El rápido avance de la tecnología de sistemas CNC ha propiciado el progreso tecnológico de las máquinas herramienta CNC. Para satisfacer las necesidades del mercado y los exigentes requisitos de la tecnología de fabricación moderna para la tecnología CNC, el desarrollo actual de la tecnología CNC a nivel mundial y sus equipos se refleja principalmente en las siguientes características técnicas:
1. Alta velocidad
El desarrollo demáquinas herramienta CNCEl mecanizado a alta velocidad no solo mejora significativamente la eficiencia y los costos de mecanizado, sino que también mejora la calidad y precisión del mecanizado superficial de las piezas. La tecnología de mecanizado de ultraalta velocidad tiene una amplia aplicabilidad para lograr una producción de bajo costo en la industria manufacturera.
Desde la década de 1990, países de Europa, Estados Unidos y Japón han competido por desarrollar y aplicar una nueva generación de máquinas herramienta CNC de alta velocidad, acelerando así el ritmo de desarrollo de este tipo de máquinas. Se han logrado avances en unidades de husillo de alta velocidad (husillo eléctrico, velocidad de 15 000 a 100 000 r/min), componentes de avance de alta velocidad y alta aceleración/deceleración (velocidad de movimiento rápida de 60 - 120 m/min, velocidad de avance de corte de hasta 60 m/min), sistemas CNC y servo de alto rendimiento, y sistemas de herramientas CNC, alcanzando nuevos niveles tecnológicos. Con la resolución de tecnologías clave en una serie de campos técnicos, como mecanismos de corte de ultraalta velocidad, materiales para herramientas ultraduros, resistentes al desgaste y de larga duración, y herramientas de rectificado abrasivo, husillos eléctricos de alta potencia y alta velocidad, componentes de avance accionados por motores lineales de alta aceleración/deceleración, sistemas de control de alto rendimiento (incluidos sistemas de monitorización) y dispositivos de protección, se ha sentado una base técnica para el desarrollo y la aplicación de la nueva generación de máquinas herramienta CNC de alta velocidad.
En la actualidad, en el mecanizado de ultra alta velocidad, la velocidad de corte de torneado y fresado ha alcanzado más de 5000-8000m/min; La velocidad del husillo es superior a 30000 rpm (algunos pueden alcanzar hasta 100000 rpm); La velocidad de movimiento (velocidad de avance) del banco de trabajo: superior a 100m/min (algunos hasta 200m/min) con una resolución de 1 micrómetro y superior a 24m/min con una resolución de 0,1 micrómetros; Velocidad de cambio automático de herramienta en 1 segundo; La velocidad de avance para la interpolación de líneas pequeñas alcanza los 12m/min.
2. Alta precisión
El desarrollo demáquinas herramienta CNCLa transición del mecanizado de precisión al mecanizado de ultraprecisión es una dirección en la que las potencias industriales de todo el mundo se han comprometido. Su precisión abarca desde el nivel micrométrico hasta el submicrónico, e incluso el nanométrico (<10 nm), y su rango de aplicación es cada vez más amplio.
Actualmente, bajo el requisito del mecanizado de alta precisión, la precisión de mecanizado de las máquinas herramienta CNC comunes ha aumentado de ± 10 μ Aumentar m a ± 5 μ M; La precisión de mecanizado de los centros de mecanizado de precisión varía de ± 3 a 5 μ m. Aumentar a ± 1-1,5 μ m. Incluso más alto; La precisión de mecanizado de ultra precisión ha entrado en el nivel nanométrico (0,001 micrómetros), y se requiere que la precisión de rotación del husillo alcance 0,01~0,05 micrómetros, con una redondez de mecanizado de 0,1 micrómetros y una rugosidad de la superficie de mecanizado de Ra=0,003 micrómetros. Estas máquinas herramienta generalmente utilizan husillos eléctricos de accionamiento de frecuencia variable controlados por vector (integrados con el motor y el husillo), con un descentramiento radial del husillo inferior a 2 µm, un desplazamiento axial inferior a 1 µm y un desequilibrio del eje que alcanza el nivel G0,4.
El sistema de avance de las máquinas herramienta de mecanizado de alta velocidad y precisión incluye principalmente dos tipos: servomotor rotatorio con husillo de bolas de alta velocidad y motor lineal de accionamiento directo. Además, las máquinas herramienta paralelas emergentes también facilitan el avance a alta velocidad.
Gracias a su tecnología avanzada y a su amplia aplicación, los husillos de bolas no solo alcanzan una alta precisión (ISO3408 nivel 1), sino que también ofrecen un coste relativamente bajo para el mecanizado de alta velocidad. Por ello, se siguen utilizando en numerosas máquinas de mecanizado de alta velocidad. La máquina herramienta de mecanizado de alta velocidad actual accionada por husillo de bolas alcanza una velocidad máxima de movimiento de 90 m/min y una aceleración de 1,5 g.
El husillo de bolas pertenece a la transmisión mecánica, que inevitablemente implica deformación elástica, fricción y holgura inversa durante el proceso de transmisión, lo que resulta en histéresis de movimiento y otros errores no lineales. Para eliminar el impacto de estos errores en la precisión del mecanizado, en 1993 se aplicó el accionamiento directo con motor lineal a las máquinas herramienta. Al ser una "transmisión cero" sin enlaces intermedios, no solo presenta baja inercia de movimiento, alta rigidez del sistema y respuesta rápida, sino que también permite alcanzar alta velocidad y aceleración, y su longitud de carrera es teóricamente ilimitada. La precisión de posicionamiento también alcanza un alto nivel gracias a la acción del sistema de retroalimentación de posición de alta precisión, lo que lo convierte en un método de accionamiento ideal para máquinas herramienta de mecanizado de alta velocidad y alta precisión, especialmente para máquinas herramienta medianas y grandes. Actualmente, la velocidad máxima de movimiento rápido de las máquinas de mecanizado de alta velocidad y alta precisión que utilizan motores lineales ha alcanzado los 208 m/min, con una aceleración de 2 g, y aún existe margen de desarrollo.
3. Alta confiabilidad
Con el desarrollo de aplicaciones en red demáquinas herramienta CNCLa alta fiabilidad de las máquinas herramienta CNC se ha convertido en un objetivo perseguido por los fabricantes de sistemas CNC y de máquinas herramienta CNC. En una fábrica sin personal que trabaja en dos turnos diarios, si se requiere trabajar de forma continua y normal dentro de las 16 horas con una tasa libre de fallos de P(t)=99% o superior, el tiempo medio entre fallos (MTBF) de la máquina herramienta CNC debe ser superior a 3000 horas. Para una sola máquina herramienta CNC, la relación de tasa de fallos entre el host y el sistema CNC es de 10:1 (la fiabilidad del CNC es un orden de magnitud superior a la del host). En este punto, el MTBF del sistema CNC debe ser superior a 33333,3 horas, y el MTBF del dispositivo CNC, el husillo y el accionamiento debe ser superior a 100000 horas.
El MTBF de los dispositivos CNC extranjeros actuales supera las 6000 horas, y el del dispositivo de accionamiento, las 30 000 horas. Sin embargo, aún existe una brecha con respecto al objetivo ideal.
4. Capitalización compuesta
En el proceso de procesamiento de piezas, se consume mucho tiempo innecesario en la manipulación, carga y descarga de piezas, instalación y ajuste, cambio de herramientas y aumento y disminución de la velocidad del husillo. Para minimizar al máximo este tiempo innecesario, se busca integrar diferentes funciones de procesamiento en la misma máquina herramienta. Por ello, las máquinas herramienta de función compuesta se han convertido en un modelo de rápido desarrollo en los últimos años.
El concepto de mecanizado de materiales compuestos con máquina herramienta, en el ámbito de la fabricación flexible, se refiere a la capacidad de una máquina herramienta de realizar automáticamente el mecanizado multiproceso con el mismo o diferentes métodos de proceso, según un programa de mecanizado CNC, tras sujetar la pieza de trabajo en una sola pasada. Esto permite completar diversos procesos de mecanizado, como torneado, fresado, taladrado, mandrinado, rectificado, roscado, escariado y expansión de piezas con formas complejas. En el caso de las piezas prismáticas, los centros de mecanizado son las máquinas herramienta más habituales que realizan el mecanizado multiproceso de materiales compuestos utilizando el mismo método. Se ha demostrado que el mecanizado de materiales compuestos con máquina herramienta puede mejorar la precisión y la eficiencia del mecanizado, ahorrar espacio y, sobre todo, acortar el ciclo de mecanizado de las piezas.
5. Poliaxialización
Con la popularización de los sistemas CNC de varillaje de 5 ejes y el software de programación, los centros de mecanizado controlados por varillaje de 5 ejes y las fresadoras CNC (centros de mecanizado verticales) se han convertido en un foco de desarrollo actual. Debido a la simplicidad del control por varillaje de 5 ejes en la programación CNC para fresas de punta esférica al mecanizar superficies libres, y la capacidad de mantener una velocidad de corte razonable para las fresas de punta esférica durante el proceso de fresado de superficies 3D, como resultado, la rugosidad de la superficie de mecanizado mejora significativamente y la eficiencia de mecanizado mejora considerablemente. Sin embargo, en las máquinas herramienta controladas por varillaje de 3 ejes, es imposible evitar que el extremo de la fresa de punta esférica con una velocidad de corte cercana a cero participe en el corte. Por lo tanto, las máquinas herramienta de varillaje de 5 ejes se han convertido en el foco del desarrollo activo y la competencia entre los principales fabricantes de máquinas herramienta debido a sus ventajas de rendimiento irremplazables.
Recientemente, en el extranjero se sigue investigando el control de varillaje de 6 ejes con herramientas de corte estáticas en centros de mecanizado. Si bien su forma de mecanizado no está restringida y la profundidad de corte puede ser muy fina, la eficiencia del mecanizado es demasiado baja y resulta difícil de implementar.
6. Inteligencia
La inteligencia es una dirección fundamental para el desarrollo de la tecnología de fabricación en el siglo XXI. El mecanizado inteligente es un tipo de mecanizado basado en el control de redes neuronales, el control difuso, la tecnología de redes digitales y la teoría. Su objetivo es simular las actividades inteligentes de expertos humanos durante el proceso de mecanizado para resolver numerosos problemas inciertos que requieren intervención manual. El contenido de la inteligencia abarca diversos aspectos de los sistemas CNC:
Para lograr la eficiencia y calidad del procesamiento inteligente, como el control adaptativo y la generación automática de parámetros del proceso;
Para mejorar el rendimiento de conducción y facilitar la conexión inteligente, como el control de avance, el cálculo adaptativo de los parámetros del motor, la identificación automática de cargas, la selección automática de modelos, el autoajuste, etc.;
Programación simplificada y operación inteligente, como programación automática inteligente, interfaz hombre-máquina inteligente, etc.
El diagnóstico y la monitorización inteligentes facilitan el diagnóstico y el mantenimiento del sistema.
En el mundo se encuentran en investigación muchos sistemas de corte y mecanizado inteligentes, entre los que destacan las soluciones de mecanizado inteligente para perforación de la Asociación de Investigación de Dispositivos CNC Inteligentes de Japón.
7. Redes
El control en red de máquinas herramienta se refiere principalmente a la conexión y el control en red entre la máquina herramienta y otros sistemas de control externos o computadoras superiores mediante el sistema CNC. Las máquinas herramienta CNC generalmente se conectan primero al centro de producción y a la red local (LAN) interna de la empresa, y luego al exterior a través de Internet, lo que se conoce como tecnología de Internet/Intranet.
Con la madurez y el desarrollo de la tecnología de redes, la industria ha propuesto recientemente el concepto de fabricación digital. La fabricación digital, también conocida como "fabricación electrónica", es uno de los símbolos de la modernización en las empresas de fabricación mecánica y el método de suministro estándar para los fabricantes internacionales de máquinas herramienta avanzadas. Con la adopción generalizada de las tecnologías de la información, cada vez más usuarios domésticos requieren servicios de comunicación remota y otras funciones al importar máquinas herramienta CNC. Gracias a la adopción generalizada del CAD/CAM, las empresas de fabricación mecánica utilizan cada vez más equipos de mecanizado CNC. El software de aplicación CNC es cada vez más completo y fácil de usar. El diseño virtual, la fabricación virtual y otras tecnologías son cada vez más utilizadas por el personal técnico y de ingeniería. La sustitución de hardware complejo por inteligencia de software se está convirtiendo en una tendencia importante en el desarrollo de las máquinas herramienta contemporáneas. Con el objetivo de la fabricación digital, han surgido diversos software avanzados de gestión empresarial, como el ERP, mediante la reingeniería de procesos y la transformación de las tecnologías de la información, generando mayores beneficios económicos para las empresas.
8. Flexibilidad
La tendencia de las máquinas herramienta CNC hacia sistemas de automatización flexibles es desarrollar desde punto (máquina CNC única, centro de mecanizado y máquina de mecanizado compuesto CNC), línea (FMC, FMS, FTL, FML) a superficie (isla de fabricación independiente, FA) y cuerpo (CIMS, sistema de fabricación integrado de red distribuida), y por otro lado, enfocarse en la aplicación y la economía. La tecnología de automatización flexible es el principal medio para que la industria manufacturera se adapte a las demandas dinámicas del mercado y actualice rápidamente los productos. Es la tendencia principal del desarrollo de la fabricación en varios países y la tecnología fundamental en el campo de la fabricación avanzada. Su enfoque está en mejorar la confiabilidad y la practicidad del sistema, con el objetivo de facilitar la red y la integración; Enfatiza el desarrollo y la mejora de la tecnología de la unidad; La máquina CNC única está evolucionando hacia alta precisión, alta velocidad y alta flexibilidad; Las máquinas herramienta CNC y sus sistemas de fabricación flexibles se pueden conectar fácilmente con CAD, CAM, CAPP, MTS y desarrollar hacia la integración de la información; El desarrollo de sistemas de red hacia la apertura, la integración y la inteligencia.
9. Ecologización
Las máquinas herramienta para corte de metales del siglo XXI deben priorizar la protección del medio ambiente y el ahorro energético, es decir, lograr procesos de corte más ecológicos. Actualmente, esta tecnología de procesamiento ecológico se centra principalmente en la eliminación del fluido de corte, debido a que este no solo contamina el medio ambiente y pone en peligro la salud de los trabajadores, sino que también aumenta el consumo de recursos y energía. El corte en seco se realiza generalmente en atmósfera atmosférica, pero también incluye el corte en atmósferas de gases especiales (nitrógeno, aire frío o mediante tecnología de refrigeración electrostática seca) sin fluido de corte. Sin embargo, para ciertos métodos de mecanizado y combinaciones de piezas, el corte en seco sin fluido de corte es actualmente difícil de aplicar en la práctica, por lo que ha surgido el corte cuasi seco con lubricación mínima (MQL). Actualmente, entre el 10 % y el 15 % del procesamiento mecánico a gran escala en Europa utiliza corte en seco y cuasi seco. En máquinas herramienta, como los centros de mecanizado, diseñados para múltiples métodos de mecanizado y combinaciones de piezas, se utiliza principalmente el corte casi en seco, generalmente mediante la pulverización de una mezcla de cantidades extremadamente pequeñas de aceite de corte y aire comprimido en el área de corte a través del canal hueco dentro del husillo y la herramienta. Entre los diversos tipos de máquinas de corte de metal, la talladora de engranajes es la más utilizada para el corte en seco.
En resumen, el progreso y desarrollo de la tecnología de máquinas herramienta CNC ha propiciado el desarrollo de la industria manufacturera moderna, impulsando el desarrollo de la fabricación hacia una dirección más humanizada. Es previsible que, con el desarrollo de la tecnología de máquinas herramienta CNC y su aplicación generalizada, la industria manufacturera experimentará una profunda revolución que revolucionará el modelo de fabricación tradicional.