Der rasante Fortschritt der CNC-Systemtechnologie hat die Voraussetzungen für den technologischen Fortschritt von CNC-Werkzeugmaschinen geschaffen. Um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden und den höheren Anforderungen moderner Fertigungstechnologie für die CNC-Technologie gerecht zu werden, spiegelt sich die aktuelle Entwicklung der weltweiten CNC-Technologie und ihrer Ausrüstung hauptsächlich in den folgenden technischen Merkmalen wider:
1. Hohe Geschwindigkeit
Die Entwicklung vonCNC-WerkzeugmaschinenDurch die Umstellung auf Hochgeschwindigkeit können nicht nur die Bearbeitungseffizienz deutlich verbessert und die Bearbeitungskosten gesenkt, sondern auch die Oberflächenbearbeitungsqualität und -genauigkeit der Teile verbessert werden. Die Ultrahochgeschwindigkeits-Bearbeitungstechnologie ist in der Fertigungsindustrie vielseitig einsetzbar, um eine kostengünstige Produktion zu erreichen.
Seit den 1990er Jahren konkurrieren Länder in Europa, den USA und Japan um die Entwicklung und den Einsatz einer neuen Generation von Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen und beschleunigen so die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen. Durchbrüche wurden bei Hochgeschwindigkeitsspindeln (Elektrospindeln, Drehzahl 15.000–100.000 U/min), Hochgeschwindigkeits- und Hochgeschwindigkeits-Vorschubkomponenten (Eilganggeschwindigkeit 60–120 m/min, Schnittvorschubgeschwindigkeit bis zu 60 m/min), Hochleistungs-CNC- und Servosystemen sowie CNC-Werkzeugsystemen erzielt und damit ein neues technologisches Niveau erreicht. Mit der Entwicklung von Schlüsseltechnologien in einer Reihe von technischen Bereichen wie Hochgeschwindigkeits-Schneidmechanismen, extrem harten, verschleißfesten und langlebigen Werkzeugmaterialien und Schleifwerkzeugen, leistungsstarken Hochgeschwindigkeits-Elektrospindeln, Hochgeschwindigkeits-Linearmotor-Vorschubkomponenten, Hochleistungs-Steuerungssystemen (einschließlich Überwachungssystemen) und Schutzvorrichtungen wurde die technische Grundlage für die Entwicklung und den Einsatz der neuen Generation von Hochgeschwindigkeits-CNC-Werkzeugmaschinen geschaffen.
Derzeit liegt die Schnittgeschwindigkeit beim Drehen und Fräsen bei der Ultrahochgeschwindigkeitsbearbeitung bei über 5.000–8.000 m/min. Die Spindeldrehzahl liegt bei über 30.000 U/min (manche erreichen bis zu 100.000 U/min). Die Bewegungsgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) der Werkbank beträgt über 100 m/min (manche bis zu 200 m/min) bei einer Auflösung von 1 Mikrometer und über 24 m/min bei einer Auflösung von 0,1 Mikrometer. Der automatische Werkzeugwechsel erfolgt innerhalb von 1 Sekunde. Die Vorschubgeschwindigkeit für die Interpolation kleiner Linien erreicht 12 m/min.
2. Hohe Präzision
Die Entwicklung vonCNC-WerkzeugmaschinenVon der Präzisionsbearbeitung zur Ultrapräzisionsbearbeitung – das ist eine Richtung, der sich Industrienationen auf der ganzen Welt verschrieben haben. Die Genauigkeit dieser Bearbeitung reicht vom Mikrometer- über den Submikrometer- bis hin zum Nanometerbereich (<10 nm), und ihr Anwendungsbereich wird immer breiter.
Aufgrund der Anforderungen an die Präzisionsbearbeitung hat sich die Bearbeitungsgenauigkeit herkömmlicher CNC-Werkzeugmaschinen von ± 10 µm auf ± 5 µm erhöht. Präzisionsbearbeitungszentren erreichen eine Bearbeitungsgenauigkeit von ± 3 bis 5 µm und können sogar auf ± 1 bis 1,5 µm ansteigen. Die Ultrapräzisionsbearbeitungsgenauigkeit hat den Nanometerbereich (0,001 Mikrometer) erreicht. Die Spindelrotationsgenauigkeit muss 0,01 bis 0,05 Mikrometer erreichen, die Rundheit der Bearbeitung muss 0,1 Mikrometer und die Oberflächenrauheit Ra = 0,003 Mikrometer betragen. Diese Werkzeugmaschinen verwenden im Allgemeinen vektorgesteuerte elektrische Spindeln mit variabler Frequenz (integrierter Motor und Spindel). Der Rundlauf der Spindel beträgt weniger als 2 µm, die axiale Verschiebung weniger als 1 µm und die Wellenunwucht erreicht ein Niveau von G0,4.
Der Vorschubantrieb von Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsbearbeitungsmaschinen umfasst hauptsächlich zwei Typen: „Rotationsservomotor mit Präzisions-Hochgeschwindigkeits-Kugelumlaufspindel“ und „Linearmotor-Direktantrieb“. Darüber hinaus lassen sich mit neuen parallelen Werkzeugmaschinen auch problemlos Hochgeschwindigkeitsvorschübe erreichen.
Dank ihrer ausgereiften Technologie und breiten Anwendung erreichen Kugelumlaufspindeln nicht nur eine hohe Präzision (ISO 3408 Stufe 1), sondern ermöglichen auch eine relativ kostengünstige Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Daher werden sie auch heute noch in vielen Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsmaschinen eingesetzt. Aktuelle Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsmaschinen mit Kugelumlaufspindelantrieb erreichen eine maximale Bewegungsgeschwindigkeit von 90 m/min und eine Beschleunigung von 1,5 g.
Kugelumlaufspindeln gehören zu den mechanischen Getrieben, die während des Getriebevorgangs unvermeidlich elastische Verformungen, Reibung und Rückwärtsspiel aufweisen, was zu Bewegungshysterese und anderen nichtlinearen Fehlern führt. Um die Auswirkungen dieser Fehler auf die Bearbeitungsgenauigkeit zu eliminieren, wurde 1993 der Linearmotor-Direktantrieb in Werkzeugmaschinen eingeführt. Da es sich um eine „Nullübertragung“ ohne Zwischenglieder handelt, weist er nicht nur eine geringe Bewegungsträgheit, eine hohe Systemsteifigkeit und eine schnelle Reaktion auf, sondern ermöglicht auch hohe Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, und seine Hublänge ist theoretisch unbegrenzt. Durch die Wirkung eines hochpräzisen Positionsrückkopplungssystems kann auch eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht werden, was ihn zu einer idealen Antriebsmethode für Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsbearbeitungsmaschinen macht, insbesondere für mittlere und große Werkzeugmaschinen. Derzeit liegt die maximale Eilganggeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsbearbeitungsmaschinen mit Linearmotoren bei 208 m/min bei einer Beschleunigung von 2 g, und es besteht weiterhin Entwicklungsbedarf.
3. Hohe Zuverlässigkeit
Mit der Entwicklung vernetzter Anwendungen vonCNC-WerkzeugmaschinenDie hohe Zuverlässigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen ist zu einem Ziel geworden, das sowohl von CNC-Systemherstellern als auch von CNC-Werkzeugmaschinenherstellern verfolgt wird. Für eine unbemannte Fabrik, die in zwei Schichten pro Tag arbeitet und innerhalb von 16 Stunden ununterbrochen und normal mit einer fehlerfreien Rate von P (t) = 99 % oder mehr arbeiten soll, muss die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) der CNC-Werkzeugmaschine mehr als 3000 Stunden betragen. Bei nur einer CNC-Werkzeugmaschine beträgt das Ausfallratenverhältnis zwischen Host und CNC-System 10:1 (die Zuverlässigkeit der CNC ist um eine Größenordnung höher als die des Hosts). Zu diesem Zeitpunkt muss die MTBF des CNC-Systems mehr als 33333,3 Stunden betragen und die MTBF von CNC-Gerät, Spindel und Antrieb mehr als 100000 Stunden.
Der MTBF-Wert aktueller ausländischer CNC-Geräte hat über 6.000 Stunden erreicht, und der des Antriebsgeräts hat über 30.000 Stunden erreicht. Es ist jedoch ersichtlich, dass immer noch eine Lücke zum idealen Ziel besteht.
4. Zinseszins
Bei der Teilebearbeitung geht viel Zeit verloren, da Werkstücke gehandhabt, be- und entladen, installiert und eingestellt, Werkzeuge gewechselt und die Spindeldrehzahl erhöht und verringert werden müssen. Um diese Zeit so gering wie möglich zu halten, versucht man, verschiedene Bearbeitungsfunktionen auf derselben Werkzeugmaschine zu integrieren. Daher haben sich Werkzeugmaschinen mit Verbundfunktion in den letzten Jahren rasant entwickelt.
Das Konzept der Werkzeugmaschinen-Verbundbearbeitung im Bereich der flexiblen Fertigung beschreibt die Fähigkeit einer Werkzeugmaschine, nach dem Einspannen des Werkstücks in einem Arbeitsgang automatisch Mehrprozessbearbeitungen mit gleichen oder unterschiedlichen Bearbeitungsmethoden gemäß einem CNC-Bearbeitungsprogramm durchzuführen, um verschiedene Bearbeitungsprozesse wie Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Gewindeschneiden, Reiben und Aufweiten eines komplex geformten Teils abzuschließen. Bei prismatischen Teilen sind Bearbeitungszentren die gängigsten Werkzeugmaschinen, die Mehrprozess-Verbundbearbeitungen mit derselben Bearbeitungsmethode durchführen. Es ist erwiesen, dass die Werkzeugmaschinen-Verbundbearbeitung die Bearbeitungsgenauigkeit und -effizienz verbessern, Platz sparen und insbesondere den Bearbeitungszyklus von Teilen verkürzen kann.
5. Polyaxialisierung
Mit der zunehmenden Verbreitung von 5-Achs-CNC-Systemen und entsprechender Programmiersoftware sind 5-Achs-CNC-gesteuerte Bearbeitungszentren und CNC-Fräsmaschinen (vertikale Bearbeitungszentren) zu einem aktuellen Entwicklungsschwerpunkt geworden. Dank der einfachen 5-Achs-CNC-Programmierung für Kugelkopffräser bei der Bearbeitung freier Flächen und der Möglichkeit, beim Fräsen dreidimensionaler Flächen eine angemessene Schnittgeschwindigkeit für Kugelkopffräser beizubehalten, wird die Rauheit der Bearbeitungsfläche deutlich verbessert und die Bearbeitungseffizienz deutlich gesteigert. Bei 3-Achs-CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen lässt sich jedoch nicht vermeiden, dass das Ende des Kugelkopffräsers mit einer Schnittgeschwindigkeit nahe Null am Schnitt beteiligt ist. Daher stehen 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen aufgrund ihrer unersetzlichen Leistungsvorteile im Fokus aktiver Entwicklung und des Wettbewerbs unter den großen Werkzeugmaschinenherstellern.
In jüngster Zeit wird im Ausland weiterhin an der 6-Achsen-Steuerung von nicht rotierenden Schneidwerkzeugen in Bearbeitungszentren geforscht. Obwohl die Bearbeitungsform nicht eingeschränkt ist und die Schnitttiefe sehr gering sein kann, ist die Bearbeitungseffizienz zu gering und die praktische Umsetzung schwierig.
6. Intelligenz
Intelligenz ist eine wichtige Richtung für die Entwicklung der Fertigungstechnologie im 21. Jahrhundert. Intelligente Bearbeitung basiert auf neuronaler Netzwerksteuerung, Fuzzy-Steuerung, digitaler Netzwerktechnologie und Theorie. Ziel ist es, die intelligenten Aktivitäten menschlicher Experten während des Bearbeitungsprozesses zu simulieren, um viele ungelöste Probleme zu lösen, die manuelle Eingriffe erfordern. Der Inhalt der Intelligenz umfasst verschiedene Aspekte in CNC-Systemen:
Streben nach intelligenter Verarbeitungseffizienz und -qualität, wie z. B. adaptive Steuerung und automatische Generierung von Prozessparametern;
Zur Verbesserung der Fahrleistung und Erleichterung intelligenter Verbindungen, wie z. B. Vorwärtsregelung, adaptive Berechnung von Motorparametern, automatische Identifizierung von Lasten, automatische Auswahl von Modellen, Selbstoptimierung usw.;
Vereinfachte Programmierung und intelligente Bedienung, wie z. B. intelligente automatische Programmierung, intelligente Mensch-Maschine-Schnittstelle usw.;
Intelligente Diagnose und Überwachung erleichtern die Systemdiagnose und -wartung.
Weltweit werden viele intelligente Schneid- und Bearbeitungssysteme erforscht. Repräsentativ hierfür sind die intelligenten Bearbeitungslösungen zum Bohren der Japan Intelligent CNC Device Research Association.
7. Vernetzung
Die vernetzte Steuerung von Werkzeugmaschinen bezieht sich hauptsächlich auf die Netzwerkverbindung und Netzwerksteuerung zwischen der Werkzeugmaschine und anderen externen Steuerungssystemen oder übergeordneten Computern über das ausgestattete CNC-System. CNC-Werkzeugmaschinen sind im Allgemeinen zunächst mit der Produktionsstätte und dem internen LAN des Unternehmens verbunden und stellen dann über das Internet eine Verbindung zur Außenseite des Unternehmens her. Dies wird als Internet-/Intranet-Technologie bezeichnet.
Mit der Weiterentwicklung der Netzwerktechnologie hat die Branche kürzlich das Konzept der digitalen Fertigung eingeführt. Die digitale Fertigung, auch bekannt als „E-Manufacturing“, ist ein Symbol der Modernisierung im Maschinenbau und heute die Standardliefermethode für internationale Hersteller moderner Werkzeugmaschinen. Mit der zunehmenden Verbreitung der Informationstechnologie benötigen immer mehr inländische Anwender Fernkommunikationsdienste und andere Funktionen beim Import von CNC-Werkzeugmaschinen. Aufgrund der zunehmenden Verbreitung von CAD/CAM setzen Maschinenbauunternehmen zunehmend CNC-Bearbeitungsmaschinen ein. CNC-Anwendungssoftware wird immer umfangreicher und benutzerfreundlicher. Virtuelles Design, virtuelle Fertigung und andere Technologien werden zunehmend von Ingenieuren und Technikern genutzt. Der Ersatz komplexer Hardware durch intelligente Software wird zu einem wichtigen Trend in der Entwicklung moderner Werkzeugmaschinen. Im Rahmen der digitalen Fertigung ist durch Prozessreengineering und IT-Transformation eine Reihe fortschrittlicher Unternehmensmanagementsoftware wie ERP entstanden, die Unternehmen höhere wirtschaftliche Vorteile bietet.
8. Flexibilität
Der Trend bei CNC-Werkzeugmaschinen hin zu flexiblen Automatisierungssystemen geht von der Punkt- (CNC-Einzelmaschine, Bearbeitungszentrum und CNC-Verbundbearbeitungsmaschine) über die Linien- (FMC, FMS, FTL, FML) bis zur Flächen- (unabhängige Fertigungsinsel, FA) und Körperautomatisierung (CIMS, verteiltes netzwerkintegriertes Fertigungssystem) und andererseits mit dem Fokus auf Anwendung und Wirtschaftlichkeit. Flexible Automatisierungstechnologie ist für die Fertigungsindustrie das wichtigste Mittel, um sich an die dynamischen Marktanforderungen anzupassen und Produkte rasch zu aktualisieren. Sie ist der Haupttrend der Fertigungsentwicklung in vielen Ländern und die grundlegende Technologie im Bereich der fortschrittlichen Fertigung. Der Fokus liegt auf der Verbesserung der Zuverlässigkeit und Praktikabilität des Systems mit dem Ziel einer einfachen Vernetzung und Integration. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung und Verbesserung der Einheitentechnologie. CNC-Einzelmaschinen entwickeln sich in Richtung hoher Präzision, hoher Geschwindigkeit und hoher Flexibilität. CNC-Werkzeugmaschinen und ihre flexiblen Fertigungssysteme lassen sich problemlos mit CAD, CAM, CAPP, MTS verbinden und entwickeln sich in Richtung Informationsintegration. Die Entwicklung von Netzwerksystemen geht in Richtung Offenheit, Integration und Intelligenz.
9. Begrünung
Bei den spanenden Werkzeugmaschinen des 21. Jahrhunderts müssen Umweltschutz und Energieeinsparung im Vordergrund stehen, d. h. die umweltfreundlicheren Schneidprozesse. Diese umweltfreundliche Bearbeitungstechnologie konzentriert sich derzeit hauptsächlich auf den Verzicht von Kühlschmierstoffen, da Kühlschmierstoffe nicht nur die Umwelt belasten und die Gesundheit der Mitarbeiter gefährden, sondern auch den Ressourcen- und Energieverbrauch erhöhen. Trockenschneiden erfolgt in der Regel in atmosphärischer Atmosphäre, umfasst aber auch das Schneiden in speziellen Gasatmosphären (Stickstoff, Kaltluft oder mittels trockener elektrostatischer Kühlung) ohne Kühlschmierstoff. Für bestimmte Bearbeitungsverfahren und Werkstückkombinationen ist Trockenschneiden ohne Kühlschmierstoff jedoch derzeit in der Praxis schwierig umzusetzen, sodass sich das Quasi-Trockenschneiden mit Minimalmengenschmierung (MMS) etabliert hat. Derzeit werden 10–15 % der großtechnischen mechanischen Bearbeitungen in Europa im Trocken- und Quasi-Trockenschneiden durchgeführt. Bei Werkzeugmaschinen wie Bearbeitungszentren, die für mehrere Bearbeitungsverfahren/Werkstückkombinationen ausgelegt sind, wird hauptsächlich Quasi-Trockenschneiden eingesetzt. Dabei wird üblicherweise eine Mischung aus extrem geringen Mengen Kühlschmierstoff und Druckluft durch einen Hohlkanal in der Maschinenspindel und dem Werkzeug in den Schneidbereich gesprüht. Unter den verschiedenen Arten von Metallschneidemaschinen wird die Wälzfräsmaschine am häufigsten zum Trockenschneiden verwendet.
Kurz gesagt: Der Fortschritt und die Entwicklung der CNC-Werkzeugmaschinentechnologie haben günstige Bedingungen für die Entwicklung der modernen Fertigungsindustrie geschaffen und die Entwicklung der Fertigung in eine humanere Richtung gefördert. Es ist absehbar, dass mit der Entwicklung der CNC-Werkzeugmaschinentechnologie und der weit verbreiteten Anwendung von CNC-Werkzeugmaschinen die Fertigungsindustrie eine tiefgreifende Revolution einleiten wird, die das traditionelle Fertigungsmodell erschüttern kann.