčajne najprv pripájajú k výrobnému miestu a vnútornej lokálnej sieti LAN podniku a potom sa pripájajú k vonkajšiemu priestoru podniku prostredníctvom internetu, čo sa nazýva internetová/intranetová technológia.
S rozvojom sieťových technológií priemysel nedávno navrhol koncept digitálnej výroby. Digitálna výroba, známa aj ako „e-výroba“, je jedným zo symbolov modernizácie v strojárskych podnikoch a štandardnou metódou dodávok pre medzinárodných výrobcov pokročilých obrábacích strojov. S rozsiahlym prijatím informačných technológií stále viac domácich používateľov vyžaduje pri dovoze CNC obrábacích strojov služby vzdialenej komunikácie a ďalšie funkcie. Na základe rozsiahleho prijatia CAD/CAM strojárske podniky čoraz viac používajú CNC obrábacie zariadenia. Aplikačný softvér CNC sa stáva čoraz bohatším a užívateľsky prívetivejším. Virtuálny dizajn, virtuálna výroba a ďalšie technológie sú čoraz viac využívané inžinierskymi a technickými pracovníkmi. Nahradenie zložitého hardvéru softvérovou inteligenciou sa stáva dôležitým trendom vo vývoji súčasných obrábacích strojov. S cieľom digitálnej výroby sa prostredníctvom reinžinieringu procesov a transformácie informačných technológií objavilo množstvo pokročilého softvéru na riadenie podniku, ako napríklad ERP, čo pre podniky vytvára vyššie ekonomické výhody.
8. Flexibilita
Trend CNC obrábacích strojov smerom k flexibilným automatizačným systémom spočíva v rozvoji od bodu (CNC samostatný stroj, obrábacie centrum a CNC kombinovaný obrábací stroj), linky (FMC, FMS, FTL, FML) k povrchu (nezávislý výrobný ostrov, FA) a telu (CIMS, distribuovaný sieťový integrovaný výrobný systém) a na druhej strane so zameraním na aplikáciu a ekonomiku. Flexibilná automatizačná technológia je hlavným prostriedkom pre výrobný priemysel, aby sa prispôsobil dynamickým požiadavkám trhu a rýchlo aktualizoval produkty. Je to hlavný trend rozvoja výroby v rôznych krajinách a základná technológia v oblasti pokročilej výroby. Zameriava sa na zlepšenie spoľahlivosti a praktickosti systému s cieľom jednoduchého prepojenia a integrácie; kladie dôraz na vývoj a zdokonaľovanie jednotkovej technológie; CNC samostatný stroj sa vyvíja smerom k vysokej presnosti, vysokej rýchlosti a vysokej flexibilite; CNC obrábacie stroje a ich flexibilné výrobné systémy sa dajú ľahko prepojiť s CAD, CAM, CAPP, MTS a vyvíjať sa smerom k integrácii informácií; rozvoj sieťových systémov smerom k otvorenosti, integrácii a inteligencii.
9. Ekologizácia
Obrábacie stroje na kov 21. storočia musia uprednostňovať ochranu životného prostredia a úsporu energie, teda dosiahnutie ekologizácie procesov rezania. V súčasnosti sa táto zelená technológia spracovania zameriava najmä na nepoužívanie reznej kvapaliny, najmä preto, že rezná kvapalina nielen znečisťuje životné prostredie a ohrozuje zdravie pracovníkov, ale tiež zvyšuje spotrebu zdrojov a energie. Suché rezanie sa vo všeobecnosti vykonáva v atmosfére, ale zahŕňa aj rezanie v špeciálnych plynových atmosférach (dusík, studený vzduch alebo použitie technológie suchého elektrostatického chladenia) bez použitia reznej kvapaliny. Pri určitých metódach obrábania a kombináciách obrobkov je však suché rezanie bez použitia reznej kvapaliny v súčasnosti v praxi ťažko aplikovateľné, preto sa objavilo kvázi suché rezanie s minimálnym mazaním (MQL). V súčasnosti 10 – 15 % rozsiahlych mechanických spracovaní v Európe používa suché a kvázi suché rezanie. Pri obrábacích centrách, ktoré sú určené pre viacero metód obrábania/kombinácií obrobkov, sa používa hlavne kvázi suché rezanie, zvyčajne vstrekovaním zmesi extrémne malého množstva rezného oleja a stlačeného vzduchu do oblasti rezu cez dutý kanál vo vnútri vretena stroja a nástroja. Spomedzi rôznych typov obrábacích strojov na kov je odvaľovacia fréza na ozubenie najčastejšie používaná na suché rezanie.
Stručne povedané, pokrok a rozvoj technológie CNC obrábacích strojov vytvorili priaznivé podmienky pre rozvoj moderného výrobného priemyslu a podporili rozvoj výroby smerom k humanizovanejšiemu smeru. Dá sa predpokladať, že s rozvojom technológie CNC obrábacích strojov a ich rozšíreným používaním prinesie výrobný priemysel hlbokú revolúciu, ktorá môže otriasť tradičným výrobným modelom.